1 管幕法箱涵頂進施工工藝簡介
    隨著城市化的進程不斷加快，地下空間資源越來越緊張，如何開發和利用城市地下空間成為當今世界各大城市一致的發展問題。然而，在城市采用明挖法建造隧道會對城市交通、市民正常生活帶來嚴重影響，為減少對城市環境的影響，現多采用盾構法進行隧道施工。但對于大斷面、短距離的隧道(如下立交公路)而言，采用盾構法進行施工顯然得不償失。故對于一些不可能采用明挖法施工、采用盾構法又不經濟的特殊隧道，可采用一種新的施工方法--管幕施工法。


    管幕施工法以單管頂進為基礎，各單管間依靠鎖口在鋼管側面相接形成連為一體的管排，并在鎖口相接處預先涂布潤滑止水漿液，此漿液最初可起到減小單管頂進摩擦阻力的作用，在頂進結束后會遇水固結封閉單管之間的滲水途徑。管排頂進完畢后，形成管幕(見圖1)。根據內部結構斷面構造形式及地質條件，管幕可形成多種形狀，如半圓形、圓形、口字形等。管幕由相對剛性的鋼管形成的臨時擋土結構，可減少開挖時對鄰近土體的擾動并相應減少周圍土體的變形，達到開挖時不影響地面活動，并維持管幕結構上部建筑物與管線正常使用功能的目的。
    管幕施工法作為利用小口徑頂管機建造大斷面地下結構的施工工藝，國外已有20多年的發展歷史，在日本、美國等國家應用于穿越道路、鐵路、機場等形成的隧道，都取得了不錯的效果。該施工工藝適用范圍較廣，從已有的工程實例來看，它適用于回填土、砂土、粘土等各種地層，應用前景十分廣泛。
    上海市中環線虹許路－北虹路下立交工程是中環線西段的一個重要工程節點，下立交道路規模為雙向八車道。本工程有如下要求：①虹許路、北虹路之間約有125m 長的距離穿越西郊賓館；②該區域不能明挖；③對地表變形控制有嚴格的要求。基于上述原因，設計人員采用管幕施工工藝進行設計，此工程為世界上飽和含水軟土地層中施工的最長最大的管幕法工程。
以往管幕作業完畢后，在內部結構開始施工前，應對管幕內土體先進行加固處理，以保證在結構高度范圍內的土體能自立穩定，隨后在內部邊開挖邊支撐，直至管幕段完全開挖貫通，再澆注主體結構。而本工程采用特殊設計的網格工具管及其它監控措施來保證開挖面的穩定，以管幕一箱涵頂進施工工藝來完成125m長的非開挖段下立交工程。此工藝無須對土體進行加固，且省略了支撐系統，可大幅度降低工程造價、加快施工進度，具有顯著的社會與經濟效益。
2 管幕法箱涵頂進施工工藝的防水設計
    箱涵頂進施工過程中，整個內部結構的防水設計處于十分重要的地位。防水重要節點主要包括箱涵間接縫防水、箱涵中繼間防水、箱涵出洞防水等內容。
（1）箱涵間接縫防水
    最初的設計中，箱涵接縫采用誘導縫的設計思想，即接縫處僅部分鋼筋連通，縫間設置中埋式止水帶、遇水膨脹橡膠條，形成兩道兜繞成環的封閉防水線，另頂板、底板、側墻增設剪力桿，以提高箱涵之間的抗剪能力(見圖2)。但在第二節箱涵頂進結束后，施工現場出現異常情況：網格工具管切口姿態下傾，地面沉降明顯增大，箱涵所需頂力明顯變大。
    經現場調查，底排管幕下方的土體強度過低為造成網格工具管切口下傾的主要原因。經過與施工單位的協商討論，將隨后的箱涵接縫由半剛性(誘導縫)接頭設計更改為柔性(變形縫)接頭設計。接頭防水設計形式也做相應變更，設計人員在此借鑒了“F”型承插式頂管接口模式的設計思想，于箱涵接縫處安裝鋼套環，鋼套環與前后節箱涵接縫處分別設置成環的預埋式注漿管與遇水膨脹橡膠條，以達到鋼套環與前后節箱涵之間接縫的水密性要求。另外，前后節箱涵間接縫設置襯墊材料，以便有效傳遞后方頂力，并對箱涵端部混凝土起到保護作用。因箱涵頂進線路有一定的高程糾偏要求，故選用松木板為襯墊材料。由于采用鋼套環作為接頭形式，箱涵擁有了一定的轉彎能力，但同時也會導致箱涵間接縫張開量的增大。為保證此工況條件下的接縫防水要求，在接縫中除繼續采用可適應一定接縫張開量的中埋式止水帶外，還增設了一道彈性橡膠密封墊，其材質為三元乙丙橡膠與遇水膨脹橡膠的復合體，且采用開孔泡沫襯墊鋪設在彈性橡膠密封墊的兩側，其厚度與密封墊厚度一致。