大跨徑框架隧道中繼間頂進既有鐵路施工技術

趙立財

(中國鐵建十九局集團有限公司,北京 100176)

大跨徑框架隧道中繼間頂進既有鐵路施工技術

趙立財

(中國鐵建十九局集團有限公司,北京 100176)

中繼間頂進技術是框架隧道下穿既有鐵路一種安全可靠的施工方法,依托廈漳公路(廈門段)東孚雙洞隧道工程,系統說明在既有線鐵路下方修建大跨徑隧道線路加固及頂進技術的各種問題,說明了提高公路隧道下穿既有鐵路安全系數采取中繼間頂進技術的必要性,挖孔樁結構選型與承重力檢算的必要性,架設24 m D型便梁+Ⅰ56型鋼縱、橫抬梁加固鋼軌的設計與設置原則和施工工藝,并強調了框架隧道中繼間頂進施工技術與施工監測技術的重要性。

框架隧道;中繼間頂進;既有鐵路;施工

近年來隨著高速鐵路、高速公路得以持續快速發展,在施工中經常會碰到高速公路穿越既有高速鐵路路基的工程,為保證穿越的公路及既有鐵路線路運營的安全,需修建框架隧道。但在既有線修建框架隧道最大的不同在于保證鐵路行車,施工中,既要兼顧工程進度并保證工程質量,更要保證行車和施工安全,還要盡可能減少對鐵路運輸的干擾。因此,開展了“頂進框架隧道施工技術”的專項研究,對確保既有高速鐵路安全營運,具有十分重要的意義。

本文以廈漳公路(廈門段)東孚隧道工程下穿既有廈深鐵路為例,重點研究大跨徑公路框架隧道下穿既有廈深鐵路路基人工填土土層段,以監控量測為基礎,挖孔樁做支墩,架設24 m D型便梁+Ⅰ56型鋼縱、橫抬梁加固鋼軌結合中繼間法頂進框架箱體的綜合施工技術組織施工,順利地穿越了既有廈深鐵路,有效保證了廈深鐵路正常運營,達到了預期目的。

1 工程概況

廈漳公路(廈門段)東孚隧道由雙洞單框架箱體組成,隧道中心線與既有廈深鐵路DK21+130段路基平面夾角為40°,夾角位置采用下穿方式通過。其中每孔框架隧道分節段預制成型,設計為每孔18.5 m(寬)×6.24(高)m箱身,板厚度為1.5 m,底板厚度1.5 m,邊墻厚度1.2 m,右幅洞分為3節,左幅洞分為2節,每節長10 m,需下穿既有廈深鐵路淺埋軟弱人工填筑層段,隧道頂覆土厚2 m,箱底換填2.5 m厚碎石,為單面上坡。廈深鐵路每日列車上行60列,下行61列,時速均為220 km,正線為有砟軌道,道床為一級道砟,軌道類型60 kg/m,列車運行動活載為92 kN/m。

2 框架隧道下穿鐵路路基總體方案

根據下穿段路基土體結構特性,施工中選用φ1.5 m挖孔灌注樁作為臨時支墩→用D24 m便梁將隧道洞身范圍的線路架空→軌面下隧道頂進段路基開挖→澆筑后背框架隧道作為后背墻→鋼軌加固→利用已澆筑并就位好的節段框架作為后背→頂進力計算→中繼間法分節平坡頂進框架→頂進時洞身部位土體采用小型機械配合人工方法將其掏空→框架兩側設置鋼刃角切土頂進,頂進節間設置鋼護套。施工的同時要建立好完整的洞內外監測系統,對隧道結構及軌道、便梁進行實時監測并分析,確保鐵路交通及施工安全。

3 線路加固結構設計與施工

為確保線路行車安全,本線路加固方案為:D24型便梁布設→支墩尺寸選擇→D24 m便梁外側線路鋼軌加固卸載→C25混凝土挖孔樁支墩過渡支撐施工→架設D24型施工便梁→軌面下頂進段路基開挖架空線路的施工方案。線路加固平面、剖面布置如圖1、圖2所示。

圖1 線路加固平面布置(單位:m)

圖2 線路加固剖面(單位:cm)

3.1 D24型便梁布設

由于東孚隧道凈寬18.5 m,隧道下穿位置最大覆蓋層僅2m,列車動活載為92 kN/m,時速均為220 km,所以選擇了1孔24 m D24型便梁將既有鐵路鋼軌托起加固,D型便梁已經過部級鑒定,不必檢算。其便梁布置如圖3、圖4所示。

圖3 24 m D型便梁橫截面示意(單位:mm)

圖4 24 m D24型施工便梁平面示意(單位:mm)

