中繼間頂進(jìn)法下穿高鐵既有橋墩施工技術(shù)應(yīng)用

占有志

中繼間頂進(jìn)法下穿高鐵既有橋墩施工技術(shù)應(yīng)用

占有志

京臺高速公路（北京段）下穿京滬高鐵框架橋頂進(jìn)施工中，原設(shè)計為“眀挖”，通過計算后改為框架橋頂進(jìn)施工，大大削減了施工期間對于高鐵墩柱的影響，保證了高鐵的運營安全，工程質(zhì)量得到了保證。

一、工程概況

1.京滬高鐵設(shè)計概況

京臺高速公路與京滬高鐵交叉處京滬高鐵下行線運營里程為K36+206.84，公路里程為K18+335.44。交叉處框架橋位于京滬高速鐵路正線區(qū)間段，橋上軌道為無砟軌道形式。京滬高鐵已于2011年6月30日正式運營。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

線路級別：高速鐵路，雙線，線間距5.0m；

設(shè)計速度目標(biāo)值：350km/h；

軌道標(biāo)準(zhǔn)：無縫線路、無砟軌道。

北京特大橋E137～E141號墩位于-1.5‰縱坡及直線上，梁跨采用32m無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力簡支箱梁（雙線）；橋墩均采用雙線流線形圓端實體墩，托盤高2.75m，頂帽高0.25m。

下穿處京滬高鐵運營里程為K36+206.84，本段軌道平順性數(shù)據(jù)如下表所示，各項指標(biāo)均滿足《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》（鐵運〔2012〕83號）的要求。

2.京滬高鐵橋梁對京臺高速公路的工程預(yù)留情況

根據(jù)北京市規(guī)劃委員會2009年4月14日《關(guān)于京滬高鐵與京臺高速公路（北京段）等道路相交處橋跨方案審查的會議紀(jì)要》，要求京臺高速公路（北京段）與京滬高鐵相交節(jié)點處結(jié)構(gòu)物同步實施，并且京滬高鐵E138～E140號墩根據(jù)京臺高速公路施工荷載、運營荷載及縱斷面下埋基礎(chǔ)，做工程預(yù)留。后京臺高速公路（北京段）并未同期施工，京滬高鐵E138～E140號墩施工完后將基坑回填至原地面。

由于京滬高鐵E138～E140號墩基礎(chǔ)施工基坑深13m，施工時采用1.0m鉆孔樁防護(hù)，施工完后鉆孔樁保留在承臺周圍。

3.京臺高速公路與京滬高鐵的位置關(guān)系

京臺高速公路分幅從京滬高速E138～E140號橋孔間以路塹形式下穿，18.75m行車道占壓承臺，E138號承臺占壓0.47m，E139號承臺占壓小里程和大里程側(cè)分別為2.59m、2.48m，E140號承臺占壓0.59m。施工時公路挖深9m。

4.下穿高鐵簡介

京臺高速公路與京滬高鐵交叉處京滬高鐵下行線運營里程為K36+206.84，公路里程為K18+335.44，交叉角度61.5°，道路分幅從京滬高鐵北京特大橋的E138號墩～E140號墩之間穿過。

京臺高速公路下穿京滬高鐵處按雙向八車道設(shè)計，設(shè)計時速為120kg/h。采用兩座1-18.75m正交框構(gòu)，軸向長均為76.06m，分為三節(jié)（第一節(jié)長26m，第二節(jié)長28m，第三節(jié)長22m），中間設(shè)沉降縫。在京滬高鐵南側(cè)防護(hù)開挖頂進(jìn)工作坑，并現(xiàn)澆框構(gòu)，由南往北頂進(jìn)。頂進(jìn)施工時沿著頂進(jìn)方向設(shè)置導(dǎo)向樁。采用中繼間頂進(jìn)法左右幅同時施工?？蚣軜蜃畲箜斄?25500KN，右幅頂程116.0m，左幅頂程90.0m。京臺高速公路（北京段）工程，以框架橋頂進(jìn)的方式下穿京滬高鐵，京臺高速公路與京滬高鐵交叉處京滬高鐵下行線運營里程為K36+206.84，公路里程為K18+335.44，交叉角度61.5°，道路分幅從京滬高鐵北京特大橋的E138號墩～E140號墩之間穿過。

