“橋式盾構法”下穿鐵路施工技術應用

李 舉

中鐵二十四局集團新余工程有限公司

“橋式盾構法”下穿鐵路施工技術應用

李 舉

中鐵二十四局集團新余工程有限公司

橋式盾構類似一座可滑動的簡支連續梁橋,由主梁、墩柱及子盾構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開挖面土體的分格和錯時,使暗挖施工支護、頂進導向和線路位移控制三大技術難題得以解決。使下穿既有鐵路的箱型橋梁建設,從以架設“D型”便梁明挖頂進施工跨入暗挖頂進施工時代。

橋式盾構；基本原理；施工設計；施工工藝；糾偏措施

1 前言

近年來我國經濟建設的發展,對交通行業的需求日益高漲,新建公路、城市道路日趨增多,不可避免的出現與既有鐵路交叉的狀況,由于上跨鐵路受接觸網、用地范圍、城市規劃以及工程造價等因素的制約,促進了下穿鐵路箱型橋頂進工程的飛速發展。

本文結合哈密市S328省道下穿蘭新雙線鐵路1-16m箱型橋工程實例,對橋式盾構基本原理,施工設計，施工工藝進行詳細闡述。

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。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。公路下穿鐵路設計為1-16m箱型橋,結構尺寸長×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”盾構法”施工技術,頂進到位后,各項控制指標的偏差均達到了理想效果。

圖1 箱型橋正截面圖（單位：cm）

圖2 箱型橋立面圖（單位：cm）

3 橋式盾構基本原理

橋式盾構由墩柱、主梁、盾殼、子盾構、液壓推進系統、輔助機構等六大部分組成,各組成部分密切關聯。

3.1 盾構網格化原理

圖3 敞開式盾構與網格式盾構對比圖

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

3.2 盾構中心土支護原理

3.2.1 中心土的形成與作用

土體形成1:1的坡度時,可達到長時間的自然穩定狀態,將橋梁總高設定為盾構的長度,即可實現按1:0.75以上坡比進行開挖和快速恢復至1:1的穩定坡比。

依據土壤自然規律,橋式盾構對開挖面進行網狀分隔,再實施子盾構、墩柱和中心土之間的三級錯臺同步開挖方式,使橋式盾構的施工支護能力更優于網格式盾構。

橋式盾構入洞初始階段,只對子盾構與墩柱前實施準中心土的周邊開挖,使盾構主梁下、墩柱間的土體保持原穩定坡狀。每完成一次周邊開挖后,盾構即隨箱型橋頂進一次,經若干次的循環后,保持穩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,成為橋式盾構法核心技術中真正意義的中心土。

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

3.2.2 盾構主體連接方式與建立中心土的必要條件

為建立中心土,必需使盾構各墩柱間空置無障礙,即盾構的“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縱深,實現滯后挖掘。各墩柱的上部并包括包裹在墩柱兩側的盾殼,與水平排列于其上面的主梁進行牢固連接,各墩柱下部的最后端,與盾構下預埋托板及托板上的盾構下止推梁進行牢固連接,以保證盾構的整體性和穩定性。

3.3 橋式盾構的結構強度與穩定性原理

3.3.1 盾構連接方式和水平推力傳遞

橋式盾構是由主梁、墩柱、子盾構和盾殼四大結構部分組成的鋼桁架式簡支連續梁橋,盾構主梁和子盾構箱下部與墩柱上部采用焊連或栓接的形式進行剛性連接,盾構兩側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距設有I28b連接桿件一道,主梁下部與各墩柱進行連接,使主梁的整體性與推力傳遞得到保障。

盾構兩外側墩柱墩柱的后端垂直桿件（I28b）緊貼橋體邊墻前端,盾構內側墩柱后部桿件（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上、下止推梁焊連,以達到盾構從動于第一橋節時,沿橋體四個端面成環形的同時均衡受力。

圖4 橋式盾構立體圖

3.3.2 墩柱的穩定性與強度

墩柱前端除受子盾構箱體、主梁相互制約外,滯后開挖的中心土對其實行夾持平衡,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下止推梁及橋體預埋托板,施行墩柱與墩柱間的互連控制。橋式盾構兩外側墩柱受基土側壓作用較大,僅靠盾殼套入首節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合處的橋體結構上增加多個預埋支點來加強抗側壓能力,由于盾構與箱型橋體結構設計為鉸接,故預埋支點與盾構墩柱間為留有間隙的動配合。

