下穿既有铁路大跨度架空顶进箱涵的设计与施工关键

下穿既有铁路大跨度架空顶进箱涵的设计与施工关键摘要在当前交通建设施工过程中下穿技术是解决铁路、公路等立体交叉工程中北广泛使用的一种施工方法，本文就对施工过程中架空顶进箱涵的设计和施工进行阐述。关键词下穿；铁路大跨度；架空；顶进箱涵；设计；施工一、前言随着当前交通施工技术水平的不断提高，各种施工难题被不断的解决，在提升施工速度的同时，也提升了施工的质量，在铁路大跨度架空顶进箱涵设计过程中要对各个参数进行认真的确认和详细的计算。二、工程概况昆明轨道交通6号线一期工程实施范围为东部客运站—大板桥站—综合交通枢纽站—航空港南站的四站三区间。其中，大板桥站—综合交通枢纽站的区间隧道在沪昆铁路里程K2593+380处下穿沪昆铁路。受工程地质和总工期的限制，设计前期对方案作了深入的分析比较，最终确定采用明挖空顶法下穿沪昆铁路;设计中采用人工挖孔板桩作为沪昆铁路路基的围护结构、采用空顶法实现区间隧道主体结构的准确就位;施工过程中采取多工序平行作业，最终用83天的时间内成功下穿沪昆铁路。三、箱涵顶进施工方法我国用顶进法修建桥涵仅有30余年历史，最早采用顶进法修建的北京永定门地道桥是1965年，由于它具有很多优点，并适合我国施工水平，受到铁路、公路、市政等有关部门的普遍欢迎，因面从20世纪60年代后期起，顶进桥涵施工出现了蓬勃发展的局面。首先是在大、中城市改建平交道口，逐步发展到集镇和铁路沿线的重要道口。座数愈来愈多，跨度逐渐增大，长度也逐渐增加。箱涵顶进工艺不断地改进和完善。顶进箱涵的尺寸由小到大，孔径由单孔、双孔、三孔到四孔连续框架。由横向分解顶进、纵向分节顶进到四孔整体顶进。顶部覆土逐渐由厚到薄，甚至可以完全架空顶进。箱涵与铁路的交角由正交发展到斜交，顶进方法也由顶入法发展到对顶法、顶拉法、牵拉法、中继间法等等。1、一次顶入法一次顶入法是指在铁路一侧设置工作坑，坑底做滑板，在滑板上预制钢筋混凝土箱涵，箱涵的前端做成突出的刃角，再在离箱涵尾部不远处修筑后背，然后在后背梁与箱涵底板之间安设千斤顶(或称顶镐)，同时对铁路进行加固，最后顶镐借后背的顶进反力将箱涵顶入路基。顶进时，箱涵前端刃角处不断挖土，随顶随挖，直至箱涵全部顶入路基为止。2、对顶法对顶法是在铁路两侧各挖一工作坑，将箱涵分成两半，分别在两侧工作坑内预制并修筑后背，同样各借后背反力将箱涵顶入路基。3、对拉法对拉法也是先在铁路两侧工作坑内各预制一节箱涵，然后利用小口径顶管法，将高强钢丝束或其他拉杆穿过路基，使两节箱涵连接上，互为地锚，对拉前进，直至对接合拢。对拉法不需要后背，因此可在后背修筑困难或不经济时采用。目前主要用于涵身不长，且底板置于原地面附近的单孔小孔径箱涵。4、中继间法中继间法是指当箱涵较长时可分为若干节，用中继间法顶进，即前节箱涵利用后节箱涵作后背，用节间设置的中继间千斤顶进行顶进。中继间内的千斤顶到达最大顶程后，前节箱涵暂停前进，而进行后节箱涵的顶进。此时，前节中继间的千斤顶随着后节箱涵的前进而压缩(回镐)。箱涵最后一节还是要依靠后背的反力进行顶进，不过后背的最大反力仅为最后一节箱涵的顶力，这样后背工程就可以小很多。四、设计与施工关键技术1、线路加固方案在顶进施工中，为确保被顶进铁路的行车安全和施工安全，必须在顶进作业前对既有铁路线路进行加固，本项目线路架空采用便梁法，即沿铁路纵向设置便梁架空线路，便梁接头处采用高强度螺栓连接．便梁两端采用1．5m钢筋混凝土挖孔桩作支点，在纵梁与支撑桩间主架空采用横抬梁连接，横抬梁两端置于1．5m混凝土挖孔桩上，箱桥顶到相应位置时将混凝土桩拆掉，此时横抬梁已经置于结构顶板上，为减小该处结构顶板上的摩擦力，在顶进过程中横梁下对应位置放置钢滑车减小摩擦力，并在箱桥顶板预埋拉环，用导链锚固铁路轨道，以保证线路的几何形状．在保证行车安全的条件下，施工单位可根据机具设备施工条件自行拟订线路架空方案．其架空正立面图如图1所示，平面图如图2所示．