趙立財(cái)

(中國鐵建十九局集團(tuán)有限公司,北京 100176)

大跨徑框架隧道中繼間頂進(jìn)既有鐵路施工技術(shù)

趙立財(cái)

(中國鐵建十九局集團(tuán)有限公司,北京 100176)

中繼間頂進(jìn)技術(shù)是框架隧道下穿既有鐵路一種安全可靠的施工方法,依托廈漳公路(廈門段)東孚雙洞隧道工程,系統(tǒng)說明在既有線鐵路下方修建大跨徑隧道線路加固及頂進(jìn)技術(shù)的各種問題,說明了提高公路隧道下穿既有鐵路安全系數(shù)采取中繼間頂進(jìn)技術(shù)的必要性,挖孔樁結(jié)構(gòu)選型與承重力檢算的必要性,架設(shè)24 m D型便梁+Ⅰ56型鋼縱、橫抬梁加固鋼軌的設(shè)計(jì)與設(shè)置原則和施工工藝,并強(qiáng)調(diào)了框架隧道中繼間頂進(jìn)施工技術(shù)與施工監(jiān)測技術(shù)的重要性。

框架隧道;中繼間頂進(jìn);既有鐵路;施工

近年來隨著高速鐵路、高速公路得以持續(xù)快速發(fā)展,在施工中經(jīng)常會碰到高速公路穿越既有高速鐵路路基的工程,為保證穿越的公路及既有鐵路線路運(yùn)營的安全,需修建框架隧道。但在既有線修建框架隧道最大的不同在于保證鐵路行車,施工中,既要兼顧工程進(jìn)度并保證工程質(zhì)量,更要保證行車和施工安全,還要盡可能減少對鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_。因此,開展了“頂進(jìn)框架隧道施工技術(shù)”的專項(xiàng)研究,對確保既有高速鐵路安全營運(yùn),具有十分重要的意義。

本文以廈漳公路(廈門段)東孚隧道工程下穿既有廈深鐵路為例,重點(diǎn)研究大跨徑公路框架隧道下穿既有廈深鐵路路基人工填土土層段,以監(jiān)控量測為基礎(chǔ),挖孔樁做支墩,架設(shè)24 m D型便梁+Ⅰ56型鋼縱、橫抬梁加固鋼軌結(jié)合中繼間法頂進(jìn)框架箱體的綜合施工技術(shù)組織施工,順利地穿越了既有廈深鐵路,有效保證了廈深鐵路正常運(yùn)營,達(dá)到了預(yù)期目的。

1 工程概況

廈漳公路(廈門段)東孚隧道由雙洞單框架箱體組成,隧道中心線與既有廈深鐵路DK21+130段路基平面夾角為40°,夾角位置采用下穿方式通過。其中每孔框架隧道分節(jié)段預(yù)制成型,設(shè)計(jì)為每孔18.5 m(寬)×6.24(高)m箱身,板厚度為1.5 m,底板厚度1.5 m,邊墻厚度1.2 m,右幅洞分為3節(jié),左幅洞分為2節(jié),每節(jié)長10 m,需下穿既有廈深鐵路淺埋軟弱人工填筑層段,隧道頂覆土厚2 m,箱底換填2.5 m厚碎石,為單面上坡。廈深鐵路每日列車上行60列,下行61列,時(shí)速均為220 km,正線為有砟軌道,道床為一級道砟,軌道類型60 kg/m,列車運(yùn)行動活載為92 kN/m。

2 框架隧道下穿鐵路路基總體方案

根據(jù)下穿段路基土體結(jié)構(gòu)特性,施工中選用φ1.5 m挖孔灌注樁作為臨時(shí)支墩→用D24 m便梁將隧道洞身范圍的線路架空→軌面下隧道頂進(jìn)段路基開挖→澆筑后背框架隧道作為后背墻→鋼軌加固→利用已澆筑并就位好的節(jié)段框架作為后背→頂進(jìn)力計(jì)算→中繼間法分節(jié)平坡頂進(jìn)框架→頂進(jìn)時(shí)洞身部位土體采用小型機(jī)械配合人工方法將其掏空→框架兩側(cè)設(shè)置鋼刃角切土頂進(jìn),頂進(jìn)節(jié)間設(shè)置鋼護(hù)套。施工的同時(shí)要建立好完整的洞內(nèi)外監(jiān)測系統(tǒng),對隧道結(jié)構(gòu)及軌道、便梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并分析,確保鐵路交通及施工安全。

