本发明涉及水下通道施工技术领域，具体而言，涉及一种水下通道顶推施工方法。
背景技术：
随着近年来城市地下空间开发的大力发展，水下隧道工程在市政建设中日益增多。沉管法是修建水下隧道的重要方法之一，具有防水性好、地层适应性强、大断面时优势明显等优点。但沉管法需要有修筑干坞的大型场地、大型浮运船、管节精准沉放定位及精准对接系统等，施工工艺较复杂，大型干坞场地受城市用地限制，沉管管节浮运会影响航运；相较于用盾构法、矿山法修筑水下隧道，目前在国内沉管法修建水下隧道成本更高。当前的问题是，是否有一种新的施工方法，既能发挥沉管法的优点，又能克服沉管法的沉放工艺复杂、成本高的缺点。
桥梁顶推施工方法在连续梁桥及斜拉桥的施工中已经得到了大量应用，该方法克服了传统架桥施工需设置大型架桥机、施工工艺复杂的缺陷，具有节省施工用地、机具设备简单、无需大型起吊设备、施工工艺简单、工期短、成本低等优点。
鉴于沉管法工艺复杂和成本高的缺点以及桥梁顶推施工方法的诸多优点，将沉管法和顶推法二者结合，形成新的水下通道顶推施工方法，是一种具有工程应用价值的的全新思路。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种水下通道顶推施工方法，以克服现有技术中水下通道施工采用的沉管法沉放工艺复杂、施工成本高的问题。
本发明提供一种水下通道顶推施工方法，依次包括如下步骤：
s1：设计水下通道纵向轨迹线，当河床起伏较大并具有至少一段河槽深切段时，纵向轨迹线在河槽深切段处位于河槽底面的上方；
s2：根据纵向轨迹线，在岸边开挖顶推工作坑，在水下开挖基槽，当有河槽深切段时，该区域无需开挖；
s3：在基槽内每间隔一定距离施工一对支撑桩，在桩顶安装桩端支座，当有河槽深切段时，在该区域适当加密支撑桩；
s4：在顶推工作坑内依次设置后背墙、千斤顶组、顶铁、弧形管节预制模板、模板千斤顶支座、管节千斤顶支座、弧形导轨；
s5：在工作坑内立模板预制第一节管节，待管节养护结束后，在管节内组装压舱水箱并连接输水管路，在管节前端安装钢封门进行密封，并在钢封门后安装弧形的钢导梁；
s6：用管节千斤顶支座支撑待顶推的管节和钢导梁，撤离弧形管节预制模板，在管节底面对称安装两组导向限位钢条；
s7：启动千斤顶组，沿着弧形导轨顶推第一节管节前进一个管节的距离；
s8：退回千斤顶组，在工作坑内立模板预制第二节管节，与第一节管节形成连续结构，待管节养护结束后，在管节内组装压舱水箱并连接输水管路；
s9：用管节千斤顶支座支撑待顶推的管节和钢导梁，撤离管节预制模板，在第二节管节底面对称安装两组导向限位钢条；
s10：启动千斤顶组，沿着弧形导轨顶推第二节管节前进一个管节的距离；
s11：重复步骤s8－s10完成后续管节的顶推施工，在顶推过程中每一节管节即将入水前，对该管节内压舱水箱一次性注水至设计注水量以防止上浮，这样顺次顶推和对各入水管节的水箱注水，直至第一节管节顺利到达对岸预定位置结束顶推；
s12：回填基槽，对河槽深切段无需回填，撤除管节附属设施和工作坑内顶推设备，回填工作坑，完成整个水下通道顶推施工。
进一步的；所述纵向轨迹线为圆弧形，圆弧形轨迹与河槽底面轮廓匹配，且圆弧形的水平距离和竖直高度之比一般不小于50。
进一步的；所述基槽的横断面轮廓线超出水下通道外轮廓线，所述基槽底面比设计管节底面低至少30cm，所述基槽两侧还设置防止回淤的放坡。
进一步的；所述支撑桩的桩径至少为80cm，桩顶比所述基槽底部高至少10cm，所述桩端支座包括设有导向槽的导向块、不锈钢板以及能够与管节底部圆弧轨迹面相切的滑块，所述导向块的导向槽与所述管节下部的所述导向限位钢条相匹配。
进一步的；所述管节为圆弧形管节，所有所述管节的大小形状均相同，相邻所述管节之间通过湿接缝浇筑形成连续结构，所述钢导梁长度为纵向相邻所述支撑桩间跨距的0.6－0.7倍。
进一步的；当有河槽深切段时，该区域以水下桥梁形式过渡，该区域的所述管节顶面设置有防抛锚保护层，且该区域的所述管节内部设置有用以平衡浮力的压重结构。
相对于现有技术，本发明提供的水下通道顶推施工方法的有益效果如下：