設(shè)計方案為明挖施工，對高鐵無防護(hù)措施，為保證高鐵安全，施工過程中采用“中繼間頂進(jìn)法”，即先后進(jìn)行基坑開挖及防護(hù)樁施工、框架橋制作、頂進(jìn)設(shè)備進(jìn)場調(diào)試、橋體頂進(jìn)及橋體配重、附屬施工。

鑒于設(shè)計方案無法滿足高鐵運營安全，為此經(jīng)過多方論證后決定采用框架橋中繼間頂進(jìn)法進(jìn)行施工。

二、下穿京滬高鐵

1.下穿京滬高鐵箱涵施工措施

（1）開挖工作坑

預(yù)制框構(gòu)的工作坑沿框構(gòu)軸向方向長86m，寬52m，基坑邊緣距離既有京滬高鐵基礎(chǔ)邊緣為35m。地勘報告表明，橋體范圍內(nèi)以粉質(zhì)粘土為主，在底板底以上1.5m處為粉砂，根據(jù)土質(zhì)情況確定邊坡采用1:1開挖，靠近高鐵側(cè)的邊坡采用1∶1.5進(jìn)行開挖。開挖采用2臺270挖掘機(jī)同時開挖，20臺斯太爾自卸汽車運輸土方，土體逐層進(jìn)行開挖。技術(shù)測量人員全程跟蹤測量基底高程及工作坑幾何尺寸，為避免超挖，在機(jī)械開挖至距基底標(biāo)高200mm后，剩余部分采用人工開挖至設(shè)計標(biāo)高?；娱_挖過程中時刻關(guān)注天氣情況，備足塑料布，遇到下雨天氣及時覆蓋基坑邊坡，防止被雨水沖刷。

基坑開挖完畢后，在邊坡四周進(jìn)行掛網(wǎng)錨噴混凝土?；铀闹苡猛炼殉?0cm高土壩，防止地面水流入基坑，沖刷坑壁，距基坑邊2m處設(shè)置30cm深，下口寬30cm，上口寬40cm的截水溝?；娱_挖成型后，周圍外設(shè)置圍欄，并用密目網(wǎng)封閉。同時在基坑周邊以及施工臨時便道設(shè)置警示標(biāo)志。基坑排水采取在基坑四周設(shè)排水溝及集水坑，并由專人負(fù)責(zé)排除基坑積水，嚴(yán)禁積水浸泡基坑。

（2）中繼間鎬窩制作

①鎬窩預(yù)留

第一節(jié)與第二節(jié)中間鎬窩預(yù)留區(qū)：從橋體外側(cè)除去80cm邊墻、30cm下八字、20cm預(yù)留區(qū)，剩余17.75m為鎬窩預(yù)留區(qū)。

第三節(jié)框架橋范圍均可布置頂鎬。

②第一節(jié)與第二節(jié)拖拉封閉鋼板

橋體第一節(jié)與第二節(jié)中繼間拖拉鋼板按照1.2m行程的鎬預(yù)留：縮鎬狀態(tài)下鋼板埋入底板30cm，深入后節(jié)橋體150cm，出鎬狀態(tài)下鋼板深入前節(jié)、后節(jié)橋體均為30cm。

③第二節(jié)與第三節(jié)拖拉封閉鋼板

第二節(jié)橋體與第三節(jié)橋體中繼間拖拉鋼板按照0.6m行程的鎬預(yù)留：縮鎬狀態(tài)下前節(jié)鋼板30cm，后節(jié)鋼板90cm，出鎬狀態(tài)下前節(jié)鋼板、后節(jié)鋼板均搭接為30cm。

（3）橋體壓重

框架橋軸向長度為76.06m，分為三節(jié)，第一節(jié)長26m，第二節(jié)長28m，第三節(jié)長22m，中間設(shè)沉降縫。壓重材料采用80cm碎石道砟，20cm表層填土。第一節(jié)壓重順橋向為22m，橫橋向19.35m，重量為964t，第二節(jié)壓重順橋向28m，橫橋向19.35m，重量為1227t，第三節(jié)壓重順橋向18.75m，橫橋向19.35m，壓重量為760t。

