橋式盾構(gòu)法頂進(jìn)技術(shù)在峰福線下穿立交橋施工的應(yīng)用

李賢桂

(南昌鐵路局南平工務(wù)段路橋技術(shù)科，福建南平353000)

1 工程概況

工程位于峰福線K154+688建陽站福州端的道岔咽喉區(qū)，北通建陽市西城開發(fā)區(qū)，南連市區(qū)道路。橋位處為峰福電氣化鐵路，路基為路堤形式。

立交橋主體采用框架結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度為C 40、P 8抗?jié)B鋼筋混凝土；孔跨布置為1-11 m(人行道2 m+行車道7 m+人行道2 m)×4.5 m(凈高)，框架橋全寬12.80 m(邊墻為0.9 m)，全高6.9 m(頂板0.7 m，底板0.9 m，排水溝0.8 m)，見圖1。

框架橋全長17.50 m，主要跨越的線路有建陽站正線(Ⅱ道)，安全線以及3道(圖2)。主要鐵路設(shè)備有4#、6#、10#道岔，信號機(jī)、光電纜、鐵路電力接觸網(wǎng)設(shè)施；出入口兩側(cè)設(shè)置8.0 m C 40、P 8抗?jié)B鋼筋混凝土U型槽。

為保證鐵路不中斷行車，框架橋采用橋式盾構(gòu)法頂進(jìn)施工，從左向右頂進(jìn)，頂程31.7 m，設(shè)計最大頂力為5 688 t。

圖1 峰福線K154+688處1-11.0×4.5 m(寬×高)下穿立交橋

2 施工方案

為確保施工期間線路不中斷行車的穩(wěn)定、安全快速，本框架橋采用橋式盾構(gòu)法頂進(jìn)框架橋掘進(jìn)支護(hù)線路，并為框架導(dǎo)向，框架頂推采用液壓推進(jìn)設(shè)備。頂進(jìn)期間，為了防止局部道碴出現(xiàn)意外塌落影響行車安全，線路采用P 50軌簡易扣軌，縱向軌束2+3扣，橫向采用1+2扣，每隔2條軌枕穿1束，并扣緊于兩縱向軌束上部，不擾動既有道床結(jié)構(gòu)，確保既有線的穩(wěn)定。

圖2 峰福線K154+688立交框架平面圖

2.1 橋式盾構(gòu)法構(gòu)造原理

“橋式盾構(gòu)法”在保留傳統(tǒng)頂涵施工、橋涵結(jié)構(gòu)路側(cè)預(yù)制工藝的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)頂進(jìn)支護(hù)方法進(jìn)行了重大改革，將明挖開槽改為地下暗挖盾構(gòu)支護(hù)，從而使露天預(yù)制保證了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，暗挖推進(jìn)減低了施工時對行車的影響。

橋式盾構(gòu)由預(yù)埋件、墩柱、主梁、子盾構(gòu)箱、子盾構(gòu)、減阻板、反拉系統(tǒng)、盾殼、液壓推進(jìn)系統(tǒng)等部分組成。盾構(gòu)的橫向截面成簡支梁橋形，其外廓尺寸與剛架橋外廓尺寸基本相同，裝配在第一節(jié)框架橋前端。跨中滯后挖掘的中心土從盾構(gòu)入土直到出土前均保持1∶0.75坡比，并滯后子盾構(gòu)掘進(jìn)面8 m左右開挖，它與盾構(gòu)共同平衡周邊土壓，成為子盾構(gòu)箱的強(qiáng)大支護(hù)體系，作為帶土頂進(jìn)時掘進(jìn)面與路基的施工支護(hù)，同時盾構(gòu)也起擔(dān)負(fù)頂推導(dǎo)向作用。

2.2 橋式盾構(gòu)法施工技術(shù)原理

2.2.1 提前支護(hù)原理

子盾構(gòu)在油壓頂推系統(tǒng)的頂推下切入土體40 cm后，提前支護(hù)盾構(gòu)上土體，將子盾構(gòu)箱前的土體及墩柱前的土體采用人工開挖掘進(jìn)40 cm，子盾構(gòu)箱下的中心土采用機(jī)挖人修的方法掘進(jìn)40 cm，然后頂進(jìn)框架使框架與盾構(gòu)體整體遷移40 cm，形成框架的一次頂進(jìn)循環(huán)。當(dāng)整個盾構(gòu)全部進(jìn)入路基后形成提前支護(hù)。

2.2.2 中心土原理

由于子盾構(gòu)箱順線路方向未設(shè)受力構(gòu)件，故在子盾構(gòu)箱下及墩柱兩側(cè)的土體不能全部挖掉，只能按剪力板的坡度挖掉超過剪力板的土體，每次40 cm，該土體稱為中心土。承受子盾構(gòu)箱及其列車的動荷載和線路土體的靜荷載，保證盾構(gòu)的穩(wěn)定。