3.2 支墩尺寸選擇

該段線路加固采用24 m D24型施工便梁,兩端支撐墩采用4根挖孔樁,樁頂設帽梁作支點,帽梁槽內安裝臨時支座,選定挖孔樁直徑為150 cm,樁體最長17 m,埋置深度6.67 m,樁基自由長度10.33 m,C25混凝土樁身,屬高支墩,支墩底部擴孔以提高承載力。挖孔樁平面布置如圖5所示。3.3 挖孔樁施工

圖5 便梁挖孔樁平面示意(單位:m)

挖孔樁共布置4個,均采用φ1.5 m圓樁,挖孔樁橫向間距4.8 m,縱向間距24.12 m,由上往下開挖,每0.5 m一個循環作業。挖至設計深度后下放綁扎好的鋼筋籠(主筋采用φ20 mm螺紋鋼筋,箍筋采用φ8 mm圓鋼,樁身鋼筋骨架每2 m設置1道φ20 mm加強螺紋鋼筋),并在現場搭設工作平臺綁扎樁頂帽梁鋼筋(要保證鋼筋籠留有30 cm嵌入樁頂帽梁內,并伸出帽梁面20 cm用來固定臨時支座)。每開挖完50 cm,便立即安裝護壁模板,用導管下混凝土施工護壁。最后安裝帽梁模板,并及時灌注樁身、帽梁混凝土,待混凝土達到強度后,架設便梁。

3.4 便梁安裝

3.4.1 縱梁過軌橫移就位

D24型便梁縱梁采用1-24.5 m I100定型型鋼,架空時支點設在挖孔樁支墩和臨時木垛上。架設D型便梁時,應按照布設方案進行拼裝架設,2片縱梁中心橫向間距為4.8 m,縱向間距為24.5 m。架設時采用2臺250 kN汽車吊起吊主梁,人工配合組拼。便梁卸至既有線外側枕木垛后,利用千斤頂起落便梁,依次抽出枕木垛的枕木,使縱梁底面的高度落至與既有軌面40 cm左右,如圖6所示。為過軌橫移設置的2根短軌必須相互平行并垂直線路中心線,并在短軌下加絕緣墊塊,待縱梁落到位后,將其橫移至挖孔樁帽梁支座上,另一片縱梁原位不動,如圖7所示。

圖6 便梁下落就位作業

圖7 縱梁過軌橫移就位作業

3.4.2 抽換枕木安裝橫梁

D型便梁橫抬梁采用H20長4.74 m鋼枕,間距0.6 m布置,縱橫梁聯結用φ22 mm高強度螺栓,且帶雙帽。縱梁安裝就位后,采用人工配合吊車進行橫梁安裝,安裝橫梁的位置應與枕木的位置一致,并保證橫梁頂面與鋼軌底面齊平。由縱梁兩端向中心排列抽換,抽一根枕木,穿一根橫梁,其中一根鋼軌下需要墊大塊絕緣橡膠板,防止軌道電路短路,影響信號和行車。穿入橫梁時要對準主梁連接板并定位,同時上好扣件,墊好橡膠軌墊。橫梁安裝完畢后,將另一片縱梁就位,并連接縱橫梁,安裝斜拉桿,而后詳細檢查線路軌距、水平、高低、軌向,對超標處應及時進行調整。便梁就位完畢后,方可進行軌道線下路基的開挖。

3.5 軌面下隧道頂進段路基開挖

軌面下路基開挖期間,列車慢行60 km/h通過施工地段,線路加固完畢后可正常運行。軌面下路基開挖采用小型機械開挖為主,人工開挖為輔的施工方法,軌面下路基開挖尺寸根據框架隧道節段箱形平面尺寸和操作空間確定,靠隧道頂進側開挖面兩側邊坡為1∶1,底面做成面向頂進方向前高后低的仰坡,頂進段開挖放坡范圍是挖孔樁兩側各10 m范圍內。開挖后隧道洞身范圍的線路被架空,使挖孔樁承受所有鋼軌重力及列車行駛動活載,不會傳遞給路基對下穿隧道圍巖造成影響,即完成線路加固架空施工。線路加固架空作業如圖8所示。

圖8 D型便梁架空作業

3.6 加固鋼軌

D24 m便梁外側10 m(即基坑開挖安全坡以內)布置6片I56型鋼縱抬梁,參考按0.6 m間距布置P50(50 kg/m)橫抬梁方法加固鋼軌卸載線路,橫抬梁與縱抬梁之間采用U形扣件聯接。縱、橫抬梁加固鋼軌現場布置如圖9所示、縱橫抬梁聯接如圖10所示。

