王 鑫 張自光 周榮環(huán) 康 帥

（1、江蘇雷威建設(shè)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(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，城市道路下穿鐵路線路股道及股道群交叉施工的現(xiàn)象越來越多。如何在保證不影響既有鐵路線路通行或結(jié)構(gòu)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]?？蚣軜蚝捎谄洳挥绊懠扔芯€路運行、施工速度塊、對環(huán)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(shè)中發(fā)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(tài)偏移。過大的箱涵姿態(tài)偏移將會對工程自身和周邊環(huán)境的安全質(zhì)量造成不可承受的影響，因此，必須將箱涵姿態(tài)偏移控制在合理的范圍內(nèi)。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(jié)框架橋下穿鐵路股道群中繼間頂進頂進施工進行集成創(chuàng)新研究，為工程項目安全、經(jīng)濟、快速、高效實施提供堅強的技術(shù)支撐和理論依據(jù)，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(jié)較多時，采用中繼間法頂進施工。在發(fā)射井內(nèi)的千斤頂達到最大頂力后暫停頂進，前節(jié)箱體利用后節(jié)箱體作為后背，用兩節(jié)箱體中間設(shè)置的中繼間千斤頂進行頂進，中繼間內(nèi)的千斤頂達到最大頂程后，前節(jié)箱體暫停頂進并使千斤頂回縮，而后再進行后節(jié)箱體的頂進[2]。該方法緩解了后背墻和千斤頂?shù)膹姸?，也有效避免了箱涵頂管管?jié)在頂進過程中被壓碎的情況。中繼間法頂進傳力結(jié)構(gòu)比較方便施工，且頂進受力穩(wěn)定可靠，頂進質(zhì)量容易控制。

1.1 中繼間法箱涵頂鎬設(shè)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(yīng)在箱涵頂管管節(jié)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(shù)量，沿箱體底板橫向均勻?qū)ΨQ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(jié)頂進到位后，再在箱涵節(jié)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(shù)量

箱涵頂推力的計算根據(jù)所給的已知條件，按照《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002-2017）[4]計算出箱涵的最大頂推力，并進而選擇千斤頂?shù)男吞柤皵?shù)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(chǎn)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(shù)，一般采用1.2；

N1為箱涵頂管頂部荷載（kN），包括頂管管節(jié)上方線路及加固材料的重量；

N2為箱涵頂管管節(jié)自重（kN）；

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

f2為箱涵頂管管節(jié)與基底土體的摩擦阻力系數(shù)，可取0.7 -0.8 ；

f3為箱涵頂管管節(jié)側(cè)面摩擦阻力系數(shù)，一般取0.7 -0.8 ；

E為箱涵頂管管節(jié)兩側(cè)的土壓力（kN）；

R為箱涵頂管管節(jié)前部刃腳正面與土體的阻力；

A為箱涵頂管管節(jié)前部刃腳的正面接觸面積。

箱涵頂管管節(jié)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(yīng)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(jù)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(shù)進一取整即為頂鎬的數(shù)量。

1.1.3 頂鎬的分布

安裝在支架上的頂鎬，應(yīng)在管道軸線兩側(cè)對稱布置，頂鎬規(guī)格應(yīng)相同，其合力的作用點應(yīng)在箱涵中心線上，要有利于箱涵頂管管節(jié)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(jié)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?？傊?，頂鎬的布置一定要便于施工，容易操作，且要保證頂進質(zhì)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(shè)置應(yīng)根據(jù)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?shù)捻斄Υ_定。第一道中繼間應(yīng)根據(jù)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(shù)，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(lián)式

箱涵在靠鐵路一側(cè)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(xù)頂進，直至全部就位。箱涵在橫移的過程中需要設(shè)置橫向頂進后背，或者在工作坑發(fā)射井內(nèi)設(shè)置箱涵頂管管節(jié)底部的鐵軌滑道，如圖1所示[8]。

圖1 并聯(lián)式

1.2.3 串聯(lián)式

先將數(shù)節(jié)箱涵頂管管節(jié)在頂進方向的軸線上預制好，而后將箱涵頂管管節(jié)之間的中繼間按照先后順序安裝完成。箱涵頂管管節(jié)頂進過程啟動后即可中途連續(xù)不停頓的頂進，直到全部箱涵頂管管節(jié)頂進到指定位置，如圖2所示[8]。由于并聯(lián)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(lián)法布置。