3 線路加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

為確保線路行車安全,本線路加固方案為:D24型便梁布設(shè)→支墩尺寸選擇→D24 m便梁外側(cè)線路鋼軌加固卸載→C25混凝土挖孔樁支墩過渡支撐施工→架設(shè)D24型施工便梁→軌面下頂進(jìn)段路基開挖架空線路的施工方案。線路加固平面、剖面布置如圖1、圖2所示。

圖1 線路加固平面布置(單位:m)

圖2 線路加固剖面(單位:cm)

3.1 D24型便梁布設(shè)

由于東孚隧道凈寬18.5 m,隧道下穿位置最大覆蓋層僅2m,列車動活載為92 kN/m,時(shí)速均為220 km,所以選擇了1孔24 m D24型便梁將既有鐵路鋼軌托起加固,D型便梁已經(jīng)過部級鑒定,不必檢算。其便梁布置如圖3、圖4所示。

圖3 24 m D型便梁橫截面示意(單位:mm)

圖4 24 m D24型施工便梁平面示意(單位:mm)

3.2 支墩尺寸選擇

該段線路加固采用24 m D24型施工便梁,兩端支撐墩采用4根挖孔樁,樁頂設(shè)帽梁作支點(diǎn),帽梁槽內(nèi)安裝臨時(shí)支座,選定挖孔樁直徑為150 cm,樁體最長17 m,埋置深度6.67 m,樁基自由長度10.33 m,C25混凝土樁身,屬高支墩,支墩底部擴(kuò)孔以提高承載力。挖孔樁平面布置如圖5所示。3.3 挖孔樁施工

圖5 便梁挖孔樁平面示意(單位:m)

挖孔樁共布置4個(gè),均采用φ1.5 m圓樁,挖孔樁橫向間距4.8 m,縱向間距24.12 m,由上往下開挖,每0.5 m一個(gè)循環(huán)作業(yè)。挖至設(shè)計(jì)深度后下放綁扎好的鋼筋籠(主筋采用φ20 mm螺紋鋼筋,箍筋采用φ8 mm圓鋼,樁身鋼筋骨架每2 m設(shè)置1道φ20 mm加強(qiáng)螺紋鋼筋),并在現(xiàn)場搭設(shè)工作平臺綁扎樁頂帽梁鋼筋(要保證鋼筋籠留有30 cm嵌入樁頂帽梁內(nèi),并伸出帽梁面20 cm用來固定臨時(shí)支座)。每開挖完50 cm,便立即安裝護(hù)壁模板,用導(dǎo)管下混凝土施工護(hù)壁。最后安裝帽梁模板,并及時(shí)灌注樁身、帽梁混凝土,待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后,架設(shè)便梁。

3.4 便梁安裝

3.4.1 縱梁過軌橫移就位

D24型便梁縱梁采用1-24.5 m I100定型型鋼,架空時(shí)支點(diǎn)設(shè)在挖孔樁支墩和臨時(shí)木垛上。架設(shè)D型便梁時(shí),應(yīng)按照布設(shè)方案進(jìn)行拼裝架設(shè),2片縱梁中心橫向間距為4.8 m,縱向間距為24.5 m。架設(shè)時(shí)采用2臺250 kN汽車吊起吊主梁,人工配合組拼。便梁卸至既有線外側(cè)枕木垛后,利用千斤頂起落便梁,依次抽出枕木垛的枕木,使縱梁底面的高度落至與既有軌面40 cm左右,如圖6所示。為過軌橫移設(shè)置的2根短軌必須相互平行并垂直線路中心線,并在短軌下加絕緣墊塊,待縱梁落到位后,將其橫移至挖孔樁帽梁支座上,另一片縱梁原位不動,如圖7所示。

圖6 便梁下落就位作業(yè)

圖7 縱梁過軌橫移就位作業(yè)

