下穿鐵路區段站長距離超大斷面頂進隧道設計

陶德敬

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

隨著我國城市建設和鐵路建設的飛速發展，有時為滿足既有鐵路提速的需要，需在運營鐵路線[1]上增建橋涵，以便能夠溝通鐵路兩邊的道路交通，實現立體化交通。實際工程中為了不中斷既有鐵路的運營，常采用限速行車直接頂進橋涵[2]的方法，即頂入法，又叫頂進法。這種施工方法的主要特點在于，不僅能夠保證既有鐵路的安全運行，同時占地拆遷少、對城鎮交通干擾小、結構輕巧、適宜配合城市建筑風格等。近年來國內用頂入法施工的大中型立交工程很多，但有關長距離超大斷面頂進隧道(框架橋)的設計較少，以下就福建省規模最大的鐵路下穿隧道—廈漳高速公路東孚隧道為例進行分析，之所以選擇該隧道為研究背景，主要是考慮到該工程具有很多的難點，主要包括4個方面，分別是：隧道的斷面很大；地質條件差，局部還有砂層；大體積混凝土；基坑支護難度很大。本文的主要目的在于：希望通過對該長距離超大斷面頂進隧道(框架橋)[3]的分析，以便能夠為其它相似工程的修建提供一定的參考價值。

1 工程背景

廈漳高速公路東孚隧道是福建省規模最大的鐵路下穿隧道，設有超大斷面的雙向8車道，隧道全長1 000 m，依次下穿廈深鐵路高架橋、新建鷹廈鐵路右線及海滄線、既有鷹廈鐵路、新建東孚鐵路編組站、新建鷹廈鐵路左線、既有鐵路線及東孚工業園區。

下穿廈深鐵路鋪軌基地和新建鷹廈鐵路左線段為了防止鐵路軌道下沉，下穿既有鐵路部分采用中繼間法頂進施工技術，為國內少見的大跨度隧道頂進施工，也創造了“下穿鐵路設施距離最長”的紀錄。

2 結構設計

本工程為東孚隧道下穿鷹廈鐵路東孚區段站五股道而設，東孚隧道頂進段的平面圖如圖 1所示。擬建(21.4+21.4) m雙孔分體式鋼筋混凝土框架隧道，隧道與鷹廈鐵路夾角82°～90°，隧道結構主體采用線路加固頂進法施，其頂進隧道橫斷面圖如圖2所示。

圖1 東孚隧道頂進段平面

圖2 頂進隧道橫斷面(單位:cm)

隧道主體結構[4]正截面尺寸：單孔外輪廓寬21.4 m、總高 10.135 m或10.295 m，頂板厚度1.3～4.5 m，底板厚度1.5 m，邊墻厚度1.2 m。右線部分位于R2250圓曲線上超高為2 %，左線部分位于R1750圓曲線上超高為3 %，為滿足隧道直線頂進的工藝要求，在滿足限界的基礎上寬度適當放大，將平面曲線隧道擬合成直線隧道。

2.1 既有鐵路線路加固設計

鐵路加固主要考慮采用D24、D16型施工便梁、型鋼縱橫梁加固線路。縱梁架設在挖孔樁上，個別樁上設置擴大端樁帽，保證縱梁的有效支撐。線路加固平面圖如圖 3所示。以下就加固設計的主要內容進行一一分析。

圖3 線路加固平面

(1)線路加固。施工期間列車限速45 km/h。本次設計線路加固為：一次架空，分孔頂進。頂進施工預制立交主體工作坑設在鐵路兩側，上下行隧道主體結構可以同時預制，但須先后頂進，錯開一節預制長度。

(2)架空措施。線路加固縱梁采用10孔D24型施工便梁，縱梁支撐為φ1 800挖孔樁，部分樁與其他加固縱梁合用，采用φ2 600挖孔樁。橫抬梁長度根據工地實際量測的立交預制位置和線路間距離確定。

為防止頂進過程中線路挖孔樁外側路基土坍塌影響鐵路安全，在D24型施工便梁兩端外設置8孔D16型施工便梁和12 m Ι 100工字鋼梁，1孔橫抬梁為兩片一組[40槽鋼，[40槽鋼橫抬梁按間距0.75 m設置，縱橫梁采用U型螺栓吊裝連接對線路進行加固。在兩隧道之間設置6.7～8 m的5孔63a工字鋼梁，1孔橫抬梁為兩片一組[40槽鋼，[40槽鋼橫抬梁按間距0.75 m設置，縱橫梁采用U型螺栓吊裝連接對線路進行加固。需要注意的一點是：縱橫梁搭接接頭需交錯布置。

