下穿8股既有鐵路大型框架橋頂拉施工技術

馬學輝，趙洪印，彭 洋

(中建三局基礎設施建設投資有限公司, 湖北 武漢 430000)

1 工程概況

某框架橋頂進工程位于惠州火車西站片區永聯路南段，框架橋與鐵路相交處的鐵路股道共8股，編號為1，Ⅱ，3，4，5，6，7，Ⅷ。將通道改造為單向3車道+單側人行道的半幅路面，新建框架橋另設半幅路面，橋長約54m、寬18.7m(11.6m+4.5m雙孔)，采用鋼筋混凝土箱形結構，分4節預制，長度依次為12.5，14.5，14.5，12.5m。橫斷面依次布置為0.9m寬側墻、2.0m人行道、2.5m非機動車道、0.8m中墻、11m機動車道、0.6m檢車道、0.9m側墻，共18.7m。框架主體為C40 P10混凝土。框架頂進施工如圖1所示。

圖1 框架頂進施工

該場地地下水豐富，下伏基巖中的基巖裂隙水含水量少，屬于弱透水層。地下水與附近河流聯系密切，枯水期向河內排泄，豐水期接受河水補給，水位隨季節變化。在基坑及新建框架橋周圍分批設置止水帷幕，然后進行基坑開挖、框架頂進。框架橋工作坑平面布置如圖2所示。

圖2 框架橋工作坑平面布置(單位：m)

2 方案比選

根據工程地質條件、施工技術、工期要求等因素的不同，頂進法分為頂入法、中繼間法、對頂法、頂拉法[1]。

1)頂入法 在工作坑一側修建后背，布設頂進設備，由后背提供反力，增加頂鐵等傳力裝置，一次將框架橋頂進到位。工序簡單明了、施工方便，但頂進設備數量大，工作坑布設在鐵路一側，需很大頂力才可頂入。該方法適用于小型框架橋，方便修建后背等工況。

2)中繼間法 將框架結構分成幾段分別預制，在分段中間設置中繼間千斤頂，前端框架結構視后端結構為后背，通過后端結構反作用力進行前端頂進，可縮短框架長度，減少頂鐵和后背數量。但頂進過程中，由于兩節重心軌跡不易重合，節與節間會出現相對錯位和轉動。該方法適用于框架頂程過長、覆土厚度較深、提供頂力不滿足工程要求的情況。

3)對頂法 將框架分成2段進行制作，在不影響鐵路運行的兩側分別開挖工作坑，預制滑板，修建后背墻，同時利用反力將框架頂入土層，減少后背反力和頂力需求，鐵路兩側同時施工，提高效率。但兩側框架對接要求較高，建設投資費用較高。該方法適用于框架結構較長、頂力需求較大、工作坑場地限制等情況。

4)頂拉法 將框架橋分成若干節進行預制，以拉桿相連靠自重阻抗交替頂推前進，可省去后背、減少傳力設備、降低頂進費用等，但滑板隔離層阻力大、啟動困難，對滑板承載力要求高，分節較多，防水處理任務重，需額外控制定向約束。該方法適用于穿越股道多、橋體較長，橋頂覆土較薄或無覆土，后背修筑困難，以及場地窄小等情況。

本項目下穿鐵路框架橋重達7 090t，采用頂進法施工，頂程長73m。在涵頂無覆土或覆土較薄、地下水豐富、施工場地受限無法修筑后背的條件下，既要保證營業線安全暢通，又要保證施工進度，普遍使用的一次性頂入法和中繼間法難以滿足要求。通過研究類似工程，結合本項目情況，采用框架橋分段預制，以涵身自重作為反力頂進框架橋的頂拉法技術，解決框架自重大易扎頭、頂程長阻力大、頂進設備眾多、施工進度緩慢的難題。創新性地沿框架橋頂進方向，在線路下方開挖10m寬通道，反向挖土出土，實現挖土與頂進同時進行，縮短工期。

