鐵路大孔跨框架橋頂進施工技術(shù)

摘要：在吉圖琿高速鐵路圖們北站站場改造過程中，為地方規(guī)劃道路預(yù)留通道在既有線下設(shè)計了富強2#框架橋，該橋為2-15m框架橋，結(jié)構(gòu)全長33 m，橋體總寬35.6m，總高8.5 m，采用頂進方法施工，最大頂力8796t，頂進總行程41.79m。工作坑開挖前采用在基坑四周井點降水的方法，將地下水位降至滑床底板1m以下。框架橋頂進期間，采用了I115工便梁做縱梁、H70型鋼做橫抬梁與H20鋼枕組合架空既有線路，用C25鋼筋混凝土挖孔樁做支點進行線路加固的方案，一次頂進就位。

關(guān)鍵詞：大孔跨；框架橋；頂進；施工技術(shù)

引言

隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市路網(wǎng)密度不斷提高，但交通不暢已成為阻礙經(jīng)濟發(fā)展和制約人民生活水平提高的因素。造成交通不暢的主要原因是日益增加的機動車數(shù)量已超過原有城市道路的規(guī)劃發(fā)展，特別是鐵路與公路大量的平交道口更是成為城市道路的重要擁堵點，因此“平改立”已經(jīng)成為改善城市交通狀況，確保交通安全的一項重要工作任務(wù)。框架橋以它整體結(jié)構(gòu)性好，剛度大，建筑高度低等優(yōu)點大量在“平改立”中采用，而頂進施工方法以它對行車影響小、施工快速、技術(shù)和經(jīng)濟效益較好的優(yōu)點，在下穿鐵路既有線的施工中有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。

1、工程概況

富強路2#框架橋橋位處有3條鐵路線，自北向南下穿牡圖線（MTDK5+512）、液化汽線（施工前拆除）、長圖線（CTDK521+144.836）。牡圖線與長圖線中心距13.42m，長圖線與液化氣線中心距4.77m，牡圖線與液化氣線中心距4.35m。橋體中線與牡圖線、長圖線正交90°，該橋孔跨類型為15m+15m雙孔框架橋，頂板厚1m，底板厚1.1m，邊墻、中墻厚各1m，結(jié)構(gòu)全跨度33m，橋體總長度35.6m，總高8.5 m，凈孔高6.4m，采用頂進方法施工，頂進總行程41.79m，其中空頂行程9.6m。地下水位為0.5～3.0米，地下水、地表水對混凝土無侵蝕性。

2、主要施工工藝及方法

首先在工作坑四周設(shè)置管井降水，地下水位降至滑板下1m后，開挖工作坑，修筑滑板，在滑板頂面上鋪設(shè)隔離層，預(yù)制鋼筋混凝土框架橋，期間封鎖線路架設(shè)工便梁，穿橫抬梁、鋼枕，加固后既有線路，行車限速45km/h。框架橋混凝土達到設(shè)計強度時，安裝頂進設(shè)備，進行框架橋頂進施工作業(yè)，當頂進前方挖土完成一個頂程后，開動高壓油泵，使頂鎬產(chǎn)生頂力，通過傳力設(shè)備，借助于后背的反作用力把框架橋向前推進，待推進一個頂程后，在空擋處放頂鐵，挖運出一個頂程距離，以待下次開頂，如此循環(huán)進行，直到整個框架橋頂進就位為止。

圖1 框架橋頂進施工流程圖

3、基坑降水

根據(jù)水文地質(zhì)資料橋址處地下水位為0.5～3.0米，地下水水位較高，工作坑開挖前需對基坑進行降水。結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，采用管井降水的措施將地下水位降至滑板下1m。