在箱型橋設計埋深值較大或墩柱高度超過7m時,正常規格的外側墩柱一般不滿足抗側壓需要,需要在墩柱制作時加大桿件規格或在原有基礎上加密桿件。

3.3.3 子盾構箱體與主梁

考慮橋式盾構有可能應用于各種惡劣地質條件下的箱型橋梁下穿工程,施工期間,在盾構內同樣可以施以各種傳統路基加固措施。但措施的實施可能對中心土作用有所減弱。橋式盾構為適應各種工況,通過計算,各墩柱間距不大于4.1m時,子盾構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立承載。這一設計對短時失去中心土支承起安全保障作用,在路基兩側施有路基護樁的項目,在子盾構前鋒穿出路基后,即可進行盾構內和盾構外機械的同時對挖,快速引出盾構、縮短頂進工期。

主梁在按照梁與梁中心間距1.2m布置時,跨度4.1m時,鐵路總荷載使其產生的最大擾度一般不大于1mm,這個值遠小于鐵路橋規鋼桁架梁允許最大擾度1/900的規定,是防止車輛通過盾構上部時產生較大彈性變形和覆蓋層受主梁高頻率振幅產生疲勞所設計。主梁在箱型橋梁設計埋深超2.5米時,應重新計算允許跨度,在不影響挖掘機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、頂進導向非常有利。

3.4 子盾構工作原理

3.4.1 子盾構工作原理及作用

子盾構,安裝在盾構母體上部主梁前端的子盾構箱體中,工作時在子盾構箱體上導梁中滑動,與箱體做相對運動。它在盾構母體成靜止狀態時被液壓油頂從箱體中推出,它在盾構母體成運動狀態時,在正面阻力及減阻板拉力作用下,子盾構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。

盾構的主要功能有三個,①在液壓頂的推動下,各臺子盾構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,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生的路基懸空面,起到掘進面的超前支護。③子盾構從箱體中被推出的同時,將連接在其刃齒后的減阻板進行同步牽引,完成一個工作循環長度的敷設,隨子盾構的不斷工作循環,減阻板從路基一側向另一側完成全面鋪設。

圖5 子盾構立面圖

3.5 減阻板工作原理與敷設方式

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

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

在減阻板鋪設長度需超出常規牽引長度時,減租板可采用多層疊加方式牽引,在牽引中途設定位置留下一層板,其它板則繼續牽引至下一目標地。同時也可將減阻板卷成小捆,安裝于子盾構后部,由子盾構加裝滾軸向覆蓋層牽引攤鋪。減阻板鋪設的方式各有利弊,設計或施工單位可根據各個項目的具體情況進行選擇。

3.6 橋式盾構導向糾偏原理

橋式盾構具有施工支護和導向兩大關鍵功能,其導向功能的實現是建立在盾構自身運動軸線可控的基礎上,但糾偏往往會一定程度的造成土損失和影響施工進度,因此,在橋式盾構法頂進施工項目中,還需根據施工環境、地基承載能力、下穿交角等因素,有針對性的進行盾構設計和施工設計,以求僅可能少的甚至不實施糾偏來精準完成頂進施工。

3.6.1 頂前軸線控制預先措施

在施工方案設計中,根據覆土厚度及地基承載力等因素,預測地基沉降量并參照地基土0.5mm/m頂進摩擦損失,提高滑板制作面標高來抵消下沉。同時根據被頂進物易降難升的規律,將基坑設計在橋涵流水坡高處一側（與傳統頂進基坑設計方向相反）,滑板按水平設置,可降低頂進期間的被動糾偏頻率,甚至達到無需糾偏。洞外措施是根據自然環境、自然規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,盾構按傳統爬坡方向頂進,應采取在盾構兩側墩柱的外側最下部分,按頂進循環實施砂卵石換填工藝,形成地下水自排通道。

3.6.2 盾構側壓力調整糾偏原理

當盾構需要偏向某一側推行時,將某側土體沿墩柱的一側實施卸土壓超挖,推進時盾構就會向土壓小的一側偏移而達到左右方向的糾偏。這種超挖是在滯后待挖的中心土范圍內進行,只是對部分中心土的提早開挖而已,不會產生土損失。

箱型橋梁斜交正做正頂項目,由于盾構自重較輕且側向受力面積大,在插入路基邊坡時,兩側存在的土壓差,會使盾構與箱型橋嚴重偏離軸線,又無法利用另一側土壓進行糾偏,因此在該類項目中,需要將軸線偏移量在基坑滑板制作時一并考慮,滑板與設計軸線偏角視斜交角度大小預測。