(1)无需专门的大型干坞预制场地，只需根据实际情况在岸边开挖适当尺寸的顶推工作坑；
(2)由于有支撑桩对管节的支撑定位，对基槽开挖精度和基槽平整度要求降低，基槽施工得以简化；
(3)无需管节浮运船和水下管节精准定位对接系统，只需在岸边工作坑内设置后背墙、千斤顶组、顶铁、弧形管节预制模板、模板千斤顶支座、管节千斤顶支座、弧形导轨等简单设备，施工设备和施工工艺均较简单；
(4)由于无需专门的干坞场地，并简化了施工设备和工艺，可有效地降低成本；
(5)整个顶推水下通道为连续结构，无需采用gina止水带，其防水性能更好，正常情况下可做到滴水不漏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为河床较平缓时的水下通道顶推施工工艺示意图；
图1中各分图含义如下：(a)水下通道纵向轨迹线设计；(b)基槽开挖；(c)施工支撑桩；(d)工作坑设备安装；(e)首节管节预制及附件安装；(f)首节管节顶推前准备；(g)首节管节顶推；(h)第二节管节预制及附件安装；(i)第二节管节顶推前准备；(j)第二节管节顶推；……；(k)首节管节到达对岸预定位置；(l)回填基槽、拆除设备和回填工作坑；
图2为河床起伏较大时的水下通道顶推施工工艺示意图；
图2中各分图含义如下：(a)水下通道纵向轨迹线设计；(b)基槽开挖；(c)施工支撑桩；(d)工作坑设备就位；(e)首节管节到达对岸预定位置；(f)回填基槽、拆除设备和回填工作坑；
图3为基槽开挖横断面图；
图4为支撑桩施工工艺示意图；
图4中各分图含义如下：(a)插打钢护筒；(b)抽水；(c)施工钻孔灌注桩；(d)安装桩端支座；(e)割除上部钢护筒；
图5为水下通道顶推施工所用管节和支撑桩支座的细部结构图；
图5中各分图含义如下：(a)管节与桩端支座立面图；(b)管节与桩端支座横剖图i－i；(c)桩端支座与管节底面横向接触关系大样图j；(d)桩端支座与管节底面纵向接触关系剖视图k－k；(e)管节和导向限位钢条三维图。
图标：10－河水位；20－原始河床轮廓线；30－原始河床底面；40－纵向轨迹线；50－工作坑；60－基槽；70－基槽横断面轮廓线；80－支撑桩；90－后背墙；100－千斤顶组；110－顶铁；120－弧形管节预制模板；130－模板千斤顶支座；140－管节千斤顶支座；150－弧形导轨；160－钢封门；170－钢导梁；180－管节；190－基槽回填料；200－工作坑回填料；210－桩端支座；220－压舱水箱；230－河槽深切段；240－河槽平缓段；250－钢护筒；260－钻孔灌注桩；1801－导向限位钢条；2101－导向块；2102－不锈钢板；2103－聚四氟乙烯滑块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例是把沉管法和顶推法的优点结合，保留沉管法开挖基槽60、放置管节180、回填基槽60的基本做法，放弃各节管节180在水下依次沉放对接的传统做法，改用直接从岸边顶推连续管节180结构进入水下基槽60的方法，可充分发挥顶推法工艺简单、成本低的优势，同时克服沉管隧道沉放工艺复杂、成本高的缺陷，最终形成一种全新的水下通道顶推施工方法。
本实施例中，图1和图2分别介绍河床较平缓时的水下通道顶推施工方法和河床起伏较大时的水下通道顶推施工方法，图中水平向比例尺比竖向比例尺大，实际工作坑50的坡度比本图中所示的坡度小。
具体的，如图1所示，当河床较平缓时，本实施例提供的水下通道顶推施工方法具体工序如下：
s1：根据河岸河槽地形、河床工程地质条件及周边环境，在探明河水位10和原始河床轮廓线20的情况下，设计水下通道纵向轨迹线40，纵向轨迹线40应为圆弧形，圆弧轨迹应尽量与河槽平缓段240底面轮廓匹配，圆弧的水平距离和竖直高度之比一般不小于50。其中纵向轨迹线40必须为圆弧线，若为折线或其他非圆弧线，顶推的过程中必然会出现管节180底面脱离支撑桩80，顶推无法正常进行。
