超近距箱涵顶进上跨既有地铁线路施工关键技术

1 工程概况

1.1 工程简介

以北京芙蓉路匝道箱涵顶进上穿既有地铁项目为背景，考虑到匝道施工箱涵体底部与既有地铁隧道结构顶部净距及箱涵体尺寸是影响既有地铁受力变形的主要因素，在此仅对一期匝道展开分析讨论。匝道结构净宽19.5m，净高8.6m，覆土1.573m，结构底板距离区间拱顶4.0~4.4m；顶程40m，最大顶力90756kN（约9076t）。按地层从上至下主要为人工填土、粉土、粘性土和砂层的交互层。地下水分为3层：潜水（一）水位8.60~9.65m，承压水（二）水头标高9.330~9.960m；承压水（三）水头标高4.540~4.320m。

1.2 工程特点

（1）上跨区域环境复杂，覆土较浅。上跨区域下有正在运营地铁，上有芙蓉路导改和施工临时道路，地铁隧道顶与匝道结构底间距仅4.1m，施工环境复杂，地铁上浮安全风险大，控制值仅2mm。

（2）箱涵顶进时空效应影响。上跨地铁区域需要明挖顶进，需先将地铁隧道顶部荷载卸除，长期临空易造成隧道大变形及基坑隆起。

（3）箱涵顶进精度控制。箱涵从地铁隧道上方穿越，结构底板下细砂层较为松软，净距仅4.1m，穿越距离长，约40m，宽度大，约20m，影响范围较广。需考虑顶进精度控制的问题，防止箱涵结构扎头危及地铁隧道安全。

（4）顶进段基底注浆加固。箱涵结构底深孔注浆厚度设计为2m，由于注浆层处在地表下方较深处，控制注浆相对比较困难。若注浆量得不到有效控制，可能危及地铁盾构隧道安全。

2 技术措施及实施

2.1 上跨地铁6号线方案设计

基坑开挖施工，因土方卸荷改变了坑底土体受力状态，导致土体产生回弹，进而造成下方既有线结构产生抬升。如果在基坑开挖至底部时及时对基底进行加载，能有效平衡大部分开挖卸荷，减小隧道顶部的竖向抬升。

为此，采用箱涵顶进施工工法，箱涵预制再顶推可以减少既有线上方基坑暴露的时间，并在箱涵结构上进行配重来平衡卸土量。顶推段分步开挖至设计标高后，快速顶进就位及时加载补偿土体的卸载，限制土体因开挖所引起的坑底隆起作用。上跨地铁6号线施工分一期和二期，施工分区均按工作坑、箱涵顶推段、箱涵对接区和合槽施工区4个区域考虑。

2.2 工艺流程

施工准备→支护桩、后背桩及阀袖管施工→工作坑开挖→后备梁、抗滑梁和滑板施工→箱涵预制→箱涵顶进→拆除配重并回填施工。

2.3 非全嵌固桩施工技术

基坑支护桩底与既有地铁结构顶垂直距离最近为2.61?m。地铁结构上部土方开挖后上覆土最薄处仅为4.11?m。施工存在较大安全隐患，施工期间拟采取以下措施。

（1）支护桩施工采用长螺旋钻孔中心泵压混凝土后植钢筋笼施工工艺，避免了常规旋挖钻机的泥浆渗漏。

（2）为防止钻孔误伤地铁6号线隧道结构，对长螺旋钻机的钻杆长度进行限配，要求比设计桩长不超过50 cm，再在桩机大臂上设置限位标识杆，对钻孔深度进行双控。

（3）支护桩施工采取“隔二打一”跳打施工，相邻桩施工间隔时间不小于24 h，避免支护桩施工发生串孔风险。

2.4 袖阀管注浆加固技术

袖阀管注浆加固由下向上注浆、先低压后高压；严格控制施工过程中的注浆量、注浆压力、注入率。注浆压力达到设计终压，且注浆量达到设计注浆量的80%以上，可结束单孔注浆。注浆压力未能达到设计终压，当注浆量已达到设计注浆量的1.5倍，且无漏浆现象，可结束单孔注浆。注浆压力达到设计终压，注浆量未达到设计量的80%时，应根据相邻导管注浆量大小，判断是否可以终止单孔注浆，根据实际情况确认是否补充注浆。

2.5 箱涵体滑板施工技术

（1）按照设计要求，选择匹配的钢筋，进行加工制作安装。（2）混凝土浇筑时，对进场混凝土进行坍落度等指标的检测，合格后进行浇筑，并按规定振捣。（3）浇筑完成后严格按照相关标准进行养护，达到规定强度后施工隔离层。（4）设置润滑层和隔离层，润滑层和隔离层由润滑剂和隔离层两部分组成。润滑剂采用机油、滑石粉按3∶7配置，厚度3mm；隔离层可采用塑料薄膜等，隔离层的接缝应按顶进方向搭接，并粘结牢固。（5）最后施工隔离层保护层，即在塑料布上浇筑一层厚约2cm的M20水泥砂浆。待强度达到60?％后，便可在其上进行施工放线，开始箱涵预制施工。

