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(zhǎng)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(hào)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(jì)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(jiǎn)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(dòng)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(duì)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(shí)對(duì)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(jiǎn)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(shí)掘進(jìn)面與路基的施工支護(hù)，同時(shí)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(gè)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(dòng)荷載和線路土體的靜荷載，保證盾構(gòu)的穩(wěn)定。

2.3 本項(xiàng)目橋式盾構(gòu)頂進(jìn)布置

本項(xiàng)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(zhǎng)12.832 m，主梁安裝的中對(duì)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(tái)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(tái)組錯(cuò)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(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，套回箱內(nèi)，完成一個(gè)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(zhǎng)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(shí)才開始進(jìn)行挖掘，開挖長(zhǎng)度為1 m左右，即小斷面完成3個(gè)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(jì)位置。

圖3 施工現(xiàn)場(chǎng)

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?yàn)檎唬瑯蝮w自重大。另外本橋橫向跨度12.8 m，縱向長(zhǎng)度17.5 m，橫向跨度與縱向長(zhǎng)度的比值約為3∶4，橋體寬長(zhǎng)比相差不大，頂進(jìn)糾偏困難相對(duì)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(jì)算，所有頂進(jìn)框架的重量為2 638 t。

3.2 橋體最大頂力計(jì)算

頂進(jìn)橋涵的頂力，應(yīng)根據(jù)頂進(jìn)長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(duì)于粉質(zhì)粘土，取R=350 kPa；A為盾構(gòu)正面積，按照設(shè)計(jì)資料計(jì)算可得A=33 m2；K為系數(shù)，采用1.1。

經(jīng)計(jì)算，P=5 688 t。

3.3 頂進(jìn)設(shè)備布置

假設(shè)頂進(jìn)施工時(shí)，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?yàn)檎蝽斶M(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(dòng)點(diǎn)為橋主體底板形心，如圖5所示。

圖5 橋體頂力計(jì)算簡(jiǎn)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(shí)際頂進(jìn)施工時(shí)頂力情況及糾偏效果

本框架橋啟動(dòng)時(shí)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(shí)E1=E2=498.8 t，此時(shí)最大頂力P=5 688 t，即F1+F2=5 688 t。經(jīng)計(jì)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(jì)算，即使用頂力為400 t，按照以上計(jì)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(tái))；右側(cè)N2=2 844/400=7(臺(tái))。實(shí)際施工中左側(cè)頂進(jìn)三角塊配5臺(tái)500 t、3臺(tái)400 t液壓頂機(jī)，右側(cè)頂進(jìn)三角塊配5臺(tái)500 t、3臺(tái)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(shí)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(jì)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(jì)高8 mm；中心線前端左偏1，后端左偏1 mm。

4 施工注意事項(xiàng)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(duì)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(duì)防水層及框架頂面的破壞，在框架橋頂部沿軸線方向通長(zhǎng)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(huì)被拉直拉長(zhǎng)，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(cè)

框架橋推進(jìn)施工的全過程中，盾構(gòu)及框架橋運(yùn)動(dòng)中線、水平的測(cè)量和線路軌道的監(jiān)測(cè)非常重要，對(duì)每一頂進(jìn)循環(huán)的測(cè)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(shí)順勢(shì)下沉，應(yīng)啟動(dòng)反拉系統(tǒng)進(jìn)行抬升，隨后頂推框架橋的同時(shí)啟動(dòng)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(shí)橫移

為控制框架橋頂進(jìn)時(shí)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(shí)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(dòng)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(huì)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(duì)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(yíng)邊施工，最大限度地降低下穿立交施工對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>