李宗山

（中鐵二十四局集團(tuán)西南建設(shè)有限公司，四川成都 610052）

1 “橋式盾構(gòu)法”簡介

“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)。使用暗挖推進(jìn)，減低了施工對行車的影響[1]。

橋式盾構(gòu)主要由墩柱、主梁、盾殼、子盾構(gòu)、液壓推進(jìn)系統(tǒng)、輔助機(jī)構(gòu)六大部分組成[2]。裝配在框架橋前端的盾構(gòu)，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)也擔(dān)負(fù)頂推導(dǎo)向作用[1]。根據(jù)不同地質(zhì)情況設(shè)計(jì)盾構(gòu)長度以確保中心土天然支護(hù)作用是框架橋盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵[1]。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，“橋形”梁跨中滯后挖掘的大斷面土體（中心土）的滯留長度及挖掘量應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)而定，任何情況下放坡量不可小于1:0.5[1]，它與盾構(gòu)共同平衡周邊土壓，成為掘進(jìn)面的支護(hù)體系。

圖1 盾構(gòu)整體組裝

2 “橋式盾構(gòu)法”的工作原理

盾構(gòu)體中的子盾構(gòu)由液壓系統(tǒng)控制，單臺組錯開推進(jìn)，相鄰子盾構(gòu)不得同步推進(jìn)，否則會帶動上方路基土，子盾構(gòu)作業(yè)根據(jù)挖掘面土體自穩(wěn)能力分先頂后挖、邊頂邊挖和先挖后頂3 種方式。然后人工等截面挖除子盾構(gòu)箱體、立柱前端土體（每次約0.4~0.5m），挖掘機(jī)刷中心土坡面及清除框架底板前方部分土體[1]。箱形橋頂進(jìn)時(shí)，子盾構(gòu)原推出部分被掘進(jìn)面土體阻擋，子盾構(gòu)與子盾構(gòu)箱體作相對運(yùn)動，退回箱體內(nèi)，即完成盾構(gòu)掘進(jìn)一個工作循環(huán)，箱形橋完成一次頂進(jìn)[3]。

框架橋頂進(jìn)時(shí)（盾構(gòu)隨框架橋同時(shí)頂進(jìn)），子盾構(gòu)牽引的反拉減阻板將盾構(gòu)、框架頂面與線路基床相隔離。在子盾構(gòu)未出土前，減阻板與盾構(gòu)、框架橋頂面扁鐵的摩擦力與減阻板與基床上部的黏聚力及子盾構(gòu)前方掌子面的土體阻力相平衡，保持線路不發(fā)生橫移[4]。

反拉減阻板前方與子盾構(gòu)頂部連接，后端與反拉油缸連接，既起到隔離框架主體與上部路基土的作用，減小摩阻力，又起到反拉穩(wěn)定既有線路的作用?？蚣軜蝽斶M(jìn)時(shí)，當(dāng)減阻板與基床上部的粘聚力及子盾構(gòu)前方掌子面的阻擋力不足以阻擋子盾構(gòu)前進(jìn)時(shí)，基床上部及線路會隨子盾構(gòu)及減阻板移動，此時(shí)必須對減阻板實(shí)施反拉，啟動反拉系統(tǒng)，理論上此時(shí)減阻板與盾構(gòu)、框架橋頂面扁鐵的摩擦力，基床上部對減阻板的黏聚力，子盾構(gòu)前方掌子面的阻擋力及反拉力達(dá)到了新的力系平衡[4]。

3 框架橋橋式盾構(gòu)法頂進(jìn)工藝發(fā)展過程

起初該工藝對路基的防護(hù)只有盾構(gòu)本身的超前支護(hù)和軌束梁對線路的簡易防護(hù)，在實(shí)踐中在一些方面也進(jìn)行了改進(jìn)，在路基防護(hù)方面又增加了管棚和防護(hù)樁，為防止在頂進(jìn)過程中線路橫移，除了本身體系的反拉系統(tǒng)外，在頂進(jìn)出口增設(shè)一道擋碴梁，為了提高墩柱掌子面開挖土方的出土效率在每個墩柱下方安裝一組運(yùn)土傳送帶，包括對盾構(gòu)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的加固處理，在墩柱立柱和橫系梁焊接處增加三角板或?qū)附犹幚?。?dāng)然還有其他完善的地方，在這里就不一一列舉了。

