李 舉

中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司

“橋式盾構(gòu)法”下穿鐵路施工技術(shù)應(yīng)用

李 舉

中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司

橋式盾構(gòu)類似一座可滑動的簡支連續(xù)梁橋,由主梁、墩柱及子盾構(gòu)三大部分連接成門字形或多門字組合形。用于箱型橋梁地下頂進(jìn)開挖面土體的分格和錯時,使暗挖施工支護(hù)、頂進(jìn)導(dǎo)向和線路位移控制三大技術(shù)難題得以解決。使下穿既有鐵路的箱型橋梁建設(shè),從以架設(shè)“D型”便梁明挖頂進(jìn)施工跨入暗挖頂進(jìn)施工時代。

橋式盾構(gòu)；基本原理；施工設(shè)計(jì)；施工工藝；糾偏措施

1 前言

近年來我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,對交通行業(yè)的需求日益高漲,新建公路、城市道路日趨增多,不可避免的出現(xiàn)與既有鐵路交叉的狀況,由于上跨鐵路受接觸網(wǎng)、用地范圍、城市規(guī)劃以及工程造價(jià)等因素的制約,促進(jìn)了下穿鐵路箱型橋頂進(jìn)工程的飛速發(fā)展。

本文結(jié)合哈密市S328省道下穿蘭新雙線鐵路1-16m箱型橋工程實(shí)例,對橋式盾構(gòu)基本原理,施工設(shè)計(jì)，施工工藝進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 工程概況

本工程為S328線大南湖-G30駱駝圈子公路下穿蘭新鐵路而設(shè)。交越里程為蘭新線K1327+089.6,道路與鐵路正交,交越處鐵路為雙線電氣化鐵路,緩和曲線,既有蘭新鐵路雙線均為無縫線路、P60鋼軌,線路縱坡-5.7‰,路基填土高度5.5m左右。公路下穿鐵路設(shè)計(jì)為1-16m箱型橋,結(jié)構(gòu)尺寸長×寬×高為23m×18.6m×8.55m,凈寬16m,頂板厚0.95m,底板厚1.1m,邊墻厚 1.3m。覆土厚度2.88m,該箱型橋采用”盾構(gòu)法”施工技術(shù),頂進(jìn)到位后,各項(xiàng)控制指標(biāo)的偏差均達(dá)到了理想效果。

圖1 箱型橋正截面圖（單位：cm）

圖2 箱型橋立面圖（單位：cm）

3 橋式盾構(gòu)基本原理

橋式盾構(gòu)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)等六大部分組成,各組成部分密切關(guān)聯(lián)。

3.1 盾構(gòu)網(wǎng)格化原理

圖3 敞開式盾構(gòu)與網(wǎng)格式盾構(gòu)對比圖

根據(jù)上圖中網(wǎng)格式盾構(gòu)支護(hù)原理,利用增設(shè)的網(wǎng)格將一個3.14平方的斷面分隔成4層,來增加掘進(jìn)面土壤的運(yùn)動阻力,以此達(dá)到同一狀況下的土體可坍塌量被控制到無網(wǎng)格時的1/4。橋式盾構(gòu)將子盾構(gòu)箱體與墩柱按上述原理分成若干個小格進(jìn)行開挖,即使出現(xiàn)坍塌,其漏斗體積也能有效控制到最小。

3.2 盾構(gòu)中心土支護(hù)原理

3.2.1 中心土的形成與作用

土體形成1:1的坡度時,可達(dá)到長時間的自然穩(wěn)定狀態(tài),將橋梁總高設(shè)定為盾構(gòu)的長度,即可實(shí)現(xiàn)按1:0.75以上坡比進(jìn)行開挖和快速恢復(fù)至1:1的穩(wěn)定坡比。

依據(jù)土壤自然規(guī)律,橋式盾構(gòu)對開挖面進(jìn)行網(wǎng)狀分隔,再實(shí)施子盾構(gòu)、墩柱和中心土之間的三級錯臺同步開挖方式,使橋式盾構(gòu)的施工支護(hù)能力更優(yōu)于網(wǎng)格式盾構(gòu)。

橋式盾構(gòu)入洞初始階段,只對子盾構(gòu)與墩柱前實(shí)施準(zhǔn)中心土的周邊開挖,使盾構(gòu)主梁下、墩柱間的土體保持原穩(wěn)定坡狀。每完成一次周邊開挖后,盾構(gòu)即隨箱型橋頂進(jìn)一次,經(jīng)若干次的循環(huán)后,保持穩(wěn)定坡狀的未開挖土體起到對掌子面封閉的土塞作用、其土塞又起到子盾構(gòu)箱體的支承作用和墩柱保持垂直的平衡作用,成為橋式盾構(gòu)法核心技術(shù)中真正意義的中心土。

隨著頂進(jìn)工作循環(huán)的繼續(xù),中心土成為箱型橋梁推進(jìn)的障礙時,按橋體推進(jìn)所需的空間距離,開始中心土按1:0.75以上坡比和子盾構(gòu)及墩柱前三級錯臺的同步開挖,子盾構(gòu)與墩柱前開挖的土體臨時堆放于中心土處,使中心土再次恢復(fù)到1:1的坡比。

3.2.2 盾構(gòu)主體連接方式與建立中心土的必要條件

為建立中心土,必需使盾構(gòu)各墩柱間空置無障礙,即盾構(gòu)的“門”字形組合中,這些門的下部不能有連接物“門檻”,從而可以使中心土在不被破壞的情況下套入盾構(gòu)縱深,實(shí)現(xiàn)滯后挖掘。各墩柱的上部并包括包裹在墩柱兩側(cè)的盾殼,與水平排列于其上面的主梁進(jìn)行牢固連接,各墩柱下部的最后端,與盾構(gòu)下預(yù)埋托板及托板上的盾構(gòu)下止推梁進(jìn)行牢固連接,以保證盾構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。

