橋式盾構法頂進技術在峰福線下穿立交橋施工的應用

李賢桂

(南昌鐵路局南平工務段路橋技術科，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，北通建陽市西城開發區，南連市區道路。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構，強度為C 40、P 8抗滲鋼筋混凝土；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)。主要鐵路設備有4#、6#、10#道岔，信號機、光電纜、鐵路電力接觸網設施；出入口兩側設置8.0 m C 40、P 8抗滲鋼筋混凝土U型槽。

為保證鐵路不中斷行車，框架橋采用橋式盾構法頂進施工，從左向右頂進，頂程31.7 m，設計最大頂力為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定、安全快速，本框架橋采用橋式盾構法頂進框架橋掘進支護線路，并為框架導向，框架頂推采用液壓推進設備。頂進期間，為了防止局部道碴出現意外塌落影響行車安全，線路采用P 50軌簡易扣軌，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，不擾動既有道床結構，確保既有線的穩定。

圖2 峰福線K154+688立交框架平面圖

2.1 橋式盾構法構造原理

“橋式盾構法”在保留傳統頂涵施工、橋涵結構路側預制工藝的基礎上，對結構頂進支護方法進行了重大改革，將明挖開槽改為地下暗挖盾構支護，從而使露天預制保證了結構質量，暗挖推進減低了施工時對行車的影響。

橋式盾構由預埋件、墩柱、主梁、子盾構箱、子盾構、減阻板、反拉系統、盾殼、液壓推進系統等部分組成。盾構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，裝配在第一節框架橋前端。跨中滯后挖掘的中心土從盾構入土直到出土前均保持1∶0.75坡比，并滯后子盾構掘進面8 m左右開挖，它與盾構共同平衡周邊土壓，成為子盾構箱的強大支護體系，作為帶土頂進時掘進面與路基的施工支護，同時盾構也起擔負頂推導向作用。

2.2 橋式盾構法施工技術原理

2.2.1 提前支護原理

子盾構在油壓頂推系統的頂推下切入土體40 cm后，提前支護盾構上土體，將子盾構箱前的土體及墩柱前的土體采用人工開挖掘進40 cm，子盾構箱下的中心土采用機挖人修的方法掘進40 cm，然后頂進框架使框架與盾構體整體遷移40 cm，形成框架的一次頂進循環。當整個盾構全部進入路基后形成提前支護。

2.2.2 中心土原理

由于子盾構箱順線路方向未設受力構件，故在子盾構箱下及墩柱兩側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。承受子盾構箱及其列車的動荷載和線路土體的靜荷載，保證盾構的穩定。

2.3 本項目橋式盾構頂進布置

本項目盾構母體包括預埋件、墩柱、4榀主梁和盾殼，每榀主梁高1.3 m、寬0.6 m、長12.832 m，主梁安裝的中對中間距為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構橋梁，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、側板包裹在主梁頂部與墩柱外側。子盾構的子盾構箱高度1.3 m與主梁相同。在每格子盾構箱的上導梁中裝有一臺子盾構；前置的第一榀主梁下設置盾構爬升糾偏板，子盾構箱安裝在盾構母體的前端，在各子盾構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。

盾構母體中的子盾構由液壓系統控制，單臺組錯開推進，擔負減阻板的牽引及掘進面的小斷面化，增強了開挖面的穩定性，被牽引的減阻板則將上部摩擦力分散。剛架橋推進前順坡清除底板前方部分中心土體，盾構母體隨剛架橋同步推進時，子盾構原推出部分被掘進面土體阻擋與子構箱體作相對運動，套回箱內，完成一個盾構掘進工作循環。

子盾構前開橫槽，墩柱前開豎槽的挖掘方式，開挖長度40 cm左右為一工作循環。開挖面積為子盾構箱與各墩柱截面積。由于各開挖面積小，土壓較易平衡。伸入梁跨內的中心土滯后與槽若干米至阻擋框架橋底部時才開始進行挖掘，開挖長度為1 m左右，即小斷面完成3個工作循環中心土開挖一次，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能力，成為掘進面的強大支護體系(圖3)。循環作業頂進框架橋到達設計位置。

圖3 施工現場

2.4 施工順序

施工順序見圖4。

圖4 橋式盾構法施工順序示意

3 頂力分析及頂進設備布置

本框架橋為正交，橋體自重大。另外本橋橫向跨度12.8 m，縱向長度17.5 m，橫向跨度與縱向長度的比值約為3∶4，橋體寬長比相差不大，頂進糾偏困難相對較小。在頂進施工前，進行頂進受力分析，并根據受力分析的結果合理確定頂進設備的布置方式。

