中环线是上海的一条封闭式环形快速机动车专用路，在徐汇区范围内以路堤形式建设，仅在主要横向道路设置下穿立交，作为上海的城市骨干道路，传统的明挖法、浅埋暗挖法、矩形顶管法因对中环线及周边环境影响大、地面沉降较难控制等因素无法实施，因此采用管幕箱涵工法。管幕箱涵工法采用带有锁口的钢管沿水平方向依次顶进形成围护结构，然后在围护中利用超大断面箱涵掘进机顶进，通过管幕及箱涵的保护，形成“双保险”，从而有效降低对周边环境的影响，控制地面沉降。

　　 田林路下穿中环线地道 (中环线交通节点改善工程) 新建工程位于徐汇区漕河泾开发区中部，是田林路上重要的交通节点，西起古美路，东至桂平路，并下穿中环线，全长约1 032.78m。管幕箱涵段下穿中环线始末里程桩号为K0+663—K0+749，穿越长度86m，箱涵顶覆土6.3m。穿越段地道断面布置为双向3快2慢车道，箱涵断面长19.8m，高6.4m。地道断面布置如图1所示。

　　 上排钢管幕处在 (3) 淤泥质粉质黏土层，两侧和底排钢管幕多处于 (4) 淤泥质黏土层 (见图2) 。

　　 穿越段中环路上现状管线较多，与本工程相交处地下管线多达20余处，涉及电力、通信、上水、上煤、雨污水、国防光缆等多家运营单位。其中，影响较显著的有中环线西侧辅道的污水管 (覆土深度约4.2m) 及中环线中央绿化带下部给水管 (覆土深度约2.0m) 。该污水管距钢管幕最近，并与穿越地道正交，污水管基础承托距离最上排钢管幕顶部最小净距仅为0.5m。

　　 本次穿越中环线施工主要包括钢管幕顶进施工、箱涵推进施工2部分。在中环线西侧设置始发井，内部净尺寸24.0m×24.0m;东侧设置接收井，内部净尺寸24.0m×10.0m。管幕-箱涵施工段穿越中环线示意如图3所示。

　　 管幕施工阶段，预先利用小口径顶管机，在拟建箱涵位置外周逐根顶进钢管，形成封闭水平钢管围护 (见图4) 。

　　 钢管幕采用内锁口形式，在横断面内呈口字形布置，根据箱涵平面尺寸及施工工艺，整个管幕系统共需布置62根钢管，其中，底排钢管24根，编号为D1～D24;上排钢管24根，编号为S1～S24;左侧排钢管7根，编号为Z2～Z8;右侧排钢管7根，编号为Y2～Y8。为保证钢管幕的封闭性和止水性，采用内插式雌雄锁口，如图5, 6所示。钢管一侧为雌口，开口44mm，另一侧为T字形雄口。基准管两侧均为雌口。

　　 管幕钢管伸出工作井和接收井地下连续墙内侧均为0.8m，施工每根钢管顶进长度为86m，采用5节钢管，钢管间采用焊接连接，并保证相邻钢管间连接焊接接头错缝，且同一横断面上的接头数量不应超过总数的50%。

　　 施工阶段，为使工作面清晰，避免相互干扰，并根据钢管幕顶进顺序、导轨宽度、施工工序布置等，分别设置4根基准管，编号为D13, Z8, Y8, S13。同时，为确保管幕顶进精度、减少多次顶进造成地下管线变形及中环线沉降，管幕顶进顺序为:先下排后上排，由中间至两边，侧排从上至下与下排同时施工。最终下排管幕与侧排管幕在D3和D22闭合，上排管幕在S5和S20闭合。

　　 钢管幕完成后采用钢牛腿与地下连续墙预埋钢板连接，并在管幕内部填充微膨胀混凝土，防止后期管幕钢管腐蚀导致地面沉降，全部完成后浇筑管幕圈梁。

　　 中环穿越段箱涵外包尺寸19.8m×6.4m，钢管幕与箱涵间的建筑空隙为上部10cm、下部0，左、右两侧各10cm。

　　 考虑箱涵穿越过程中施工措施及井内地道结构，实际箱涵制作总长度为87.6m。在始发井内分5节制作，首节12.4m，后4节均为18.8m，制作1节顶进1节，箱涵间变形缝采用预设中埋式钢边橡胶止水带和遇水膨胀橡胶止水条，中埋式钢边止水带需固定于专门的钢筋头上，遇水膨胀橡胶止水条安放在专门设置的凹槽内，外周预埋钢套环。变形缝防水构造如图7所示。

　　 箱涵顶进采用自主研制的土压平衡式箱涵掘进机在钢管幕内开挖掘进，其能实现开挖面自动平衡，有效控制管幕段变形与沉降。箱涵推进施工主要流程如图8所示。

　　 管幕掘进机选用泥水平衡管幕专用顶管机，参数如表1所示。

　　 顶管机刀盘选型考虑地下管线基础离管幕只有0.5m，为防止管幕施工过程中基础杂填土堵塞排泥口，采用二次破碎形式。在后续施工中，由于刀盘开口率过大，多根管幕连续施工造成正面土体沉降控制困难，对两侧及底部顶管机刀盘进行优化，增加刀盘面板，将开口率调整至8%，对正面土体起到有效的支护作用，减少了沉降量。