3.3 橋式盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性原理

3.3.1 盾構(gòu)連接方式和水平推力傳遞

橋式盾構(gòu)是由主梁、墩柱、子盾構(gòu)和盾殼四大結(jié)構(gòu)部分組成的鋼桁架式簡支連續(xù)梁橋,盾構(gòu)主梁和子盾構(gòu)箱下部與墩柱上部采用焊連或栓接的形式進(jìn)行剛性連接,盾構(gòu)兩側(cè)的壓力平衡是由路基土體相對作用完成的。為保證前后主梁受力的均衡傳遞,橫向每1.5m距設(shè)有I28b連接桿件一道,主梁下部與各墩柱進(jìn)行連接,使主梁的整體性與推力傳遞得到保障。

盾構(gòu)兩外側(cè)墩柱墩柱的后端垂直桿件（I28b）緊貼橋體邊墻前端,盾構(gòu)內(nèi)側(cè)墩柱后部桿件（I28b）上部緊貼橋體頂板前端,下部緊貼橋體底板前端。與橋體緊貼的所有桿件與盾構(gòu)上、下止推梁焊連,以達(dá)到盾構(gòu)從動于第一橋節(jié)時,沿橋體四個端面成環(huán)形的同時均衡受力。

圖4 橋式盾構(gòu)立體圖

3.3.2 墩柱的穩(wěn)定性與強(qiáng)度

墩柱前端除受子盾構(gòu)箱體、主梁相互制約外,滯后開挖的中心土對其實(shí)行夾持平衡,墩柱后端的上部同樣受主梁制約,其下部因中心土對墩柱的制約作用較差,則依靠I28b下止推梁及橋體預(yù)埋托板,施行墩柱與墩柱間的互連控制。橋式盾構(gòu)兩外側(cè)墩柱受基土側(cè)壓作用較大,僅靠盾殼套入首節(jié)橋梁前部形成的力矩不足以抵抗土壓,需在墩柱后部與橋梁結(jié)合處的橋體結(jié)構(gòu)上增加多個預(yù)埋支點(diǎn)來加強(qiáng)抗側(cè)壓能力,由于盾構(gòu)與箱型橋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鉸接,故預(yù)埋支點(diǎn)與盾構(gòu)墩柱間為留有間隙的動配合。

在箱型橋設(shè)計(jì)埋深值較大或墩柱高度超過7m時,正常規(guī)格的外側(cè)墩柱一般不滿足抗側(cè)壓需要,需要在墩柱制作時加大桿件規(guī)格或在原有基礎(chǔ)上加密桿件。

3.3.3 子盾構(gòu)箱體與主梁

考慮橋式盾構(gòu)有可能應(yīng)用于各種惡劣地質(zhì)條件下的箱型橋梁下穿工程,施工期間,在盾構(gòu)內(nèi)同樣可以施以各種傳統(tǒng)路基加固措施。但措施的實(shí)施可能對中心土作用有所減弱。橋式盾構(gòu)為適應(yīng)各種工況,通過計(jì)算,各墩柱間距不大于4.1m時,子盾構(gòu)箱體在覆蓋層不超過2.5m厚度時、能滿足無中心土狀況下的獨(dú)立承載。這一設(shè)計(jì)對短時失去中心土支承起安全保障作用,在路基兩側(cè)施有路基護(hù)樁的項(xiàng)目,在子盾構(gòu)前鋒穿出路基后,即可進(jìn)行盾構(gòu)內(nèi)和盾構(gòu)外機(jī)械的同時對挖,快速引出盾構(gòu)、縮短頂進(jìn)工期。

主梁在按照梁與梁中心間距1.2m布置時,跨度4.1m時,鐵路總荷載使其產(chǎn)生的最大擾度一般不大于1mm,這個值遠(yuǎn)小于鐵路橋規(guī)鋼桁架梁允許最大擾度1/900的規(guī)定,是防止車輛通過盾構(gòu)上部時產(chǎn)生較大彈性變形和覆蓋層受主梁高頻率振幅產(chǎn)生疲勞所設(shè)計(jì)。主梁在箱型橋梁設(shè)計(jì)埋深超2.5米時,應(yīng)重新計(jì)算允許跨度,在不影響挖掘機(jī)械對中心土開挖的前提下,盡可能小的主梁跨度對施工安全、頂進(jìn)導(dǎo)向非常有利。

3.4 子盾構(gòu)工作原理

3.4.1 子盾構(gòu)工作原理及作用

子盾構(gòu),安裝在盾構(gòu)母體上部主梁前端的子盾構(gòu)箱體中,工作時在子盾構(gòu)箱體上導(dǎo)梁中滑動,與箱體做相對運(yùn)動。它在盾構(gòu)母體成靜止?fàn)顟B(tài)時被液壓油頂從箱體中推出,它在盾構(gòu)母體成運(yùn)動狀態(tài)時,在正面阻力及減阻板拉力作用下,子盾構(gòu)被套入箱體回到被油頂推出前的原來位置,完成一工作循環(huán)。

盾構(gòu)的主要功能有三個,①在液壓頂?shù)耐苿酉?各臺子盾構(gòu)被從箱體中相繼推出,其前端安裝的刃齒完成對頂部土壤的整齊切削,杜絕了其它開挖方式可能造成的超挖土損失。②伸出的子盾構(gòu),刃齒部分插入土體牢牢頂住掌子面,其它部分與該段加厚的減租板支托住切削產(chǎn)生的路基懸空面,起到掘進(jìn)面的超前支護(hù)。③子盾構(gòu)從箱體中被推出的同時,將連接在其刃齒后的減阻板進(jìn)行同步牽引,完成一個工作循環(huán)長度的敷設(shè),隨子盾構(gòu)的不斷工作循環(huán),減阻板從路基一側(cè)向另一側(cè)完成全面鋪設(shè)。