圖2 串聯(lián)式

1.2.4 混合式

采用串聯(lián)式和并聯(lián)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(jié)在頂進方向的軸線上預制好，而后將箱涵頂管管節(jié)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(cè)并排預制好，再依次將箱涵頂管管節(jié)橫向移動至頂進方向的軸線即可，然后按照串聯(lián)式進行頂進作業(yè)。

1.3 中繼間頂進姿態(tài)控制

1.3.1 中繼間法水平偏差調(diào)整

箱體在發(fā)射井工作坑內(nèi)底板上滑動時，方向墩起到主要調(diào)整糾正方向偏差的作用。箱涵頂管管節(jié)在進入土體之前先進行校正工作，確保在設(shè)計位置，這樣箱涵頂管管節(jié)進入土體之后就會相對較為穩(wěn)定。在箱涵頂管管節(jié)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(jié)斜度較小時，采用頂進系統(tǒng)動態(tài)自動糾偏，通過頂管系統(tǒng)自動調(diào)整軸線兩側(cè)油壓，從而自動矯正監(jiān)測到的管節(jié)偏差。（2）增加或者減少軸線一側(cè)的油壓管頂力。即管節(jié)左偏時，減少軸線右側(cè)千斤頂頂力；管節(jié)左偏時，減少軸線右側(cè)千斤頂頂力。（3）在頂進施工過程中調(diào)整刃腳兩側(cè)阻力差值以達到糾偏的目的。即箱涵頂管管節(jié)前端軸線左右兩側(cè)刃腳前，一側(cè)超挖，另一側(cè)少挖土或不挖土。（4）利用發(fā)射井內(nèi)后背頂鐵的松緊調(diào)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(jié)偏差的大小和方向，將頂進軸線一側(cè)的頂鐵楔緊，軸線另一側(cè)頂鐵楔松或留1～3cm的空隙。千斤頂發(fā)力之后，則楔緊一側(cè)首先被頂進，楔松一側(cè)要晚于楔緊一側(cè)被頂進，從而達到調(diào)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(jié)由于受力不均而出現(xiàn)永久性裂縫。（5）設(shè)置挖孔樁在箱涵頂管管節(jié)兩側(cè)鐵路線間，挖孔樁有卸載箱涵頂管管節(jié)兩側(cè)土壓力及控制箱涵頂管管節(jié)頂進方向的作用。

上述方法應(yīng)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(diào)整箱涵頂管管節(jié)在頂進過程中產(chǎn)生的水平偏差，使頂進到位的箱涵符合設(shè)計要求。

1.3.2 中繼間法垂直偏差調(diào)整

中繼間法頂進垂直方向的調(diào)整主要是防止和糾正箱涵頂管管節(jié)在頂進過程中產(chǎn)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(jié)頂部覆土類型和厚度、箱涵頂管管節(jié)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(jié)頂進過程中產(chǎn)生的“扎頭”和“抬頭”現(xiàn)象[10]：（1）發(fā)射井工作坑內(nèi)滑板前端設(shè)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(jié)采用全斷面強制頂進；（3）在箱涵頂管管節(jié)“扎頭”現(xiàn)象嚴重時可在“船頭坡”下鋪設(shè)混凝土預制板強行抬坡頂進；（4）在箱涵頂管管節(jié)有“抬頭”現(xiàn)象時，可在箱體底部以下適當超挖。

2 工程應(yīng)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(qū)，南起天水路，北至東方大道，全長4752.436 米，設(shè)計時速60km/h，規(guī)劃紅線45米，是該區(qū)域內(nèi)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(xiàn)澆，引道部分采用U型槽結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)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(cè)墻厚1.1 m；6.0 m框架頂板厚0.6 m，底板厚0.7 m，側(cè)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(zhì)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(zhì)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(shè)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(shè)備→施頂→框架就位→施工現(xiàn)澆框架→鑿除后背挖孔樁→施工U型槽→回收線路加固設(shè)備→橋面工程→框架內(nèi)道路和路面施工。

2.3 頂進方案及施工關(guān)鍵技術(shù)