3.1管井降水設(shè)計

⑴基坑總涌水量計算：根據(jù)基坑邊界條件選用以下公式計算：

Q為基坑涌水量；k為滲透系數(shù)（m/d）；

H為含水層厚度（m）；

R為降水井影響半徑（m）；

r0為基坑等效半徑（m）；

S為基坑水位降深（m）；

D為基坑開挖深度（m）；

dw為地下靜水位埋深（m）；

sw為基坑中心處水位與基坑設(shè)計開挖面的距離（m）；

⑵降水井數(shù)量確定：

單井出水量計算：

降水井數(shù)量計算：

q為單井允許最大進水量（m3/d）；

rs為過濾器半徑（m）；

l為過濾器進水部分長度（m）；

k為含水層滲透系數(shù)（m/d）。

通過計算得井點管數(shù)量為40個。綜合考慮涌水量、地層滲透性，結(jié)合基坑形狀共布降水井44眼，井深15-20m，井徑380mm，每個井里放置1臺1.0KW水泵，降水井布置見圖2。

圖2 井點降水平面布置圖（單位cm）

3.2降水井施工

⑴降水井采用沖擊鉆機成孔，成孔直徑Φ550mm，中間安裝外徑Φ380mm的無砂混凝土井管。

⑵井孔沖擊成型后，通過單滑輪，用繩索提起井點管插人井孔，井點管的上端應(yīng)用木塞塞住，使無砂混凝土井管居中，同時要防砂石或其他雜物進入，在井點管與孔壁之間填灌碎石濾層，碎石填入井內(nèi)前要篩凈，不能含粉末。

⑶填完碎石濾層即刻抽水逐個進行冼井，將φ15～30mm的膠管插入井點管底部進行注水清洗，直到流出清水為止。

⑷井位一般距基坑2.0m左右，遇障礙物可適當調(diào)整。井深誤差控制在±0.5m。

4、線路加固

沿鐵路縱向設(shè)置56m長I115工便梁做縱梁，工便梁接頭處采用高強度螺栓連接。設(shè)置4組橫抬梁，橫抬梁采用H70型鋼，每組2片，單根橫抬梁總長度32m。枕木間每孔穿一根H20鋼枕，組合架空線路，縱梁支點設(shè)在C25鋼筋混凝土挖孔樁上。架設(shè)便梁、穿橫抬梁和鋼枕時必須封鎖線路，利用封鎖點內(nèi)進行。

4.1便梁支墩挖孔樁施工

便梁支墩采用直徑1.25m鋼筋混凝土人工挖孔，共計42根挖孔樁，其中32根挖孔樁距既有線中線2.15m，施工過程中對線路采取U型加固措施。U型加固措施具體如下：縱梁設(shè)二組，每組2根I32工字鋼并排焊成一個整體放置到枕木垛上，在縱梁范圍內(nèi)的枕木間穿I32工字鋼橫梁，橫梁直接搭到縱梁上，縱橫梁間采用U型卡連接，將加固范圍內(nèi)縱橫梁形成一個整。同一線路兩側(cè)的支撐樁要跳樁開挖。

支撐樁施工順序參照圖3順序如下：

A-1B-2C-1D-2E-1F-2G-1H-2、

A-3B-5C-4D-5E-4F-5G-4H-4

先開挖：

A-2B-1C-2D-1E-2F-1G-2H-1

后開挖：

A-4B-4C-5D-4E-5F-4G-5H-3

圖3 線路加固平面圖（單位cm）

圖4 線路加固橫斷面圖（單位cm）

圖5 框架頂進縱斷面示意圖（單位cm）

圖6 挖孔樁施工線路U型加固平面圖（單位：mm）

4.2工便梁安裝

⑴縱梁采用I115型工便梁，梁長L=56m，梁跨組合采用12m+12m+8m +12m+12m，接頭聯(lián)接板采用等強度聯(lián)結(jié)，由上下夾板兩組和一組腹板組成。

⑵工便梁汽運至至現(xiàn)場采用軌道車運輸、架設(shè)。工便梁架設(shè)前先將2片12m梁聯(lián)接成1片24m梁，在每片便梁兩端位置先穿入2片以上鋼枕，以便于便梁就位時隨即與之連接，保證其穩(wěn)定性，確保行車安全。縱梁吊裝到位后，每片縱梁用聯(lián)接板進行連接成整體，縱梁下墊木板進行調(diào)整高度。每架設(shè)1片縱梁與鋼枕聯(lián)接固定1片。檢查縱梁限界、線路狀態(tài)，清理現(xiàn)場保證安全開通。