圖5 子盾構(gòu)立面圖

3.5 減阻板工作原理與敷設(shè)方式

采用鋼板隔離覆蓋層的減阻技術(shù),可將原橋體頂部混凝土與覆蓋土的摩擦系數(shù)從0.5-0.8降低至橋梁頂部扁鐵與減阻板間的摩擦系數(shù)0.1-0.2。摩擦力成倍降低為控制路面隨頂進(jìn)物水平位移創(chuàng)造了有利條件,同時也對橋頂面施作的防水層起到保護(hù)作用。但橋梁頂部減阻板的全面積敷設(shè)本身就可能對覆蓋層造成破壞,橋式盾構(gòu)法常規(guī)運(yùn)用條狀薄鋼板牽引技術(shù),將減阻板按照子盾構(gòu)寬度設(shè)計(jì),長度按橋梁頂進(jìn)就位后上部覆蓋層的寬度加1m設(shè)計(jì)。減阻板的厚度設(shè)計(jì),根據(jù)所需長度、最大牽引力、鋼板每cm2抗拉強(qiáng)度等因素計(jì)算,一般為3-5mm厚。

所有相鄰的子盾構(gòu)都實(shí)行相繼錯時敷設(shè),以達(dá)到減阻板敷設(shè)過程本身對覆蓋層產(chǎn)生的巨大摩擦力以大化小的必要拆分,使敷設(shè)過程本身對覆蓋層的破壞降到最低。其敷設(shè)過程隨頂進(jìn)過程同步進(jìn)行,不另需占用工期。

在減阻板鋪設(shè)長度需超出常規(guī)牽引長度時,減租板可采用多層疊加方式牽引,在牽引中途設(shè)定位置留下一層板,其它板則繼續(xù)牽引至下一目標(biāo)地。同時也可將減阻板卷成小捆,安裝于子盾構(gòu)后部,由子盾構(gòu)加裝滾軸向覆蓋層牽引攤鋪。減阻板鋪設(shè)的方式各有利弊,設(shè)計(jì)或施工單位可根據(jù)各個項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行選擇。

3.6 橋式盾構(gòu)導(dǎo)向糾偏原理

橋式盾構(gòu)具有施工支護(hù)和導(dǎo)向兩大關(guān)鍵功能,其導(dǎo)向功能的實(shí)現(xiàn)是建立在盾構(gòu)自身運(yùn)動軸線可控的基礎(chǔ)上,但糾偏往往會一定程度的造成土損失和影響施工進(jìn)度,因此,在橋式盾構(gòu)法頂進(jìn)施工項(xiàng)目中,還需根據(jù)施工環(huán)境、地基承載能力、下穿交角等因素,有針對性的進(jìn)行盾構(gòu)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì),以求僅可能少的甚至不實(shí)施糾偏來精準(zhǔn)完成頂進(jìn)施工。

3.6.1 頂前軸線控制預(yù)先措施

在施工方案設(shè)計(jì)中,根據(jù)覆土厚度及地基承載力等因素,預(yù)測地基沉降量并參照地基土0.5mm/m頂進(jìn)摩擦損失,提高滑板制作面標(biāo)高來抵消下沉。同時根據(jù)被頂進(jìn)物易降難升的規(guī)律,將基坑設(shè)計(jì)在橋涵流水坡高處一側(cè)（與傳統(tǒng)頂進(jìn)基坑設(shè)計(jì)方向相反）,滑板按水平設(shè)置,可降低頂進(jìn)期間的被動糾偏頻率,甚至達(dá)到無需糾偏。洞外措施是根據(jù)自然環(huán)境、自然規(guī)律及施工采用方法的綜合性選擇,在地下水特別豐富的情況下,盾構(gòu)按傳統(tǒng)爬坡方向頂進(jìn),應(yīng)采取在盾構(gòu)兩側(cè)墩柱的外側(cè)最下部分,按頂進(jìn)循環(huán)實(shí)施砂卵石換填工藝,形成地下水自排通道。

3.6.2 盾構(gòu)側(cè)壓力調(diào)整糾偏原理

當(dāng)盾構(gòu)需要偏向某一側(cè)推行時,將某側(cè)土體沿墩柱的一側(cè)實(shí)施卸土壓超挖,推進(jìn)時盾構(gòu)就會向土壓小的一側(cè)偏移而達(dá)到左右方向的糾偏。這種超挖是在滯后待挖的中心土范圍內(nèi)進(jìn)行,只是對部分中心土的提早開挖而已,不會產(chǎn)生土損失。

箱型橋梁斜交正做正頂項(xiàng)目,由于盾構(gòu)自重較輕且側(cè)向受力面積大,在插入路基邊坡時,兩側(cè)存在的土壓差,會使盾構(gòu)與箱型橋嚴(yán)重偏離軸線,又無法利用另一側(cè)土壓進(jìn)行糾偏,因此在該類項(xiàng)目中,需要將軸線偏移量在基坑滑板制作時一并考慮,滑板與設(shè)計(jì)軸線偏角視斜交角度大小預(yù)測。