（4）框架橋頂力計算

第一節(jié)（單幅）頂力計算如下：

根據(jù)地堪資料，框架橋持力層土質(zhì)為壤土，計算橋體最大頂力時，按粉砂土取值，計算如下：

P=K［（N1+N2）f2+2Ef3+RA］

式中：P——最大頂力（KN）

N1——橋涵頂部荷載（KN）取N1=9640KN

N2——橋涵箱身自重32260（KN）

f2——箱身底板與基底土的摩擦系數(shù)，取0.8

E——箱體兩側(cè)土壓力（KN）

E1=1/2ξγH2B=1/2×0.25×18×9.3×9.3×26=50 60KN

式中：ξ——靜止土壓力系數(shù) ξ=0.25

γ——土的容重（KN/m3）γ=18

H——計算土層高度 H=8.9m

B——計算寬度 B=20.35m

f3——側(cè)面摩阻系數(shù) 取0.8

R——橋體正面阻力

A1——橋體正面阻力部分面積 A=53.22m2

K——系數(shù)，一般取1.2

所以：P1=K［（N1+N2）f2+2Ef3+RA］=1.2［（9640+32260）×0.8+2×5060×0.8+200×53.22］=52260KN

第二、三節(jié)(單幅)頂力計算如下：

根據(jù)地堪資料，框架橋持力層土質(zhì)為壤土，計算橋體最大頂力時，按粉砂土取值，計算如下：

P=K［N1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA］

式中：P——最大頂力（KN）

N1——橋涵頂部荷載（KN）取N1=1987KN

N2——橋涵箱身自重6918（KN）

f2——箱身底板與基底土的摩擦系數(shù)，取0.8

E——箱體兩側(cè)土壓力（KN）

E1=1/2ξγH2B=1/2×0.25×18×9.3×9.3×50=97 30KN

式中：ξ——靜止土壓力系數(shù) ξ=0.25

γ——土的容重（KN/m3）γ=18

H——計算土層高度 H=8.9m

B——計算寬度 B=20.35m

f3——側(cè)面摩阻系數(shù) 取0.8

R——橋體正面阻力

A1——橋體正面阻力部分面積 A=53.22m2

K——系數(shù)，一般取1.2

所以：P1=K［（N1+N2）f2+2Ef3+RA］=1.2［ （69180+19870）×0.8+2×9730×0.8+ 200×53.22］=117230KN

（5）橋體頂進(jìn)

框構(gòu)箱涵分為兩個單獨的橋涵進(jìn)行頂進(jìn)，每個橋體分為三節(jié)，頂進(jìn)順序為：

第一節(jié)—第二節(jié)—第一節(jié)—第三節(jié)—第二節(jié)—第一節(jié)

如此往復(fù)，能夠減少回稿時間，加快施工進(jìn)度。頂進(jìn)過程中每鎬行程為50cm，高鐵不限行，在頂進(jìn)的過程中,箱身每前進(jìn)一個頂程,即要對箱身的軸線和高程進(jìn)行觀測,并做好記錄,發(fā)現(xiàn)偏差及時通知指揮人員采取措施,進(jìn)行糾偏。

（6）頂進(jìn)設(shè)備配備（單幅）

①根據(jù)橋體中心線與線路夾角及橋體持力層的地質(zhì)情況，通過計算對橋體進(jìn)行合理配置頂鎬。

第一節(jié)橋體自重為3226t，橋體配重為964t，合計為4190t，按照1.5倍系數(shù)考慮，需布置18臺500t級的千斤頂（頂鎬有效系數(shù)取0.7），合計頂力6300t。

第二、三節(jié)橋體自重為6918t，橋體配重為1987t，合計為8905t，按照1.5倍系數(shù)考慮，需布置38臺500t級的千斤頂（頂鎬有效系數(shù)取0.7），合計頂力13300t。

②根據(jù)頂力需要，第一節(jié)框架橋采用流量為120L/ min的高壓油泵2臺，第二、三節(jié)框架橋采用流量為120L/ min的高壓油泵3臺。

③第二、三節(jié)框架橋頂進(jìn)時連接板每隔6m設(shè)一道，斷面尺寸（0.4×0.4m）；大橫頂梁每12m設(shè)一道，斷面尺寸0.55×0.6m。