s2：根据实际河床情况，选择性采用专用挖泥船、清淤船、挤密砂桩船、抛石夯填船、碎石整平船等，沿着设计纵向轨迹线40在水下浚挖基槽60和进行地基处理，基槽横断面轮廓线70应超出水下通道外轮廓线，基槽60底面纵向轨迹应大致与通道圆弧形底面相匹配，基槽60底面应比设计管节180底面低至少30cm，基槽60两侧应设置合理的放坡以防止回淤，在纵向轨迹线40延伸到岸上的适当位置开挖顶推工作坑50，工作坑50的长度应根据单节管节180长度、管节预制设备和顶推设备、现场场地条件等进行验算后确定。
s3：采用钻孔灌注桩法在基槽60内每间隔一定距离施工一对支撑桩80，纵向两相邻支撑桩80的最大跨距应经过结构受力验算后确定，支撑桩80桩径一般不小于80cm，桩长应根据上部管节180荷载及下部地基承载力验算确定，桩顶至少比开挖基槽60底部高10cm。如图5所示，支撑桩80顶端设置桩端支座210，桩端支座210由导向块2101、不锈钢板2102、聚四氟乙烯滑块2103组成，聚四氟乙烯滑块2103应与设计的管节180底部圆弧轨迹面相切，滑块竖向安装定位精度宜控制在1cm以内，导向块2101的导向槽应与管节180下部的导向限位钢条1801相匹配，通过导向限位钢条1801和桩顶导向块2101之间的相互水平限位起到水平导向作用。
s4：在顶推工作坑50内设置后背墙90、千斤顶组100、顶铁110、弧形管节预制模板120、模板千斤顶支座130、管节千斤顶支座140、弧形导轨150，千斤顶组100的最大顶力应根据设计计算确定，若后期顶推过程中出现顶力不足，可考虑采用更大吨位的千斤顶组100或在钢导梁170前端连接缆索从对岸牵拉。
s5：在工作坑50内立模板预制第一节管节180，单节管节180长度应综合考虑工作坑50用地限制及施工工期等因素后确定。待管节180养护结束后，在管节180内组装压舱水箱220并连接输水管路，在管节180前端安装钢封门160进行密封，并在钢封门160后安装弧形的钢导梁170，钢导梁170长度一般为相邻支撑桩80跨距的0.6－0.7倍。
s6：用管节千斤顶支座140支撑待顶推的管节180和钢导梁170，撤离弧形管节预制模板120，在管节180底面对称安装两组导向限位钢条1801。
s7：进行首节管节180顶推抗倾覆性验算，验算合格后启动千斤顶组100，沿着弧形导轨150顶推第一节管节180前进一个管节的距离，若千斤顶组100的行程长度不够，可通过增加顶铁110的长度解决。
s8：退回顶推千斤顶，在工作坑50内立模板预制第二节管节180，与第一节管节180形成连续结构，待管节180养护结束后，在管节180内组装压舱水箱220并连接输水管路，压舱水箱220的尺寸应根据抗浮验算确定，保证水箱注入一定体积的水时该节管节体系总重力大于在水中所受浮力。
s9：用管节千斤顶支座140支撑待顶推的管节180和钢导梁170，撤离弧形管节预制模板120，在第二节管节180底面对称安装两组导向限位钢条1801。
s10：启动千斤顶组100，沿着弧形导轨150顶推第二节管节180前进一个管节的距离。
s11：参照上述s8－s10工序依次进行后续各节管节180顶推。在顶推过程中若发现基槽60回淤影响正常顶推时，应暂停顶推，待基槽60清淤后再顶推。在顶推过程中若钢导梁170到达桩端支座210上方而未落在桩端支座210上(或钢导梁170过低有碰撞桩端支座210风险)，可通过在前端几节管节180的压舱水箱220额外注水(或抽水)使之适当下落(或上浮)进行调节，也可通过在钢导梁170前端设置鹰嘴进行辅助导向控制。
在顶推过程中借助千斤顶组100的左右联动调节、工作坑50内弧形导轨150导向、管节180底部导向限位钢条1801和桩顶导向块2101之间的相互水平限位等方法进行水平方向导向调节，一旦管节180水平轨迹偏离了设计轨迹，应暂停顶推，应采取必要措施修正水平向轨迹后再顶推。在顶推过程中某一节管节180即将入水前，对该管节180内压舱水箱220一次性注水至设计注水量，设计注水量应保证此时该节管节体系总重力略大于在水中所受浮力，这样顺次顶推和对各入水管节180的水箱注水，直至第一节管节180顺利到达对岸预定位置结束顶推。