2.6.3 盾構(gòu)斜面爬升糾偏原理

盾構(gòu)軸線高程的糾偏控制,是在子盾構(gòu)箱底板和爬升糾偏板下,利用中心土上部路基板結(jié)層進(jìn)行的,在盾構(gòu)推進(jìn)過程中,因?yàn)橛懈采w層重量及路面荷載作用在盾構(gòu)上部,加大了頂進(jìn)過程基礎(chǔ)的壓縮量和摩擦損失,會使盾構(gòu)產(chǎn)生自然下沉,為了克服這種現(xiàn)象。將子盾構(gòu)箱底板延伸至第一榀主梁的下部,用以擴(kuò)大盾構(gòu)前端承載面積,并使其板形成一定的仰角,類似如船頭坡作用。使盾構(gòu)推進(jìn)時沿中心土頂面呈自然斜面爬升狀況。

由于中心土上部板結(jié)、干燥具較高承載力,且板的仰角小而長,不至出現(xiàn)傳統(tǒng)框架前船頭坡的推土機(jī)現(xiàn)象,使盾構(gòu)爬升力易于建立。又由于盾構(gòu)的整體性,爬升糾偏板的向上作用直接將各墩柱前端及盾構(gòu)與第一橋節(jié)共有的預(yù)埋托板（地基平整鋼刃）前鋒向上提起,形成盾構(gòu)所有承載面積同步向上的狀況,至使盾構(gòu)與橋梁同步向上爬升糾偏。

最理想的軸線控制是爬升量與自然沉降量相抵,當(dāng)盾構(gòu)爬升超高需要向下時,在子盾構(gòu)開挖工作面,對中心土頂面實(shí)施一定的預(yù)超挖,使爬升板下逐漸出現(xiàn)空虛,爬升板、墩柱及預(yù)埋護(hù)套板會在上部荷載作用下失去原有仰角成水平或向下運(yùn)動。在爬升板與中心土頂面之間,臨時插入楔形板塊或其它代用品以增大爬升板仰角時,盾構(gòu)可實(shí)現(xiàn)快速爬升。

當(dāng)橋體推進(jìn)出現(xiàn)輕微下沉?xí)r,盾構(gòu)尾部被橋體下壓,而前部被中心土有力支托,爬升板與墩柱滑板以及預(yù)埋托板的仰角也會自動變大,對橋體產(chǎn)生向上的引導(dǎo)作用。當(dāng)?shù)鼗休d力不滿足橋體需要時,由于盾構(gòu)爬升較易、且每延米盾構(gòu)自重約為橋體每延米自重的1/7左右,盾構(gòu)與橋體會出現(xiàn)兩者不同軸運(yùn)動,為避免該現(xiàn)象的出現(xiàn),需人為減小盾構(gòu)仰角、并對橋體基礎(chǔ)采取加固措施來確保兩者運(yùn)動軸線基本一致,不同軸運(yùn)動可能造成頂進(jìn)項(xiàng)目失敗。

3.7 覆蓋層位移控制原理及措施

2.7.1 位移的產(chǎn)生與完全控制

當(dāng)頂進(jìn)行程進(jìn)行到一定階段,盾構(gòu)頂面+第一橋節(jié)頂面與減阻板產(chǎn)生的摩擦力之和會大于其覆蓋層正面阻力+抗剪力,覆蓋層將被剪斷與減阻板合為一體,隨頂進(jìn)物體移動。為克服上述自然現(xiàn)象,在箱型橋梁的橋頂面尾端需安裝液壓反拉裝置,其裝置利用橋體自身作反拉后座,由30t液壓雙向作用頂(同一油頂回縮有效功率一般為頂推有效功率的60%-70%）的一端連接后座,另一端將活塞桿伸出并通過連接物拉住減阻板尾端,并施以預(yù)緊力。已建立預(yù)緊應(yīng)力的反拉油頂剩余工作行程必須大于橋體擬推進(jìn)行程,剩余行程不足會導(dǎo)致失去拉力。

當(dāng)盾構(gòu)從動于橋節(jié)推進(jìn)時,給反拉油頂施加所需的回縮壓力,使減阻板和其上部的覆蓋層不隨頂進(jìn)物體移動,油頂回拉工作行程與橋梁被推進(jìn)距離+減阻板金屬延伸率相等。其設(shè)定回拉功率=盾構(gòu)和橋節(jié)頂面與減阻板間的運(yùn)動摩擦力,設(shè)定拉力不足與過度回縮均會造成覆蓋層正或反方向的位移。在推進(jìn)的過程中,減阻板向前的力矩與油頂反拉向后的力矩應(yīng)相抵,從而實(shí)現(xiàn)減阻板上部覆蓋層始終保持在原始位置。

圖6 反拉裝置

3.7.2 反拉裝置的設(shè)置與中繼法頂進(jìn)

當(dāng)箱型橋梁采用多節(jié)中繼法頂進(jìn)時,盾構(gòu)與第一節(jié)橋節(jié)推進(jìn)至接近覆蓋層位移產(chǎn)生區(qū)段前,如第二節(jié)橋體入洞長度已達(dá)前者合計(jì)長度1/2時,由于前者推進(jìn)時,減阻板屬于單面摩擦,而第二橋節(jié)入洞段上部減阻板處雙面摩擦狀況,當(dāng)?shù)谝粯蚬?jié)推進(jìn)時,第二橋節(jié)上部減阻板起到自然反拉第一節(jié)上部減阻板的作用,使位移控制在不設(shè)反拉裝置的情況下也無法產(chǎn)生位移。當(dāng)?shù)诙蚬?jié)推進(jìn)時,第一橋節(jié)上部減阻板摩擦力加覆蓋層正面阻力遠(yuǎn)大于第二節(jié)減阻板下部摩擦力,第二橋節(jié)的跟進(jìn)同樣不會造成覆蓋層的剪切,而且隨著頂進(jìn)的繼續(xù),該優(yōu)勢會成正比的擴(kuò)大。所以橋體分多節(jié)的中繼法頂進(jìn)項(xiàng)目,可以通過相關(guān)計(jì)算確定是否需要配置液壓反拉裝置。