2.6 箱涵体配重

顶进时，为避免土方开挖卸荷对地铁区间产生大的影响，在箱涵上及箱体内设置钢锭配重。配重重量取卸载土方重量的70%左右，根据设计要求，每延米匝道箱涵需配重84t，总配重3360t。在箱涵顶板及底板上均匀布置钢锭，此外在距离现场南侧400m处预留应急配重块约1000t。匝道顶板配重：钢锭尺寸为80cm×80cm×40cm，重量约2t，共1248t；匝道底板配重：钢锭尺寸为40cm×40cm×4m和40cm× 40cm×6m，重量约4t和6t，每层为1000t，共设两层2000t。一期匝道配重共计3248t，如图1所示。

图1 一期匝道配重示意

2.7 箱涵体顶推力设计计算

箱涵顶进受力简图如图2所示。

（a）

（b）

图2 箱涵顶进受力示意

（a）受力横断面；（b）受力平面

匝道箱涵最大顶推力计算如下。 匝道截面面积为52.508m ² ，匝道箱涵结构自重为5907t，既有地铁线卸土重为15007t，钢锭配重为3360t。匝道箱涵自重与钢锭配重，加载量是卸土量的61.8%。采用明挖顶推法无上部覆土，顶板距离地面1.8m，故箱涵体上部荷载标准值为0。匝道箱涵两侧土压力为1941t。匝道箱涵最大顶推力为9339t。

3 数值模拟及监测结果

3.1 车站区间数值建模

采用FLAC 3D进行数值建模，根据拟建地块放坡开挖基坑以及既有地铁区间基坑支护设计图，将地基划分为3层，第一层为填筑土，第二层为细砂，第三层为粉质粘土。模型长宽高为130m×100m×60m，节点共计280545个，单元共计270048个，其中 x 方向为箱涵体顶进方向， y 方向垂直于顶进方向并平行于水平面， z 方向竖直向上，如图3所示，模型参数见表1。

图3 数值模型

表1 相关物理力学参数

3.2 车站区间竖向位移结果分析

既有地铁顶底板竖向变形如图4所示。箱涵顶进施工结束后，左右侧地铁线结构顶部竖向变形基本一致，由于土体的卸荷，既有地铁线路结构呈现上浮趋势，既有地铁线路与箱涵距离越近，竖向位移越大。

（a）

（b）

（c）

（d）

图4 既有地铁顶底板竖向位移

（a）左侧顶板竖向位移；（b）左侧底板竖向位移；（c）右侧顶板竖向位移；（d）右侧底板竖向位移

图4（a）、图4（c）显示既有地铁线路结构底板竖向位移变化规律与既有地铁线路结构顶板竖向位移的变化规律一致，右侧既有地铁线路底部结构距离箱涵施工处较远，受到的施工影响相对较小，因此竖向位移数值较小。箱涵顶进不同长度时，左、右既有地铁线路竖向位移规律存在较大差异，箱涵顶进前半程，左侧既有地铁线路先受到施工影响较重，造成左侧隧道顶板、底板竖向位移变化幅度远大于右侧隧道顶板、底板竖向位移变化幅度；箱涵顶进后半程，左侧既有地铁线路顶板竖向位移增长幅度较小，既有地铁线路整体变形呈椭圆形。

3.3 后背墙及后背土监测结果

在后排围护桩同一水平面安装布设6个监测棱镜，沿高度方向布置3排，共计18个棱镜，用于测量桩体水平位移及竖向位移，在顶部及底部安装测点测量围护桩倾斜，监测设备采用高精度测量机器人。控制点布设在不受施工影响的通视区域，并以此为基准，同时参照场地实际情况，以不影响施工、便于保护和观测为前提进行自动化监测系统布设。

本项目在围护桩后方后背土安装3点深层位移测点，具体为基坑角2个，跨中1个，钻孔深度20m，孔径90mm，安装70mm测斜管，在测斜管中安放阵列位移计，如图5所示，监测结果如图6所示。

图5 后背墙棱镜测点

（a）

（b）

图6 后背土深层变形

（a）边部后背土深层变形；（b）跨中后背土深层变形

由图6可以发现：在顶推力的反作用下，地面标高处后背土向坑内变形，最大为8.75mm，埋深8m处变形最大，为8.32mm，其中2~20m埋深范围内后背土变形呈抛物线变化趋势；后背土整体在2m埋 深处出现拐点。

后背墙水平位移如图7所示。由图7可知：箱涵顶进施工时，由后墙中间位置向两侧边缘扩散顶进力传递给后墙的反力，进而造成后墙中间位置最大，约39.6mm。在围护桩竖向剖面，靠近顶推点的C位移最大，B次之，A最小。但由于后背墙的整体刚度较大，位移沿桩长方向为线性变化。

图7 后背墙水平位移

顶推力与顶推距离关系如图8所示。由图8可知：仅考虑箱涵外壁与土体及底板与滑板间摩阻力，顶进力理论计算值和现场监测值均呈现出不断增大的 变化趋势，且随顶进距离增大，顶进力理论计算值近似于线性变化，顶进力理论计算值和现场监测值趋于相等。

图8 顶推力与顶推距离关系

4 结论

（1）采取“袖阀管注浆+非全嵌固桩”进行底板及基坑加固的方法，显著提高了地基承载力，降低了箱涵顶进对既有地铁线路的影响。

（2）箱涵顶进施工时，既有地铁线水平位移主要分布在既有地铁线路结构上半部分稍偏左位置，右侧拱腰稍偏下位置水平位移较小，顶推完成后既有地铁线路整体变形呈椭圆形；箱涵顶进施工穿越既有地铁线路正上方对结构竖向和水平变形影响均较大。