④頂鐵長度由6.0m、4.0m、2.0m、1.2m、 0.6m、0.3m、0.2m組成，斷面尺寸0.4×0.4m。頂鐵拆裝，采用吊車配合。

⑤根據(jù)橋體頂進(jìn)土方數(shù)量，東西兩側(cè)分別安排2臺270挖掘機(jī)、3輛鏟車、5輛自卸翻斗車。

（7）啟動（試頂）

①頂進(jìn)的實施是整個工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，正式頂進(jìn)前必須進(jìn)行試頂。試頂頂力不能過大，一般是橋結(jié)構(gòu)自重的0.6～1.0倍，開始啟動時不能突然增到此數(shù)值，應(yīng)使頂鎬同步逐漸加壓，每升壓一次要穩(wěn)定幾分鐘,并派專人對設(shè)備及滑板后背和框構(gòu)進(jìn)行檢查， 如一切正常，方可加壓正式頂進(jìn)。在加壓過程中如油表突然下降，表明框構(gòu)與滑板脫離，框構(gòu)開始向前移動。

②框架橋空頂距離為左幅為20.7m，右幅為46.6米，空頂位置前檐距離京滬高鐵投影邊緣為23m。

③空頂時嚴(yán)格控制方向和高程，防止橋體進(jìn)入線路后給糾偏工作帶來困難，根據(jù)每一鎬的測量結(jié)果，控制底板船頭坡和刃角的吃土量來保證高程的穩(wěn)定性。

④空頂就位后前掌子面暴露時間較長，為了保證京滬高鐵線路的安全，空頂最后一次挖土?xí)r，開挖的土方要全部留在框架橋內(nèi)，在橋體空頂就位后利用橋內(nèi)預(yù)留的土方堆放于前掌子面，保證路基的穩(wěn)定性。

（8）頂進(jìn)及挖土作業(yè)

①開鎬頂進(jìn)是現(xiàn)場頂進(jìn)工作的中心環(huán)節(jié)，要求各部門必須嚴(yán)密組織，統(tǒng)一指揮，協(xié)調(diào)好出土和頂進(jìn)的關(guān)系。并在每次開鎬前對設(shè)備、前端清土情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢查，確認(rèn)一切正常后再開鎬頂進(jìn)。

②第一節(jié)完成一個頂程后回鎬，開始頂進(jìn)第二、三節(jié)，頂進(jìn)二三節(jié)時增換不同長度的頂鐵，頂鐵增換完成后打楔子頂緊，再次以二三節(jié)作為后背頂進(jìn)第一節(jié)箱體，如此往復(fù)，直到頂進(jìn)就位。

③頂進(jìn)時間，利用列車運行間隔進(jìn)行，執(zhí)行四不頂制度，即：列車通過時不頂；后背傾斜或嚴(yán)重變形時不頂；頂柱發(fā)現(xiàn)扭曲時不頂；頂進(jìn)超過偏差且無措施時不頂。

④在頂進(jìn)時，要與工務(wù)段監(jiān)護(hù)人員及鐵三院監(jiān)測人員密切配合，在橋頂板后端設(shè)配電箱一個，控制油泵及電鈴，開關(guān)要標(biāo)明“油泵”與“電鈴”字樣，頂進(jìn)作業(yè)人員用對講機(jī)聯(lián)系，并且呼喚應(yīng)答，當(dāng)有列車通過時，監(jiān)護(hù)人員用對講機(jī)通知司泵人員并按響電鈴，司泵人員立即停止頂進(jìn)，如果電鈴響后橋體還繼續(xù)頂進(jìn)，監(jiān)護(hù)人員可切斷油泵電源。

⑤挖土運土作業(yè)：采用機(jī)械挖土，人工清槽刷坡并配合裝載機(jī)、自卸汽車的作業(yè)方案，堅持四不挖制度，即：列車通過時；橋體頂進(jìn)時；發(fā)現(xiàn)塌方跡象時；機(jī)械發(fā)生故障時。

⑥頂進(jìn)挖土順序：為了避免頂進(jìn)時橋體兩側(cè)坍塌，兩側(cè)刃角墻體部位采用人工提前挖土，防止橋體兩側(cè)由于吃土過多造成兩側(cè)土體坍塌，人工挖時，墻體厚度為1.0m，人工挖土寬度為0.8m，兩側(cè)墻體吃土為0.2m。挖掘機(jī)開挖土方后，裝載機(jī)開始清運洞內(nèi)土方，土方挖運完成刃角清除完畢后馬上開始頂進(jìn)。