目的在于箱涵頂進過程中，整個接縫面均勻受壓，不至于使頂力集中作用于密封墊上而對其造成損傷。因箱涵在施工現場制作完成，所以鋼套環與后澆箱涵接觸面之間設置了兩層瀝青油氈隔離層，以便后澆箱涵混凝土與鋼套環完全隔離，在頂進過程中兩者皆不會因摩擦受損。鋼套環端頭與后澆箱涵的間隙也應填充襯墊材料，以免混凝土澆搗時泥漿水流入空隙，進而固結，影響頂進(見圖3)。實踐證明，箱涵“F”型柔性防水接頭既可滿足一定的轉角要求，達到控制箱涵高程的目的，又可延長滲水路徑，同時通過設置多道防水線，滿足接縫水密的要求。


     另外，在管幕段與箱涵之間應灌注并形成觸變泥漿套，頂進過程中可通過泥漿支護逐步使地面沉降得到控制。而泥漿套的形成，可大大降低推進阻力，同時可通過設置中繼間的方式，保證足夠的施工頂力。
（2）箱涵中繼間防水
     基于施工所出現的特殊情況，為了保證施工過程中有足夠的頂力推進箱涵，在第四節箱涵與第五節箱涵的變形縫接頭處設置了中繼間。在箱涵頂進過程中，中繼間的千斤頂對前一節箱涵起推進作用。
    因中繼間的設置，使箱涵接頭處在推進過程中會產生20cm的特大間隙，且這種間隙處于不斷的變化中。而一般設置的變形縫中埋式止水帶雖可適應一定的結構變形，但其伸縮變形能力顯然無法滿足上述特大間隙的需求。
    為此，設計人員最初考慮棄用止水帶類的防水模式，轉而采用“F”型承插式頂管接口模式應用于有中繼間的箱涵變形縫處。在箱涵制作過程中，前后箱涵鋼套環接頭空隙處預設兩個氣囊，氣囊的材質為橡膠。待箱涵制作完畢開始頂進前，充氣或充水于氣囊中，使其膨脹進而封閉箱涵與外界間的滲水通道。在箱涵頂進過程中，氣囊雖然受到外側鋼套環的擠壓而變形，但仍可保持良好的密封防水性能。另外為加強此接頭處的防水功效，在兩氣囊之間可增設油脂注入管，通過氣囊充氣后形成的空隙內注入油脂的方法，進一步保證了箱涵接頭處的防水密封性(見圖4)。但上述防水措施要求氣囊材質具有良好的耐磨性能，目前一般采用在橡膠中襯入帆布、尼龍等材料的方法來達到耐磨要求，但此類材料的應用又約束了氣囊體積的最大充氣膨脹功能。而材料本體是否適合應用于本工程中，還應通過試驗加以檢測。
    由于本工程工期緊張，且對氣囊類材料的選擇存在不定因素，設計人員最后決定放棄上述氣囊止水模式，在采用承插式頂管接口模式基礎上，代之選用OMEGA類橡膠止水帶。此類止水帶目前應用于地鐵車站與出入口通道所設變形縫中和沉管隧道管段柔性接縫中。因其斷面構造形式的特點，它完全可滿足接縫張開20cm特大間隙處的防水要求，且通過止水帶兩側水平端部的齒牙及兩端凸緣與混凝土之間的咬合，可達到封閉滲水路徑的目的(見圖5)，故最終選擇了設置OMEGA橡膠止水帶作為有中繼間箱涵變形縫處的主要防水措施。從實際使用效果來看，中繼間變形縫仍存在局部的滲漏現象，經分析與OMEGA止水帶構造形式有關。雖然此類止水帶可適應較大的接縫變形，但其兩側水平端部長度較短，且端部齒牙及凸緣斷面尺寸較小，加上止水帶下部的混凝土振搗密實性較差，故較易產生滲漏水。今后若仍選用此類止水帶作為中繼間變形縫的防水線，宜對止水帶形式加以改進，如采用鋼板與橡膠相結合的復合型止水帶，一方面可延長滲水路徑，另一方面可通過鋼板與混凝土的良好咬合力，達到密閉防水的功效(見圖6)。另外，接口鋼套環與混凝土結合面同樣應設置兜繞成環的遇水膨脹橡膠條，前后節箱涵鋼套環接頭空隙處應填充泡沫墊塊，而頂進箱涵之間應設置襯墊材料。
（3）出洞防水
    出洞防水也是此工程中重要的防水環節，為加強箱涵頂進出洞防水措施的嚴密性，箱涵與工作井接頭防水采用雙道的鉸鏈型密封壓件與簾布橡膠圈組成防水裝置。雙道鉸鏈型密封壓件之間以止水箱體相連接，止水箱體為一整體密封構件，可通過箱體上的注漿孔灌注防水砂漿與壓注堵水材料，以加強兩道出洞防水裝置之間的止水效果。