淺談下穿鐵路框架涵頂進后背墻優化施工技術

李濤

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，廣西柳州 545027）

0 引言

在國民經濟持續發展的過程中，框架涵頂進技術日益成熟且由于其特有優點逐漸被廣泛接受和應用。臨近既有線施工大多地勢狹小且工期緊張，后背墻及頂進成為工程能否保質保量、按期完成的關鍵工序。

下穿鐵路頂進框架涵施工的優點主要體現在：

（1）在不封閉鐵路運營的條件下，只需對部分線路進行限速即可完成施工。

（2）可以實現兩點間直線穿越連接，避免重新選線或繞行造成投資增加或成本浪費。

1 工程概況

宜良柴石灘水庫框架涵下穿既有南昆鐵路里程為K725.588.20。涵洞長105.12m，1~4.0m框架涵，頂板至軌頂6.723m，頂進段長度15.0m。主體采用C40P10鋼筋混凝土，后背墻C25片石混凝土。經現場踏勘，設計后背墻占用進入經濟林道路，征拆難度大，且應鐵路管理部門要求涉鐵部位盡快完工，以減少雨季對既有鐵路造成影響。對此，經驗算后決定取消設計后背墻，利用第4、5節現澆涵身回填土作為后背墻。

除下穿南昆鐵路15m節段采用線路架空頂進方式施工，其余節段采用明挖現澆施工。南昆鐵路為運營鐵路，施工期間不得中斷行車。采用1孔20mD型便梁架孔線路，便橋橋臺采用人工挖孔板樁。

頂進施工過程為：在一側開挖工作坑，然后在工作坑內施工防滑凸鍵、地梁、導向墩及滑板，待達設計強度后預制鋼筋混凝土框架涵。與此同時對既有南昆線進行D20便梁加固，挖空施工范圍內全部土體。頂進時借啟動反力推動框架涵，過程中隨時調整軸線位置及增加頂鐵，直至橋涵按設計位置就位。

鐵路影響范圍內基坑布置：設置20～26m、截面為2.2m×1.7m的人工挖孔樁樁板墻作為D便梁橋臺，其中大里程側板樁32.66m，小里程側37.56m。樁長22～26m板樁采用1～2道φ609×12mm鋼管支撐，其余長度樁身不設橫撐。鐵路中線左右5m范圍外采用φ60cm咬合高壓旋噴樁直打方式加固板樁，兼做止水帷幕。

鐵路影響范圍外基坑布置：既有線外采用φ1.2m鉆孔樁支護，樁間距1.5m，樁頂設1.2m×1.4m冠梁一道，樁長17～26m不等。20～26m支護樁腰梁設置1～2道φ609×12mm鋼管支撐，17m支護樁不設橫撐。為保證基坑內人員作業安全，鉆孔樁及止水帷幕間采用掛網噴混凝土防護，如圖1~圖2所示。

圖1 橋涵布置平面

圖2 基坑布置平面

2 頂進頂力計算

框架涵頂進從開始啟動至就位所需之力即為頂力。計算時，應根據頂進部分長度、土體性質、地下水情況、框架涵外形及施工方法綜合考慮，按如下計算公式進行頂力計算：

式中：P-最大頂力，kN；K-安全系數，取1.2；N1-涵頂荷載，kN；f1-涵頂面與頂上荷載的摩擦因數；N2-結構自重，kN；f2-底板與底基土的摩擦因數，取0.7～0.8。現場采用石蠟滑石粉等措施減小摩擦系數，故f2按0.3取值；E-結構側面土壓力，kN；R-鋼刃角正面阻力，kN/m2；A-鋼刃角正面積，m2。

由于本工程施工過程中采用D20便梁加固線路且基坑內采用大開挖方式，并且不設刃角，從而計算過程不考慮N1、E對施工影響。故頂力計算公式可簡化為：

但同時考慮到在頂進啟動的時候，頂力與摩擦力相等，此時框架和滑板只有相對滑動趨勢但還沒有相對滑動，啟動時按0.3的滑動摩擦系數是不盡合理的。要使頂進段產生加速度，必然頂力要大于摩擦力，本次頂進啟動頂力考慮為框架自重的1.2倍.

由最大頂力計算千斤頂配備數量N

式中：n-千斤頂效率系數，取0.7；T-千斤頂有效頂力，取2000kN。

由此計算可知，配備千斤頂4臺，總頂力5600kN。現場配備4臺2000kN（200t）千斤頂，按框架涵軸線對稱布置。

3 后背墻方案比選

后背墻的工作原理：根據作用力與反作用力原理，通過千斤頂的啟動力提供使框架涵前進的加速度，在頂進過程中增加頂鐵，最終實現框架涵頂進就位。

后背墻除單獨受力外，還與墻后回填土組成共同受力體系，保證在受力過程中不受反向頂力而整體移位。

常見后背墻有鋼后背、木后背、混凝土后背。其中鋼后背雖然能反復利用但用鋼量較多需重復安拆，施工過程中安全風險大且不經濟；木后背墻雖然能大量節約成本，但其強度、剛度較鋼后背和混凝土后背差，不推薦使用。混凝土后背墻又可細分為板樁式、重力式等。