s12：使用基槽回填料190回填基槽60，撤除第一节管节180上的钢封门160和钢导梁170，撤除各管节180内压舱水箱220和输水管路，撤除工作坑50内的后背墙90、千斤顶组100、顶铁110、弧形管节预制模板120、模板千斤顶支座130、管节千斤顶支座140、弧形导轨150，最后使用工作坑回填料200回填工作坑50，完成整个水下通道顶推施工。
如图2所示，当河床起伏较大时，本实施例提供的水下通道顶推施工方法具体工序如下：
s1：根据河岸河槽地形、河床工程地质条件及周边环境，设计水下通道纵向轨迹线40，纵向轨迹线40应为圆弧，圆弧轨迹应尽量与河槽平缓段240底面轮廓匹配，以减少基槽60开挖工作量，河槽深切段230以水下桥梁形式过渡，圆弧的水平距离和竖直高度之比一般不小于50。其中纵向轨迹线40必须为圆弧线，若为折线或其他非圆弧线，顶推的过程中必然会出现管节180底面脱离支撑桩80，顶推无法正常进行。
s2：根据实际河床情况，选择性采用专用挖泥船、清淤船、挤密砂桩船、抛石夯填船、碎石整平船等，沿着设计轨迹线在水下浚挖基槽60和进行地基处理，基槽横断面轮廓线70应适当大于通道外轮廓线，基槽60底面纵向轨迹应大致与通道圆弧形底面相匹配，基槽60底面应比设计管节180底面低至少30cm，基槽60两侧应设置合理的放坡以防止回淤，对河槽深切段230无需开挖。在纵向轨迹线40延伸到岸上的适当位置开挖顶推工作坑50，工作坑50的长度应根据单节管节180长度、管节预制设备和顶推设备、现场场地条件等进行验算后确定。
s3：采用钻孔灌注桩法在基槽60内每间隔一定距离施工一对支撑桩80，纵向两相邻支撑桩80的最大跨距应经过结构受力验算后确定，对河槽深切段230应适当加密支撑桩80。支撑桩80桩径一般不小于80cm，桩长应根据上部管节180荷载及下部地基承载力验算确定，桩顶至少比开挖基槽60底部高10cm。如图5所示，支撑桩80顶端设置桩端支座210，桩端支座210由导向块2101、不锈钢板2102、聚四氟乙烯滑块2103组成，聚四氟乙烯滑块2103应与设计的管节180底部圆弧轨迹面相切，滑块竖向安装定位精度宜控制在1cm以内，导向块2101的导向槽应与管节180下部的导向限位钢条1801相匹配，通过导向限位钢条1801和桩顶导向块2101之间的相互水平限位起到水平导向作用。
s4：在顶推工作坑50内设置后背墙90、千斤顶组100、顶铁110、弧形管节预制模板120、模板千斤顶支座130、管节千斤顶支座140、弧形导轨150，千斤顶组100的最大顶力应根据设计计算确定，若后期顶推过程中出现顶力不足，可考虑采用更大吨位的千斤顶组100或在钢导梁170前端连接缆索从对岸牵拉。
s5：在工作坑50内立模板预制第一节管节180，单节管节180长度应综合考虑工作坑50用地限制及施工工期等因素后确定。待管节180养护结束后，在管节180内组装压舱水箱220并连接输水管路，在管节180前端安装钢封门160进行密封，并在钢封门160后安装弧形钢导梁170，钢导梁170长度一般为相邻支撑桩80跨距的0.6－0.7倍。
s6：用管节千斤顶支座140支撑待顶推的管节180和钢导梁170，撤离弧形管节预制模板120，在管节180底面对称安装两组导向限位钢条1801。
s7：进行首节管节180顶推抗倾覆性验算，验算合格后启动千斤顶组100，沿着弧形导轨150顶推第一节管节180前进一个管节180的距离，若千斤顶组100的行程长度不够，可通过增加顶铁110的长度解决。
s8：退回顶推千斤顶，在工作坑50内立模板预制第二节管节180，与第一节管节180形成连续结构，待管节180养护结束后，在管节180内组装压舱水箱220并连接输水管路，压舱水箱220的尺寸应根据抗浮验算确定，保证水箱注入一定体积的水时该节管节体系总重力大于在水中所受浮力。
s9：用管节千斤顶支座140支撑待顶推的管节180和钢导梁170，撤离弧形管节预制模板120，在第二节管节180底面对称安装两组导向限位钢条1801。
s10：启动千斤顶组100，沿着弧形导轨150顶推第二节管节180前进一个管节180的距离。
