中繼間法在下穿鐵路股道群頂進施工中的應用

王 鑫 張自光 周榮環 康 帥

（1、江蘇雷威建設工程有限公司，江蘇 南京 210003 2、安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601 3、河南大學 土木建筑學院，河南 開封 475001）

近年來，隨著我國城市道路設施建設的迅猛發展，城市道路下穿鐵路線路股道及股道群交叉施工的現象越來越多。如何在保證不影響既有鐵路線路通行或結構正常運行的條件下安全地進行新建項目的施工是擺在工程人員面前的一個難點[1]。框架橋涵由于其不影響既有線路運行、施工速度塊、對環境影響小等特征，在城市道路長距離下穿鐵路運營線路建設中發揮著越來越重要的作用。

城市道路長距離下穿鐵路股道群中繼間頂進箱涵施工，不可避免地引起箱涵抬頭、扎頭、方向等姿態偏移。過大的箱涵姿態偏移將會對工程自身和周邊環境的安全質量造成不可承受的影響，因此，必須將箱涵姿態偏移控制在合理的范圍內。本文依托合肥市銅陵北路下穿合肥東站立交橋工程實例，對長距離多節框架橋下穿鐵路股道群中繼間頂進頂進施工進行集成創新研究，為工程項目安全、經濟、快速、高效實施提供堅強的技術支撐和理論依據，同時為類似工程施工項目提供借鑒和參考。

1 箱涵中繼間法頂進施工原理

在箱涵頂管管節較多時，采用中繼間法頂進施工。在發射井內的千斤頂達到最大頂力后暫停頂進，前節箱體利用后節箱體作為后背，用兩節箱體中間設置的中繼間千斤頂進行頂進，中繼間內的千斤頂達到最大頂程后，前節箱體暫停頂進并使千斤頂回縮，而后再進行后節箱體的頂進[2]。該方法緩解了后背墻和千斤頂的強度，也有效避免了箱涵頂管管節在頂進過程中被壓碎的情況。中繼間法頂進傳力結構比較方便施工，且頂進受力穩定可靠，頂進質量容易控制。

1.1 中繼間法箱涵頂鎬設置原則

1.1.1 箱涵頂鎬布置部位

在采用中繼間法施工時，應在箱涵頂管管節的地板上布置用于箱涵頂進的頂鎬和千斤頂。頂鎬位置按照箱涵所需頂鎬的噸位和數量，沿箱體底板橫向均勻對稱布置。箱體預制時，在前一箱涵體的尾部預留出安放頂鎬的位置，并在施頂處預埋20mm厚的鋼板，以加強箱體的局部強度，防止在頂進過程中破壞箱體。待箱涵涵節頂進到位后，再在箱涵節尾部的鎬窩處綁扎、焊接鋼筋，提高一個等級補澆混凝土[3]。

1.1.2 箱涵頂鎬數量

箱涵頂推力的計算根據所給的已知條件，按照《鐵路橋涵設計規范》（TB 10002-2017）[4]計算出箱涵的最大頂推力，并進而選擇千斤頂的型號及數目。頂進法施工的難點在于精確計算出箱涵頂進時的頂力。箱涵頂推力主要為由箱涵本身的自重引起與周圍圍巖所產生的摩阻力[5]。箱涵的頂進過程包括箱涵啟動直至箱涵全部入土，其中箱涵全部入土時所需頂推力是最大的，即箱涵最大頂推力。箱涵頂鎬頂力可按式（1）計算：

式中：P為最大頂力（kN）；

K為安全系數，一般采用1.2；

N1為箱涵頂管頂部荷載（kN），包括頂管管節上方線路及加固材料的重量；

N2為箱涵頂管管節自重（kN）；

f1為框架箱涵頂部摩擦系數，無實驗資料時可按以下經驗取值：涂石蠟0.17 -0.34 、涂滑石粉漿0.3 、涂機油調劑的滑石粉漿0.2；

f2為箱涵頂管管節與基底土體的摩擦阻力系數，可取0.7 -0.8 ；

f3為箱涵頂管管節側面摩擦阻力系數，一般取0.7 -0.8 ；

E為箱涵頂管管節兩側的土壓力（kN）；

R為箱涵頂管管節前部刃腳正面與土體的阻力；

A為箱涵頂管管節前部刃腳的正面接觸面積。

箱涵頂管管節頂進施工過程可分為下面三個階段：起動，滑動，進入路基土直至就位。線路加固后頂進箱涵時，土體已分段全部開挖，上部荷載不需計入。進入路基后應受阻力最大，因此，此時的頂力最大[6]。

