下穿高速公路框架桥“盾构顶进”施工_secret

75110025075110026760030901509833550983K4+328.75沉降缝沉降缝K4+293.25洞口铺砌i=0.1056%1:1.599.6797.00涵底设计标高：89.80下穿高速公路框架桥“盾构顶进”施工1前言近十年来，随着城市建设不断扩大，许多城市道路必须穿过既有的高速公路。“盾构顶进”为下穿高速公路施工提供了一种新的施工技术，该技术可以在不断道的条件下施工，保证了高速公路畅通，对国家经济建设有重要意义。2工程概况郑州市某北路下穿某高速公路立交桥位于某北路K4+310m处下穿某高速公路，夹角73°37′，采用两孔净宽18m、净高6m的框架桥，结构砼厚1.3m，单孔桥长35.5m，上、下行框架桥间净距9.6m，其中车道宽12m，非机动车道宽4m，人行道宽2m。桥内横坡按1%单向坡设计。框架立交桥中心框架上部覆土厚平均2.67m，结构尺寸见下图。该桥采用了“盾构顶进”施工，下面将该施工方法作如下简介：下穿某高速公路立交桥纵断面图（单位：cm）下穿某高速公路立交桥平面图（单位：cm）3“盾构顶进”设计与施工3.1盾构设计3.1.1盾构组成盾构的横向截面成桥梁形，其外廓尺寸与框架桥外廓尺寸相同。盾构由墩柱、主梁、盾壳、子C40S6砼结构C30砼垫层路面180030600130130130130减阻板子盾构装配示意图挡土架插销导向架立柱28#导向架16mm下托板挡土架主下梁主梁立柱主上梁主梁系杆28#顶座25#滑行架顶抱箍30吨顶2台盾构顶板28#后座梁加劲肋4条子盾构刃脚盾构、液压推进系统、辅助机构、六大部分组成，如下图示。边板6392592563925下止推梁28#下止推梁28#边板剪力板剪力板剪力板盾构顶板=16mm上托板上托板上托板上托板30吨双向顶上导梁下导梁肋板28#矮柱下托板=16mm下托板下止推梁28#9259259259259259259259259259259259259253826382738263827125810125106010601258101251251060106012581012528#28#5#1#2#3#4#810125墩柱墩柱墩柱墩柱墩柱下托梁横系梁下托梁28#滑板125810横系梁28#滑板=16mm下止推梁28#剪力板横系梁28#横系梁28#滑板=16mm剪力板161700125175012517501251400280133512510602060616170012517501251750125140028013358606727192592577077077077020605750桥式盾构立面3.1.2作用机理“盾构顶进”采用了网格式的原理，化整为零，具有如下作用：3.1.2.1对掘进面的支护作用在第一节框架桥前装配盾构，作为框架桥带土顶进时掘进面与路基的支护。掘进面开挖分为三个部分：1、子盾构内开挖盾构上部设有23个子盾构，将上部开挖面分成了23等分。当子盾构向前顶进时，其上部土方由前端锯齿刃脚切割下落，子盾构承担了上部荷载。视挖掘面土的自稳能力，子盾构作业分先顶后挖、边顶边挖和先挖后顶三种方式。上部子盾构由液压系统控制，单台组错开推进，插入土体中以托住上方，至下一掘进面止。盾构母体随第一节框架桥推进时，子盾构推出部分被掘进面土体阻挡而与盾构母体作相对运动，套回子盾构箱内，完成一个工作循环。2、墩柱开挖每个墩柱宽为1.1m，分为4层，每层下部有一块支垫钢板，可将每层封闭成独立箱室。每次仅向前开挖35~40cm，正立面设有1:0.2的坡。一旦发现有坍塌现象，可对这个独立箱室进行单独封闭，不会造成大面积塌方。3、中心土开挖中心土采用机械开挖，按墩柱上的1:0.5剪力板线开挖，一般情况下中心土滞后子盾构掘进面5m左右。若中心土自稳能力不强时，可放缓开挖坡度。“盾构顶进”受力的关键就是利用中心土支撑，有两个主要作用：(1)承受上部荷载上部荷载由覆盖层恒载、汽车恒载和动载组成。