桥式盾构法顶进技术在峰福线下穿立交桥施工的应用

李贤桂

(南昌铁路局南平工务段路桥技术科，福建南平353000)

1 工程概况

工程位于峰福线K154+688建阳站福州端的道岔咽喉区，北通建阳市西城开发区，南连市区道路。桥位处为峰福电气化铁路，路基为路堤形式。

立交桥主体采用框架结构，强度为C 40、P 8抗渗钢筋混凝土；孔跨布置为1-11 m(人行道2 m+行车道7 m+人行道2 m)×4.5 m(净高)，框架桥全宽12.80 m(边墙为0.9 m)，全高6.9 m(顶板0.7 m，底板0.9 m，排水沟0.8 m)，见图1。

框架桥全长17.50 m，主要跨越的线路有建阳站正线(Ⅱ道)，安全线以及3道(图2)。主要铁路设备有4#、6#、10#道岔，信号机、光电缆、铁路电力接触网设施；出入口两侧设置8.0 m C 40、P 8抗渗钢筋混凝土U型槽。

为保证铁路不中断行车，框架桥采用桥式盾构法顶进施工，从左向右顶进，顶程31.7 m，设计最大顶力为5 688 t。

图1 峰福线K154+688处1-11.0×4.5 m(宽×高)下穿立交桥

2 施工方案

为确保施工期间线路不中断行车的稳定、安全快速，本框架桥采用桥式盾构法顶进框架桥掘进支护线路，并为框架导向，框架顶推采用液压推进设备。顶进期间，为了防止局部道碴出现意外塌落影响行车安全，线路采用P 50轨简易扣轨，纵向轨束2+3扣，横向采用1+2扣，每隔2条轨枕穿1束，并扣紧于两纵向轨束上部，不扰动既有道床结构，确保既有线的稳定。

图2 峰福线K154+688立交框架平面图

2.1 桥式盾构法构造原理

“桥式盾构法”在保留传统顶涵施工、桥涵结构路侧预制工艺的基础上，对结构顶进支护方法进行了重大改革，将明挖开槽改为地下暗挖盾构支护，从而使露天预制保证了结构质量，暗挖推进减低了施工时对行车的影响。

桥式盾构由预埋件、墩柱、主梁、子盾构箱、子盾构、减阻板、反拉系统、盾壳、液压推进系统等部分组成。盾构的横向截面成简支梁桥形，其外廓尺寸与刚架桥外廓尺寸基本相同，装配在第一节框架桥前端。跨中滞后挖掘的中心土从盾构入土直到出土前均保持1∶0.75坡比，并滞后子盾构掘进面8 m左右开挖，它与盾构共同平衡周边土压，成为子盾构箱的强大支护体系，作为带土顶进时掘进面与路基的施工支护，同时盾构也起担负顶推导向作用。

2.2 桥式盾构法施工技术原理

2.2.1 提前支护原理

子盾构在油压顶推系统的顶推下切入土体40 cm后，提前支护盾构上土体，将子盾构箱前的土体及墩柱前的土体采用人工开挖掘进40 cm，子盾构箱下的中心土采用机挖人修的方法掘进40 cm，然后顶进框架使框架与盾构体整体迁移40 cm，形成框架的一次顶进循环。当整个盾构全部进入路基后形成提前支护。

2.2.2 中心土原理

由于子盾构箱顺线路方向未设受力构件，故在子盾构箱下及墩柱两侧的土体不能全部挖掉，只能按剪力板的坡度挖掉超过剪力板的土体，每次40 cm，该土体称为中心土。承受子盾构箱及其列车的动荷载和线路土体的静荷载，保证盾构的稳定。

2.3 本项目桥式盾构顶进布置

本项目盾构母体包括预埋件、墩柱、4榀主梁和盾壳，每榀主梁高1.3 m、宽0.6 m、长12.832 m，主梁安装的中对中间距为1.2 m，榀与榀间用I 28B工字钢焊接后并与各墩柱焊接成整体钢结构桥梁，墩柱与主梁连接成多门字形。盾壳由16 mm厚钢板制作，分顶板、侧板包裹在主梁顶部与墩柱外侧。子盾构的子盾构箱高度1.3 m与主梁相同。在每格子盾构箱的上导梁中装有一台子盾构；前置的第一榀主梁下设置盾构爬升纠偏板，子盾构箱安装在盾构母体的前端，在各子盾构顶部后端连接着一条与其等宽度的减阻薄铁板，板面靠前端设置有上刃口，为铲除土体欠挖量用，箱盖板刃口为防止减阻板卷曲之用。

盾构母体中的子盾构由液压系统控制，单台组错开推进，担负减阻板的牵引及掘进面的小断面化，增强了开挖面的稳定性，被牵引的减阻板则将上部摩擦力分散。刚架桥推进前顺坡清除底板前方部分中心土体，盾构母体随刚架桥同步推进时，子盾构原推出部分被掘进面土体阻挡与子构箱体作相对运动，套回箱内，完成一个盾构掘进工作循环。

子盾构前开横槽，墩柱前开竖槽的挖掘方式，开挖长度40 cm左右为一工作循环。开挖面积为子盾构箱与各墩柱截面积。由于各开挖面积小，土压较易平衡。伸入梁跨内的中心土滞后与槽若干米至阻挡框架桥底部时才开始进行挖掘，开挖长度为1 m左右，即小断面完成3个工作循环中心土开挖一次，并始终保持滞后于1∶0.75以上的开挖坡度，使开挖面土体保持天然的自稳能力，成为掘进面的强大支护体系(图3)。循环作业顶进框架桥到达设计位置。