圖9 縱、橫抬梁加固鋼軌現場

圖10 縱橫抬梁聯接細部

3.7 公路框架隧道中繼間頂進施工技術

暗挖段框架隧道節段采用整體大型內外模鋼模臺車預制而成,縱向采用10 m一節。結合現場實際情況,直接選用已澆筑完的框架隧道為背樁,并在框架底板處加設混凝土圍護樁,圍護樁背后為土體,三者形成穩固的后背體系用以承受頂進時的水平頂力,在后背樁上設置分配梁與千斤頂連接,開挖一段頂一段。中繼法頂進施工工藝流程如圖11所示。

3.7.1 潤滑隔離層施工

利用軌面路基開挖后的作業空間對坑底面進行C15混凝土墊層處理,澆筑鋼筋混凝土滑板,并在滑板潤滑隔離層上進行隧道框架預制。

圖11 中繼法頂進施工工藝流程

潤滑隔離層施工順序:將滑板底部碎石夯實整平→滑板下設防滑槽5～7道,與滑板一同澆筑→滑板面沿頂進方向設不小于2‰上坡段→在滑板頂面先澆一層柴油→澆一層3 mm厚石蠟油,每澆筑完一格隨即用木刮板刮平→待石蠟油凝固后,用噴燈烤熔整平,整個石蠟面再撒一層約1 mm厚滑石粉作為潤滑層→最后用1∶2水泥砂漿抹面作為隔離層。

3.7.2 安設刃角

刃腳是本隧道頂進施工的關鍵設備,設置在框架前端,底刃腳為鋼筋混凝土刃腳,坡度設45°,前端采用鋼板裹角,與箱身前端預埋螺栓聯結擰緊。底刃腳如圖12所示。

圖12 底刃腳示意(單位:mm)

3.7.3 頂力計算

(1)框架自重計算:頂進框架按10 m一節,一節框架主體混凝土數量860.4 m3,鋼筋混凝土的容重取26 kN/m3,機具、人群、刃角以及未能及時運走的土重等施工荷重為100 kN,則框架自重為:860.4×26+ 100=22 470.4 kN。

(2)最大頂力的確定:P=K[N1f1+(N1+N2)f2+ 2Ef3]=17 976.3 kN

式中,P為最大頂力,kN;K為系數,取1.2;N1為箱身頂上荷載,kN,由于箱身頂上均被D型便梁完全卸載,則N1=0;f1為箱體頂部表面與頂部荷重之間的摩阻系數,則f1=0;N2為框構自重,kN;f2為箱體底板與基底土摩阻系數,取f2=0.8;E為框架兩側土壓力, kN,箱體兩側有作業空間,E=0;f3為側面摩阻系數,取f3=0。

3.7.4 頂進設備選定與設置

(1)頂進設備選定

根據最大頂力計算情況,選配頂進設備數量

N=Pmax/(T·η)

式中,N為需用千斤頂臺數;Pmax為計算最大頂力;T為千斤頂額定推力;η為千斤頂的功率系數。

采用一次頂進法,框架箱體采用3 200 kN頂鎬,頂程2 299 mm,功率系數按0.7計。

代入公式:N=17 976.3 kN/(3 200×0.7)≈8臺;確定采用3 200 kN頂鎬8臺,備用2臺,共計10臺。

(2)頂進設備設置

左幅洞后背方第一組、第二組均采用8個3 200 kN千斤頂。右幅洞前后兩組同左幅配置,中間一組采用5個4 000 kN和4個2 000 kN組合,千斤頂的布置以箱體中心線為軸對稱設置,為防止箱底板因直接承受頂力而壓碎,在頂鎬與箱底板尾部接觸處設置1塊20 mm厚的承壓鋼板,承壓板下端焊接鋼板托盤,千斤頂放置在鋼板托盤上,以避免千斤頂與底板接觸造成刮板現象。

3.7.5 傳力設備配備

(1)頂程:36 m。

(2)頂鐵:頂鐵用鋼板和舊鋼軌焊接制成,長度規格分10/15/20/25/30/40 cm,每種規格的頂鐵按每臺千斤頂2套配備,另準備若干0.5/1/2/3 cm的補空鐵墊板以填充頂鐵間的空隔。

(3)傳力柱:頂柱用舊鋼軌和鋼板焊制成,長度規格分1/2/4 m 3種,每臺千斤頂配置數量與頂鐵相同,總共需配備數量分別為6/10/10套。千斤頂、頂鐵及傳力柱的布置,必須位于一直線上。頂力設備布置如圖13所示。

圖13 頂進頂力設備布置(單位:m)