3 工藝原理

首先開挖工作坑，分節預制框架橋，并安裝頂進系統。采用人工挖孔樁作為支撐，D型便梁扣軌加固線路。線路加固后，在線路下方開挖10m寬通道，反向挖土運土，當框架混凝土強度達到100%后，采用頂拉法頂進框架橋，挖土與頂進連續進行，直至框架橋頂進就位。本項目大型鋼筋混凝土框架橋分4段進行頂拉施工。

頂拉法根據中繼間原理改進，將整個框架橋分節段預制(一般分3節及以上)，節與節中間設置中繼間，作為傳力裝置。節間的底板安裝頂鎬，并配備千斤頂。底板安裝通長鋼絞線，作為拉桿串聯框架，并逐節頂進，利用其中3節框架的摩阻力，借助千斤頂(頂鎬)克服另外1節框架阻力進而頂拉前進，各節段互為后背，交替頂推前進。另外，節省千斤頂等設備投入，安裝簡易，降低成本。

4 施工關鍵技術與操作要點

4.1 施工工藝流程(見圖3)

圖3 施工工藝流程

4.2 施工技術

4.2.1架空樁施工

用于線路架空的D型便梁安放在人工挖孔樁樁頂，采用P50鋼軌對線路按3-3-3-3形式進行扣軌防護，不得同時開挖垂直路基橫斷面內的樁孔，應跳倉施工，只有待樁孔內混凝土灌注完畢并達到設計強度的50%后才可開挖相鄰樁孔。按相關規定，挖孔樁施工期間，列車應限速45km/h。樁孔應備有輕型頂蓋，以防雨水侵入后浸泡路基。

4.2.2線路架空

框架頂進采用D12+D24+D12的布置形式，D24施工便梁做主跨、D12便梁做副跨扣軌架空線路。線路鋼軌安裝在間距為670mm的橫梁上，橫梁上有若干孔眼，便于安裝鋼軌扣件。D型便梁最大跨度達50m，若框架橋寬度>50m，可采用吊軌梁加固施工工藝。

D型便梁的橫梁在封鎖點內采用人工穿設的方式進行安裝。先用120t起重機將D型便梁吊至支架平臺的小車上，再平移軌道，托梁就位后進行安裝。安裝時先扒平軌枕盒內的道渣，穿入橫梁，調整縱梁位置后再連接縱橫梁。

4.2.3滑板及導向梁施工

滑板施工順序如下：地基加固后清理基底→夯填碎石墊層→開挖滑板錨梁溝及安裝鋼筋→澆筑滑板混凝土→潤滑隔離層。當澆筑滑板時，應將滑板置為前高后低的仰坡(0.5%)，以便有上坡趨勢。

當滑板混凝土達到設計強度的90%后，開始施工潤滑隔離層，以防止滑板黏結箱體底板，減少框架橋頂進啟動時的阻力。滑板潤滑隔離層由下向上的鋪裝順序為M10水泥砂漿抹面找平、鋪1層1mm厚滑石粉及3mm厚1層石蠟、覆蓋1層塑料布。

為控制框架橋頂進方向，在滑板框架兩側通長設置導向梁[2]，使頂進時偏位被控制在可控狀態。導向梁距框架外邊緣凈距50mm、寬400mm、高800mm，伸入滑板下600mm、外露200mm。

4.2.4框架橋預制及頂進

4.2.4.1框架橋預制

框架橋采用分節跳倉法進行預制，充分考慮自重及摩阻力關系后，經計算確定分節長度，避免頂進時出現倒退。按經驗分節長度一般取框架高度的1.5倍，各節框架橋長度及質量大致相等，注意預留鎬窩位置、鋼絞線拉索孔道，預埋中繼間頂進所需相鄰節防護鋼板的預埋件及頂進時千斤頂受力點處底板三角墊塊的預埋件。為避免扎頭，預制框架時在框架底板前端制作50～100cm長的船頭坡(見圖4)。另外，根據規范要求的高程偏移允許范圍，將整個頂進通道(除滑板外)底面做成0.6%的仰坡，實踐證明，可有效減少框架橋扎頭趨勢，防止下沉超出允許值。