2.6.3 盾構斜面爬升糾偏原理

盾構軸線高程的糾偏控制,是在子盾構箱底板和爬升糾偏板下,利用中心土上部路基板結層進行的,在盾構推進過程中,因為有覆蓋層重量及路面荷載作用在盾構上部,加大了頂進過程基礎的壓縮量和摩擦損失,會使盾構產生自然下沉,為了克服這種現象。將子盾構箱底板延伸至第一榀主梁的下部,用以擴大盾構前端承載面積,并使其板形成一定的仰角,類似如船頭坡作用。使盾構推進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、干燥具較高承載力,且板的仰角小而長,不至出現傳統框架前船頭坡的推土機現象,使盾構爬升力易于建立。又由于盾構的整體性,爬升糾偏板的向上作用直接將各墩柱前端及盾構與第一橋節共有的預埋托板（地基平整鋼刃）前鋒向上提起,形成盾構所有承載面積同步向上的狀況,至使盾構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,當盾構爬升超高需要向下時,在子盾構開挖工作面,對中心土頂面實施一定的預超挖,使爬升板下逐漸出現空虛,爬升板、墩柱及預埋護套板會在上部荷載作用下失去原有仰角成水平或向下運動。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,盾構可實現快速爬升。

當橋體推進出現輕微下沉時,盾構尾部被橋體下壓,而前部被中心土有力支托,爬升板與墩柱滑板以及預埋托板的仰角也會自動變大,對橋體產生向上的引導作用。當地基承載力不滿足橋體需要時,由于盾構爬升較易、且每延米盾構自重約為橋體每延米自重的1/7左右,盾構與橋體會出現兩者不同軸運動,為避免該現象的出現,需人為減小盾構仰角、并對橋體基礎采取加固措施來確保兩者運動軸線基本一致,不同軸運動可能造成頂進項目失敗。

3.7 覆蓋層位移控制原理及措施

2.7.1 位移的產生與完全控制

當頂進行程進行到一定階段,盾構頂面+第一橋節頂面與減阻板產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,隨頂進物體移動。為克服上述自然現象,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,并施以預緊力。已建立預緊應力的反拉油頂剩余工作行程必須大于橋體擬推進行程,剩余行程不足會導致失去拉力。

當盾構從動于橋節推進時,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物體移動,油頂回拉工作行程與橋梁被推進距離+減阻板金屬延伸率相等。其設定回拉功率=盾構和橋節頂面與減阻板間的運動摩擦力,設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。在推進的過程中,減阻板向前的力矩與油頂反拉向后的力矩應相抵,從而實現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 反拉裝置的設置與中繼法頂進

當箱型橋梁采用多節中繼法頂進時,盾構與第一節橋節推進至接近覆蓋層位移產生區段前,如第二節橋體入洞長度已達前者合計長度1/2時,由于前者推進時,減阻板屬于單面摩擦,而第二橋節入洞段上部減阻板處雙面摩擦狀況,當第一橋節推進時,第二橋節上部減阻板起到自然反拉第一節上部減阻板的作用,使位移控制在不設反拉裝置的情況下也無法產生位移。當第二橋節推進時,第一橋節上部減阻板摩擦力加覆蓋層正面阻力遠大于第二節減阻板下部摩擦力,第二橋節的跟進同樣不會造成覆蓋層的剪切,而且隨著頂進的繼續,該優勢會成正比的擴大。所以橋體分多節的中繼法頂進項目,可以通過相關計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目,要測算頂進到位時,橋頂外露于邊坡的實際長度在頂進后期仍可實施反拉,一般橋體結構設計總長沒有考慮該因素,如外露長度不滿足反拉需要時,應在橋梁尾部加設反拉裝置工作平臺。

3.7.4 抗移梁輔助作用

在設有邊坡支護樁的項目,在盾構出洞口邊坡上部制作一道鋼筋混凝土梁,其梁與支護樁頭相連,能起到覆蓋層位移控制的輔助作用。在不設抗移梁的項目,應在子盾構進、出口堆碼袋裝沙石,替代抗移梁保護邊坡。

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,決于眾多復雜因素,是施工方法與施工質量的重要評估標準。

3.8.1 路基的保護

施工全過程盡應可能少的擾動路基,包括所有上路作業實施的措施,如果經過論證,可免的應堅決取消,任何施工措施都可能對路面產生擾動或產生負面作用,措施實施的本身也對行車產生干擾。

