第二节 桥涵顶进施工

桥涵顶进施工中铁二十四局集团一、顶进施工工艺原理•1、原理：框架式立交桥或圆管涵顶进施工，就是在既有线路（在运营的铁路或公路）的某一侧（一般选择在上坡段，防止顶进时出现扎头现象）开挖工作坑，现浇滑板（管涵顶进采用安装导轨），在滑板上浇筑钢筋混凝土结构，修筑后背，同时对既有线路进行加固，安装顶进设备，当顶进前方挖土完成一个顶程后，开启高压油泵，使顶镐产生顶力，通过传力设备（顶铁、顶柱和横梁），借助于后背的反作用力把预制结构向前推进，待顶进一个顶程后，在空挡处安放顶铁，挖运出土另一个顶程距离，以待下次开顶，如此循环进行，直到整个预制结构顶进就位为止。如图1所示。图1框架结构顶进示意图2、发展历程及特点（1）历程简介•顶进施工工艺首次推广应用是在1986年的苏家屯北九路7号铁路框架立交桥（6m-15.5m-6m）施工，取得了比较好的经济效益和社会效益；•1987年顶进施工方法获得原铁道部工程指挥部（现为中国铁道建筑总公司）科技成果三等奖；•随后在哈尔滨铁路枢纽哈双联铁路立交桥、新城子站北铁路立交桥、张家口至沙岭子站间铁路立交桥工程中应用实践，进一步总结提高，形成了成熟的顶进工法。（2）顶进施工方法的特点•对线路运输干扰时间短，不中断行车，能保证线路在既定限速下正常运营；•能保持路基完好和稳定，减少线路恢复工序，相对于其他方法而言，不必修建临时便线和迂回线；•占地拆迁少，减少大量的土方和线上工程；•预制结构整体好，刚度大，便于顶进施工，而且抗震性能良好；•基底应力小，基本不受地基地质条件的限制，受气候条件的影响也较小，二、顶进施工工艺的适用范围•在处理旧线既有桥涵病害需要扩建或增建新桥涵时；•既有铁路和公路的平交道口需要改建成立交时；•客运量大的车站需要增设的地道；•农田灌溉需要增建穿越铁路的过水桥涵；•各类填筑的路基和路堤。三、桥涵顶进施工工艺施工准备开挖工作坑修筑滑板预制框架结构修筑后背安装顶进设备设备调试、试顶顶进就位筹制顶进设备井点降水建立组织机构通讯联络轴线高程观测线路加固安装检查挖、运土拆除顶进设备模板制作加工框架钢筋施工工艺框图端翼墙与铺砌施工采用板桩为后背时，应在开挖工作坑之前施工完毕顶进施工工艺技术要点1、施工准备（1）人员安排（2）施工相关材料准备（3）施工机具准备（4）轴线及高程测量与复核（5）顶进施工专项技术方案的编制（6）场地“三通一平”及排、降水安排（7）外协工作（8）既有的线路临时加固（9）调查施工区域地下管线、电缆及其它障碍物情况、施工区域线路列车通过的次数、间隔时间、股道数、道岔及其使用性质，线间距及高程情况；2、开挖工作坑（1）开挖前的降水及临时排水措施①若工作坑基底标高位移地下水位以上，工作基坑开挖之前，宜采用井点降水，将地下水位降至基底标高以下0.5~1.0米；②降低地下水位时，确保附近既有建筑物的稳定，尤其是对既有线路水平位移及高程的监测；③在多雨地区无法避免雨期施工时，应设置顺畅的排水设施，同时备有防洪及线路抢修的措施；（2）工作坑位置的选择主要根据现场的地形地貌、场地大小及土质情况等全面考虑，在框架涵的轴线上选择挖填方少，顶进长度短的既有线路一侧位置作为工作坑的平面位置。（3）工作坑平面尺寸的确定方法①一般由底板的尺寸确定，工作坑的底板尺寸建议按照下式计算：长度=框架结构底板长度+顶镐长度+横梁厚度+后背地梁厚度+0.3m宽度+框架结构底板宽度+2×方向支墩宽度+0.2m+2×排水沟宽度工作坑顶边距最外侧铁路中心线不得小于3.2m，或至铁路外侧钢轨的距离最小不小于2.5m；②工作坑开挖标高：框架结构底板底面标高H-滑板厚度（含润滑层厚度）-垫层厚度；（4）工作坑开挖①工作坑开挖边坡：原则上工作坑两侧边坡按照土质情况确定，一般取1:0.75~1:1.5，靠近铁路路基一侧的边坡可缓于1:1.5，以保证既有线路路基的稳定；②采用机械开挖时，应预留20cm厚土层在垫层施工前人工开挖；3、修筑滑板（1）滑板要满足桥涵主体结构与顶进所需强度及稳定性要求；（2）滑板中心线与桥涵中心线应一致；（3）滑板与地基接触面应有防滑措施，必