4 目前橋式盾構(gòu)法存在的主要問題

雖然該工藝經(jīng)過多年的發(fā)展在一些方面進(jìn)行了改進(jìn)和完善，但隨著時(shí)代的快速發(fā)展，科技技術(shù)的進(jìn)步以及其他工藝的興起，該工藝的經(jīng)濟(jì)性、工效率顯然已經(jīng)無法滿足時(shí)代的要求，同時(shí)也存在一些技術(shù)問題還需解決。目前主要存在如下問題：

4.1 線路變化問題

我們知道橋式盾構(gòu)法跟其他架空線路施工工藝相比最大的特點(diǎn)之一就是不中斷交通（需要在列車間隔時(shí)間維修線路）。但在實(shí)際頂進(jìn)過程中，由于框架橋主體頂進(jìn)頂力（或頂進(jìn)速度）與反拉力（或反拉速度）不同步，往往會造成線路橫移，甚至有時(shí)橫移量較大還需臨時(shí)封閉線路或降低列車通行速度，尤其是隨著現(xiàn)在車流密度的不斷增大，列車間隔時(shí)間越來越小，這給維修線路帶來極大的挑戰(zhàn)，有時(shí)需要利用多個列車間隔時(shí)間完成維修作業(yè)，線路變化較大危及行車安全時(shí)，來不及搶修就得臨時(shí)封閉線路?？梢哉f一旦造成交通中斷，將對行車運(yùn)輸造成很大干擾，甚至?xí)a(chǎn)生很大的不良社會影響。

4.2 橋基結(jié)合處塌方的問題

在框架橋頂進(jìn)過程中，由于盾構(gòu)兩側(cè)及框架橋主體墻背與路基土體的摩擦，路基土被不斷帶走，尤其是粗顆粒路基土（如新疆一些地區(qū)的戈壁料土質(zhì)，細(xì)粒土含量極少），在框架橋頂進(jìn)過程中隨著橋背側(cè)土體被不斷帶走，框架橋頂部以下逐步形成空洞，頂部以上有管棚形成的板結(jié)層支撐暫時(shí)不會下沉或坍塌，但是在列車的不斷沖擊振動作用下，管棚板結(jié)層會發(fā)生突發(fā)性的坍塌，甚至有時(shí)在工程交工后都有發(fā)生，嚴(yán)重危及行車安全。

4.3 功效及工期的問題

橋式盾構(gòu)法比傳統(tǒng)的架空結(jié)構(gòu)形式有許多優(yōu)勢，破解了不少難題，比如可以實(shí)現(xiàn)大跨度、多股道、岔區(qū)穿越，而且具有占地少，對行車干擾小的優(yōu)點(diǎn)，但是機(jī)械化程度并不高，功效較低，還需要大量的勞動作業(yè)人員（只要包括線路搶修人員和頂進(jìn)挖土人員），要想緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，必須要加以解決。

橋式盾構(gòu)法頂進(jìn)框架橋的每個頂進(jìn)循環(huán)主要由挖土（包括人工挖土和機(jī)械挖土）、子盾構(gòu)頂進(jìn)、主體頂進(jìn)及線路整修組成，一個頂進(jìn)循環(huán)的時(shí)間主要由挖土及整修線路組成，子盾構(gòu)箱掌子面一般處于路基填方，相對較好開挖且緊貼線路，隨時(shí)要盯控觀察，但是出土非常困難，下在里面狹小的空間內(nèi)還要跨過第一品主梁兩個下橫梁后才能將土棄到中心土開挖面上。盾構(gòu)墩柱部分，多數(shù)情況其掌子面是原狀土，在土質(zhì)較硬的情況下人工開挖的效率就更為低下。線路整修主要采用人工攜帶小型線路維修機(jī)具利用列車間隔時(shí)間進(jìn)行的，線路變化一旦超出容許范圍，必須組織大量人員在極其有限的列車間隔時(shí)間內(nèi)組織維修，多數(shù)情況利用多個列車間隔時(shí)間才能完成，嚴(yán)重影響正常頂進(jìn)作業(yè)。隨著市場競爭的日趨激烈，且業(yè)主對工期的要求越來越高，可以說功效低下已成為制約橋式盾構(gòu)法發(fā)展的一個重要因素。