3.8.2 制作精品幾何體

施工全過程加強水土保持；從基坑開挖預留人工修整層,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,造成頂進期間路面沉降值增大和橋梁使用期間的繼續沉降。橋體預制幾何尺寸超標、凹凸不平,都是增大路面沉降的因素。光滑、標準的物體穿越路基所產生的破壞程度遠小于粗糙物體,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,給頂進期間線路養護增加了難度,不利于安全行車。

3.8.3 避免頻率過高的糾偏

盾構準確入洞在露天作業時就應調整至最佳,避免入洞后糾偏造成不必要的土損失。在頂進過程中頻繁監測頂進軸線,繪制橋體運動軌跡曲線圖分析運動趨勢,決定是否進行糾偏與相應糾偏措施。每一次糾偏都是對路基和覆蓋層不同程度的破壞,而且占用頂進工期。

3.8.4 地基承載力與施工方法的關系

橋式盾構法屬于暗挖頂進施工,其穿越路基過程較開膛破肚的傳統方法,增加了覆蓋層及車輛的荷載,施工前必須對地基進行嚴格勘察及沉降量計算,并根據計算結果研究預案,必要時還可適當提高滑板制作標高及仰坡角度。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,各種傳統方法地基處理措施均適用于橋式盾構法,但限于未隨意減短盾構長度的項目。橋式盾構每延米自重一般是橋體每延米的1/7左右,盾構本身對地基耐力要求不高,且施工時對地基有預壓實作用,盾構尾部托著橋體前端有較好的引導功能,加之暗挖施工路基對橋體起包裹密封作用,地基應力相對開槽頂進更不易于被釋放,而且沒有刃腳懸臂負作用,因此,在實際頂進過程中,橋式盾構法反而沒有傳統方法對地基耐力敏感。

3.8.5 路面最小沉降及規律

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、應力釋放都將對路基產生擾動與損耗。我們可以對橋體幾何尺寸進行控制、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,一般橋體推進全程,土壤三相變化與自然磨耗在頂進中約為0.5mm/m左右,超過部分屬于其他因素所至。其沉降規律為：覆蓋層靠基坑側沉降值大于出口側,受頂進施工影響路段內,沉降值順軸線方向中間大兩側小。

雖然磨耗不可避免,根據上述原理,對沉降要求十分嚴格的頂進項目,在橋頂板預制與修補過程中,可采取0.5mm/m左右漸變形式對應加厚橋體頂板,但不得出現橋枉過正現象。

3.8.6 同步注漿

因防止頂進工程橋體外側土壤粘附和橋體外側凸起部分增大頂進阻力和帶動路基,盾構實際寬于橋體前端2x16mm盾殼板厚,其超挖空隙會產生路面下沉,應在頂進過程中對空隙進行膨潤土漿液填充。

3.9 應力釋放高危區域與控制

頂進施工產生的力,會從最薄弱的位置強行釋放,橋式盾構法有多個應力釋放高危區域,其危害不可忽視。

3.9.1 覆蓋層的隆起

當覆蓋層中含有一定數量的大型塊石時,減阻板向前牽引時有可能造成塊石滾動而產生路面局部凸起。當一定數量的減阻板被拉斷失效時,盾構與前節橋梁上部覆蓋層會在運動摩擦作用下產生變形和位移,后續橋節推進時,覆蓋層產生的位移受前節上部覆蓋層阻攔,路面也會在靜止和運動的兩板塊相接處進行壓力釋放造成凸起。因此,減阻板不宜設計較寬,并要根據實際抗拉強度選擇板厚,需要通過焊接接長的減阻板必須進行雙面焊接,以確保減阻的需要。

3.9.2 嚴防中心土超挖坍塌

橋式盾構中的中心土在保持1:0.75以上坡比的前提下,可達到其形成一定時長自穩的效果,但盲目超前、超深的挖掘是對自穩條件的破壞,以至中心土成為應力釋放面,出現崩潰、坍塌。當必須超挖,實施地基加固措施的時候,也應當對超挖面進行臨時支護,或者在盾構制作時確保盾構具有相應需要長度。