⑦根據(jù)土質(zhì)情況，嚴(yán)格控制上開口開挖量控制在2～1.8m之間，下開口不大于1.2m，并要有坡度，必須為順坡且不陡于1∶0.7。

⑧挖土坡度與刃角相符，挖土坡度平順整齊，同時挖土與測量工作密切配合，根據(jù)框架的偏差情況及時改變挖土方法。

⑨為避免挖土作業(yè)時超挖，橋體懸臂板以上土體要先用人工戳穿至前懸臂板以下，方便挖掘機(jī)司機(jī)看清位置，同時要派專人指揮挖掘機(jī)作業(yè)，每臺挖掘機(jī)要由兩名人員指揮，即：地面一個，箱體內(nèi)一個，用對講機(jī)呼喚應(yīng)答，密切配合。嚴(yán)格控制超挖危及行車安全。

三、施工監(jiān)測方案

1.規(guī)范要求

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）規(guī)定橋梁墩臺基礎(chǔ)工后沉降值如下：

沉降類型 橋上軌道類型 限值有砟軌道 30mm墩臺均勻沉降無砟軌道 20mm有砟軌道 15mm相鄰墩臺沉降差無砟軌道 5mm

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）對高速鐵路橋梁的墩頂?shù)臋M向水平變形量給出了明確要求：第7.3.9 條給出墩臺橫向水平線剛度需要滿足高速行車條件下列車安全性和旅客乘車舒適度的要求，并應(yīng)對最不利荷載作用下墩臺頂橫向彈性水平位移進(jìn)行計算。

在ZK活載、橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于1.0‰弧度。

2.監(jiān)測方案

監(jiān)測范圍：E134#墩～E144#墩，共11個橋墩。

監(jiān)測項目：1）橋墩自動化沉降監(jiān)測；2）橋墩人工沉降監(jiān)測；3）橋墩自動化水平變形監(jiān)測；4）防護(hù)樁冠梁頂沉降監(jiān)測

3.預(yù)警值

監(jiān)測內(nèi)容 黃色預(yù)警值（mm）橙色預(yù)警值（mm）紅色預(yù)警值（mm）沉降監(jiān)測 1.8 3.2 3.7水平變形監(jiān)測 1.8 2.5 2.8

四、施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1.基坑開挖對橋墩變形的影響

京臺高速公路下穿京滬高鐵工程于2016年5月7日開始開挖基坑，至5月13日完成大部分基坑開挖工作，至5月20日基坑全部開挖完成?；娱_挖全過程我方跟蹤進(jìn)行了持續(xù)的橋墩變形觀測和數(shù)據(jù)分析。

現(xiàn)場基坑開挖的形狀如下圖所示，現(xiàn)場基坑開挖深度為10m，放坡開挖，放坡坡度為1∶0.6。

對139#橋墩的分析后，在5～14日其差異沉降日變化量達(dá)到0.25mm，與此同時，差異沉降量達(dá)到0.74mm。隨后在基坑開挖完成并進(jìn)行壓重后，差異沉降值趨于穩(wěn)定，建議后續(xù)施工時應(yīng)控制節(jié)奏，避免京滬高鐵橋墩產(chǎn)生過快的變形，防范安全風(fēng)險。

2.橋下堆土對橋墩變形的影響

為了降低基坑開挖對京滬高鐵變形的影響，2016年5月15日在京滬高鐵橋下進(jìn)行了堆載反壓，反壓范圍為140#橋墩～142#橋墩，反壓范圍140～141#橋墩處上寬5.9m，下寬10.1m，長度16.5m，高3m；141～142#橋墩位置處上寬6.7m，下寬11.2m，長27.5m，高3m，堆載方量1100方。

橋下進(jìn)行堆載反壓后，監(jiān)測值顯示141#橋墩沉降值為1.53mm，理論計算值為1.31mm，理論值與監(jiān)測值趨勢較為一致，吻合較好。

3.框構(gòu)澆筑對橋墩變形的影響

框構(gòu)澆筑后，監(jiān)測值顯示141#橋墩的沉降值為0.43mm，理論計算值為0.51mm，二者趨勢較為一致，吻合較好。

五、結(jié)語

采用中繼間頂進(jìn)法下穿高鐵，對高鐵影響降到最小，既保證了施工進(jìn)度，同樣保證了高鐵施工安全，在框架橋頂進(jìn)到位后，經(jīng)過監(jiān)測，沉降、位移均在可控范圍之內(nèi)，說明該方法在高鐵下穿工程中是可行的，對于下穿高鐵工程開辟了一條道路，為以后類似工程，提供借鑒。

（作者單位：中鐵六局集團(tuán)有限公司）