（1）板樁式后背墻。板樁式后背墻適用于跨徑大、工期相對較為寬松的頂進工程。施工前采用人工或機械成孔方式施工板樁后背墻。為保證頂進過程中框架涵受力平衡，可設置一道“地梁”將板樁連成一體，從而提高后背墻的整體性。此方法優點是板樁及樁后土體整體受力，后背墻的相對位移較小（或可忽略），頂力利用率高。此方案優點明顯的同時缺點也較為突出：①局限性大。一般適用于單側頂進，當中間節段頂進時需破除板樁結構，造成成本、工期浪費；②對地質要求較高。如在不良地質條件下，除應增加樁長外，還需對樁間土及周邊土進行改良處理，以便達到整體受力。

（2）重力式后背墻。重力式后背墻適用于跨度小、結構自重輕、墻后回填土力學性能好、工期緊的工程。它的優點可以概括為：①較板樁式后背墻成本相對低廉；②施工工序簡單。在地基承載力及地質符合設計的前提下按圖施工即可保證質量。

缺點主要表現在：①墻背回填質量難以控制。墻后回填土施工質量好壞直接關系到頂進工作能否正常進行，壓實質量不滿足設計或原狀土時，勢必在頂力反作用力的影響下造成墻體整體位移或開裂，導致工期延誤；②地形受限。在征拆困難，地形狹小地帶或作業面相對有限的情況下，不利于施工作業。

通過分析上述兩種后背墻優缺點和現場實際情況，本工程最終采用己澆筑涵身并回填作為后背墻。頂進施工中，后背墻承受頂進時的全部水平頂力。后背墻的好壞直接關系到頂進能否正常進行。若采取原設計C25片石混凝土方案，一方面受地勢、征拆及后期拆除影響（后背墻為臨時工程，拆除后需進行后面節段的澆筑），另一方面后背墻施工、養護周期過長，施工期間正值云南雨季，勢必會對架空鐵路行車安全造成影響。綜合考慮，利用第4、5節現澆框架涵并進行涵身回填土后作為后背墻。

根據地勘資料揭示，涵址地質資料如下：

﹤1﹥人工填土，層厚0.5～5.0m，承載力[fak]=120kPa；

﹤2﹥圓礫，層厚0.0～11.0m，承載力[fak]=300kPa；

﹤3﹥斷層角礫，承載力[fak]=300kPa；

﹤4-1﹥全風化砂巖夾頁巖，承載力[fak]=180kPa；

﹤4-2﹥強風化砂巖夾頁巖，承載力[fak]=300kPa。

圖3 涵址地質立面

以第4、5節框架作為后背，框架自重G=2×4237.5=8475kN。

后兩段框架基礎為混凝土，混凝土間摩擦系數參照ACI318規范為0.6～1.4，計算按0.5取值，則兩節框架自重可提供的頂力為N1=0.5×8475=4237.5kN。

同時后兩節框架頂部回填了部分土（0～3m厚），土體縱斷面面積為36.4m2，寬度按框架寬度按5.1m計算（現場部分回填至底板以上80cm處，取值時可忽略），回填土容重按17kN/m3取值，則回填土自重G土：

土的自重提供的頂力：N土=0.5×3155.8=1577.9kN

圖4 4、5節涵身回填

施工效果：N=5815.4kN＞P啟動=5085kN，以第4、5節15m框架作為后背提供的頂力滿足要求！

可行性分析：通過計算和現場實踐證明，施工過程中嚴把涵身、滑板等主要工序質量關，合理設置千斤頂數量和位置，同時在頂進過程中遵循施工流程和規范，利用既有涵身回填土作為后背墻頂進施工是安全、可靠、可行的！

4 施工工藝流程、關鍵技術

（1）施工工藝流程：工作坑開挖、支護、降水→防滑凸鍵及滑板→后背墻→主體結構預制養護→千斤頂及頂鐵安裝111→試頂進→正式頂進。

（2）關鍵技術。

①C40P10混凝土澆筑、養護：a.混凝土自由傾落高度超過2m時設置串筒；b.墻身兩側應連續分層、對稱澆筑，每層厚不超過1.5m；c.采用薄膜、噴涂養護劑或覆蓋草簾、棉氈等方式養護，不宜圍水養護；d.養護期不得少于21d，高溫期時養護不得少于28d；e.氣溫低于5℃時應保溫養護，不得保濕養護。

②涵身頂進：a.頂進前應對頂進設備標定，各設備及油壓表嚴禁混用；b.施工前根據軸線合理布置千斤頂位置，同時對頂鐵專人驗收；c.頂進過程中應隨時糾偏，做到“勤糾、少糾”，糾偏量不宜一次過多。

5 頂進的注意事項

（1）頂進過程中應嚴格遵循“五停五觀察”的原則，即頂進設備空轉→0.1倍結構自重→壓升高5～10MPa→0.8倍結構自重→框架涵啟動后以上每階段經專人觀察無異常后，方可進行下階段施工。

（2）頂進設備啟動后，應在頂力穩定及升壓過程中觀察涵身有無損壞、崩角、裂縫或靜止不前等現象，發現上述問題應暫停施工并分析原因，待原因查明后方可重新施工。