4.3橫抬梁安裝

線路架空橫抬梁采用4組H700×300型鋼，L=32m，橫抬梁采用等強聯(lián)接，即在橫抬梁端部頂面、底面及肋部，用高強螺栓和鋼板聯(lián)接，橫抬梁頂面、底面鋼板四周焊接加強。穿C、D、E、F排樁上橫抬梁，橫梁直接放置在挖孔樁上，若需要標高調(diào)整則采用枕木垛調(diào)整。橫抬梁與便梁之間采用U型扣件聯(lián)接，橫抬梁一端架設(shè)在挖孔樁上，一端擱置于框架頂端。

4.4鋼枕安裝

按混凝土枕間距，每孔混凝土枕穿一根鋼枕，L=4940mm，穿鋼枕時要按工務(wù)“隔六穿一”的原則，開挖一孔穿一根，穿一根加固一根，與鋼軌接觸面墊好絕緣板，如此反復(fù)逐次施工，嚴格控制水平和方向，確保行車安全，其兩端與縱梁聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)方法采用高強螺栓與縱梁聯(lián)結(jié)擰緊。

5、橋體頂進

5.1開挖工作坑

工作坑頂進端邊坡均采用1：1.5，側(cè)邊邊坡采用1：1，后背端邊坡采用1：1，頂進端坑底距既有線中心距離為20m。長度=前端空頂長度+頂進框構(gòu)長+頂鎬長度+后背梁厚度+后背厚度+后端工作面，寬度=頂進框構(gòu)全寬+兩側(cè)工作面寬度+兩側(cè)集水井和排水溝寬度。

⑴修筑滑板：滑板采用C25號砼灌筑，厚20cm。滑板修筑前在其下部地基上夯填20cm厚的碎石層。為增加抗滑力，滑板下每3米設(shè)地錨梁一道，與滑板一同澆灌。地錨梁上底30cm，下底30cm，高45cm。地錨梁直接挖槽澆注，不需支撐。滑板砼要求振搗密實，表面應(yīng)盡量光滑平整，高程誤差不宜超過±3mm。

滑板布置示意圖

圖7 滑板布置示意圖

（2）設(shè)置潤滑隔離層：

潤滑隔離層由潤滑層和塑料薄膜組成，其作法是：待滑板頂面干燥后，澆一層石蠟油，厚約2mm。澆灑時沿滑板長度方向每米掛一道鐵絲，作為石蠟厚度的澆灑標準，每澆完一格，用刨光的直木板馬上刮平，鐵絲拆除后的槽痕用噴燈烤熔整平。石蠟油凝固后，撒一層0.5mm厚的滑石粉，繼著鋪一層塑料薄膜，薄膜接縫處壓茬20cm并使茬口朝路基方向。為防止綁扎鋼筋時破壞塑料薄膜，在塑料薄膜上鋪一層油毛氈。

5.3后背施工

后背組成為后背梁、鋼筋混凝土后背和漿砌片石后背填土三部分，后背梁為C25鋼筋砼，在挖好工作坑后與滑板一起施工。

5.4預(yù)制框構(gòu)

在工作坑底板潤滑隔離層上預(yù)制鋼筋砼框構(gòu)，首先要做好測量定位工作，使框架身中心線、工作坑底板中心線和頂進中心線三者均在同一條直線上。框構(gòu)預(yù)制的施工流程是：綁扎底板鋼筋→安裝底板模板→灌筑底板砼→養(yǎng)護→安裝側(cè)墻、頂板內(nèi)模→綁扎側(cè)墻、頂板鋼筋→安裝外模→灌筑砼→養(yǎng)護→拆模→作框架橋防水層。

為防止頂進時出現(xiàn)“扎頭”現(xiàn)象，預(yù)制框構(gòu)時其底板內(nèi)作4%的船頭坡，船頭坡在底板砼灌筑前用土坯制成。

5.6路基加固

考慮到路基范圍內(nèi)以砂卵石地質(zhì)為主，頂進前對線路路基進行高壓旋噴樁加固，地基處理深度為基底以下2.0米，框架橋正面和兩側(cè)各10m范圍內(nèi)。人力緩慢移動至挖孔樁遠離鐵路側(cè)樁邊，由專人指揮，用水平尺和定位測錘校準樁機，使樁機水平，導(dǎo)向架和鉆桿應(yīng)與地面垂直，傾斜率小于1.5%。為了避免鉆機發(fā)生傾倒，在鉆機底盤處打入鋼筋，對底盤進行固定。高壓旋噴樁鉆桿與豎直方向角度在0-90度之間，角度增量為0-15度，孔距1.0-1.5m，擴散半徑為0.5m-1m。漿液采用水泥漿，配合比為水泥：水=1：1.2。