圖4 可調式船頭坡

4.2.4.2頂進工藝(見圖5)

圖5 頂拉法工作示意

頂拉法具體做法如下：①在每節箱涵的后端底板處根據頂拉力大小對稱安置足夠的千斤頂，再于每臺千斤頂兩側各設1個拉桿(鋼筋束或相連接的型鋼)，拉桿前端錨固于最前面涵節的前端，后端錨固于后端分配梁上，后端分配梁位于最后涵節后端千斤頂頂芯全部伸出后的總長處(即1個頂鎬行程長20～50cm)；②正式頂拉前需試頂，檢查千斤頂、鋼絞線及分配梁的工作狀態，然后正式頂進，首先啟動A，B節間千斤頂，以B，C，D節作為后背，頂進A節；③第1節頂進1個頂程后，起動第2節的千斤頂，第1，3節及以后的涵節作為后背，使之前進；④同理，頂進C節，當A，B，C節順利頂進1個頂程后，開動最后端千斤頂，此時錨固在分配梁上的鋼絞線吃力拉緊，以A，B，C 節摩阻力為反力，拉動D節前進，如此循環頂拉到位[3]。

4.2.4.3頂進保證措施

框架橋在頂進過程中，面對復雜的地質條件及外界因素，較難控制頂進姿態，尤其是當箱體離開滑板后，在自重影響下，土體壓縮易出現扎頭趨勢，因此頂進過程中應及時進行糾偏[4]。

1)左右糾偏內部控制 控制千斤頂閥門，使用增減單側千斤頂頂力的方式糾偏頂進方向。每完成1節框架頂進后，需及時測量方向，最簡易的方法是測量框架間的留縫寬度，查看左、右兩側縫隙差值是否一致，即可初步判斷方向的精確度。

2)左右糾偏外部控制 頂進過程中發生偏移，框架外側的導向梁只能被動限位，不能根據偏移量進行主動糾偏。因此，以框架橋兩側間隔5m的混凝土錨樁作為后背，在偏移側安裝千斤頂，一旦發生偏移或出現偏移趨勢，千斤頂隨即工作進行精確糾偏，循環往復，保證框架橋以設計姿態順利頂入。

3)高程控制 分為抬頭和扎頭。若出現較大抬頭量，可超挖一部分土體，頂進時進行微調，避免大幅度擾動土體，導致箱體扎頭。

本項目采用不同于傳統模式的可調式船頭坡，通過預埋在箱底端面的螺栓連接預制鋼構件與箱身，利用鋼板橢圓形螺栓孔上下調節鋼板高低位置，從而改變船頭坡坡度，操作簡單方便，只需調節螺栓松緊即可。

框架橋脫離滑板后，采用邊挖土邊頂進的吃土頂進方式，本項目突破常規，首先開挖已架空鐵軌下方路基，形成貫通的出土通道，允許土方車進出，通道兩側放坡開挖，盡量不擾動其余土體，同步預制框架橋。然后同時開展出土、頂進工序，即工作坑一側頂進而另一側出土，互不影響，提高工效。

4.2.5頂力計算

本工程框架長54m，即(2×14.5+2×12.5)m，采用頂拉法進行頂進。通常情況下，最大頂力出現在框架橋脫離滑板后，而此前頂力隨頂進距離的增加逐漸增大。取單節14.5m/節進行計算，根據《路橋施工計算手冊》[5]：

P=K[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]

(1)

式中：P為最大頂力(kN)；K為系數，一般取1.2；N1為箱體頂上總荷載(包括線路加固荷載)(kN)；f1為箱頂上表面與頂上荷載的摩阻系數，取0.3；N2為箱身自重(kN)；f2為箱體底板與基底土的摩阻系數；E為箱體兩側土壓力(kN)；f3為側面摩阻系數；R為刃腳下正面阻力，應視刃腳構造、挖土方法、土的性質經試驗進行確定，當無試驗資料時，可采用砂質黏土500～550kPa，卵石土1 500～1 700kPa 進行確定，此處取550kN；A為刃腳切土正面面積(m2)，取 0.32m2；RA為176kN。