3.1 所有頂進框架的重量

本工程主體結構、三角塊、U形槽、橋頂防水保護層混凝土方量為868 m3，加上橋式盾構結構重120 t，根據相關規范計算，所有頂進框架的重量為2 638 t。

3.2 橋體最大頂力計算

頂進橋涵的頂力，應根據頂進長度、土的性質、地下水情況、橋涵外形及施工方法等因素按下式計算：

P=K[N1μ1+(N1+N2)μ2+2Eμ2+RA]

式中：N1為橋上荷載，N1=既有線設備重量+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，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，取μ2=0.8；E為橋體兩側土壓力，經計算E=498.8 t；μ3為側面摩擦系數，一般取0.7～0.8，取μ3=0.8；R為盾構正面阻力，對于粉質粘土，取R=350 kPa；A為盾構正面積，按照設計資料計算可得A=33 m2；K為系數，采用1.1。

經計算，P=5 688 t。

3.3 頂進設備布置

假設頂進施工時，每側的頂力集中在橋式盾構的中心線(平行于橋體中心線)，本橋為正向頂進，兩側土體側壓力均垂直于橋體頂進方向，即橋體中心線。假定橋體轉動點為橋主體底板形心，如圖5所示。

圖5 橋體頂力計算簡圖(單位：m)

假設兩側土體摩擦力、頂底板摩擦力均相互抵消。M=Fl×3.2-F2×3.2。橋體頂進需要控制的就是使M=0，這樣就可以保證橋體的中心線按照預定要求進行頂進。

3.4 實際頂進施工時頂力情況及糾偏效果

本框架橋啟動時頂力為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。當橋體全部入土時，為頂力最大情況，此時E1=E2=498.8 t，此時最大頂力P=5 688 t，即F1+F2=5 688 t。經計算可得，F1=F2=2 844 t。本工程頂進設備假定全部采用頂力為500 t的液壓頂機，使用頂力按照80%計算，即使用頂力為400 t，按照以上計算出的頂力，則需要配制液壓頂機數量為：左側N1=2 844/400=7(臺)；右側N2=2 844/400=7(臺)。實際施工中左側頂進三角塊配5臺500 t、3臺400 t液壓頂機，右側頂進三角塊配5臺500 t、3臺400 t液壓頂機。500 t、400 t液壓頂機的使用頂力可達400 t、320 t，可供最大頂力為400×10+320 t×6=5 920 t。

進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，此時底板右側及右側刃角全部吃土，因此頂力較大，但未超出設計最大頂力。頂進就位后，高程偏差最高偏高18 mm，最底偏低8 mm，平均比設計高8 mm；中心線前端左偏1，后端左偏1 mm。

4 施工注意事項及控制措施

4.1 頂進糾偏

盾構糾偏是掘進人員(包括挖機司機)按指揮人員發出的掘進指令，對子盾構、墩柱底板下及兩側土體進行超挖或欠挖土，不斷改變各部位土應力來完成。

框架橋左右方向的糾偏利用油壓頂非均衡使用來完成，水平高程糾偏為調整橋式盾構運行軌跡來達到效果。

4.2 防水層保護與減阻 為防止道床對防水層及框架頂面的破壞，在框架橋頂部沿軸線方向通長設置扁鐵。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(頂進過程中會被拉直拉長，故尾端不能固定)，扁鐵隨盾構牽引前進。

4.3 施工監測

框架橋推進施工的全過程中，盾構及框架橋運動中線、水平的測量和線路軌道的監測非常重要，對每一頂進循環的測量數據繪制成框架橋推進軌跡圖進行分析研究，用于科學指導框架橋的掘進與糾偏。

4.4 防止盾構剛進入土體的載頭

為控制盾構由于自重影響在進入土體時順勢下沉，應啟動反拉系統進行抬升，隨后頂推框架橋的同時啟動反拉系統，防止載頭，有效地控制路基和軌道的沉降變形。

4.5 控制框架橋頂進時橫移

為控制框架橋頂進時橫移，必須做到頂推框架橋與反拉系統同步。嚴格聽從指揮，時間以秒控制，保證頂推框架橋與反拉系統同步。

5 結論

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、扣件松動等，進而造成“三角坑”、“暗坑”、“吊板”等病害，尤其是在道岔區頂進施工，還會造成岔區斷面破壞、尖軌不密貼、道岔扭曲，危及行車安全。

橋式盾構法適用于下穿多股道鐵路線路、大跨度立交框架橋的頂進施工，解決了施工便梁跨度無法滿足線路架空要求的頂進框架橋施工，可防止路基面的過量變形及由此帶來的軌道過量位移對行車安全的影響，只要施工方法得當，可確保線路邊運營邊施工，最大限度地降低下穿立交施工對運輸的影響。