5.7頂進

5.7.1頂進設(shè)備

1）頂力計算

頂力計算按橋規(guī)第2-386條（2-132）式計算：

P=K[N1f1+（N1+N2）f2+2Ef3]

P=1.2[200×0.3+（200+7100）×0.8+2×894×0.8]=8796 t

式中：P-最大頂力（t）

K-系數(shù)，取K=1.2

N1-涵頂上荷載（t）。（采用架空頂進時，該值為0）

f1-涵頂部表面與頂部荷重之間的摩阻系數(shù)，取f1=0.3。

N2-自重（t）。N2=Q L+10t，式中Q為單位長度涵身自重（t/m），L為頂進涵長（m），10t為機具、人群、刃角以及未能及時運走的土重等施工荷重。

f2-底板與基底土摩阻系數(shù)，取f2=0.8。

E-兩側(cè)土壓力（t）。橋頂土壓e1=ξγH1，橋底土壓e2=ξγH2，式中 ξ=0.3，γ=1.9t/m3，H1為軌底至橋頂高度，取H1=0.9，H2為軌底至橋底高度，H2=H1+橋全高=0.9+橋全高。

E=（e1+e2）H L/2=（0.51+5.4）×8.5×35.6/2=894 t

f3-側(cè)面摩阻系數(shù)，取f3=0.8。H=8.5.（橋高）。

⑵根據(jù)頂力計算，配備320T油壓頂鎬42臺，備用5臺，頂進時用增減頂鎬調(diào)整頂進方向；頂柱長度要相應(yīng)配套；頂鎬的安放保持與橋體軸線順直一致，每完成一個循環(huán)就要更換或填補不同規(guī)格的頂柱，頂柱每隔8m設(shè)置一道橫向聯(lián)系梁，增強頂柱橫向穩(wěn)定。

5.7.2.試頂

對線路加固的情況及頂進設(shè)備的檢查完成后開始試頂，試頂以頂動框架橋為止。試頂頂力約為頂橋結(jié)構(gòu)自重的0.4倍左右，使頂鎬同步逐漸加壓，每次升壓后穩(wěn)定5分鐘，并對設(shè)備、滑板、后背梁及橋體進行檢查。在加壓過程中，如油壓突然下降，一是表明橋體已經(jīng)脫離滑板開始移動，此時可繼續(xù)頂進。二是后背或橋體出現(xiàn)變形，此時停止頂進，分析變形原因，采取加固措施。因此在試頂時要加強框架橋中線，水平和縱向位移的觀察同時還要注意觀察后背和底板的變化。

5.7.3.正式頂進

框架自重及箱身較長所需頂力大，為保證頂點位置不被頂壞，在框架后端兩側(cè)范圍內(nèi)加設(shè)δ=10～15mm鋼板，鋼板按框架底板立面滿鋪。當橋主體頂進至橫抬梁下時，在橋體頂板上沿軸線方向安放鋼墊板，為防止破壞已施做的防水層，在頂板上放置鋼板，其上放小滑車，支撐在橫抬梁下面，沿線路方向每隔4m放一組小滑車，形成一排。小滑車與橫抬梁之間的空隙用木楔或枕木加木楔的方式楔緊，保證滑車在鋼墊板上滾動，滑車的方向與橋體頂進前進方向一致。滑車安裝好后，繼續(xù)向前頂進，當頂進到框身范圍內(nèi)的支撐樁跟前時，先拆除支撐樁，再繼續(xù)向前頂進。隨頂進過程不斷增加滑車，以保證橫抬梁跨度始終在計算最不利跨度以內(nèi)為原則，以此類推，直至頂進就位。為保證線路安全，同時避免上部荷載過多由小滑車車輪承擔，沿線路方向每兩個小滑車之間的混凝土枕下順混凝土枕的方向放枕木若干層形成枕木垛，與小滑車一并承受上部荷載的壓力。頂鎬的最大行程為1.2m，每次取土50-60cm時，啟動油泵開始頂進，根據(jù)經(jīng)驗一般24小時頂進2-3個循環(huán)，頂進距離150-180cm。具體工藝流程如下：