頂進施工工藝：鐵路股道線路加固→安裝、調(diào)整項進設(shè)備→嘗試頂進→開始頂進→停止頂進→安放頂鐵→繼續(xù)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(chǔ)、架設(shè)鋼便梁及箱涵頂進的施工，在封鎖點內(nèi)進行吊裝便梁、穿抽鋼枕和移梁的工作。箱涵頂管管節(jié)頂進到位以后，為了防止箱涵頂管管節(jié)兩側(cè)路基蹋方，在箱涵頂管管節(jié)兩側(cè)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(shè)置冠梁將樁連成整體，以防發(fā)生側(cè)移。

2.3.2 箱涵頂進設(shè)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(xù)精準控制箱涵頂進做準備。

2.3.2.2 工作坑施工。根據(jù)箱涵施工要求合理設(shè)置工作坑，保證在承受荷載能力方面具有較好的表現(xiàn)[11]。為避免不均勻沉降現(xiàn)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(yīng)配套修筑排水溝、集水坑高效的排水設(shè)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(yōu)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(jiān)測測量，精確固定頂進導軌位置與坡度。要以箱涵頂管管節(jié)中心線為軸對稱設(shè)置千斤頂[12]。為了防止箱涵頂管管節(jié)底部被壓碎，因此設(shè)置厚2cm的承壓鋼板在箱涵頂管管節(jié)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(jié)頂進過程中因底板和千斤頂接觸而出現(xiàn)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(jié)中墻的一側(cè)。頂柱和頂鐵安裝軸線垂直于后背用于傳力，并應(yīng)按規(guī)格和數(shù)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(yīng)該在后背梁前設(shè)鋼橫梁，并且千斤頂頂鎬前每隔4 m設(shè)1道橫梁作為托梁，在頂進過程中頂鐵還要設(shè)置鋼軌壓梁，預埋在滑板內(nèi)的壓梁環(huán)固定壓梁。

2.3.2.5 工作井內(nèi)的平面布置。搭建井內(nèi)工作平臺、安裝配電箱、主頂動力箱、控制臺、鋪設(shè)各種電纜、管線、油路等。井內(nèi)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(shè)備的安裝及平面布置。輔助設(shè)備主要有攪拌系統(tǒng)、供電系統(tǒng)充電設(shè)備等的安裝調(diào)試,此外還有軌道拼接、管節(jié)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(nèi)安裝結(jié)束后。吊放頂管工具管，接通電氣、液壓等系統(tǒng)，進行出洞前的調(diào)試。

2.3.3 箱涵試頂

箱涵頂進施工是整個工程的重要環(huán)節(jié)，我們要進行預操作，在進行正式箱涵頂進施工之前應(yīng)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(jié)的破壞，應(yīng)在啟動時緩慢增大頂力，而且最大頂力不應(yīng)超過箱涵頂管管節(jié)自重的1倍。同時，在頂進加壓時，應(yīng)有專人對所有參與頂進設(shè)備的運行狀況進行全面檢查，為了在頂進過程中出現(xiàn)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(chǎn)生頂力，推動箱涵頂管管節(jié)向前進，當一個沖程結(jié)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(xiàn)場頂進工作的中心環(huán)節(jié)，在每次開鎬前對現(xiàn)場工作設(shè)備情況進行全面檢查，確認一切設(shè)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(guān)節(jié)前進，形成循環(huán)往復操作，從而實現(xiàn)箱涵頂管管節(jié)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(shè)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(xiàn)傾斜或嚴重變形時不頂，頂柱發(fā)生扭曲時不頂，頂進超過預期偏差且無應(yīng)急預案措施時不頂。

2.3.4.4 箱涵頂進過程中需密切關(guān)注地層擾動狀況。根據(jù)地層類型、覆土厚度及地面建（構(gòu)）筑物等，依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整頂進姿態(tài)，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(tài)。

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(jié)頂進時使用壓漿機通過管節(jié)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(jié)外圍與土體之間形成泥漿環(huán)套，減小涵頂管管節(jié)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(huán)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(huán)套，補壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)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(jù)周邊地層及頂進狀況調(diào)整泥漿用量。

3 結(jié)論

本文在對長距離箱涵中繼間頂進施工頂鎬設(shè)置部位、數(shù)量及分布方式，中繼間布設(shè)類型及姿態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)原理深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)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(shè)備安裝及頂進作業(yè)等工程實施過程中存在的技術(shù)難題及管控對策，為工程項目安全、經(jīng)濟、快速、高效實施提了供堅強的技術(shù)支撐和理論依據(jù)，同時為類似工程施工項目提供借鑒和參考。