由以上可以知道箱涵頂進所需最大頂力的值，再根據已知的頂鎬的最大頂力，由最大頂力除以頂鎬的最大頂力的得到的數進一取整即為頂鎬的數量。

1.1.3 頂鎬的分布

安裝在支架上的頂鎬，應在管道軸線兩側對稱布置，頂鎬規格應相同，其合力的作用點應在箱涵中心線上，要有利于箱涵頂管管節的受力和糾偏需求，還要便于箱體之間的搭接，方便施工，利于涵節箱體底板的整體傳力，要對箱涵在頂進過程中的損害降低到最小。總之，頂鎬的布置一定要便于施工，容易操作，且要保證頂進質量。

1.2 箱涵頂進中繼間布置

1.2.1 中繼間位置計算

箱涵中繼間的設置應根據估算總頂力、箱涵允許頂力、工作井允許頂力、中繼間千斤頂總頂力和主頂千斤頂的頂力確定。第一道中繼間應根據頂管機迎面阻力及估算摩阻力確定，宜布置在頂管機后方20m～50m的位置[7]。

中繼間布置宜按式（2）計算確定。

式中：S'——中繼間的間隔距離（m）；

k——頂力系數，宜取0.5 ～0.6 ；

F2——頂管機的迎面阻力(kN)；

F3——控制頂力(kN)；

D——管道外徑(m)；

f——管道外壁與土的平均摩阻力(kPa)，宜取2kPa～7kPa。

1.2.2 并聯式

箱涵在靠鐵路一側并排預制好，先將箱涵1頂入，然后將箱涵2平移，安裝第一個中繼間，待箱涵2也頂入路基后再平移箱涵3，安裝第二個中繼間，再繼續頂進，直至全部就位。箱涵在橫移的過程中需要設置橫向頂進后背，或者在工作坑發射井內設置箱涵頂管管節底部的鐵軌滑道，如圖1所示[8]。

圖1 并聯式

1.2.3 串聯式

先將數節箱涵頂管管節在頂進方向的軸線上預制好，而后將箱涵頂管管節之間的中繼間按照先后順序安裝完成。箱涵頂管管節頂進過程啟動后即可中途連續不停頓的頂進，直到全部箱涵頂管管節頂進到指定位置，如圖2所示[8]。由于并聯法需要多增加一步橫移工作，所以在一般在場地較大，布置無困難的施工場地多采用串聯法布置。

圖2 串聯式

1.2.4 混合式

采用串聯式和并聯式混合使用的方式稱為混合式。利用有限的場地盡可能的將先將盡可能多的箱涵頂管管節在頂進方向的軸線上預制好，而后將箱涵頂管管節之間的中繼間按照先后順序安裝完成。其他剩余的箱涵在靠鐵路一側并排預制好，再依次將箱涵頂管管節橫向移動至頂進方向的軸線即可，然后按照串聯式進行頂進作業。