上部荷载直接作用在主梁和子盾构箱上，再由梁间撑定位卡后座上托板下托板高柱墩柱滑板下托梁剪力板横向系梁矮柱纵向系梁斜撑上托梁下导梁导梁立柱子盾构共5榀盾构主梁上止推梁梁垫板桥式盾构剖面632013342801251400175012517501251617008605860618516006006006006006006006006003092803108150走道板五个墩柱传递到基底。墩柱的底面积不大，当地基承载力较低时，墩柱底部不足以承受所有的荷载，但在框架桥顶进期间，先人工挖土开槽，将盾构主梁和墩柱正前方土体挖空，盾构由第一节框架桥推动切入土体中，受力模式就发生了新的变化。高速公路路基经过了分层碾压成形，尤其是紧靠路面结构层下的土体，因长年汽车振动形成了板结层，承载力相当高。“盾构顶进”就是利用这一点，在子盾构箱和第五个主梁下部安装了一块宽2.7m厚16mm的上托板，它紧压在“桥形”梁跨下滞后挖掘的土体（中心土）上，承受所有的上部荷载。(2)平衡侧向土压力因框架桥侧墙是垂直的，顶进开挖时就形成了一个垂直的凌空面。当框架桥高度比较高时，侧向土压力也会十分大，容易造成坍塌。当盾构切入土体后，利用中心土的侧向土压力平衡了盾构外侧的侧向土压力。3.1.2.2顶进过程中的导向作用顶进时盾构的墩柱底部设有0.25%的仰坡，对通过的土体进行了预压，盾构在前方走出一道轨迹，框架桥沿着这条轨迹前行，并在节与节之间设置8组2扣1的50轨束，作为导向墩，可防止节间错台。盾构的走向完全取决于人工超挖的方向，可高可低，可左可右。导向的秘密在中心土。当上托板的角度增大时，在中心土强大的反力作用下，盾构被迫抬升。反之盾构降低。每个立柱的两侧都安装了剪力板，中心土西侧超挖，东侧欠挖时，盾构向西偏转。相对于框架桥巨大的自重来说，盾构的引导作用毕竟有限，应加强测量观测，当发现框架桥走向不对时及时调整盾构方向。3.1.2.3对高速公路的保护作用在框架桥顶进期间，对高速公路产生两种不利影响：沉降和水平位移。要保证顶进期间高速公路畅通，不断道就必须严格控制沉降和水平位移。1、沉降控制高速公路沉降主要由两个原因产生：框架桥沉降和土体损失。因土方开挖在盾构的支护下作业，路基开挖的高度和宽度均和框架桥相同，甚至是由盾构周边的刃脚切入，不会造成超挖和土体坍塌。同时在每节框架桥之间接缝处，四周均采用护套钢板进行了封闭，减少了上部土体的损失，也就减少了高速公路路面的沉降。在顶进就位后，立即对框架桥顶部和两侧的缝隙进行注浆填充。2、水平位移控制在框架桥的整体顶进过程，上部的摩擦力逐渐增加，当超过路基的抵抗能力时，高速公路被拉裂，甚至带着整个路基偏移。如果能减少框架桥顶进时的摩擦阻力，就可以减轻摩擦时框架桥对上部覆盖土的破坏。在盾构顶进中控制水平位移有几项关键措施：(1)化整为零盾构上部设有23个子盾构，每个子盾构由两台30t的油顶控制。在每个子盾构的刃脚尾部均安装了一条与子盾构等宽、厚度3mm、与框架桥等长的一块钢板（称为减阻板）。当单个子盾构向前顶进时，减阻板因子盾构牵引向前运动，将大面积摩擦造成的破坏性剪切力以大化小，变成二十三分之一，以致无法剪断覆盖土，使公路保持完好。(2)多层隔离在框架桥顶部，除了减阻板之外，沿顶进轴线方向通长设置50×4mm的扁铁，其扁铁横向中心间距为100mm。扁铁前端与盾壳尾端焊接，后端摆放于框架桥顶板上。框架桥顶部与土层被扁铁与减阻板隔开，当子盾构牵引减阻板就位后，减阻板不动，第一节框架桥与盾构带着扁铁在减阻板下运动，第二、三节框架桥顶进也在扁铁下运动。摩擦系数由砼与土的0.5~0.7下降到了钢与钢的0.1~0.2，摩擦力减小了三倍以上。顶进前，在减阻板与扁铁间涂抹黄油、板面及框架桥外侧壁涂工业废油，降低周边土体的摩擦力。(3)双层减阻板通过计算，60t的油顶只能将925mm宽的减阻板拖动22m，而框架桥需穿过高速公路34m。这样我们可将减阻板分为两层，上层长12m，下层长22m。当框架桥顶进高速公路12m后将上层减阻板甩掉，尾部用工字钢焊接上，上层减阻板不再向前移动，这12m范围内的上层土体不再受框架桥摩擦扰动，相对稳定。