3.7.3 反拉工作平臺

需要安裝液壓反拉裝置的項(xiàng)目,要測算頂進(jìn)到位時,橋頂外露于邊坡的實(shí)際長度在頂進(jìn)后期仍可實(shí)施反拉,一般橋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總長沒有考慮該因素,如外露長度不滿足反拉需要時,應(yīng)在橋梁尾部加設(shè)反拉裝置工作平臺。

3.7.4 抗移梁輔助作用

在設(shè)有邊坡支護(hù)樁的項(xiàng)目,在盾構(gòu)出洞口邊坡上部制作一道鋼筋混凝土梁,其梁與支護(hù)樁頭相連,能起到覆蓋層位移控制的輔助作用。在不設(shè)抗移梁的項(xiàng)目,應(yīng)在子盾構(gòu)進(jìn)、出口堆碼袋裝沙石,替代抗移梁保護(hù)邊坡。

3.8 路面沉降控制原理

路面沉降控制效果、施工對交通的影響大小,決于眾多復(fù)雜因素,是施工方法與施工質(zhì)量的重要評估標(biāo)準(zhǔn)。

3.8.1 路基的保護(hù)

施工全過程盡應(yīng)可能少的擾動路基,包括所有上路作業(yè)實(shí)施的措施,如果經(jīng)過論證,可免的應(yīng)堅(jiān)決取消,任何施工措施都可能對路面產(chǎn)生擾動或產(chǎn)生負(fù)面作用,措施實(shí)施的本身也對行車產(chǎn)生干擾。

3.8.2 制作精品幾何體

施工全過程加強(qiáng)水土保持；從基坑開挖預(yù)留人工修整層,滑板制作滿足厚度、坡度、平整度作手抓水土保持,一塊不平整的滑板制不出底面平整的橋體,不平整的橋體表面可以視為耕作的“犁”,將加重對路基的破壞,造成頂進(jìn)期間路面沉降值增大和橋梁使用期間的繼續(xù)沉降。橋體預(yù)制幾何尺寸超標(biāo)、凹凸不平,都是增大路面沉降的因素。光滑、標(biāo)準(zhǔn)的物體穿越路基所產(chǎn)生的破壞程度遠(yuǎn)小于粗糙物體,不平整橋體表面可以使路面沉降量成倍增大,可使線路時而隆起時而塌陷,給頂進(jìn)期間線路養(yǎng)護(hù)增加了難度,不利于安全行車。

3.8.3 避免頻率過高的糾偏

盾構(gòu)準(zhǔn)確入洞在露天作業(yè)時就應(yīng)調(diào)整至最佳,避免入洞后糾偏造成不必要的土損失。在頂進(jìn)過程中頻繁監(jiān)測頂進(jìn)軸線,繪制橋體運(yùn)動軌跡曲線圖分析運(yùn)動趨勢,決定是否進(jìn)行糾偏與相應(yīng)糾偏措施。每一次糾偏都是對路基和覆蓋層不同程度的破壞,而且占用頂進(jìn)工期。

3.8.4 地基承載力與施工方法的關(guān)系

橋式盾構(gòu)法屬于暗挖頂進(jìn)施工,其穿越路基過程較開膛破肚的傳統(tǒng)方法,增加了覆蓋層及車輛的荷載,施工前必須對地基進(jìn)行嚴(yán)格勘察及沉降量計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果研究預(yù)案,必要時還可適當(dāng)提高滑板制作標(biāo)高及仰坡角度。不論采用明挖還是暗挖方法施工箱型橋梁,地基承載力都需滿足要求,因橋體就位后所受荷載兩者相同。地基承載力不滿足需要地段,各種傳統(tǒng)方法地基處理措施均適用于橋式盾構(gòu)法,但限于未隨意減短盾構(gòu)長度的項(xiàng)目。橋式盾構(gòu)每延米自重一般是橋體每延米的1/7左右,盾構(gòu)本身對地基耐力要求不高,且施工時對地基有預(yù)壓實(shí)作用,盾構(gòu)尾部托著橋體前端有較好的引導(dǎo)功能,加之暗挖施工路基對橋體起包裹密封作用,地基應(yīng)力相對開槽頂進(jìn)更不易于被釋放,而且沒有刃腳懸臂負(fù)作用,因此,在實(shí)際頂進(jìn)過程中,橋式盾構(gòu)法反而沒有傳統(tǒng)方法對地基耐力敏感。

3.8.5 路面最小沉降及規(guī)律

基底與覆蓋層的自然磨耗：龐然大物穿越路基時,物體的蠕動、摩擦、應(yīng)力釋放都將對路基產(chǎn)生擾動與損耗。我們可以對橋體幾何尺寸進(jìn)行控制、對施工過程控制到最佳,但無法替橋體減重,在地基耐力足夠的情況下,一般橋體推進(jìn)全程,土壤三相變化與自然磨耗在頂進(jìn)中約為0.5mm/m左右,超過部分屬于其他因素所至。其沉降規(guī)律為：覆蓋層靠基坑側(cè)沉降值大于出口側(cè),受頂進(jìn)施工影響路段內(nèi),沉降值順軸線方向中間大兩側(cè)小。

雖然磨耗不可避免,根據(jù)上述原理,對沉降要求十分嚴(yán)格的頂進(jìn)項(xiàng)目,在橋頂板預(yù)制與修補(bǔ)過程中,可采取0.5mm/m左右漸變形式對應(yīng)加厚橋體頂板,但不得出現(xiàn)橋枉過正現(xiàn)象。