要时在滑板下设置锚梁；（4）一般情况下根据地质条件及顶进距离，将滑板顶面做成前高后低的上坡；（5）滑板两侧设置导向支墩；（6）滑板的结构形式又两种：一种是滑板与后背梁连成整体，另一种是滑板与后背梁分离，施工时根据具体情况选择；4、框架桥涵预制框架桥涵混凝土工程施工应符合相应的规范要求外，与顶进施工有关的技术要点有：（1）框架涵预制施工前，在滑板顶面铺设润滑隔离层；（2）框架涵两侧前端2m范围内的外模，可向外加宽1cm，及框架涵拆模后，前端轮廓宽较后端轮廓宽2cm，严禁出现前窄后宽的楔形现象；（3）框架涵预制与刃角安装完成后，应设置防水层，外表进行润滑处理，以减少顶进阻力；（4）顶进过程中，为方便调整高程，框架涵底板前段底部宜设置成船头坡；5、修筑后背后背主要是承受顶进时的水平顶力之反力的临时结构物，它是保证工作顺利进行的重要设施，直接关系着顶进质量。因此，必须保证后背要有足够的强度和稳定性，并且在出现最大顶力时，还有适当的安全储备。后背的形式有：板桩式、重力式和拼装式，常用形式主要是前两种，即：板桩式和重力式后背。（1）板桩式后背：在工作坑土方开挖之前施工。①板桩打入的深度及排数应符合设计计算的要求；②板桩材料：钢轨及工字钢等热轧型钢；③板桩施工---锤击法，宜重锤轻击施工；为确保板桩打入的垂直度及平面位置准确，可以选择双层围檩打桩法或履带式打桩机打桩；板桩的质量控制指标：桩的垂直偏差、平面偏差、桩间咬合质量、桩端标高、桩身质量的完好性等。钢桩后背示意图(2)重力式后背由后背墙、钢筋混凝土垫梁和后背填土构成，常用的重力式后背墙，由浆砌块石砌筑而成。后背一般是在工作坑挖好后进行压实，达到压密程度，保证填土的内摩擦角在25°~30°以上。在顶入工序结束后，拆除工作较前两类后背要简便得多，不需要打桩架和起重吊车等大型设备，而且拆下的石块仍可供其它砌筑工程使用，所以造价低廉，特别是在容易采集石料的地区，应当尽量使用重力式后背结构，以便提高经济指标，不过这种后背的单位长度顶力不宜超过700~800kN／m2。重力式后背6、顶进施工技术要点（1）应根据计算的最大顶力确定顶进设备，千斤顶顶力可按照额定顶力的60%~70%计算，并配备备用千斤顶；（2）顶进之前应检查：①顶进的液压系统、顶进设备检查；②主体结构混凝土是否达到设计强度，防水层及保护层是否已经按照设计完成；③线路加固、后背及各类施工机械是否符合顶进专项技术方案的要求；④劳力组织及观测、试验人员分工是否明确；⑤复核顶铁与顶力轴线是否一致，是否与横梁垂直；⑥与运营部门协商确认的施工安排、线路防护监测抢修人员及通信、照明等是否准备就绪；⑦顶进轴线及高程复核。（3）试顶①开启油泵后，每当油压升高5~10MPa，应停泵观察，发现异常及时处理；②当千斤顶活塞开始伸出，顶柱（铁）压紧后应即停顶，检查各部位无异常现象时，再开泵顶动桥身；③试顶时重点检查的部位：后背、滑板、油压系统（尤其是油路的接头处）、桥涵结构（尤其是千斤顶后座与结构接触部位是否出现局部压应力过大）。（4）顶进施工①第一阶段：在滑板空顶至刃角接触路基边坡时，停止顶进；②第二阶段：开始挖土运土，当刃角前方挖土达到一个顶程（根据顶镐行程长度而定），开启油泵，推动框架桥涵前进一个顶程，停止顶进，安放相应长度的顶铁，如此反复直至框架桥涵就位；③桥涵主体顶进就位以后，及时施工端翼墙和防护工程，恢复线路行车；④顶进过程注意事项：•由于顶进速度主要取决于挖土运土速度，所以尽量采用机械挖、运土；•顶进所采用的液压系统应采用两套不同的系统，在顶镐对称布置的情况下，可以用不等压的方式形成纠偏力矩进行纠偏；•挖土时，每次掘进深度应视土质情况及有关要求而定，每次一般进深20~50cm，在土质松散或软塑土层顶进时严禁超挖，必须保证刃角切入土层内10cm以上；•每完成一个顶程，要进行一次水准测量，方向观测以框架桥涵中心线基桩为原点，用高精度经纬仪在顶进过程中连续观测，及时纠偏；•控制顶镐的着力点，使顶镐的合力低于或高于摩阻力的合力，对防止框架“扎头”和“抬头”能起到一定的在作用；•加固线路，应保持轨道电路的正常状态，在无缝线路地段，需变更锁定范围，应与相关部门协商后方可施工；•列车通过时，严禁继续开挖，人员应撤离开挖面1米以外，施工过程中应按照《铁路技术管理规程》的规定对行车作有效的防护；•顶进过程中，应随时观测既有路基、线路和顶进桥涵状态的变化，确保既有线路轨距、水平及方向的正确。