子盾构继续牵引下层减阻板向前移动。(4)挡土梁在公路对面，各框架桥出口边坡上部设置钢筋挡土梁一条，两端与抗滑桩相连，上部用袋装土反压，用以抵抗子盾构及减阻板上部土出洞时的轴向推力，以保护路边坡。3.2顶力、后背和滑板设计3.2.1顶力设计框架桥的预制在某高速公路南侧滑板上进行。为便于顶进，每孔35.5m框架共分成三节预制，第1节长8m，第2节长11.9m，最后一节长14.5m，每节之间设55cm待浇带，后一节作为前一节顶进的后背。先预制第一节和第三节，最后预制第二节，均在设计中心线上进行预制。这样分配可以后一节作为前一节的后背，利用中继间顶进，可大大减少顶进后背的受力需求。3.2.1.1第一节顶力设计1、截面估计：最大跨为18m，截面形式按下图估算：截面面积：S=(2060×860－1800×600+50×50+150×50)÷10000=70.16m22、自重计算：第一节8m，C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑，则G=vg=Slg=70.16×8×26=14593KN盾构自重160t，即1600KN3、箱桥顶力计算采用P=K[N1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA]P——最大顶力（KN）K——系数，采用1.2N1——箱顶上总荷载，汽车荷载按汽车-超20级计算，《公路桥涵设计通用规范》(第22页)填料厚度等于或大于50cm的涵洞可不考虑冲击力,则汽车荷载N11=550×3×80%=1320KNC40S6砼结构路面1800600130130130130覆盖层荷载N12=2.0×8.15×20.6×19.4+0.6×8.15×20.6×25=9032KNN13=2.0×8×20.6×19.4+0.6×8×20.6×25=8866KNN2——框架桥自重N21=14593KN盾构自重N22=1600KNf1——箱顶表面与荷重的摩阻系数，取0.2(因有减阻设施)盾构顶表面与荷重的摩阻系数，取0.2f2——箱底与底层土的摩阻系数，取0.75盾构底与底层土的摩阻系数，取0.2E——箱两侧土压力f3——箱体侧面摩阻系数，取0.75盾构侧面摩阻系数，取0.2R——盾构刃脚正面阻力，取1500KN/m2A——盾构刃脚正面积框架桥正面阻力面积S=20.6×1.3+7.3×1.3×2=45.76m2,盾构刃脚按其1/10考虑，则A=S/10=4.6m2顶力计算：箱两侧土压力，按库仑压力计算E=1/2ξγH2B（参考《桥规》）则：E=1/2×19.4×0.4×8.62×8=2296KN采用《铁路桥涵地基和基础设计规范》取摩阻系数为f=30Kpa（第160页），则E=8.6×8×30=2064KN同上相近盾构两侧土压力，按库仑压力计算E=1/2ξγH2B（参考《桥规》）则：E=1/2×19.4×0.4×8.62×8.15=2339KN采用《铁路桥涵地基和基础设计规范》取摩阻系数为f=30Kpa（第160页），则E=8.6×8.15×30=2103KN同上相近则：P=1.2×[(1320＋8866＋9032)×0.2＋(1320＋8866＋14593)×0.75＋(9032+1600)×0.2＋2×2296×0.75＋2×2339×0.2＋1500×4.6]=42862KN；4、配顶设计千斤顶合力宜设在合力重心位置。根据千斤顶的机械性能，拟配24台320吨穿心式卧式千斤顶，其最大顶力为：N=3200×24×0.6=46080KN42862KN，可满足要求。3.2.1.2第二节顶力设计1、截面估计：截面面积：S=(2060×860－1800×600+50×50+150×50)÷10000=70.16m22、自重计算：第二节12m，C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑，则G=vg=Slg=70.16×12×26=21890KN3、箱桥顶力计算采用P=K[N1f1+（N1+N2）f2+