3.8.6 同步注漿

因防止頂進(jìn)工程橋體外側(cè)土壤粘附和橋體外側(cè)凸起部分增大頂進(jìn)阻力和帶動路基,盾構(gòu)實(shí)際寬于橋體前端2x16mm盾殼板厚,其超挖空隙會產(chǎn)生路面下沉,應(yīng)在頂進(jìn)過程中對空隙進(jìn)行膨潤土漿液填充。

3.9 應(yīng)力釋放高危區(qū)域與控制

頂進(jìn)施工產(chǎn)生的力,會從最薄弱的位置強(qiáng)行釋放,橋式盾構(gòu)法有多個應(yīng)力釋放高危區(qū)域,其危害不可忽視。

3.9.1 覆蓋層的隆起

當(dāng)覆蓋層中含有一定數(shù)量的大型塊石時,減阻板向前牽引時有可能造成塊石滾動而產(chǎn)生路面局部凸起。當(dāng)一定數(shù)量的減阻板被拉斷失效時,盾構(gòu)與前節(jié)橋梁上部覆蓋層會在運(yùn)動摩擦作用下產(chǎn)生變形和位移,后續(xù)橋節(jié)推進(jìn)時,覆蓋層產(chǎn)生的位移受前節(jié)上部覆蓋層阻攔,路面也會在靜止和運(yùn)動的兩板塊相接處進(jìn)行壓力釋放造成凸起。因此,減阻板不宜設(shè)計(jì)較寬,并要根據(jù)實(shí)際抗拉強(qiáng)度選擇板厚,需要通過焊接接長的減阻板必須進(jìn)行雙面焊接,以確保減阻的需要。

3.9.2 嚴(yán)防中心土超挖坍塌

橋式盾構(gòu)中的中心土在保持1:0.75以上坡比的前提下,可達(dá)到其形成一定時長自穩(wěn)的效果,但盲目超前、超深的挖掘是對自穩(wěn)條件的破壞,以至中心土成為應(yīng)力釋放面,出現(xiàn)崩潰、坍塌。當(dāng)必須超挖,實(shí)施地基加固措施的時候,也應(yīng)當(dāng)對超挖面進(jìn)行臨時支護(hù),或者在盾構(gòu)制作時確保盾構(gòu)具有相應(yīng)需要長度。

3.9.3 中繼間應(yīng)力釋放區(qū)域

中繼法頂進(jìn),節(jié)與節(jié)間裝有護(hù)套板,以防止頂部及兩側(cè)路基土壤掉落造成土損失,但往往卻忽略了最為關(guān)鍵的底部護(hù)套板。最大應(yīng)力實(shí)際在橋體下部,在橋體推進(jìn)時,壓力與推力會集中在該接縫處釋放,致使基土不斷涌入、可以將中繼油頂產(chǎn)生移位,還可以造成除基土嚴(yán)重?fù)p失、橋梁下沉以外的許多危害（如；每頂進(jìn)一次就必須對接縫進(jìn)行清理）,為此,底部護(hù)套板不但不能取消,還應(yīng)較其它部位護(hù)套板強(qiáng)度更高。箱型橋梁頂進(jìn)施工,地基承載力應(yīng)滿足需要,對地基的應(yīng)力進(jìn)行封閉則更為重要,因此,中繼間設(shè)計(jì)時鎬窩必須留有鋼筋混凝土承臺,使用短行程專用中繼油頂,以減小應(yīng)力可釋放面積。

4 施工工藝

4.1 開挖工作坑

根據(jù)場地條件、土質(zhì)情況及箱型橋結(jié)構(gòu)大小,布置和開挖工作坑,人工配合挖掘機(jī)開挖,開挖時根據(jù)土質(zhì)和開挖深度確定開挖坡度和四周預(yù)留工作面寬度。工作坑四周設(shè)臨時排水溝集水井,下雨時坑里積水用水泵及時排出。開挖工作坑時尺寸應(yīng)考慮后背大小,并預(yù)留一定的工作空間。

4.2 后背制作

根據(jù)箱涵設(shè)計(jì)所需最大的頂力來設(shè)計(jì)后背。后靠須根據(jù)承受箱涵頂進(jìn)最大頂力和一定的變形量,來進(jìn)行設(shè)計(jì)后背的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)設(shè)計(jì)頂力及其他頂進(jìn)橋施工的成功經(jīng)驗(yàn),本箱型橋因地制宜采用鋼軌式板樁后背。

4.3 滑板制作

滑板按設(shè)計(jì)采用C20鋼筋混凝土,頂面下設(shè)一層鋼筋網(wǎng),為增大滑板與地面的的摩擦力,設(shè)地錨梁與后背及滑板澆筑成一個整體。滑板與后背墻連接用Ф16鋼筋間距15cm布置?；灞砻婀饣?做成2‰的前高后低仰坡?；屙斆嬖O(shè)置潤滑隔離層,具體做法：滑板頂面澆一層3mm厚石蠟,石蠟冷卻后撒一層厚1mm的滑石粉,再在其上鋪設(shè)兩層塑料薄膜,薄膜接縫處壓茬0.3m并使接茬口朝頂進(jìn)方向。

4.4 箱型橋預(yù)制

箱型橋預(yù)制及盾構(gòu)制作安裝按《鐵路橋涵施工技術(shù)指南》施工和驗(yàn)收,本文不做贅述,但施工過程中在箱型橋前端底板底要注意預(yù)埋盾構(gòu)預(yù)埋托板；在沉降縫位置預(yù)埋鋼護(hù)套及鋼搭隼；在后節(jié)箱型橋頂板后端預(yù)埋反拉系統(tǒng)預(yù)埋件。