4.4 其他問題

子盾構(gòu)設(shè)置在盾構(gòu)體頂部最前端，在每次頂進(jìn)前首先要發(fā)出子盾構(gòu)，然后人工等截面挖除子盾構(gòu)箱體、立柱前端土體（每次約0.4~0.5m），也就是說在主體框架橋頂進(jìn)前子盾構(gòu)架前方要挖出頂進(jìn)方向深度為0.4~0.5m 的槽，由于前導(dǎo)梁立柱為直立式，因此掌子面為垂直面，在工程實(shí)踐中該土層一般均是路基填方，尤其在新疆填料多為戈壁料土質(zhì)，氣候干燥、填料松散、自穩(wěn)能力差，現(xiàn)場多見子盾構(gòu)前方采用方木及編織袋等填充，施工極為不便，且充滿風(fēng)險(xiǎn)。

5 橋式盾構(gòu)法改進(jìn)優(yōu)化措施

5.1 提高線路的整體穩(wěn)定性

線路變化問題可以說是自橋式盾構(gòu)法誕生之日起就一直存在，同行們也想了很多辦法去解決它，比如對松散、軟弱路基土質(zhì)采用管棚進(jìn)行超前支護(hù)，在頂進(jìn)出口側(cè)增設(shè)擋碴梁以及在股道間填充道碴。上述方法也收到一些效果，但還是沒有徹底解決問題，框架橋頂面上方路基沒有真正形成一個整體板塊，在頂進(jìn)過程中路基土還是在推移，并從擋碴梁的上方擠推出去。

通過在頂進(jìn)出口設(shè)置擋碴梁、進(jìn)口同樣設(shè)置混凝土梁，管棚兩端分別與擋碴梁及混凝土梁連為整體（跨度太大考慮到混凝土梁會產(chǎn)生下?lián)希瑑蓚?cè)梁可以用鋼桁架代替），梁體兩端均和線路防護(hù)樁連接錨固，這樣框架橋上方路基就形成了了整體板塊，同時(shí)在防護(hù)樁的限位作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)，且實(shí)現(xiàn)某種意義上的線路架空，也就是說本防護(hù)體系能夠承擔(dān)一部分線路荷載，作用在盾構(gòu)或框架橋面上的線路荷載就會減小，在框架主體頂進(jìn)過程中產(chǎn)生的摩阻力也會降低，反拉系統(tǒng)壓力也就會減少很多，這樣線路就不易發(fā)生變化，減少了維修線路的工作量，提高頂進(jìn)功效率，最大程度減小對行車的干擾。線路防護(hù)改進(jìn)優(yōu)化后的平面及立面示意圖如圖2、3 所示。

圖2 線路整體防護(hù)平面

圖3 線路整體防護(hù)立面

5.2 橋基結(jié)合處病害處理措施

頂進(jìn)前要準(zhǔn)備足夠的編織袋、道碴、土石混合料，并提前將部分道碴和土石混合料裝袋堆碼在線路兩側(cè)，盾構(gòu)進(jìn)入股道后，在入口側(cè)線路外側(cè)及兩線間橋背與路基結(jié)合處掏導(dǎo)洞，頂進(jìn)過程中向?qū)Ф矗ㄗo(hù)壁挖孔）內(nèi)灌入細(xì)土石混合料，補(bǔ)充被帶走的路基土，從而避免形成大的空洞，造成突發(fā)性的路基坍塌，危及行車安全。另外，在預(yù)制框架橋時(shí)在其邊墻上部或在盾構(gòu)外側(cè)擋土板上方預(yù)留孔洞，一方面可以通過預(yù)留孔洞觀察橋背與路基間的密實(shí)情況，另一方面也可通過預(yù)留孔洞向橋基結(jié)合處泵送填料。在線路上派專人盯控橋背兩側(cè)路基土體穩(wěn)定情況，每完成一個頂進(jìn)循環(huán)后，安排專人對橋背兩側(cè)土體采用撬棍、鋼釬進(jìn)行深插檢查，以免橋背兩側(cè)突然坍塌形成暗洞，危及行車安全。

盾構(gòu)進(jìn)入線路后，每天最后一頂完成后，組織線路維修組隊(duì)線路進(jìn)行綜合維修，對路基局部存在下沉的地方進(jìn)行回填搗實(shí)，缺碴的地方補(bǔ)足道碴，并對橋涵與路基結(jié)合處要進(jìn)行充分搗固。夜間安排專人進(jìn)行值班，每隔2h 對線路進(jìn)行一次巡查，線路維修組隨時(shí)待命，確保隨叫隨到。

