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1、上海市中环线北虹路地道工程采用首创的大断面管幕箱涵顶进施工技术施工实行方案简介上海港远建设工程有限公司2023年5月上海市中环线A3.5标管幕法地道从虹许路、虹桥路口穿越虹桥路和西郊宾馆至北虹路。管幕段地道长度126m，双向八车道，宽34.2m，高7.85m，是国内初次在饱和软土地层中进行管幕法工程，也是目前世界上第一大断面的管幕法工程。该工程管幕段地处上海市第层饱和软土地层中，含水量大，强度低。保护虹桥路及周边环境，对地表变形控制规定严格。结合工程实际发明性地开发出超大断面管幕箱涵顶进工法。与现有的国外管幕法工程相比，本工法有以下特点，1）管幕内土体不加固，不需开挖导洞 2）运用暗埋段做顶进
2、后靠 3) 箱涵推动时采用网格工具头稳定开挖面土体 4）在箱涵推动过程中，在管幕与箱涵之间压注复合泥浆，控制地面沉降和减小推动阻力重要施工工艺如下： 第一步：施工南、北两座工作井，工作井采用地下连续墙法施工，工作井平面尺寸为44m24m17m，出洞口土体采用深搅桩加固，加固强度qu0.8Mpa，加固范围33m8m18m。第二步:采用8套泥水平衡顶管机同时进行钢管幕顶进施工。用80根D97010带锁口的钢管形成口字型管幕，管幕段长度126m，管幕内断面尺寸为34.4m8.05m，顶进结束后对锁口处进行防水注浆，并在钢管内充填混凝土，以形成水平矩形密封钢管幕。第三步：由北工作井向南工作井逐节制作和
3、推动箱涵。箱涵分节长度为18m，箱涵外包尺寸为34.4m7.85m，顶板厚1.3m，底板厚1.4m，侧墙厚1.0m，中隔墙厚0.8m，为两孔双向八车道箱涵。在首节箱涵前端安装钢网格工具头，以稳定开挖面土体。箱涵推动采用14组112只2500KN的液压油缸，总推力280000KN，油缸分两层所有布置在箱涵底板位置，运用计算机液压同步控制推动系统进行远距离集中控制。箱涵推动后靠由已建暗埋段结构承受。箱涵推动过程中，在管幕与箱涵外壁之间建立特种泥浆套，既可以大大减小推动阻力又能有效地控制地面沉降。箱涵之间采用柔性接头。箱涵开挖面土体挤入网格后，由挖掘机挖土，再由土方车运至暗埋段内，可实现连续出土。箱
4、涵推动结束后，对泥浆套进行固化解决。2023年4月20日，第八节箱涵顺利推动到位，建成了世界第一大断面的管幕法隧道工程。国内外软土地层浅埋大断面隧道穿越工法重要有管幕法、管棚法、矿山法等。管幕法在日本应用较多，重要有无限自行走（ESA）工法，特点是管幕内软土需加固，费用高，工期长，施工场地大，国内还没有管幕法工程的实例。上海市中环线北虹路地道工程需穿越西郊宾馆和虹桥路，为此该工程发明性地提出了管幕-箱涵顶进工法（RBJ工法）。就是先顶进80根长126m，970mm带锁口钢管，形成34.4m8.05m的口字形管幕，然后在管幕内软土不加固的条件下顶进箱涵。北虹路地道管幕箱涵顶进工法是完全自主创新的
5、工法，也是到目前为止世界上最大断面的管幕法隧道工程。事实证明该施工工艺完全适合于浅覆土、大断面非开挖地道施工，具有施工安全可靠、工期短和经济合理的优点。本项目在以下关键施工技术上取得重大突破；对钢管幕顶进高精度姿态控制技术、箱涵出洞控制技术、箱涵推动姿态控制技术、箱涵推动阻力计算方法及减阻技术、箱涵网格开挖面稳定性控制技术、箱涵推动地表变形预测及控制技术等六个方面进行了进一步的研究。重要创新点为：1）首创了管幕箱涵顶进工法（RBJ工法）；2）开发了钢管幕高精度姿态控制技术；3）大断面箱涵开挖面软土不加固的稳定控制技术；4）研制了特种复合泥浆材料和注浆工艺；5）开发了大断面箱涵液压同步自动化控制