(3)挖孔樁挖孔時必須設護壁防護，直徑1.7 m及1.0 m挖孔樁，樁身為C30鋼筋混凝土，護壁為20 cm厚C25鋼筋混凝土。

(4)立交頂進到位后與路基土形成的缺口采用砂礫回填并夯實。

2.2 頂進隧道平縱斷面設計

頂進段分為A、B兩段，長度分別為60 m和50 m，頂進框架一節長度為10 m，框架間采用中繼間。其中頂進隧道縱斷面圖如圖 4所示。

圖4 頂進隧道縱斷面(單位:cm)

2.3 隧道預加固措施

為保證頂進過程中掌子面穩定、控制鐵路股道沉降，采取適當的輔助工法，主要為大管棚超前支護和全斷面注漿預加固。隧道頂至鐵路軌頂距離最大為4.5 m，上部荷載較大，為保證頂進中拱頂、側墻圍巖穩定，采用大管棚預支護。頂進A、B段對向施作，搭接長度不小于3 m。管棚分段安裝，鋼管與鋼管間用絲扣連接。

2.4 隧道頂力及千斤頂設計

根據設計圖，框架主體斷面積77.83 m2，根據《鐵路混凝土與砌體工程施工規范》，鋼筋混凝土的密度取2 600 kg/m3，頂進框架按10 m一節，則框架自重的計算如下：

77.83×10×2600=2023580kg=2023.58t

根據TB 10002.3-2005 J462-2005《鐵路鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》P86第8.2.2條可知：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可按下式進行計算：

P=K×[N1μ1+(N1+N2)μ2+2Eμ3+RA]

式中：P為最大頂力；N1為橋涵頂上荷載(包括線路加固材料荷載)，單位為kN；N2為橋涵自重，單位為kN；μ1為橋涵頂面與頂上荷載的摩擦系數；μ2為橋涵底板與基底土的摩擦系數；μ3為側面摩擦系數，視土的性質經試驗確定；E為橋涵兩側土壓力(靜土壓力)單位為kN；R為鋼刃角正面阻力，視刃角構造、挖土方法、土的性質經試驗確定；A為鋼刃角正面積，單位為m；K為系數，取值為1.2。

通過計算可知：

(1)選用320 t油頂(頂鎬)，每頂頂力按額定頂力70 %計，即224 t，油頂配置數19臺；

(2)根據工作坑布置，計算頂程為60.7 m；

(3)配備頂鐵：頂鐵是傳遞千斤頂頂力、延長千斤頂行程的頂進工具，要求能承受較大的壓力而不變形，且搬動方便。頂鐵一般用鋼板和舊鋼軌或槽鋼焊接制成，長度規格分為10 cm、20 cm、25 cm、30 cm、40 cm、50 cm，每種規格按頂鎬數量配備，另備若干1 cm、2 cm、3 cm厚的補空鐵墊板，以填充頂鐵間的空隙，減少空頂；

(4)配備頂柱：19×85=1615m。頂柱用鋼板和舊鋼軌或型鋼焊接制成，長度分1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，按最大頂程計算配備數量；

(5)橫梁：由于頂程較長，為避免頂進中頂柱拱起變形，可在頂柱之間加設橫梁，保證頂柱受力穩定，確保施工安全。

2.5 工作坑的設計

工作坑的設計主要包括工作坑后背的計算,滑板、錨梁和導向墩的設置。頂進后背采用Ι56a鋼板樁，插入基底下2.5 m，背后回填土7 m以上。后背墻是框架橋頂進施工中的重要臨時設施，承受頂進時的水平頂力，因此要求具有足夠的強度和穩定性。結合本工程實際施工情況，擬采用利用后背原狀土作支撐，在后背前施工混凝土擋墻支擋。或采用后背鋼板樁支撐。

頂鎬必須行程一致，保持同一種頂力，頂鎬及施鎬及施頂方向必須與橋軸線一致布置，為使頂鎬作用力均勻傳至后背，在后背和頂鎬、箱尾與頂鐵之間各設分配梁。頂鐵的安設更換用20 t吊車，人工配合，為保證頂鐵的穩定，頂鐵縱向每4～5 m設一道橫頂梁，以增加頂柱的整體性能。