4.5 盾構(gòu)制作安裝

盾構(gòu)制作安裝工藝流程為：盾構(gòu)立柱安裝—盾構(gòu)主梁安裝—子盾構(gòu)箱制作安裝—盾構(gòu)外殼制作安裝—盾構(gòu)內(nèi)輔助系統(tǒng)安裝—反拉系統(tǒng)安裝。

本箱型橋設(shè)計(jì)6座立柱、6榀主梁,25個子盾構(gòu),立柱、主梁及子盾構(gòu)均在現(xiàn)場加工進(jìn)行吊裝焊接。

圖7 盾構(gòu)制作安裝

4.6 液壓系統(tǒng)配備

4.6.1 主油頂配備

由于盾構(gòu)是隨第一橋節(jié)同步被推進(jìn)（后續(xù)橋節(jié)忽略不計(jì)不累加）,所以實(shí)際最大頂力=第一橋節(jié)頂力+盾構(gòu)頂力

式中P——最大頂力

N1——橋頂上荷載（包括線路簡易加固材料荷載）

F1——橋頂面與減阻板的摩擦系數(shù),無試驗(yàn)資料時,可采用以下數(shù)值；采用扁鐵涂油+石蠟時為0.15,采用石蠟0.35。

N2——橋涵自重

F2——橋涵底板與基底上摩擦系數(shù),無試驗(yàn)資料時,可采用；粘土?xí)r為0.5,土夾砂石0.5-1.0,砂石夾土1.0-2.5。

E1——橋涵兩側(cè)土壓,

F3——橋涵側(cè)面摩擦系數(shù),無試驗(yàn)資料時,可采用；粘土?xí)r為0.5,土夾砂石0.5-1.0,砂石夾土1.0-2.5。

R1——盾構(gòu)頂上荷載按（包括線路簡易加固材料荷載）2t/m3

F4——盾構(gòu)頂面與減阻板的摩擦系數(shù),摩擦面涂油時0.15。

R2——盾構(gòu)自重

F5——盾構(gòu)底板、子盾構(gòu)箱底板與基底的摩擦系數(shù),無試驗(yàn)資料時,可采用以下數(shù)值；粘土?xí)r為0.4,土夾砂石0.4-0.8,砂石夾土0.8-2.0。

E2——盾構(gòu)兩側(cè)土壓

F6——盾構(gòu)兩側(cè)摩擦系數(shù),無試驗(yàn)資料時,可采用以下數(shù)值；粘土?xí)r為0.4,土夾砂石0.4-0.8,砂石夾土0.8-2.0。

E3——各中心土土壓

F7——盾構(gòu)兩側(cè)墩柱靠內(nèi)側(cè)及其他墩柱兩側(cè)擋土板摩擦系數(shù),可采用以下數(shù)值；粘土?xí)r為0.4；土夾砂石0.4-0.8,砂石夾土0.8-2.0。

K——系數(shù),采用1.2。

4.6.2 子盾構(gòu)油頂配備

單臺子盾構(gòu)牽引敷設(shè)能力計(jì)算（按每臺子盾構(gòu)裝配2臺30t頂計(jì)）

橋式盾構(gòu)法施工中,減阻板的敷設(shè)十分重要,子盾構(gòu)是否有能力完成牽引需按下式進(jìn)行檢算,其單條減阻板最大被牽引力應(yīng)小于油頂功率600KN。在不能滿足正常牽引條件的情況下,可以通過計(jì)算,適當(dāng)加大子盾構(gòu)牽引能力或采用減阻板分段牽引等其它方式敷設(shè)。

式；單臺子盾構(gòu)所需牽引力Kn=（hbL）rμ

h——覆蓋層高度

b——1條減阻板寬度0.74m

L——覆蓋層坡腳至另一側(cè)坡腳長度

r——覆土容重1.8t/m3（如有線路設(shè)備則按2t/m3）

μ——按減阻板雙面摩擦0.15+0.45=0.6

4.6.3 反拉裝置液壓雙向油頂配備

根據(jù)盾構(gòu)從動于第一節(jié)橋體的推進(jìn)方式,對覆蓋層位移控制措施所需的反拉功率進(jìn)行計(jì)算,以確保反拉裝置完全滿足位移控制所需要油頂數(shù)量（功率）,其位移能量較小的項(xiàng)目可以采用一臺油頂反拉多條減阻板。該計(jì)算不考慮存在覆蓋層抗移樁、抗移梁的作用(同時忽略土壤抗剪、抗拉能力）。

式； Σ（hbL）r μ/F

Σ——橋體上部減阻板總條數(shù)

h——覆蓋層高度

b——1條減阻板寬度0.74m

L——盾構(gòu)頂面長+第一橋節(jié)長+（后續(xù)橋節(jié)起自然反拉作用而忽略不計(jì)）

r——覆土容重1.8t/m3（如考慮線路設(shè)備則按2t/m3）3

μ——橋體及盾構(gòu)頂部與減阻板單面摩擦系數(shù)取0.15（按扁鐵、石蠟與鋼板摩擦考慮）

F——功率為30t的雙向液壓頂回縮行程最大功率取21t。

4.7 線路加固

本工程線路加固采用P43鋼軌3+5+3吊軌梁對既有線路進(jìn)行加固,加固長度37.5m,架設(shè)和拆除吊軌梁施工工藝成熟,本文不做贅述。

圖8 線路加固

4.8 頂進(jìn)施工

4.8.1 子盾構(gòu)掘進(jìn)