(4)活動橫梁:為避免頂進中頂柱拱起變形,可在頂柱之間加設橫梁,以保證頂柱受力穩定,頂柱間橫梁長度5 m,每隔3 m傳力柱長設置1道,橫梁采用I450型鋼和鋼板條組焊而成。

3.7.6 框架隧道箱體頂進施工及挖土

在工作坑滑板潤滑隔離層上頂進預制好框架體,框架箱身中心線和頂進中心線兩者均在同一條直線上。每次頂進隧道框架為左幅洞20 m、右幅洞30 m,采用中繼間法頂進,左右洞分開作業。

(1)挖土施工:框架隧道頂進采用小型機械配合人工由上向下進行洞內挖土,挖土必須與頂進緊密結合;挖土作業時,要在框架內設置挖土中間平臺,每次挖掘進尺可控制在2 m,嚴禁超挖,同時前方邊坡坡度按1∶1控制,兩側邊坡坡度按1∶1控制,以保證行車安全;開挖面寬度高度比框構輪廓小10 cm,保證角切土頂進,以利方向控制;框構底面應預留高出5～10 cm厚度的土層不挖,使底板吃土頂進,減少“扎頭”。框架隧道箱體內頂進面挖土作業如圖14所示。

圖14 框架隧道箱體內頂進面挖土作業

(2)頂進施工:采用由線路右側一頭頂進施工,挖土與頂進作業循環進行。頂進過程是:開動高壓油泵,使千斤頂產生頂力,通過傳力系統,借助于后背的反作用力,推動隧道框架前進,節與節之間設置剪力楔以傳遞剪力,使前后節箱體在頂進過程中重心的運動軌跡盡可能重合,框架前進頂完一節后,回鎬使千斤頂復原,然后在空檔處填放頂鐵,以待下次開鎬,如此循環往復,直至框架就位。

4 施工監測

采用自動數據采集與人工測量相結合技術,對既有線軌道、既有線周圍地表進行監控量測。通過監測提供軌道沉降與土層位移監測的數據與分析,反饋信息指導施工。

4.1 軌道與地面沉降監測點布置

在既有線軌道上各布置12個觀測點,每頂1鎬,觀測1次;既有線周圍地表布置點為沿鐵路縱向20 m范圍內,距鐵路路基6 m處,按2.5 m間距布置觀測點,共布設12個點,每頂1鎬,觀測1次。

4.2 監測控制要求及標準

(1)在施工之前對軌面、地面進行原始數據的采集。

(2)大管棚施工、地面荷載及隧道開挖引起的地表、軌道沉降每日觀測1次,沉降量控制在1 cm以內。

(3)地面觀察,隨時進行,包含地面的隆起、裂縫、塌陷等異常情況。

4.3 沉降監測數據與分析

4.3.1 軌道沉降分析

采用自動監測采集技術對軌道進行沉降監測,軌道2號點最大沉降量為3.24 mm,小于限值10 mm,軌道結構處于安全狀態。

4.3.2 地表沉降分析

由于地面荷載、大管棚施工的共同作用,地表各測點均產生了輕微的初始沉降,且距離隧道框架遠端位置處的地表沉降量小于正對隧道框架頂進處地表沉降量。隨著頂進次數的增加,距離掌子面遠的測點,對土的擾動較小,沉降量幾乎為0;當隧道頂進至鐵路線路下方時,由于大管棚與全斷面超前預注漿支撐作用,沉降量變化較小,最終地表下沉量為8.5 mm,小于限值10 mm,地表處于安全狀態。

5 結語

廈漳公路(廈門段)東孚雙洞框架隧道施工中,運用該施工技術后可安全可靠的在既有線鐵路下方修建大跨徑隧道,有效保證了既有鐵路的安全運營,控制了施工沉降量。本文系統說明了隧道頂進施工中遇到的各種技術問題,說明了提高公路隧道下穿既有鐵路安全系數采取中繼間頂進技術的必要性,挖孔樁結構選型與承重力檢算的必要性,架設24 m D24型便梁+Ⅰ56型鋼縱、橫抬梁加固鋼軌的設計與設置原則和施工工藝,并強調了框架隧道中繼間頂進施工技術與施工監測技術的重要性。

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Jacking Construction Technology with Relay Chamber Method for Long-span Framework Tunnel Crossing beneath Existing Railway

ZHAO Li-cai
(China Railway 19th Bureau Group Co.,Ltd.,Beijing 100176,China)

U455.47

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.031

1004-2954(2014)08-0128-05

2013-11-08;

2013-11-21

趙立財(1985—),男,工程師,2007年畢業于石家莊鐵道學院公路與橋梁專業,工學學士,E-mail:383202550@qq.com。