2.3 本項目橋式盾構(gòu)頂進(jìn)布置

本項目盾構(gòu)母體包括預(yù)埋件、墩柱、4榀主梁和盾殼，每榀主梁高1.3 m、寬0.6 m、長12.832 m，主梁安裝的中對中間距為1.2 m，榀與榀間用I 28B工字鋼焊接后并與各墩柱焊接成整體鋼結(jié)構(gòu)橋梁，墩柱與主梁連接成多門字形。盾殼由16 mm厚鋼板制作，分頂板、側(cè)板包裹在主梁頂部與墩柱外側(cè)。子盾構(gòu)的子盾構(gòu)箱高度1.3 m與主梁相同。在每格子盾構(gòu)箱的上導(dǎo)梁中裝有一臺子盾構(gòu)；前置的第一榀主梁下設(shè)置盾構(gòu)爬升糾偏板，子盾構(gòu)箱安裝在盾構(gòu)母體的前端，在各子盾構(gòu)頂部后端連接著一條與其等寬度的減阻薄鐵板，板面靠前端設(shè)置有上刃口，為鏟除土體欠挖量用，箱蓋板刃口為防止減阻板卷曲之用。

盾構(gòu)母體中的子盾構(gòu)由液壓系統(tǒng)控制，單臺組錯開推進(jìn)，擔(dān)負(fù)減阻板的牽引及掘進(jìn)面的小斷面化，增強(qiáng)了開挖面的穩(wěn)定性，被牽引的減阻板則將上部摩擦力分散。剛架橋推進(jìn)前順坡清除底板前方部分中心土體，盾構(gòu)母體隨剛架橋同步推進(jìn)時，子盾構(gòu)原推出部分被掘進(jìn)面土體阻擋與子構(gòu)箱體作相對運(yùn)動，套回箱內(nèi)，完成一個盾構(gòu)掘進(jìn)工作循環(huán)。

子盾構(gòu)前開橫槽，墩柱前開豎槽的挖掘方式，開挖長度40 cm左右為一工作循環(huán)。開挖面積為子盾構(gòu)箱與各墩柱截面積。由于各開挖面積小，土壓較易平衡。伸入梁跨內(nèi)的中心土滯后與槽若干米至阻擋框架橋底部時才開始進(jìn)行挖掘，開挖長度為1 m左右，即小斷面完成3個工作循環(huán)中心土開挖一次，并始終保持滯后于1∶0.75以上的開挖坡度，使開挖面土體保持天然的自穩(wěn)能力，成為掘進(jìn)面的強(qiáng)大支護(hù)體系(圖3)。循環(huán)作業(yè)頂進(jìn)框架橋到達(dá)設(shè)計位置。

圖3 施工現(xiàn)場

2.4 施工順序

施工順序見圖4。

圖4 橋式盾構(gòu)法施工順序示意

3 頂力分析及頂進(jìn)設(shè)備布置

本框架橋為正交，橋體自重大。另外本橋橫向跨度12.8 m，縱向長度17.5 m，橫向跨度與縱向長度的比值約為3∶4，橋體寬長比相差不大，頂進(jìn)糾偏困難相對較小。在頂進(jìn)施工前，進(jìn)行頂進(jìn)受力分析，并根據(jù)受力分析的結(jié)果合理確定頂進(jìn)設(shè)備的布置方式。

3.1 所有頂進(jìn)框架的重量

本工程主體結(jié)構(gòu)、三角塊、U形槽、橋頂防水保護(hù)層混凝土方量為868 m3，加上橋式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)重120 t，根據(jù)相關(guān)規(guī)范計算，所有頂進(jìn)框架的重量為2 638 t。

3.2 橋體最大頂力計算

頂進(jìn)橋涵的頂力，應(yīng)根據(jù)頂進(jìn)長度、土的性質(zhì)、地下水情況、橋涵外形及施工方法等因素按下式計算：

P=K[N1μ1+(N1+N2)μ2+2Eμ2+RA]

式中：N1為橋上荷載，N1=既有線設(shè)備重量+加固荷載=4.5 t/m2×224=1 008 t；μ1為橋涵頂面與頂上荷載的摩擦系數(shù)，取μ1=0.3；N2為橋涵自重，N2=2638 t；μ2為橋涵底板與基底土的摩擦系數(shù)，取μ2=0.8；E為橋體兩側(cè)土壓力，經(jīng)計算E=498.8 t；μ3為側(cè)面摩擦系數(shù)，一般取0.7～0.8，取μ3=0.8；R為盾構(gòu)正面阻力，對于粉質(zhì)粘土，取R=350 kPa；A為盾構(gòu)正面積，按照設(shè)計資料計算可得A=33 m2；K為系數(shù)，采用1.1。

經(jīng)計算，P=5 688 t。

3.3 頂進(jìn)設(shè)備布置

假設(shè)頂進(jìn)施工時，每側(cè)的頂力集中在橋式盾構(gòu)的中心線(平行于橋體中心線)，本橋為正向頂進(jìn)，兩側(cè)土體側(cè)壓力均垂直于橋體頂進(jìn)方向，即橋體中心線。假定橋體轉(zhuǎn)動點(diǎn)為橋主體底板形心，如圖5所示。