框架橋頂進(jìn)到位，八字端翼墻及墻背回填完成后，盡快完成橋基結(jié)合處的注漿處理，注漿可以利用框架橋邊墻預(yù)留孔洞或在線路兩側(cè)橋基結(jié)合處打入的鋼管，管壁適當(dāng)開孔，線路以下1m范圍內(nèi)不開孔，以防注漿過程將線路頂高，影響行車安全。根據(jù)情況還可以進(jìn)行二次注漿。這樣可以徹底解決橋基結(jié)合處的病害問題。

圖4 橋基結(jié)合處現(xiàn)場注漿

5.3 提高功效、優(yōu)化工期

針對上述幾個主要影響功效的問題，再結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際，本文主要從以下幾個方面提出解決辦法：

（1）提高子盾構(gòu)箱開挖土方的出土效率。解決這個問題，只需將子盾構(gòu)下導(dǎo)梁延伸至第一榀主梁下方，第一榀主梁放到子盾構(gòu)下導(dǎo)梁上，這樣出土就更加方便，極大的減輕了作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，提高了出土效率。

圖5 原子盾構(gòu)箱出土

圖6 改進(jìn)后子盾構(gòu)箱出土

（2）改變盾構(gòu)墩柱掌子面開挖方式。人工向機(jī)械化方式轉(zhuǎn)變是歷史發(fā)展的必然要求，盾構(gòu)墩柱掌子面土方開挖也應(yīng)該有人工開挖向機(jī)械化方向發(fā)展，由于盾構(gòu)墩柱內(nèi)空間不大，可以將小型掘進(jìn)機(jī)械安裝在盾構(gòu)墩柱前端，每個墩柱配備一臺小型掘進(jìn)機(jī)，小型掘進(jìn)基座可以沿墩柱前端立柱上下移動，前后伸縮可以采用液壓方式。這樣不僅可以解放大量勞動力，還可以提高作業(yè)效率。

（3）加強(qiáng)線路整體防護(hù)，減少維修工作量。這一點(diǎn)在前面的提高線路的整體穩(wěn)定性和防變性優(yōu)化措施中已做了詳細(xì)論述，采取本項(xiàng)措施后，可以有效防止線路變化，減少線路維修工作，為框架橋正常頂進(jìn)作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

上述三個方面改進(jìn)優(yōu)化后，框架橋橋式盾構(gòu)法的整體功效就會得到大幅提高，整體工期大大縮短，對今后工藝的發(fā)展和提高市場競爭力有著非常重要的意義。

5.4 其他方面的改進(jìn)優(yōu)化

對于細(xì)粒土含量少、干燥及自穩(wěn)能力差的填方路基，為了減少子盾構(gòu)掌子面的失穩(wěn)坍塌對正常施工造成干擾，甚至危及行車安全，可以通過改變子盾構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式和延長子盾構(gòu)端部的鋸齒刀刃來解決，即將子盾構(gòu)架前導(dǎo)梁立柱由直立式改為斜立式，這樣子盾構(gòu)箱體前端掌子面就會由垂直面變?yōu)樾逼旅?，具體斜坡度的設(shè)置根據(jù)土質(zhì)情況而定。這樣通過結(jié)構(gòu)形式的簡單調(diào)整變化，掌子面的穩(wěn)定性就會得到顯著提高，該工藝的適應(yīng)性也得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖7 改進(jìn)后子盾構(gòu)裝配

6 結(jié)束語

框架橋橋式盾構(gòu)法比傳統(tǒng)的架空結(jié)構(gòu)形式有很大優(yōu)勢，甚至可以說在當(dāng)時(shí)的大跨度、多股道、岔區(qū)下穿方面取得了歷史性突破，但是任何事物有優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也有不足之處。本文結(jié)合工程實(shí)踐從提高線路的整體穩(wěn)定性，加強(qiáng)橋基結(jié)合處隱患處理，進(jìn)一步提高功效及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了解決辦法，希望能為今后類似的工程提供有益參考。相信隨著該工藝的不斷完善和優(yōu)化，今后的發(fā)展舞臺會更加寬廣，應(yīng)用前景將更加廣闊。