開動高壓油泵，使頂鎬受液壓產生頂力，推動箱身前進，當一個沖程結束后，頂鎬活塞回復原位，在空檔處填放頂鐵，再開鎬頂進，如此循環往復，直至箱身就位。

2.6 頂進隧道防水設計

頂進隧道結構混凝土抗滲等級為P8。結構表層防水：立交頂面及側面20 cm鋪設TQF-1型防水層。具體設置方法從下至上：聚氨酯防水涂料+氯化聚乙烯防水卷材+鋼絲網水泥砂漿防護層。搭接處設置方法為：聚氨酯防水涂料+氯化聚乙烯防水卷材+聚氨酯防水涂料+氯化聚乙烯防水卷材+鋼絲網水泥砂漿防護層，搭接長度15 cm。詳細施工方法請施工單位嚴格按照《鐵路混凝土橋梁橋面TQF-1型防水層施工細則》執行。隧道內壁涂刷HM-1500防水涂料2遍。

頂進段分節接縫防水，采用內貼式止水帶，止水帶可結合隧道結構和頂進施工進行安裝。

地下結構防水的重點是變形縫的防水，變形縫的防水做如下處理：邊墻、頂、底板埋設橡膠止水帶，沉降縫內由止水帶向外分別填塞聚四氟乙烯泡沫塑料板，膩子型遇水膨脹止水條4 cm，聚氨酯塞縫5 cm。

為防止施工縫滲水，施工縫防水做如下處理：在結構邊墻和頂底板三分之一厚度處埋設鋼板膩子止水帶和遇水膨脹止水條。

2.7 大體積混凝土施工

本工程主體結構中頂板、底板、側墻均大于1 m的結構屬于大體積混凝土，因此要對混凝土溫度進行控制。通過借鑒橋梁承臺大體積混凝土設計經驗，除了從降低水泥水化熱、降低混凝土入模溫度、混凝土養護、嚴格控制拆模時間等幾方面做好混凝土溫度控制工作外需設置通水散熱管，確保內外溫差控制在25 ℃以內，盡量降低混凝土內部溫度的升降速率。

散熱管布置：豎向布置一層(位于板的中部)，水平間距1.5 m,散熱管采用耐腐蝕的φ50 mm鍍鋅鋼管。散熱管與鋼筋一起綁扎，在使用前要求通水進行密閉性試驗，防止管道在焊接接頭位置處漏水或阻塞。通水散熱后對散熱管作壓漿處理。圖 5為散熱管平面布置圖。

圖5 散熱管平面布置(單位:cm)

圖 6展示了LYK15+175-LYK15+195底板混凝土在2011年1月4日至1月11日這段時間里內部溫度的變化曲線圖，從該圖可知：在這時間段里混凝土內部溫度的變化趨勢為先增加，再緩慢地降低。為了更清楚地知道進出水的差值在混凝土內部溫度高峰值的變化情況，給出了2011年1月4日～7日內部溫度對應的具體數據(表1)。從該表中數據可以看出，進水口的溫度平均值為19.96 ℃，出水口的溫度平均值為31.23 ℃，進出水的差值在混凝土內部溫度高峰值平均在11.27 ℃，證明散熱管的布置能起到很好的降溫效果。

圖6 測溫點溫度-時間曲線

表1 測溫點溫度-時間曲線 ℃

3 結論

本工程根據實際工程實例，在復雜的周邊環境、復雜的路線情況下，隧道采用多種超大斷面形式，從結構設計角度，通過數值模擬及工程實踐，確定了斷面設計的合理性，施工工藝的可行性，對同類工程具有一定的參考價值，主要體現在以下幾個方面：

(1)本工程采用中繼間法頂進隧道實現了長距離超大斷面下穿既有鐵路編組站五股道的設計。

(2)應用增設散熱管實現了大體積混凝土水化熱引起的溫度控制。

(3)對于深寬基坑采用樁錨支護體系，有效控制了基坑變形，確保了基坑的安全。

(4)針對結構斷面形式，采用專用模板臺車，既有內模板，同時還有外模板和端模板，使用模板臺車不僅可以避免施工干擾、提高施工效率，更重要的是大大提高了隧道內的襯砌施工質量。