1.3 中繼間頂進姿態控制

1.3.1 中繼間法水平偏差調整

箱體在發射井工作坑內底板上滑動時，方向墩起到主要調整糾正方向偏差的作用。箱涵頂管管節在進入土體之前先進行校正工作，確保在設計位置，這樣箱涵頂管管節進入土體之后就會相對較為穩定。在箱涵頂管管節進入土體之后的頂進方向控制可采用以下一些措施[9]：（1）當箱涵頂管管節斜度較小時，采用頂進系統動態自動糾偏，通過頂管系統自動調整軸線兩側油壓，從而自動矯正監測到的管節偏差。（2）增加或者減少軸線一側的油壓管頂力。即管節左偏時，減少軸線右側千斤頂頂力；管節左偏時，減少軸線右側千斤頂頂力。（3）在頂進施工過程中調整刃腳兩側阻力差值以達到糾偏的目的。即箱涵頂管管節前端軸線左右兩側刃腳前，一側超挖，另一側少挖土或不挖土。（4）利用發射井內后背頂鐵的松緊調整以達到糾偏的目的。添加或者更換后背頂鐵時，要按照箱涵頂管管節偏差的大小和方向，將頂進軸線一側的頂鐵楔緊，軸線另一側頂鐵楔松或留1～3cm的空隙。千斤頂發力之后，則楔緊一側首先被頂進，楔松一側要晚于楔緊一側被頂進，從而達到調整糾偏的作用。這種方法很有效，但要嚴格掌握頂進時楔松緊程度以防止箱涵頂管管節由于受力不均而出現永久性裂縫。（5）設置挖孔樁在箱涵頂管管節兩側鐵路線間，挖孔樁有卸載箱涵頂管管節兩側土壓力及控制箱涵頂管管節頂進方向的作用。

上述方法應因地制宜的按照工程實際需求進行使用，要分情況僅使用一種方法或者幾種糾偏方法組合一起使用，以調整箱涵頂管管節在頂進過程中產生的水平偏差，使頂進到位的箱涵符合設計要求。

1.3.2 中繼間法垂直偏差調整

中繼間法頂進垂直方向的調整主要是防止和糾正箱涵頂管管節在頂進過程中產生一個普遍而不易處理的“扎頭”和“抬頭”問題。引起垂直方向變化因素主要包括：頂進施工時使用的方法、箱涵頂管管節頂部覆土類型和厚度、箱涵頂管管節基底地層的各種條件等。

可采取如下措施防止箱涵頂管管節頂進過程中產生的“扎頭”和“抬頭”現象[10]：（1）發射井工作坑內滑板前端設置頂進過渡段，通過增大接觸面積以增強滑板前端土壤承載力；（2）在刃角或底板正面適當增加欠挖面積強制頂進，在頂力有較大富裕時，也可對箱涵頂管管節采用全斷面強制頂進；（3）在箱涵頂管管節“扎頭”現象嚴重時可在“船頭坡”下鋪設混凝土預制板強行抬坡頂進；（4）在箱涵頂管管節有“抬頭”現象時，可在箱體底部以下適當超挖。

2 工程應用

2.1 工程概況

合肥市銅陵北路新建道路位于合肥市瑤海區，南起天水路，北至東方大道，全長4752.436 米，設計時速60km/h，規劃紅線45米，是該區域內的一條交通性城市主干道。銅陵北路下穿合肥東站立交橋工程涉鐵范圍全長為763.315 m，需要穿越多條股道，如圖3所示。其中穿越鐵路股道范圍采用頂進法施工，其余部分采用現澆，引道部分采用U型槽結構。

圖3 銅陵北路下穿合肥東站示意圖

道路下穿立交橋工程采用孔徑6.0 m+12.0 m+12.0 m+6.0 m的四孔分離式框架橋結構型式，總跨度43.5 m，如圖4所示。其中12.0 米框架布置11.25 m的機動車道，兩邊6.0 米框架各布置人行道及非機動車道。12.0 m框架頂板厚1.1 m，底板厚1.2 m，側墻厚1.1 m；6.0 m框架頂板厚0.6 m，底板厚0.7 m，側墻厚0.7 m。

圖4 框架橫斷面圖

項目擬建場地地形總體呈北高南低分布，地表高程約25.22 ～33.71 m，最大高差約8.49 m。江淮丘陵的地貌單元，崗地的微地貌單位，上覆第四系覆蓋層厚度約32.80 ～45.10 m，下伏白堊系暗紅、紫紅色泥質砂巖風化帶。一層為耕作土，厚度為1.5 ～1.8 m，2層為雜填土，厚度為0.8 ～3.3 m，3層為粘土層，厚度為22.8 ～31.7 m，4層為全風化層，厚度為1.7 ～6.9 m。