　　 箱涵掘进机采用自主研发的超大断面土压平衡掘进机，断面尺寸19.84m×6.42m，顶部及两侧各高出箱涵20mm。主刀盘采用地铁盾构刀盘改制，盲区配置有8个小刀盘，切削率达到92%。

　　 箱涵掘进机出土采用4台螺旋机将土仓内渣土排至皮带输送机后，再通过2节800mm机内皮带输送机汇总至1节1 200mm皮带输送机，输送至敞开段集土坑内，然后利用掘挖机装车外运 (见图9) 。整套输送系统能力为800m³/h。

　　 箱涵推进顶力包含工具头迎面阻力N_F及箱涵周边摩阻力N_a。

　　 式中:γ为天然土重度，取18kN/m³;h₀为工具头中心点埋深，本工程中的计算值为10.424m;φ为土体内摩擦角，取15° ( (3) 层及 (4) 层平均值) ;B为箱涵外包宽度，取19.8m;H为箱涵外包高度，取6.4m。

　　 计算可得工具头迎面阻力N_F=41 220kN。

　　 式中:C_a为箱涵与管幕间平均摩阻力，取最大值10kN/m²;μ为箱涵底部摩擦系数，取0.15;G_k为单位长度箱涵自重标准值，取1 423.2kN/m;h为箱涵顶部埋深，取7.224m;L为箱涵顶进长度，取86m;γ为天然土重度，取18kN/m³;B为箱涵外包宽度，取19.8m;H为箱涵外包高度，取6.4m。计算可得箱涵周边摩阻力N_a=79 608kN。

　　 式中;γ_F，γ_a为分项系数，分别取1.2, 1.3。

　　 根据规范公式计算的箱涵总顶进阻力设计值F_a=153 000kN。

　　 根据箱涵顶力计算，顶进系统则采用70只250t液压油缸，分为7组，最大顶力175 000kN。每组液压油缸采用1套独立液压泵站驱动控制。根据安装在箱涵两侧的激光测距仪实时监测偏差值，并通过专家PID控制算法同步调节每组泵站变频器输出频率，控制液压油缸推进速度，实现同步推进。

　　 管幕箱涵工法最大优点在于通过管幕及箱涵的双保险，能有效控制地面沉降，对环境及管线影响非常小，通过分析沉降数据总结管幕箱涵施工要点如下。

　　 田林路中环线地面竖向位移监测点共设置12个横断面，中环线辅道范围内每个断面布置7个监测点，主路范围内每个断面布置9个监测点。

　　 由2017年9月15日至2018年4月5日管幕施工各纵断面沉降变化可知，在管幕施工初期阶段，地面持续有沉降趋势，主要集中在D2, D3, D4断面，这是由于初期管幕顶管机开口率过大，始发加固区顶进速度不快，顶管机泥水循环对正面土体进行反复冲刷，导致土体损失，造成地面沉降，后续通过对顶管机改造，有效降低了沉降量，并通过完成管内置换浆，对地面起到一定的抬升作用。

　　 全部管幕完成后，地面沉降累计≤10mm, D4, D5, D6断面由于洞口注浆及后续置换浆作用有15mm左右的隆起。

　　 4.3箱涵阶段地面沉降变化

　　 箱涵阶段施工平均每节箱涵顶进时间约7d，箱涵制作采用现场浇筑并蒸汽养护，顺利完成全部5节箱涵施工。

　　 由于管幕及土压平衡掘进机的保护，地面沉降得到有效控制，在箱涵正面区域地面沉降≤10mm。箱涵穿越后，箱涵尾部同步注浆在管幕内产生一定压力，具有一定的抬升作用，确保中环线稳定。本项目土压力控制以中部土压力为主，压力控制值按静止土压力计算。箱涵掘进机切削系统主刀盘选用3台6 360刀盘，在盲区部位配置8台小刀盘，实际施工阶段，主刀盘间转向不同，造成土仓内土体分布极不均匀，仓内土体向一侧堆积，土压力值过高。箱涵全部贯通后，对中环线主路各横断面沉降值进行统计，实际箱涵沉降并未受到土仓内压力不均匀影响，箱涵阶段沉降仍旧表现为中部沉降变化最大。由此可见，管幕可有效缓解超大断面箱涵顶进施工过程中正面压力不稳定造成的地面沉降。

　　 1) 田林路下穿中环线地道工程的顺利实施验证了该工法能对道路、管线、构筑建物有非常好的保护作用，管幕及箱涵的双重保护可有效控制地面沉降。

　　 2) 管幕顶进阶段，由于多根管幕多次扰动，会对地面产生持续沉降，但由于管幕直径小，沉降单次变化不大，可以通过管幕内注浆或及时进行水泥浆置换减少影响。

　　 3) 采用带有锁口的管幕可在箱涵顶进阶段防止箱涵与管幕间隙内同步注浆浆液流失，通过同步注浆浆液压力控制，能有效对地面进行沉降调整。

　　 4) 在超大断面箱涵施工过程中，管幕的保护可有效降低由于刀盘扰动导致的正面区域土压力不均匀而导致地面沉降的风险，超大断面箱涵顶进过程中，土压力控制可完全参照静止土压力进行理论计算。