1、管幕法箱涵顶进施工工艺简介
随着城市化的进程不断加快，地下空间资源越来越紧张，如何开发和利用城市地下空间成为当今世界各大城市一致的发展问题。然而，在城市采用明挖法建造隧道会对城市交通、市民正常生活带来严重影响，为减少对城市环境的影响，现多采用盾构法进行隧道施工。但对于大断面、短距离的隧道(如下立交公路)而言，采用盾构法进行施工显然得不偿失。故对于一些不可能采用明挖法施工、采用盾构法又不经济的特殊隧道，可采用一种新的施工方法--管幕施工法。
管幕施工法以单管顶进为基础，各单管间依靠锁口在钢管侧面相接形成连为一体的管排，并在锁口相接处预先涂布润滑止水浆液，此浆液最初可起到减小单管顶进摩擦阻力的作用，在顶进结束后会遇水固结封闭单管之间的渗水途径。管排顶进完毕后，形成管幕(见图1)。根据内部结构断面构造形式及地质条件，管幕可形成多种形状，如半圆形、圆形、口字形等。管幕由相对刚性的钢管形成的临时挡土结构，可减少开挖时对邻近土体的扰动并相应减少周围土体的变形，达到开挖时不影响地面活动，并维持管幕结构上部建筑物与管线正常使用功能的目的。
管幕施工法作为利用小口径顶管机建造大断面地下结构的施工工艺，国外已有20多年的发展历史，在日本、美国等国家应用于穿越道路、铁路、机场等形成的隧道，都取得了不错的效果。该施工工艺适用范围较广，从已有的工程实例来看，它适用于回填土、砂土、粘土等各种地层，应用前景十分广泛。
上海市中环线虹许路－北虹路下立交工程是中环线西段的一个重要工程节点，下立交道路规模为双向八车道。本工程有如下要求：①虹许路、北虹路之间约有125m长的距离穿越西郊宾馆；②该区域不能明挖；③对地表变形控制有严格的要求。基于上述原因，设计人员采用管幕施工工艺进行设计，此工程为世界上饱和含水软土地层中施工的最长最大的管幕法工程。
以往管幕作业完毕后，在内部结构开始施工前，应对管幕内土体先进行加固处理，以保证在结构高度范围内的土体能自立稳定，随后在内部边开挖边支撑，直至管幕段完全开挖贯通，再浇注主体结构。而本工程采用特殊设计的网格工具管及其它监控措施来保证开挖面的稳定，以管幕一箱涵顶进施工工艺来完成125m长的非开挖段下立交工程。此工艺无须对土体进行加固，且省略了支撑系统，可大幅度降低工程造价、加快施工进度，具有显著的社会与经济效益。
2、管幕法箱涵顶进施工工艺的防水设计
箱涵顶进施工过程中，整个内部结构的防水设计处于十分重要的地位。防水重要节点主要包括箱涵间接缝防水、箱涵中继间防水、箱涵出洞防水等内容。
（1）箱涵间接缝防水
最初的设计中，箱涵接缝采用诱导缝的设计思想，即接缝处仅部分钢筋连通，缝间设置中埋式止水带、遇水膨胀橡胶条，形成两道兜绕成环的封闭防水线，另顶板、底板、侧墙增设剪力杆，以提高箱涵之间的抗剪能力(见图2)。但在第二节箱涵顶进结束后，施工现场出现异常情况：网格工具管切口姿态下倾，地面沉降明显增大，箱涵所需顶力明显变大。
经现场调查，底排管幕下方的土体强度过低为造成网格工具管切口下倾的主要原因。经过与施工单位的协商讨论，将随后的箱涵接缝由半刚性(诱导缝)接头设计更改为柔性(变形缝)接头设计。接头防水设计形式也做相应变更，设计人员在此借鉴了“F”型承插式顶管接口模式的设计思想，于箱涵接缝处安装钢套环，钢套环与前后节箱涵接缝处分别设置成环的预埋式注浆管与遇水膨胀橡胶条，以达到钢套环与前后节箱涵之间接缝的水密性要求。另外，前后节箱涵间接缝设置衬垫材料，以便有效传递后方顶力，并对箱涵端部混凝土起到保护作用。因箱涵顶进线路有一定的高程纠偏要求，故选用松木板为衬垫材料。由于采用钢套环作为接头形式，箱涵拥有了一定的转弯能力，但同时也会导致箱涵间接缝张开量的增大。为保证此工况条件下的接缝防水要求，在接缝中除继续采用可适应一定接缝张开量的中埋式止水带外，还增设了一道弹性橡胶密封垫，其材质为三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶的复合体，且采用开孔泡沫衬垫铺设在弹性橡胶密封垫的两侧，其厚度与密封垫厚度一致。