由于箱涵上方已架空，所以N1為0，N2為19 138.5kN(框架自重Q與機具、人群、刃角及未能及時運走的土重等施工荷載的和)。

f2由試驗確定，當無試驗資料時，視基底性質可采用0.7～0.8，此處取f2為0.8，則N2f2=15 310.8kN。

根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》計算水平壓力：

e=ξγH1=0.3×18×7.3=39.42kPa

(2)

(3)

式中：e為水平土壓力(kN)；γ為填料容重(kN/m3)；H1為填料高度(m)；L為單節框架長度。

將以上各值代入式(1)，整理后得框架最大頂力P為22 589kN，取22 590kN，可作為千斤頂及鋼絞線的選取依據。

4.2.6最不利位置的摩阻力檢算

將框架橋分為A，B，C，D節，依次長12.5，14.5，14.5，12.5m。自重Qa,Qb,Qc,Qd分別為16 412.5，19 038.5，19 038.5，16 412.5kN。為保證施工和運營安全，依經驗取框架涵在滑板上的起動摩阻系數Kq=0.8，框架涵在滑板上的滑動摩阻系數Kh=0.5，框架涵進入地基后的摩阻系數Kr=0.8。選取3個最不利位置進行檢算[6]。

1)4節框架涵都在滑板上，前3個已起動，檢算最后1節能否被前3節拉動。此時最后1節與滑板的起動摩阻力F1=KqQd=13 130kN，前3節與滑板的滑動摩阻力P1=Kh(Qa+Qb+Qc)=27 244.75kN，P1>F1，所以前3節不動，最后1節可被頂進。

2)第1，2節在土中前進，3，4節在滑板上，檢算第2節能否被頂進。

F2=KrQb=15 230.8kN，P2=Kh(Qc+Qd)=17 725.5kN，P2>F2，所以滑板后2節可勝任后背的任務，推動第2節在土中前進。

3)第1～3節在土中前進，第4節在滑板上，檢算第3節能否被頂進。

F3=KrQc=15 230.8kN，作為后背的第1，2，4節的摩阻力，P3=Kr(Qa+Qb)+KhQd=3 656.7kN，P3>F3，所以第3節能以第1，2，4節為后背在土中頂進。

綜上所述，框架橋分節合理，可順利從滑板上起動至頂進結束，據此作為選擇千斤頂與鋼絞線的參考依據。

5 關鍵技術創新

1)反向挖土連續頂進 線路架空后，沿框架橋頂進方向，在線路下方開挖10m寬的通道。框架橋頂進過程中，在通道內挖土，并由線路非工作坑一側棄土，實現挖土及頂進同時進行，保證24h連續頂進。改變傳統開挖與頂進交替進行的施工方法，縮短工期。

2)頂進過程姿態控制保證措施 ①頂進過程中發生偏移，導向梁只能被動限位，框架橋兩側間隔5m施工錨樁作為后背，在偏移側安裝千斤頂，側向千斤頂加壓配合頂進主動校正方向；②框架橋首節底板設置可調節船頭坡，坡度隨頂進進行微調，

長50～100cm。滑板前段頂進面開挖時預留0.3%～0.5% 坡度，有效防止頂進施工中的扎頭現象。

6 結語

本項目采用頂拉法下穿8股既有鐵路框架橋進行施工，具有頂進距離長、框架結構尺寸大、地質情況不良、頂進工法復雜等特點，通過分段預制本框架結構，線路采用D型便梁進行架空，采用改良中繼間法的頂拉法進行頂進施工，創新性地使用反向挖土連續頂進、姿態控制技術，成功完成頂進施工。縮短工期20余d，安全可靠，極大地降低施工對鐵路既有線的影響，提高D型便梁周轉速率，降低施工成本約160余萬元，創造了良好的經濟和社會效益。