图1架空正立面图2架空平面2、顶力计算要设计后背墙截面尺寸，首先要进行最大顶力计算，箱涵的顶进从启动开始，至涵洞全部入土时所需之力为最大．计算时，应根据顶进箱涵的长度、土质的性质、地下水情况、箱涵的外形及施工方法等因素确定，按TB1002．1—2005《铁路桥涵设计基本规范》桥规第11．2．2条(2－132)式:P=K〔N1f1+﹙N1+N2﹚f2+2Ef3+RA]式中:K=1.2;f1为桥顶表面与顶部荷重之间的摩阻系数，取f1=0.3;f2为箱底板与基底土的摩阻系数，取f2=0.8;f3为侧面摩阻系数，取0.8;R=55t/m2．A为钢刃角正面积，A=0;RA=0;N1为箱顶上荷重;N2为箱自重;E为箱两侧土压力．计算得P=3913．554t，箱涵最大顶力为:3913．554t．五、关键工序施工控制要点1、滑板润滑隔离层设置工作坑形成后，将基底夯实，并设置20cm厚的C15混凝土垫层，在垫层上设置隔离层，其作用是防止预制箱涵底板与混凝土垫层相互黏结，减少因相互黏结产生的顶进阻力。隔离层具体做法如下：将石蜡加热至150℃左右掺入15%的机油，浇洒至浇筑好的混凝土垫层上，待石蜡凝固后，均匀铺撒一层滑石粉，接着铺一层塑料纸，塑料纸接茬长度为0.2m，接茬口朝顶进方向。2、线路加固在框架涵的顶进施工中，为确保既有线路行车安全和施工安全，必须在顶进作业之前对既有线路进行加固。该涵采用D24型便梁及人工挖孔桩支墩对既有线进行加固便梁加固的基本工作程序是：在桥位处既有线路两侧构筑便梁临时支墩（一般为挖孔桩）→临时支墩达到设计强度后安装便梁→列车在钢梁上承载，既有线限速→进行线下结构作业→施工结束，拆除便梁，整修便道，列车恢复正常运行。3、挖孔桩设计及检算2个支墩（即4个挖孔桩）的设计参数如下：桩顶混凝土面标高为-0.624m（以轨面0.00m为标准），桩长14m，直径1.25m，两桩中心距4.46m，C30钢筋混凝土。挖孔桩开挖前，配备培训合格的防护人员对线路进行防护，按照箱身中心线及设计位置定位测量，确定挖孔桩位置，采用人工跳跃式交叉开挖，人工提升土方，运送至施工范围外的弃土场集中堆放。护壁采用C30钢筋混凝土，厚20cm。挖孔桩开挖时如果出现渗水，水量不大时可用人工提升，水量大时采用水泵排水。挖孔桩中心位于既有线线路中心2.23m处（即道床坡角处），对既有线道床影响较小，采用在枕木外侧搭设枕木垛的方式保护桩位四周的道床稳定；同时，挖孔桩施工时要求列车慢行防护，在施工期间两端安排施工防护人员，以防施工人员和机械设备进入铁路限界。4、顶进过程中的纠偏方法该涵土质较软，在顶进过程中各节箱涵受顶推力及竖向荷载共同作用，造成前后端地基反力不均匀，前后端沉降值差异很大，出现竖向转动、扎头倾向。虽然设置刃角，为防止“扎头”及偏差还需注意以下问题。（1）做好顶进施工范围内的排水、降水工作，增强土体稳定，尽可能避免雨季施工。（2）箱体起动后，开始为不切土的空顶，此时要注意控制好箱体顶进的方向，切不可大意，以免产生较大偏差，造成纠偏困难。（3）箱体中线和高程的质量控制。箱体沿正确方向入土到箱体入土1/2长度，是顶进孔道定型阶段，此时应严格控制中线偏移和水平高差，经常观测，及时进行纠偏，调整水平。常用控制偏差的方法是：多挖土的一侧阻力小，另一侧可适当少挖土而增加阻力，即可纠偏；及时调整顶镐的工作台数及位置，使两侧顶力不等而达到纠偏目的，实施时逐渐纠正；采用2套不同的液压系统，在顶镐对称布置的情况下，用不等压的方式形成纠偏力矩来进行纠偏。（4）安放顶铁、顶柱要保证轴线一致，长短搭配一致、位置一致。为减少顶柱自由长度和增加稳定性，按每隔4m顶柱长设置一道横梁。每行顶柱间用方木顶紧，顶柱上填一层50～100cm厚的土层并压实。六、结束语在下穿既有铁路大跨度架空顶进箱涵的设计和施工的过程中，我们要根据相关的标准和技术要求进行施工，对关键技术点进行有效的控制，保证施工质量。参考文献[1]王德华．大跨度下穿顶进框架桥线路加固设计[J]．铁道标准设计，2010[2]朱标.下穿既有铁路立交桥施工时的线路加固设计[J].路基工程，2012