3.9.3 中繼間應力釋放區域

中繼法頂進,節與節間裝有護套板,以防止頂部及兩側路基土壤掉落造成土損失,但往往卻忽略了最為關鍵的底部護套板。最大應力實際在橋體下部,在橋體推進時,壓力與推力會集中在該接縫處釋放,致使基土不斷涌入、可以將中繼油頂產生移位,還可以造成除基土嚴重損失、橋梁下沉以外的許多危害（如；每頂進一次就必須對接縫進行清理）,為此,底部護套板不但不能取消,還應較其它部位護套板強度更高。箱型橋梁頂進施工,地基承載力應滿足需要,對地基的應力進行封閉則更為重要,因此,中繼間設計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,以減小應力可釋放面積。

4 施工工藝

4.1 開挖工作坑

根據場地條件、土質情況及箱型橋結構大小,布置和開挖工作坑,人工配合挖掘機開挖,開挖時根據土質和開挖深度確定開挖坡度和四周預留工作面寬度。工作坑四周設臨時排水溝集水井,下雨時坑里積水用水泵及時排出。開挖工作坑時尺寸應考慮后背大小,并預留一定的工作空間。

4.2 后背制作

根據箱涵設計所需最大的頂力來設計后背。后靠須根據承受箱涵頂進最大頂力和一定的變形量,來進行設計后背的強度和剛度。根據設計頂力及其他頂進橋施工的成功經驗,本箱型橋因地制宜采用鋼軌式板樁后背。

4.3 滑板制作

滑板按設計采用C20鋼筋混凝土,頂面下設一層鋼筋網,為增大滑板與地面的的摩擦力,設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。滑板表面光滑,做成2‰的前高后低仰坡。滑板頂面設置潤滑隔離層,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,再在其上鋪設兩層塑料薄膜,薄膜接縫處壓茬0.3m并使接茬口朝頂進方向。

4.4 箱型橋預制

箱型橋預制及盾構制作安裝按《鐵路橋涵施工技術指南》施工和驗收,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埋盾構預埋托板；在沉降縫位置預埋鋼護套及鋼搭隼；在后節箱型橋頂板后端預埋反拉系統預埋件。

4.5 盾構制作安裝

盾構制作安裝工藝流程為：盾構立柱安裝—盾構主梁安裝—子盾構箱制作安裝—盾構外殼制作安裝—盾構內輔助系統安裝—反拉系統安裝。

本箱型橋設計6座立柱、6榀主梁,25個子盾構,立柱、主梁及子盾構均在現場加工進行吊裝焊接。

圖7 盾構制作安裝

4.6 液壓系統配備

4.6.1 主油頂配備

由于盾構是隨第一橋節同步被推進（后續橋節忽略不計不累加）,所以實際最大頂力=第一橋節頂力+盾構頂力

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,無試驗資料時,可采用以下數值；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,無試驗資料時,可采用；粘土時為0.5,土夾砂石0.5-1.0,砂石夾土1.0-2.5。

E1——橋涵兩側土壓,

F3——橋涵側面摩擦系數,無試驗資料時,可采用；粘土時為0.5,土夾砂石0.5-1.0,砂石夾土1.0-2.5。

R1——盾構頂上荷載按（包括線路簡易加固材料荷載）2t/m3

F4——盾構頂面與減阻板的摩擦系數,摩擦面涂油時0.15。

R2——盾構自重

F5——盾構底板、子盾構箱底板與基底的摩擦系數,無試驗資料時,可采用以下數值；粘土時為0.4,土夾砂石0.4-0.8,砂石夾土0.8-2.0。

E2——盾構兩側土壓

F6——盾構兩側摩擦系數,無試驗資料時,可采用以下數值；粘土時為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——盾構兩側墩柱靠內側及其他墩柱兩側擋土板摩擦系數,可采用以下數值；粘土時為0.4；土夾砂石0.4-0.8,砂石夾土0.8-2.0。

K——系數,采用1.2。

4.6.2 子盾構油頂配備

單臺子盾構牽引敷設能力計算（按每臺子盾構裝配2臺30t頂計）

橋式盾構法施工中,減阻板的敷設十分重要,子盾構是否有能力完成牽引需按下式進行檢算,其單條減阻板最大被牽引力應小于油頂功率600KN。在不能滿足正常牽引條件的情況下,可以通過計算,適當加大子盾構牽引能力或采用減阻板分段牽引等其它方式敷設。