6、推动技术。重要技术性能为：1）钢管幕顶进的方向偏差为3cm；2）箱涵顶进地表变形为3cm；3）本工法适合大断面长距离的箱涵推动（宽度满足10车道，推动长度可满足250m）。项目首创的管幕箱涵顶进工法与类似管幕法工程相比，具有施工安全可靠、节约工程投资和缩短工期的优势。经刘建航院士为组长的专家组评审认为该项目总体上达成了国际领先水平，具有推广应用前景。本项目已经荣获2023年度上海市科技进步一等奖和2023年度国际非开挖协会颁发的唯一的一项大奖。这也是我国初次获得此项荣誉。软土地层管幕箱涵顶进施工新技术摘要 上海市中环线北虹路下立交工程是我国第一次采用管幕箱涵顶进施工技术，也是世界上在软土地层中
7、施工的断面尺寸最大的管幕法工程；结合工程实际，提出了创新的管幕结合箱涵顶进的施工工法RBJ工法（roofbox jacking method）。本文具体介绍了该工程钢管幕顶进高精度姿态控制，网格工具头设计，箱涵推动的顶力控制，箱涵推动中地表变形控制及箱涵姿态控制等关键技术，为相关工程的设计、施工提供参考。关键词 RBJ工法，钢管幕顶进，箱涵顶进，施工技术，软土地层1 引言 图1 施工平面布置图管幕法作为穿越道路、铁路、机场等的非开挖技术，在日本、美国和中国台湾都取得了较好的效果。管幕钢管锁口相连，管幕形成后在锁口处注入止水剂或者砂浆，形成密封的止水管幕。然后在管幕的保护下，对管幕内土体加固解决
8、后，边开挖边支撑，直至管幕段开挖贯通，再浇筑结构体；或者先在两侧工作井内现浇箱涵，然后边开挖土体边牵引对拉箱涵。日本在箱涵顶进方面研究较早并开发出许多工法如：ESA（endless self-advancing）,FJ(front jacking)工法等。根据台北市政府工务局新建工程处“松山机场地下道工程简介”，1989年台北松山机场地下通道工程由日本铁建公司承建，采用管幕结合ESA箱涵推动工法施工，长100m，箱涵宽22.2m，高7.5m，水平注浆法加固管幕 内土体。1991年日本近几公路松原海南线松尾工程采用ESA工法推动大断面箱涵，箱涵宽26.6m，高8.3m，长121m1。2023年大
9、池成田线高速公路下大断面箱涵长度47m,宽19.8m，高7.33m，采用管幕结合FJ工法施工，注浆加固管幕内土体2。在软土地层中，以上工法和工程如位于软土地层均要对网格工具管开挖面前的土体进行加固以维持土体的平衡。管幕法是运用微型顶管技术在拟建的地下建筑物四周顶入钢管或其他材质的管子，钢管之间采用锁口连接并注入防水材料而形成水密性地下空间，在此空间内可修建地下建筑物。比较初期采用管幕法的工程是1979年的比利时Antewerp地铁车站的修建3，以后日本逐渐发展并普遍应用管幕工法，中国香港及台湾地区、新加坡、马来西亚已逐渐应用4 5。实测和理论分析均表白具有一定刚度的管幕能显著减小地表变形，增长
10、开挖面稳定性68。上海市中环线北虹路下立交工程是中环线的重要组成部分，其轴线基本呈南北走向，沿虹许路穿越虹桥路、西郊宾馆接入北虹路，为大断面长距离浅埋式地道工程。（见图1）由于虹桥路上交通繁忙，地下有许多管线。西郊宾馆的环境又比较重要。因此经方案反复论证和优化，形成了创新的管幕结合箱涵顶进的施工工法。（RBJ工法）9。2 工程概况图 2 管幕箱涵示意图2.1 结构参数1）南北二座工作井尺寸：LBH24.6m41m17m工作井采用地下连续墙法施工 B0.8m，H=31m2）南北二座工作井的出洞段土体加固范围：LBH8m38m18m加固强度：qu=0.8Mpa3）钢管幕：80根97010带锁口的钢