子盾構(gòu)掘進(jìn)時,設(shè)子盾構(gòu)為25個,間距75cm(其中中間1人按60cm)水平布置,盾構(gòu)箱編號1#-25#。子盾構(gòu)挖土采用人工開挖,子盾構(gòu)開挖安排13人,1人負(fù)責(zé)開挖1組。子盾構(gòu)頂進(jìn)及開挖順序 (1→25)(3→23)(5→21)…(11→13);(2→24)(4→22)(6→20)…(12→14)。每臺子盾構(gòu)頂部牽引一條與子盾構(gòu)等寬、厚為6mm的鋼板一塊,由各子盾構(gòu)按工作循環(huán)分別頂進(jìn)前進(jìn)。出土以及盾構(gòu)母體推進(jìn)時對子盾構(gòu)套入箱體狀態(tài)的監(jiān)視。如果出現(xiàn)意外能及時通報(bào)控制臺而中斷事故發(fā)展。子盾構(gòu)允許單次推進(jìn)行30cm～40cm。子盾構(gòu)作業(yè)為人力配合機(jī)械,視挖掘面土體的自穩(wěn)能力而定,本工程箱型橋橋頂土方為細(xì)砂性土,根據(jù)斷面開挖同截面土層,采用先頂后挖的掘進(jìn)方式,子盾構(gòu)推進(jìn)時,其上部土方由前端鋸齒刃腳切割下落。

4.8.2 墩柱內(nèi)土體開挖

根據(jù)斷面盾構(gòu)墩柱設(shè)計(jì)為6座墩柱,每個墩柱4層,在每座墩柱前端和后端各設(shè)計(jì)1臺卷揚(yáng),配斜皮帶,各層開挖土方通過溜槽輸送至斜皮帶,通過斜皮帶輸送至墩柱后端箱型橋內(nèi),再由裝載機(jī)外運(yùn)。墩柱人工挖土標(biāo)準(zhǔn)為墩柱的外廓尺寸寬與前進(jìn)方向30-40cm長,墩柱土開挖完成后,啟動千斤頂頂進(jìn)盾構(gòu)母體30-40cm,完成一次頂進(jìn)。

盾構(gòu)頂程為35m,隨著頂進(jìn)的推進(jìn),傳立柱不斷加長,為防止傳力柱橫向分力引發(fā)起拱甚至飛揚(yáng)傷人,在傳力柱上方回填土方壓實(shí)。

4.8.3 中心土開挖

中心土采用機(jī)械開挖,按1：0.75的坡度開挖,一般情況下,中心土滯后子盾構(gòu)掘進(jìn)面5m左右。若中心土穩(wěn)定性差,則可放緩開挖坡度。

4.8.4 施工監(jiān)測

箱型橋推進(jìn)施工的全過程中,盾構(gòu)及箱型橋運(yùn)動中線、水平的測量非常重要,頂進(jìn)前工程技術(shù)人員測量出線路及箱型橋方向、水平的靜態(tài)觀測值并做好記錄,在箱型橋頂進(jìn)過程中做好動態(tài)觀測,對靜態(tài)與動態(tài)的變化值及時通知頂進(jìn)班組,變化數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)箱型橋的掘進(jìn)與糾偏。

(1)墩柱滑板前后高差：

每工作循環(huán),6墩柱全測并換算成絕對高程。

(2)墩柱軸線：

交接班前后測,每班2次,共4次并標(biāo)示與箱型橋?qū)嶋H軸線相對誤差。

(3)箱型橋軸線：

測量并標(biāo)示本次偏移值和累計(jì)偏移設(shè)計(jì)值。

(4)箱型橋高程：

測點(diǎn)設(shè)于各節(jié)橋內(nèi)靠底板倒角處以上,每節(jié)分涵前、橋后4個點(diǎn),各點(diǎn)基本成90°關(guān)系,并換算成絕對高程。

(5)線路沉降監(jiān)測點(diǎn)：

將線路水平觀測樁埋設(shè)于固定位置（頂進(jìn)范圍之外）,測出每個子盾構(gòu)頂進(jìn)位置對應(yīng)位置線路軌頂標(biāo)高,作好初始記錄,每次子盾構(gòu)頂進(jìn)后,采用水平儀觀測軌頂標(biāo)高有無變化。

(6)頂進(jìn)糾偏

盾構(gòu)糾偏是掘進(jìn)人員按指揮人員發(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,不停改變各部位土應(yīng)力來完成。

箱型橋左右方向的糾偏為利用所布油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。

5 結(jié)語

哈密市S328省道下穿蘭新雙線鐵路1-16m箱型橋工程于2016年5月25日預(yù)制完成,2016年6月28日開始試頂,8月8日頂進(jìn)到位,總頂程43.5m,日平均進(jìn)度為1.2m。在頂進(jìn)過程中沒有出現(xiàn)路基坍塌和中斷列車運(yùn)行的問題,這充分說明橋式盾構(gòu)在該項(xiàng)目施工中是可行的、安全的和成功的。該箱型橋頂進(jìn)到位后,箱型橋主體軸線偏位最大值3.0cm,前后節(jié)間高差0.4cm,箱型橋最大沉降量為4.3cm,施工實(shí)際偏差均在規(guī)范要求范圍內(nèi),既有線幾何尺寸均在技規(guī)臨修值范圍內(nèi)。該箱型橋采用橋式盾構(gòu)法施工與傳統(tǒng)架設(shè)“D型”便梁或組合鋼便梁比較,降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn),減少了施工封鎖點(diǎn),值得推廣應(yīng)用。

[1]《S328線大南湖-G30駱駝圈子公路下穿蘭新鐵路1-16m箱型橋施工圖設(shè)計(jì)》,2016（3）.

[2]《客貨共線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南》.（TZ 203～2008）.

[3]《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（.TB10002.1～2005）.

[4]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（.GB 50017～2003）.

[5]《橋梁施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》（.MBEC3002～2012）.