式；單臺子盾構所需牽引力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坡腳長度

r——覆土容重1.8t/m3（如有線路設備則按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

根據盾構從動于第一節橋體的推進方式,對覆蓋層位移控制措施所需的反拉功率進行計算,以確保反拉裝置完全滿足位移控制所需要油頂數量（功率）,其位移能量較小的項目可以采用一臺油頂反拉多條減阻板。該計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

h——覆蓋層高度

b——1條減阻板寬度0.74m

L——盾構頂面長+第一橋節長+（后續橋節起自然反拉作用而忽略不計）

r——覆土容重1.8t/m3（如考慮線路設備則按2t/m3）3

μ——橋體及盾構頂部與減阻板單面摩擦系數取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行加固,加固長度37.5m,架設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 頂進施工

4.8.1 子盾構掘進

子盾構掘進時,設子盾構為25個,間距75cm(其中中間1人按60cm)水平布置,盾構箱編號1#-25#。子盾構挖土采用人工開挖,子盾構開挖安排13人,1人負責開挖1組。子盾構頂進及開挖順序 (1→25)(3→23)(5→21)…(11→13);(2→24)(4→22)(6→20)…(12→14)。每臺子盾構頂部牽引一條與子盾構等寬、厚為6mm的鋼板一塊,由各子盾構按工作循環分別頂進前進。出土以及盾構母體推進時對子盾構套入箱體狀態的監視。如果出現意外能及時通報控制臺而中斷事故發展。子盾構允許單次推進行30cm～40cm。子盾構作業為人力配合機械,視挖掘面土體的自穩能力而定,本工程箱型橋橋頂土方為細砂性土,根據斷面開挖同截面土層,采用先頂后挖的掘進方式,子盾構推進時,其上部土方由前端鋸齒刃腳切割下落。

4.8.2 墩柱內土體開挖

根據斷面盾構墩柱設計為6座墩柱,每個墩柱4層,在每座墩柱前端和后端各設計1臺卷揚,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,再由裝載機外運。墩柱人工挖土標準為墩柱的外廓尺寸寬與前進方向30-40cm長,墩柱土開挖完成后,啟動千斤頂頂進盾構母體30-40cm,完成一次頂進。

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

4.8.3 中心土開挖

中心土采用機械開挖,按1：0.75的坡度開挖,一般情況下,中心土滯后子盾構掘進面5m左右。若中心土穩定性差,則可放緩開挖坡度。

4.8.4 施工監測

箱型橋推進施工的全過程中,盾構及箱型橋運動中線、水平的測量非常重要,頂進前工程技術人員測量出線路及箱型橋方向、水平的靜態觀測值并做好記錄,在箱型橋頂進過程中做好動態觀測,對靜態與動態的變化值及時通知頂進班組,變化數據用于指導箱型橋的掘進與糾偏。

(1)墩柱滑板前后高差：

每工作循環,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次并標示與箱型橋實際軸線相對誤差。

(3)箱型橋軸線：

測量并標示本次偏移值和累計偏移設計值。

(4)箱型橋高程：

測點設于各節橋內靠底板倒角處以上,每節分涵前、橋后4個點,各點基本成90°關系,并換算成絕對高程。

(5)線路沉降監測點：

將線路水平觀測樁埋設于固定位置（頂進范圍之外）,測出每個子盾構頂進位置對應位置線路軌頂標高,作好初始記錄,每次子盾構頂進后,采用水平儀觀測軌頂標高有無變化。

(6)頂進糾偏

盾構糾偏是掘進人員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,不停改變各部位土應力來完成。

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,水平高程糾偏為調整橋式盾構運行軌跡來達到效果。

5 結語

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日預制完成,2016年6月28日開始試頂,8月8日頂進到位,總頂程43.5m,日平均進度為1.2m。在頂進過程中沒有出現路基坍塌和中斷列車運行的問題,這充分說明橋式盾構在該項目施工中是可行的、安全的和成功的。該箱型橋頂進到位后,箱型橋主體軸線偏位最大值3.0cm,前后節間高差0.4cm,箱型橋最大沉降量為4.3cm,施工實際偏差均在規范要求范圍內,既有線幾何尺寸均在技規臨修值范圍內。該箱型橋采用橋式盾構法施工與傳統架設“D型”便梁或組合鋼便梁比較,降低了施工安全風險,減少了施工封鎖點,值得推廣應用。

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

[2]《客貨共線鐵路橋涵工程施工技術指南》.（TZ 203～2008）.

[3]《鐵路橋涵設計基本規范》（.TB10002.1～2005）.

[4]《鋼結構設計規范》（.GB 50017～2003）.

[5]《橋梁施工結構設計指南》（.MBEC3002～2012）.