圖8 頂進工藝流程圖

（1）安放頂柱

①安放頂柱必須保持與頂橋軸線順直一致，每行頂柱和頂柱要與千斤頂成一直線，各行長度應(yīng)力求一致。

②按頂進長度隨時更換或填補不同規(guī)格的頂柱。為了保證頂柱的受壓穩(wěn)定，達到8m時設(shè)置一道橫梁，使傳力均勻及橫向穩(wěn)定。頂進時應(yīng)注意觀察頂柱受力情況，為防止崩出傷人，在其上填土碾壓。

③與框架底板和后背梁接觸的橫梁頂柱，如有間隙必須用適當?shù)谋¤F板楔緊，要求所有頂柱必須楔緊。

（2）測量工作

①在頂進過程中，框架橋每前進一頂程，即應(yīng)對框架橋的軸線和高程進行觀側(cè)。并要詳細做好記錄，如發(fā)現(xiàn)偏差應(yīng)及時通知頂進指揮人員采取措施，糾正編差。

②施測過程，對水準基點及標尺等要經(jīng)常檢查，核對位置如有變位或過大誤差時要及時校正。

（3）挖土

頂進挖土采用挖掘機機挖土、刷坡，自卸汽車運土，開挖邊坡不得陡于1：0.75，做到“短進尺、快開挖、勤頂進”，嚴格控制一次土方開挖的數(shù)量，避免路基塌方造成事故。

橋體起動后，控制好其頂進方向，在滑板上空頂。當框架前刃腳接觸路基邊坡時，開始挖土運土，當前方挖土寬度達50～60cm時即開動油泵，使頂鎬推動橋體前進。待頂鎬頂完一個行程回鎬后，在空檔處安放一個不同規(guī)格的頂柱，等待下次開頂，如此反復(fù)直至橋體就位。

在頂進過程中，挖土人員與觀測員緊密配合，隨時根據(jù)頂進偏差情況改進挖土方法，測量人員要每頂一鎬都要進行中線及水準測量，并詳細做好記錄，發(fā)現(xiàn)偏差及時采取措施糾正。

6、拆除線路加固設(shè)備、恢復(fù)線路

⑴橋體就位后立即組織人員和機械拆除線路加固設(shè)施。

⑵拆除順序為：橋側(cè)夯填→補充道碴→從一側(cè)拆除鋼枕、橫抬梁同時補充道碴并修整→ 拆除縱梁→ 起道并整修線路→線路穩(wěn)定整修→恢復(fù)正點運輸。

⑶橋體就位后立即整修線路，如橋兩側(cè)有超挖或塌方現(xiàn)象，要回填砂石級配料，直到夯平填實為止；隨即補充道碴，要搗固結(jié)實，利用“封鎖”點抽撤鋼枕、橫抬梁，按隔六抽一的原則，抽一根橫抬梁或鋼枕，復(fù)位方正一根軌枕，同時用電鎬把道碴搗固密實，然后再抽另一根。

⑷縱梁下道前，每片縱梁要留兩根鋼枕用來穩(wěn)定縱梁，待縱梁下道后再全部撤除。

⑸便梁下道施工程序同便梁上道。

⑹頂進結(jié)束恢復(fù)線路后12小時內(nèi)限速45km/h，限速60Km/h 24小時，限速80Km/h 24小時，限速120Km/h 24小時后恢復(fù)正常行車速度。

7、結(jié)束語

在保證不間斷鐵路安全運營的前提下，將一座龐然大物下穿既有鐵路頂進就位，就其施工難度、技術(shù)含量、安全風險性而言，對參建各單位的壓力不言而喻，對設(shè)備管理單位配合施工也提出了更高的要求，通過富強路框架橋的頂進施工的成功實施，為同類型橋涵的施工組織提供了重要技術(shù)參考和安全控制寶貴經(jīng)驗。