顶进箱体和顶进构筑物技术

20世纪中期到晚后时期基础设施改善的大型计划促成一种需要来建设地铁，地下通道和其它地下构筑物方法不必中断地面交通或者交通流。这样就导致发展基于顶进技术的水平施工法。顶进法原来在60年代和70年代先前创建的。所开发的三种并至今还在使用的主要方法就是箱体顶进、超前支撑结构和模块顶进。

　箱体顶进
现在仍旧在广泛使用的最基本方法就是箱体顶进，就是位于靠近拟将安装位置的始发台上预制箱体构筑物给予顶进入土，而在敞开式盾构机内进行挖掘（参见图1）。


　　许多这样的设施在公路、铁路线和跑道下方进行施工的。由Hochtief承建的英国Smitham 结点车站下越通道可以对所需液压千斤顶数目和尺寸给出一些概念。该结构体重量达8500t，10m高和25m宽，需要总数达14500t顶进力，顶进距离为37m。
　　在美国或许最大截面箱体顶进可算在波斯顿铁路轨线下方进行的三个大型下越通道，也是新建I-90/I-93州际立交“大挖掘”项目部分。隧道箱体24m宽，12m高，最大推进长度为115m。这样的距离需要使用中间站来分配荷载。包含着软性海相沉积并带有古旧桩头和暗埋的码头墙那样麻烦又可变的地层条件，需要冰冻法稳定地层。铁路轨线多半在地面，建造深始发台坑是这些大型隧道箱体建设和安装的关键构件。
　　德国的使用方法是安装临时全面支撑梁来承载拟将建设的构筑物上方铁路轨线荷载。
　　意大利的一种另类方法依据为铁路轨线安装一个支撑结构网格。箱体设计成当在轨线下被顶进时直接滑入结构网格下方，承受这个荷载。
　　法国的方法是“Aurofoncage”，这是根据轨线任一侧都现场浇注箱体，并使用预应力钢索和液压千斤顶，拉动这两个箱体朝向自己，并一边挖掘，直到相遇为止。最后，现浇接缝完成这个构筑物。
　　箱体顶进概念是在世界上许多地方普遍承建项目的一种方法。
　超前支撑构筑物
　　这个技术依据为在主挖掘之前提供一种天棚结构，给予初步的地层支撑方可建造最后构筑物。标准的方法在图2上表明。形成天棚的钢管可以用顶管法，小直径隧道挖掘或螺旋钻机进行。


　　希腊雅典Bohrte道路下越工程的情况，使用导孔试钻技术安装管子。天棚就位之后，挖掘分阶段进行，为管子安装框架以便作支撑。一旦挖掘完和经过支撑，最后阶段就是随着筑路的同时，现浇构筑物墙和顶板。
　模块顶进
　　本文作者1970年代在英国的Cementation公司（后来被Trafalgar House接管）工作时开发了模块法。这个原理是要建立一个支撑或者基础结构，像桥台使用的互联预制构件就是水平方向顶进就位。桥面板安装是从地面非常有限的占地上进行的。


　　这个方法也允许一系列操作从箱体内进行，诸如基础加固，构筑横梁和最后箱体总体预加应力，内充混凝土并固定台板的滑轨。这样的原理在任何时候都尽力减少暴露土层工作面，也要求工地足迹更少和始发面积占地也较小，因为顶进坑仅需较小面积。同类工程也在英国多处进行过。其中最典型的例子就是Wandsworth跨线桥。