（5）涉及到的相关规范规程《客运专线铁路桥涵施工质量验收暂行标准》[铁建设（2005）160号]《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》[铁建设（2005）160号]《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》（TB10424-2003）客运专线铁路有关施工技术指南及技术条件；《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》（TZ213-2005）《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》[铁科技（2004）120号]《客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件》[科技基（2005）101号]《铁路技术管理规程》四、桥涵顶进设计计算1、主要计算内容（1）顶力计算（2）后背计算（3）顶进开挖过程中，最不利情况下的既有路基边坡稳定计算（4）便梁支墩检算（以24mD型便梁为例）1、顶力计算顶进桥涵的顶力大小，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照下式计算：]2)([322111RAEffNNfNKP；最大顶力，式中：KNP---；路加固材料荷载），桥涵顶上荷载（包括线KNN1；为涂机油调制的滑石粉浆，涂滑石粉浆为涂石蜡为值：料，可采用下列参考数摩擦系数，若无试验资桥涵顶面与顶上荷载的2.0,30.034.0~17.01f；，荷载包含桥涵内部临时施工桥涵自重KNN)(2；系数，采用；钢刃角的正面积，卵石土为砂粘土：数值试验资料可以按照下式钢刃角正面摩阻力，无；资料可以取侧面摩擦系数，无试验；桥涵两侧土压力，；以取擦系数，无试验资料可桥涵底板与基底土的摩2.1m;a1700~1500;550~5008.0~7.08.~7.0232KAKPKPaRfKNEf）；设计的最大顶力（）；每台顶镐的设计顶力（；顶力利用系数，一般取顶镐数量；式中KNPKNPKnPnKPiimaxmax7.0~6.0确定顶镐数量：根据计算出的最大顶力，按照下式确定顶镐数量——说明：顶镐的选择应根据实际的最大顶力，选择能满足其要求的相应的规格型号，高压油泵一般选用工作油压较高的，并与顶镐要求的油压相适应，同时与附属的设备配套！2、后背计算板桩后背计算（1）钢板桩长度的确定钢板的长度L=h1+t1,由于精确确定土压力的分布规律很困难,一般用近似土压力分布图形确定(见图)。当挡土墙向前或平移时,墙后的土压力逐渐小。土压墙所受压力称为主动土压力,其合力用Ea表示,图(abe)为主动土压力。图中(cbd)为被动土压力,其合力为Ep1,它在板桩下端不起作用,计算时假定在b点,实际起作用在b点以上一段距离。因此在最后求得板桩入土深度后,再适当增加10%~20%。悬臂式钢板桩示意图悬臂式板桩挡土墙的破坏,一般是绕b点以上某点O转动,这样在O点以上的前侧及O点以下的板桩后侧将产生被动土压力Ep1,Ep2,在板桩后侧及0点以上部分将产生主动土压力Ea,各力对b点取矩可得下式:（2）板桩最大弯矩截面的确定板桩最大弯矩截面的深度为t0,此处剪力为0,则:即每延米板桩墙处最大的弯矩值为:按照最大弯矩值，最终确定每延米板桩数量及截面型号。重力式后背计算根据《肆桥8030》-II抗力分析公式，重力式后背设计中，一般采用朗金被动土压力理论计算被动土压力。根据朗金土压力理论假定：胸墙竖直，墙背是光滑的，填土与墙顶平，满足上述条件时，朗金被动土压力公式为：)245(02rhtgP