11、管，形成口字形管幕。锁口材料为角钢1008010，管幕段长度126m。4）箱涵：矩形双孔钢筋混凝土结构，为双向八车道。结构外包尺寸：34.2m7.85m，顶板厚度1.3m，底板厚度1.4m，侧墙厚度1.0m，中隔墙厚度0.8m。箱涵共分8节，前两节分别为18m，第三节为4m，第四第七节为17.5m，第八节为15.2m，第三节箱涵以后改为柔性接头（见图2）5）管幕顶部覆土层厚度：4.5m5.0m。2.2 工程地质和水文地质管幕和箱涵位于1灰色淤泥质粉质粘土和灰色淤泥质粘土层，为饱和软土。含水量大、承载力低、渗透系数小。其物理力学性质指标如表1所示。表1 场地地基土的物理力学性质指标表层序土层名称
12、层底埋深含水量W湿重度压缩系数固快强度峰值无侧限抗压强度C原状土m%KN/m3Mpa1kPakPa灰色淤泥质粉质粘土6.008.4045.617.30.9614.413.030.7灰色淤泥质粘土14.5016.5048.116.91.1514.010.540.23 总体施工工艺流程南北二座工作井施工工作井出洞段土体加固钢管幕顶进暗埋段结构施工南北二座工作井内部结构施工顶进结束北工作井分节制作和顶进箱涵4 RBJ工法的特点1）合用于软土地层浅埋式大断面长距离非开挖地道工程。2）依靠网格工具头稳定开挖面，对管幕内土体可不进行加固解决。3）用已构筑的暗埋段结构提供足够的后靠力，不需对工作井后的土体进
13、行加固。4）用顶进法取代对拉法，使受力体系更简化。5）在管幕与箱涵之间形成完整可靠的支承润滑介质。既可减少箱涵顶进过程中的地表沉降，又能减少箱涵推动阻力。6）用底排钢管幕作为箱涵顶进的基准面。7）可减少工程投资费用，缩短工期，且安全可靠。5 关键施工技术5.1 钢管幕顶进施工技术为了缩短工期，采用八台泥水平衡顶管掘进机同时由北工作井向南工作井顶进，平均每台掘进机日推动约30m。80根钢管施工工期为140天。对带锁口的钢管顶进，关键施工技术是掘进机的高精度姿态控制，涉及轴线偏差和旋转偏差的控制10。5.1.1钢管幕顶进高精度姿态控制技术本工程的钢管幕顶进姿态控制，在本来的顶管技术上进行了改善和创
14、新，取得了满意的效果，具体措施如下：1） 高程和水平偏差控制措施a 采用轨迹示踪可视化软件指导纠偏操作b采用泥水平衡掘进机施工保持开挖面的稳定以利于纠偏控制c为掘进机装备RSG激光反射诱导装置，使操作人员可以预知掘进机偏差趋势d在掘进机内设立倾斜仪传感器和纠偏油缸行程仪传感器，即时显示机头的姿态数据。e采用特殊构造措施，一是提高机头长径比，二是在机头后方紧跟三节过渡钢管。钢管之间以可以产生微小空隙的铰相连，形成多段可动的铰构造，这样在纠偏油缸的作用下，可以带动后续钢管，达成纠偏和导向的目的f通过设计合理的钢管顶进顺序，可以控制管幕的累积偏差在允许的范围内。本工程中，钢管先顺序顶进，当累积偏差不
15、能满足精度规定期，则增长基准管，同时对闭合钢管根据测量结果，用异形锁口来封闭。g用机头姿态曲线图指导纠偏操作和拟定偏差报警制度等。2）机头旋转控制措施a设立机头偏转传感器，即时显示机头的偏转姿态数据。b依靠过渡钢管之间的防转块来控制机头的旋转。c通过刀盘逆转使正面土体对刀盘产生反向力矩来纠正偏转。d通过单侧压重来纠正偏转。5.1.2 施工后的钢管幕姿态曲线1） 单根钢管纵向姿态曲线（取第12号管幕为例） 图3 上排第12号管幕纵向姿态曲线2） 横截面总体姿态曲线（取距北井49m处的上下二排管幕为例）图4 距北井49m处上下两排管幕横截面姿态曲线由图3、4可见，单根钢管偏差可控制在30mm以内，整体管幕偏差可控制在40mm以内。可以满足下一步对箱涵与管幕之间的建筑空隙拟定规定。5.2 箱涵顶进施工技术5.2.1网格工具头的设计