地下水類型主要為上層滯水和風化巖層層間水，上層滯水主要分布于耕作土層和雜填土中，水量不豐富，水位埋深約在地表下0.5 ～1m；層間水主要分布于全風化土和強風化泥質砂巖中，含水量不大，無承壓性。

2.2 施工程序步驟

施工基坑圍護樁施工→開挖工作坑、鐵路加固→開挖集水井安裝排水設施→澆筑后背梁及滑板→澆筑主體框架→安裝鋼刃角→安裝頂進設備→施頂→框架就位→施工現澆框架→鑿除后背挖孔樁→施工U型槽→回收線路加固設備→橋面工程→框架內道路和路面施工。

2.3 頂進方案及施工關鍵技術

頂進施工工藝：鐵路股道線路加固→安裝、調整項進設備→嘗試頂進→開始頂進→停止頂進→安放頂鐵→繼續頂進→測量、到達指定位置。

2.3.1 鐵路線路加固

為了在箱涵頂進施工時最大程度不影響火車站的運行，本次工程采用對線路加固的方式確保邊施工邊通行。工程采用施工鋼便梁鐵路股道進行線路加固，主要進行條形基礎、架設鋼便梁及箱涵頂進的施工，在封鎖點內進行吊裝便梁、穿抽鋼枕和移梁的工作。箱涵頂管管節頂進到位以后，為了防止箱涵頂管管節兩側路基蹋方，在箱涵頂管管節兩側路基采用槽鋼樁支護，支護長度為5m，樁間距為1.0 m，在樁的頂部設置冠梁將樁連成整體，以防發生側移。

2.3.2 箱涵頂進設備及安裝

2.3.2.1 首先對場地進行測量，建立箱涵頂進的控制點坐標和頂進軸線，為后續精準控制箱涵頂進做準備。

2.3.2.2 工作坑施工。根據箱涵施工要求合理設置工作坑，保證在承受荷載能力方面具有較好的表現[11]。為避免不均勻沉降現象，需填入適量的級配砂石，并沿頂進方向修筑仰坡。工作坑施工期間應配套修筑排水溝、集水坑高效的排水設施。

2.3.2.3 安裝頂進后背，采用并裝式后背，頂進后背的平面垂直于頂進方向的軸線。拼裝式后背，由兩塊鋼筋混凝土預制塊（又稱“抵座”）夾著枕木墊層抵在后背土上組成。拼裝式優點為更省鋼材，可重復使用鋼筋混凝土預制塊和枕木，適用于頂進工點多，也有起吊運輸條件的工地。

2.3.2.4 安裝滑板導軌和主頂裝置。進行監測測量，精確固定頂進導軌位置與坡度。要以箱涵頂管管節中心線為軸對稱設置千斤頂[12]。為了防止箱涵頂管管節底部被壓碎，因此設置厚2cm的承壓鋼板在箱涵頂管管節底部與頂鎬連接的位置，并在承壓鋼板下面焊接鋼板托盤，防止在箱涵頂管管節頂進過程中因底板和千斤頂接觸而出現刮板的問題。高壓油泵、油箱及其他輔助裝置布置在箱涵頂管管節中墻的一側。頂柱和頂鐵安裝軸線垂直于后背用于傳力，并應按規格和數量備齊并擺放整齊，以便快速施工。為了防止頂進時頂鐵蹦起，應該在后背梁前設鋼橫梁，并且千斤頂頂鎬前每隔4 m設1道橫梁作為托梁，在頂進過程中頂鐵還要設置鋼軌壓梁，預埋在滑板內的壓梁環固定壓梁。

2.3.2.5 工作井內的平面布置。搭建井內工作平臺、安裝配電箱、主頂動力箱、控制臺、鋪設各種電纜、管線、油路等。井內平面布置要求布局合理，保證安全，方便施工。

2.3.2.6 地面輔助設備的安裝及平面布置。輔助設備主要有攪拌系統、供電系統充電設備等的安裝調試,此外還有軌道拼接、管節堆場、臨時棄土場的安排以及吊車泊位、安全護欄等的布置。