圖5 橋體頂力計算簡圖(單位：m)

假設(shè)兩側(cè)土體摩擦力、頂?shù)装迥Σ亮嗷サ窒=Fl×3.2-F2×3.2。橋體頂進(jìn)需要控制的就是使M=0，這樣就可以保證橋體的中心線按照預(yù)定要求進(jìn)行頂進(jìn)。

3.4 實際頂進(jìn)施工時頂力情況及糾偏效果

本框架橋啟動時頂力為2 400 t，橋體前端沒出滑板前，正常頂力為2 000～2 400 t，為自重的0.76～0.91。當(dāng)橋體全部入土?xí)r，為頂力最大情況，此時E1=E2=498.8 t，此時最大頂力P=5 688 t，即F1+F2=5 688 t。經(jīng)計算可得，F(xiàn)1=F2=2 844 t。本工程頂進(jìn)設(shè)備假定全部采用頂力為500 t的液壓頂機(jī)，使用頂力按照80%計算，即使用頂力為400 t，按照以上計算出的頂力，則需要配制液壓頂機(jī)數(shù)量為：左側(cè)N1=2 844/400=7(臺)；右側(cè)N2=2 844/400=7(臺)。實際施工中左側(cè)頂進(jìn)三角塊配5臺500 t、3臺400 t液壓頂機(jī)，右側(cè)頂進(jìn)三角塊配5臺500 t、3臺400 t液壓頂機(jī)。500 t、400 t液壓頂機(jī)的使用頂力可達(dá)400 t、320 t，可供最大頂力為400×10+320 t×6=5 920 t。

進(jìn)入路基之后的正常頂力范圍在2 500～5 600 t之間，就位前最大頂力為5 600 t，此時底板右側(cè)及右側(cè)刃角全部吃土，因此頂力較大，但未超出設(shè)計最大頂力。頂進(jìn)就位后，高程偏差最高偏高18 mm，最底偏低8 mm，平均比設(shè)計高8 mm；中心線前端左偏1，后端左偏1 mm。

4 施工注意事項及控制措施

4.1 頂進(jìn)糾偏

盾構(gòu)糾偏是掘進(jìn)人員(包括挖機(jī)司機(jī))按指揮人員發(fā)出的掘進(jìn)指令，對子盾構(gòu)、墩柱底板下及兩側(cè)土體進(jìn)行超挖或欠挖土，不斷改變各部位土應(yīng)力來完成。

框架橋左右方向的糾偏利用油壓頂非均衡使用來完成，水平高程糾偏為調(diào)整橋式盾構(gòu)運(yùn)行軌跡來達(dá)到效果。

4.2 防水層保護(hù)與減阻 為防止道床對防水層及框架頂面的破壞，在框架橋頂部沿軸線方向通長設(shè)置扁鐵。該扁鐵橫向中心間距為100 mm。前端與盾殼頂板尾端焊接固定，后端擺放于框架橋頂板上呈自然狀態(tài)(頂進(jìn)過程中會被拉直拉長，故尾端不能固定)，扁鐵隨盾構(gòu)牽引前進(jìn)。

4.3 施工監(jiān)測

框架橋推進(jìn)施工的全過程中，盾構(gòu)及框架橋運(yùn)動中線、水平的測量和線路軌道的監(jiān)測非常重要，對每一頂進(jìn)循環(huán)的測量數(shù)據(jù)繪制成框架橋推進(jìn)軌跡圖進(jìn)行分析研究，用于科學(xué)指導(dǎo)框架橋的掘進(jìn)與糾偏。

4.4 防止盾構(gòu)剛進(jìn)入土體的載頭

為控制盾構(gòu)由于自重影響在進(jìn)入土體時順勢下沉，應(yīng)啟動反拉系統(tǒng)進(jìn)行抬升，隨后頂推框架橋的同時啟動反拉系統(tǒng)，防止載頭，有效地控制路基和軌道的沉降變形。

4.5 控制框架橋頂進(jìn)時橫移

為控制框架橋頂進(jìn)時橫移，必須做到頂推框架橋與反拉系統(tǒng)同步。嚴(yán)格聽從指揮，時間以秒控制，保證頂推框架橋與反拉系統(tǒng)同步。

5 結(jié)論

既有線下穿立交橋工程施工，可造成路基和軌道的沉降變形，如軌道的軌距、水平、高低的幾何尺寸的變化、扣件松動等，進(jìn)而造成“三角坑”、“暗坑”、“吊板”等病害，尤其是在道岔區(qū)頂進(jìn)施工，還會造成岔區(qū)斷面破壞、尖軌不密貼、道岔扭曲，危及行車安全。

橋式盾構(gòu)法適用于下穿多股道鐵路線路、大跨度立交框架橋的頂進(jìn)施工，解決了施工便梁跨度無法滿足線路架空要求的頂進(jìn)框架橋施工，可防止路基面的過量變形及由此帶來的軌道過量位移對行車安全的影響，只要施工方法得當(dāng)，可確保線路邊運(yùn)營邊施工，最大限度地降低下穿立交施工對運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>