s11：参照上述s8－s10工序依次进行后续各节管节180顶推。在顶推过程中若发现基槽60回淤影响正常顶推时，应暂停顶推，待基槽60清淤后再顶推。在顶推过程中若钢导梁170到达桩端支座210上方而未落在桩端支座210上(或钢导梁170过低有碰撞桩端支座210风险)，可通过在前端几节管节180的压舱水箱220额外注水(或抽水)使之适当下落(或上浮)进行调节，也可通过在钢导梁170前端设置鹰嘴进行辅助导向控制。
在顶推过程中借助千斤顶组100的左右联动调节、工作坑50内弧形导轨150导向、管节180底部导向限位钢条1801和桩顶导向块2101之间的相互水平限位等方法进行水平向导向调节，一旦管节180水平轨迹偏离了设计轨迹，应暂停顶推，应采取必要措施修正水平向轨迹后再顶推。在顶推过程中某一节管节180即将入水前，对该管节180内压舱水箱220一次性注水至设计注水量，设计注水量应保证此时该管节180系统总重力略大于在水中所受浮力，这样顺次顶推和对各入水管节180的水箱注水，直至第一节管节180顺利到达对岸预定位置结束顶推。
s12：使用基槽回填料190回填基槽60，对河槽深切段230无需回填，河槽深切段230管节180顶面应设置足够厚度的防抛锚保护层，河槽深切段230管节180内部应设置必要的压重结构以平衡浮力。撤除第一节管节180上的钢封门160和钢导梁170，撤除各管节180内压舱水箱220和输水管路，撤除工作坑50内的后背墙90、千斤顶组100、顶铁110、弧形管节预制模板120、模板千斤顶支座130、管节千斤顶支座140、弧形导轨150，最后使用工作坑回填料200回填工作坑50，完成整个水下通道顶推施工。
本实施例通过上述两种水下通道顶推施工方法，均能够产生以下有益效果：
(1)无需专门的大型干坞预制场地，只需根据实际情况在岸边开挖适当尺寸的顶推工作坑50；
(2)由于有支撑桩80对管节180的支撑定位，对基槽60开挖精度和基槽60平整度要求降低，基槽60施工得以简化；
(3)无需管节180浮运船和水下管节180精准定位对接系统，只需在岸边工作坑50内设置后背墙90、千斤顶组100、顶铁110、弧形管节预制模板120、模板千斤顶支座130、管节千斤顶支座140、弧形导轨150等简单设备，施工设备和施工工艺均较简单；
(4)由于无需专门的干坞场地，并简化了施工设备和工艺，可有效地降低成本；
(5)整个顶推水下通道为连续结构，无需采用gina止水带，其防水性能更好，正常情况下可做到滴水不漏。
具体的，本实施例还对水下通道顶推施工方法中的某些步骤做以下详细描述。
首先，在步骤s2中基槽开挖横断面如图3所示，在原始河床底面30下方开挖基槽60并安装支撑桩80，基槽60底面应比管节180的底面低至少30cm，支撑桩80的桩端支座210应至少比基槽横断面轮廓线70高10cm，基槽60两侧应设置合理的放坡以防止回淤。
又如图4所示，在步骤s3中的安装支撑桩80的钻孔灌注桩法具体步骤如下：
先在基槽60内插打钢护筒250，钢护筒250插打完成后，其顶端需要高出河水位10。随后，将钢护筒250内的水抽干，抽干后，在钢护筒250内灌注混凝土，形成钻孔灌注桩260，此时，需要保证钻孔灌注桩260的顶端高于基槽60底面约10cm。最后，将钻孔灌注桩260上方的钢护筒250割除，最终形成需要的支撑桩80。
最后，在步骤s3－s11中，管节180与桩端支座210细部结构如图5所示，管节180为弧形管节，管节180内设置压舱水箱220，管节180底面对称设置两组导向限位钢条1801。在支撑桩80顶部设置桩端支座210，桩端支座210由导向块2101、不锈钢板2102和聚四氟乙烯滑块2103组成。一组导向限位钢条1801与一对桩顶导向块2101相匹配起到水平向导向限位作用。聚四氟乙烯滑块2103与管节180底面呈相切关系，聚四氟乙烯滑块2103的转移滚动可有效降低二者相对滑动时的摩阻力。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。