图3 施工现场

2.4 施工顺序

施工顺序见图4。

图4 桥式盾构法施工顺序示意

3 顶力分析及顶进设备布置

本框架桥为正交，桥体自重大。另外本桥横向跨度12.8 m，纵向长度17.5 m，横向跨度与纵向长度的比值约为3∶4，桥体宽长比相差不大，顶进纠偏困难相对较小。在顶进施工前，进行顶进受力分析，并根据受力分析的结果合理确定顶进设备的布置方式。

3.1 所有顶进框架的重量

本工程主体结构、三角块、U形槽、桥顶防水保护层混凝土方量为868 m3，加上桥式盾构结构重120 t，根据相关规范计算，所有顶进框架的重量为2 638 t。

3.2 桥体最大顶力计算

顶进桥涵的顶力，应根据顶进长度、土的性质、地下水情况、桥涵外形及施工方法等因素按下式计算：

P=K[N1μ1+(N1+N2)μ2+2Eμ2+RA]

式中：N1为桥上荷载，N1=既有线设备重量+加固荷载=4.5 t/m2×224=1 008 t；μ1为桥涵顶面与顶上荷载的摩擦系数，取μ1=0.3；N2为桥涵自重，N2=2638 t；μ2为桥涵底板与基底土的摩擦系数，取μ2=0.8；E为桥体两侧土压力，经计算E=498.8 t；μ3为侧面摩擦系数，一般取0.7～0.8，取μ3=0.8；R为盾构正面阻力，对于粉质粘土，取R=350 kPa；A为盾构正面积，按照设计资料计算可得A=33 m2；K为系数，采用1.1。

经计算，P=5 688 t。

3.3 顶进设备布置

假设顶进施工时，每侧的顶力集中在桥式盾构的中心线(平行于桥体中心线)，本桥为正向顶进，两侧土体侧压力均垂直于桥体顶进方向，即桥体中心线。假定桥体转动点为桥主体底板形心，如图5所示。

图5 桥体顶力计算简图(单位：m)

假设两侧土体摩擦力、顶底板摩擦力均相互抵消。M=Fl×3.2-F2×3.2。桥体顶进需要控制的就是使M=0，这样就可以保证桥体的中心线按照预定要求进行顶进。

3.4 实际顶进施工时顶力情况及纠偏效果

本框架桥启动时顶力为2 400 t，桥体前端没出滑板前，正常顶力为2 000～2 400 t，为自重的0.76～0.91。当桥体全部入土时，为顶力最大情况，此时E1=E2=498.8 t，此时最大顶力P=5 688 t，即F1+F2=5 688 t。经计算可得，F1=F2=2 844 t。本工程顶进设备假定全部采用顶力为500 t的液压顶机，使用顶力按照80%计算，即使用顶力为400 t，按照以上计算出的顶力，则需要配制液压顶机数量为：左侧N1=2 844/400=7(台)；右侧N2=2 844/400=7(台)。实际施工中左侧顶进三角块配5台500 t、3台400 t液压顶机，右侧顶进三角块配5台500 t、3台400 t液压顶机。500 t、400 t液压顶机的使用顶力可达400 t、320 t，可供最大顶力为400×10+320 t×6=5 920 t。

进入路基之后的正常顶力范围在2 500～5 600 t之间，就位前最大顶力为5 600 t，此时底板右侧及右侧刃角全部吃土，因此顶力较大，但未超出设计最大顶力。顶进就位后，高程偏差最高偏高18 mm，最底偏低8 mm，平均比设计高8 mm；中心线前端左偏1，后端左偏1 mm。

4 施工注意事项及控制措施

4.1 顶进纠偏

盾构纠偏是掘进人员(包括挖机司机)按指挥人员发出的掘进指令，对子盾构、墩柱底板下及两侧土体进行超挖或欠挖土，不断改变各部位土应力来完成。

框架桥左右方向的纠偏利用油压顶非均衡使用来完成，水平高程纠偏为调整桥式盾构运行轨迹来达到效果。

4.2 防水层保护与减阻 为防止道床对防水层及框架顶面的破坏，在框架桥顶部沿轴线方向通长设置扁铁。该扁铁横向中心间距为100 mm。前端与盾壳顶板尾端焊接固定，后端摆放于框架桥顶板上呈自然状态(顶进过程中会被拉直拉长，故尾端不能固定)，扁铁随盾构牵引前进。

4.3 施工监测

框架桥推进施工的全过程中，盾构及框架桥运动中线、水平的测量和线路轨道的监测非常重要，对每一顶进循环的测量数据绘制成框架桥推进轨迹图进行分析研究，用于科学指导框架桥的掘进与纠偏。

4.4 防止盾构刚进入土体的载头

为控制盾构由于自重影响在进入土体时顺势下沉，应启动反拉系统进行抬升，随后顶推框架桥的同时启动反拉系统，防止载头，有效地控制路基和轨道的沉降变形。

4.5 控制框架桥顶进时横移

为控制框架桥顶进时横移，必须做到顶推框架桥与反拉系统同步。严格听从指挥，时间以秒控制，保证顶推框架桥与反拉系统同步。

5 结论

既有线下穿立交桥工程施工，可造成路基和轨道的沉降变形，如轨道的轨距、水平、高低的几何尺寸的变化、扣件松动等，进而造成“三角坑”、“暗坑”、“吊板”等病害，尤其是在道岔区顶进施工，还会造成岔区断面破坏、尖轨不密贴、道岔扭曲，危及行车安全。

桥式盾构法适用于下穿多股道铁路线路、大跨度立交框架桥的顶进施工，解决了施工便梁跨度无法满足线路架空要求的顶进框架桥施工，可防止路基面的过量变形及由此带来的轨道过量位移对行车安全的影响，只要施工方法得当，可确保线路边运营边施工，最大限度地降低下穿立交施工对运输的影响。