目的在于箱涵顶进过程中，整个接缝面均匀受压，不至于使顶力集中作用于密封垫上而对其造成损伤。因箱涵在施工现场制作完成，所以钢套环与后浇箱涵接触面之间设置了两层沥青油毡隔离层，以便后浇箱涵混凝土与钢套环完全隔离，在顶进过程中两者皆不会因摩擦受损。钢套环端头与后浇箱涵的间隙也应填充衬垫材料，以免混凝土浇捣时泥浆水流入空隙，进而固结，影响顶进(见图3)。实践证明，箱涵“F”型柔性防水接头既可满足一定的转角要求，达到控制箱涵高程的目的，又可延长渗水路径，同时通过设置多道防水线，满足接缝水密的要求。
另外，在管幕段与箱涵之间应灌注并形成触变泥浆套，顶进过程中可通过泥浆支护逐步使地面沉降得到控制。而泥浆套的形成，可大大降低推进阻力，同时可通过设置中继间的方式，保证足够的施工顶力。
（2）箱涵中继间防水
基于施工所出现的特殊情况，为了保证施工过程中有足够的顶力推进箱涵，在第四节箱涵与第五节箱涵的变形缝接头处设置了中继间。在箱涵顶进过程中，中继间的千斤顶对前一节箱涵起推进作用。
因中继间的设置，使箱涵接头处在推进过程中会产生20cm的特大间隙，且这种间隙处于不断的变化中。而一般设置的变形缝中埋式止水带虽可适应一定的结构变形，但其伸缩变形能力显然无法满足上述特大间隙的需求。
为此，设计人员最初考虑弃用止水带类的防水模式，转而采用“F”型承插式顶管接口模式应用于有中继间的箱涵变形缝处。在箱涵制作过程中，前后箱涵钢套环接头空隙处预设两个气囊，气囊的材质为橡胶。待箱涵制作完毕开始顶进前，充气或充水于气囊中，使其膨胀进而封闭箱涵与外界间的渗水通道。在箱涵顶进过程中，气囊虽然受到外侧钢套环的挤压而变形，但仍可保持良好的密封防水性能。另外为加强此接头处的防水功效，在两气囊之间可增设油脂注入管，通过气囊充气后形成的空隙内注入油脂的方法，进一步保证了箱涵接头处的防水密封性(见图4)。但上述防水措施要求气囊材质具有良好的耐磨性能，目前一般采用在橡胶中衬入帆布、尼龙等材料的方法来达到耐磨要求，但此类材料的应用又约束了气囊体积的最大充气膨胀功能。而材料本体是否适合应用于本工程中，还应通过试验加以检测。
由于本工程工期紧张，且对气囊类材料的选择存在不定因素，设计人员最后决定放弃上述气囊止水模式，在采用承插式顶管接口模式基础上，代之选用OMEGA类橡胶止水带。此类止水带目前应用于地铁车站与出入口通道所设变形缝中和沉管隧道管段柔性接缝中。因其断面构造形式的特点，它完全可满足接缝张开20cm特大间隙处的防水要求，且通过止水带两侧水平端部的齿牙及两端凸缘与混凝土之间的咬合，可达到封闭渗水路径的目的(见图5)，故最终选择了设置OMEGA橡胶止水带作为有中继间箱涵变形缝处的主要防水措施。从实际使用效果来看，中继间变形缝仍存在局部的渗漏现象，经分析与OMEGA止水带构造形式有关。虽然此类止水带可适应较大的接缝变形，但其两侧水平端部长度较短，且端部齿牙及凸缘断面尺寸较小，加上止水带下部的混凝土振捣密实性较差，故较易产生渗漏水。今后若仍选用此类止水带作为中继间变形缝的防水线，宜对止水带形式加以改进，如采用钢板与橡胶相结合的复合型止水带，一方面可延长渗水路径，另一方面可通过钢板与混凝土的良好咬合力，达到密闭防水的功效(见图6)。另外，接口钢套环与混凝土结合面同样应设置兜绕成环的遇水膨胀橡胶条，前后节箱涵钢套环接头空隙处应填充泡沫垫块，而顶进箱涵之间应设置衬垫材料。
（3）出洞防水
出洞防水也是此工程中重要的防水环节，为加强箱涵顶进出洞防水措施的严密性，箱涵与工作井接头防水采用双道的铰链型密封压件与帘布橡胶圈组成防水装置。双道铰链型密封压件之间以止水箱体相连接，止水箱体为一整体密封构件，可通过箱体上的注浆孔灌注防水砂浆与压注堵水材料，以加强两道出洞防水装置之间的止水效果。