　　顶进拱门和顶进台板
　　上一节所描述安装桥台和岸墩的模块系统是新获专利开发的先驱者。这个方法依据是把安装步骤细分为模块活动，这样会有一些好处。
　　这些方法的根据都是准备一段出入箱体和隧道段，这样允许安装滑动轨道尽可能精确到拱门或台板要被顶进的精度，同时在盾构内进行挖掘，从而得到的是一种全方位无扰动安装。
　　顶进拱门原理
　　这个原理依其基本形式包含：
　　第一阶段：安装人孔以进入顶进基础箱体或隧道段，这些在浇筑时带有可拆卸顶盖。这些基础预制件设计成最后能承载静荷载和动荷载。
　　第二阶段：箱体内高精度安装一条合适的滑轨
　　第三阶段：当隔舱式盾构机装接到引导段时，预制拱门段放落到始发台就位，并沿着轨道被顶进，那时盾构内门盖被拆除，开始挖掘。
　　基本原理有一些改变。
　顶进台板原理
　　另一种开发就是顶进台板，这样可与各种基础构型结合起来。
　　其中之一的系统就是上述模块系统，也就是，这些顶部箱体可内部改装成能安装滑轨。这些顶部箱体设计成可拆卸段，当台板被顶进就位时显露出滑轨。被顶进台板，就是可从现场浇注的全部构筑物或是预制梁形成，装设有分舱式盾构，那里进行着工作面挖掘。
　　这个原理用在最近肯特郡Cliff End的东肯特出入道路铁路轨线下方，安装长126m × 净跨度20 m下越通道。
　　初步设计书和承建书是依据模块式拱座施工，但是随后改成基桩拱座的暗挖隧道。
　　为安装滑轨而提供出入通道的引道是根据模块拱座和顶进的通道箱体。图3表明一条暗挖通路的另类方案，凡是在土层不稳定的地方都可以采用压力平衡方法安装。被顶进的箱体或者隧道提供通道得以安装基桩拱座。


　　应用
　　顶进拱门和台板法的应用可以提供较为安全、较快速和少干扰的大型地下构筑物安装的方法。诸如，下越通道、地铁车站、始发箱体和泊车场。这个方法学原理如果与当前各种方法相比，对淤积土施工有很大益处，因为它在任何阶段都提供全面的结构衬砌。
这些方法和另类方法同样可应用于小干扰的大型地下构筑物构筑时。
　地铁地下车站
　　顶进拱门和顶进台板两者技术具有安装地铁地下车站箱体的能力。
　　车站长度取决于需要能接纳一些车辆的站台长度。当前各站的跨度和长度很容易得到满足，而较长的站台也可办到。能满足众多要求的各种布置图现在也备有。
始发箱体
　　建造箱体提供让盾构得以始发挖掘区间隧道的地下构筑物。它们提供在其内部可以建造永久车站的基本构筑物。
　　通常这些是22～24m跨度，大约长200m。其高度取决于拟将推进的隧道直径，但是对于双轨线隧道来说，这可以是6～7m ，因此其箱体内部深度可以达到8m甚至于10m。这些构筑物将从中心出入井向两个方向推进，使用顶进台板法以便取得该项目所需的净跨度。
　益处
　　顶进拱门和顶进台板的具体益处是：
　　•用全面结构衬砌连续支撑挖掘，消除可能的倒塌；
　　•对工人们的伤亡危险几乎全消除了；
　　•极少的地表沉降，并且邻近建筑物、置业和公众利益全得到保障；
　　•这些方法适合于建设浅埋的或深埋的构筑物；
　　•顶进拱门和顶进台板构筑物如果与顶进箱体相比，可以取得较大的净跨度，顶进长度又较长；
　　•形成构筑物的顶进预制构件可以从较小的始发井开始挖掘；
　　•始发井的要求减少了；
　　•模块预制件可以预制并运到工地。其质量和精度可以达到工厂生产技术所取得的较高质量。
　　•顶进荷载大为减少，而这就是说可配备较少的千斤顶和较小反力。
　　•完工构筑物在长度和标高方面精确到几个厘米。


　最后评论
　　虽然顶进概念显得简单，当在运营中的铁轨和公路下方工作时面临着高风险，始终需要高水平的监管。
　　不像大多数土建工作，仅有一次机会将它做好，其概念、详细设计拟订和安装步骤都需要仔细规划和控制。而且有许多重要区域，其中像岩土工程，包括预处理、盾构设计、挖掘步骤、沉降控制、紧密尺寸控制和优质构筑物，减少摩擦和防止土颗粒迁徙的防阻力系统都是重要的，就像提供足够的顶进荷载，还有适用于被顶进构筑物的应用。
　　最后，必须制备顶进荷载对构筑物的制约因素。