2.3.2.7 地面輔助工作及井內安裝結束后。吊放頂管工具管，接通電氣、液壓等系統，進行出洞前的調試。

2.3.3 箱涵試頂

箱涵頂進施工是整個工程的重要環節，我們要進行預操作，在進行正式箱涵頂進施工之前應當進行試頂操作[12]。試頂施工時，為了避免頂力的突然增大導致頂鎬或者箱涵頂管管節的破壞，應在啟動時緩慢增大頂力，而且最大頂力不應超過箱涵頂管管節自重的1倍。同時，在頂進加壓時，應有專人對所有參與頂進設備的運行狀況進行全面檢查，為了在頂進過程中出現的問題能夠快速有效解決。試頂施工操作完成后方可進行正式的頂進施工。

2.3.4 箱涵頂進

2.3.4.1 首先開動高壓油泵使頂鎬在受到液壓作用時產生頂力，推動箱涵頂管管節向前進，當一個沖程結束后使頂鎬活塞回復原來的位置，此時在空隙處安放頂鐵。開鎬頂進是現場頂進工作的中心環節，在每次開鎬前對現場工作設備情況進行全面檢查，確認一切設備正常運行后再開鎬頂進，絕不允許帶故障工作。再次開鎬推動頂鐵和箱涵頂管關節前進，形成循環往復操作，從而實現箱涵頂管管節到達指定位置。

2.3.4.2 箱涵頂進采用機械挖土。出土選擇從工作坑開始，在路基中間部分上下兩層開始開挖以減少路基挖土，且平臺上禁止積土。鋼便梁需設置限高裝置，以防止挖士時挖機大臂碰到便梁，造成線路的變形。挖土時，操作還要與觀察人員緊密配合，隨時觀察箱身頂進的情況，若有偏差，及時改進挖土方式。

2.3.4.3 利用列車運行間隙按照“四不頂”的原則進行頂進施工，即：列車通過時不頂，頂進后背出現傾斜或嚴重變形時不頂，頂柱發生扭曲時不頂，頂進超過預期偏差且無應急預案措施時不頂。

2.3.4.4 箱涵頂進過程中需密切關注地層擾動狀況。根據地層類型、覆土厚度及地面建（構）筑物等，依據現場監測數據，及時調整頂進姿態，減少對土體的擾動，將涵道軸線和地層變形控制在最佳狀態。

2.3.5 減阻泥漿

箱涵頂進過程中，采用各種措施減少頂進阻力，其中最常用的是灌注泥漿進行減阻。在箱涵頂管管節頂進時使用壓漿機通過管節上的壓漿孔，向涵道外壁與外界土體之間注入一定量的減阻泥漿，在涵頂管管節外圍與土體之間形成泥漿環套，減小涵頂管管節外壁和土層間的摩擦力，進而達到減小頂進頂力的目的[13]。為了壓漿工作的順利進行，在工具管尾部環向均勻布置四只壓漿孔，箱涵頂進時工具管尾部的壓漿孔要及時有效地跟蹤壓漿，確保能形成完整有效的泥漿環套，補壓漿的次數及壓漿量根據施工時的具體情況確定。減阻泥漿的用量主要取決于涵道周圍空隙的大小及周圍土層的特征，一般按涵壁空隙的5 cm計算理論壓漿量。由于泥漿的流失及地下水的作用，泥漿的實際用量要比理論用量大得多，一般可達理論值的4～5倍，但在施工中還要根據周邊地層及頂進狀況調整泥漿用量。

3 結論

本文在對長距離箱涵中繼間頂進施工頂鎬設置部位、數量及分布方式，中繼間布設類型及姿態控制等關鍵技術原理深入分析的基礎上，結合銅陵北路下穿合肥東站頂進橋涵立交項目工程實踐，詳細闡述了鐵路股道群加固、頂進設備安裝及頂進作業等工程實施過程中存在的技術難題及管控對策，為工程項目安全、經濟、快速、高效實施提了供堅強的技術支撐和理論依據，同時為類似工程施工項目提供借鑒和參考。