3.4.2 抽換枕木安裝橫梁

D型便梁橫抬梁采用H20長4.74 m鋼枕,間距0.6 m布置,縱橫梁聯(lián)結(jié)用φ22 mm高強(qiáng)度螺栓,且?guī)щp帽。縱梁安裝就位后,采用人工配合吊車進(jìn)行橫梁安裝,安裝橫梁的位置應(yīng)與枕木的位置一致,并保證橫梁頂面與鋼軌底面齊平。由縱梁兩端向中心排列抽換,抽一根枕木,穿一根橫梁,其中一根鋼軌下需要墊大塊絕緣橡膠板,防止軌道電路短路,影響信號和行車。穿入橫梁時(shí)要對準(zhǔn)主梁連接板并定位,同時(shí)上好扣件,墊好橡膠軌墊。橫梁安裝完畢后,將另一片縱梁就位,并連接縱橫梁,安裝斜拉桿,而后詳細(xì)檢查線路軌距、水平、高低、軌向,對超標(biāo)處應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。便梁就位完畢后,方可進(jìn)行軌道線下路基的開挖。

3.5 軌面下隧道頂進(jìn)段路基開挖

軌面下路基開挖期間,列車慢行60 km/h通過施工地段,線路加固完畢后可正常運(yùn)行。軌面下路基開挖采用小型機(jī)械開挖為主,人工開挖為輔的施工方法,軌面下路基開挖尺寸根據(jù)框架隧道節(jié)段箱形平面尺寸和操作空間確定,靠隧道頂進(jìn)側(cè)開挖面兩側(cè)邊坡為1∶1,底面做成面向頂進(jìn)方向前高后低的仰坡,頂進(jìn)段開挖放坡范圍是挖孔樁兩側(cè)各10 m范圍內(nèi)。開挖后隧道洞身范圍的線路被架空,使挖孔樁承受所有鋼軌重力及列車行駛動活載,不會傳遞給路基對下穿隧道圍巖造成影響,即完成線路加固架空施工。線路加固架空作業(yè)如圖8所示。

圖8 D型便梁架空作業(yè)

3.6 加固鋼軌

D24 m便梁外側(cè)10 m(即基坑開挖安全坡以內(nèi))布置6片I56型鋼縱抬梁,參考按0.6 m間距布置P50(50 kg/m)橫抬梁方法加固鋼軌卸載線路,橫抬梁與縱抬梁之間采用U形扣件聯(lián)接?？v、橫抬梁加固鋼軌現(xiàn)場布置如圖9所示、縱橫抬梁聯(lián)接如圖10所示。

圖9 縱、橫抬梁加固鋼軌現(xiàn)場

圖10 縱橫抬梁聯(lián)接細(xì)部

3.7 公路框架隧道中繼間頂進(jìn)施工技術(shù)

暗挖段框架隧道節(jié)段采用整體大型內(nèi)外模鋼模臺車預(yù)制而成,縱向采用10 m一節(jié)。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,直接選用已澆筑完的框架隧道為背樁,并在框架底板處加設(shè)混凝土圍護(hù)樁,圍護(hù)樁背后為土體,三者形成穩(wěn)固的后背體系用以承受頂進(jìn)時(shí)的水平頂力,在后背樁上設(shè)置分配梁與千斤頂連接,開挖一段頂一段。中繼法頂進(jìn)施工工藝流程如圖11所示。

3.7.1 潤滑隔離層施工

利用軌面路基開挖后的作業(yè)空間對坑底面進(jìn)行C15混凝土墊層處理,澆筑鋼筋混凝土滑板,并在滑板潤滑隔離層上進(jìn)行隧道框架預(yù)制。

圖11 中繼法頂進(jìn)施工工藝流程

潤滑隔離層施工順序:將滑板底部碎石夯實(shí)整平→滑板下設(shè)防滑槽5～7道,與滑板一同澆筑→滑板面沿頂進(jìn)方向設(shè)不小于2‰上坡段→在滑板頂面先澆一層柴油→澆一層3 mm厚石蠟油,每澆筑完一格隨即用木刮板刮平→待石蠟油凝固后,用噴燈烤熔整平,整個(gè)石蠟面再撒一層約1 mm厚滑石粉作為潤滑層→最后用1∶2水泥砂漿抹面作為隔離層。

3.7.2 安設(shè)刃角

刃腳是本隧道頂進(jìn)施工的關(guān)鍵設(shè)備,設(shè)置在框架前端,底刃腳為鋼筋混凝土刃腳,坡度設(shè)45°,前端采用鋼板裹角,與箱身前端預(yù)埋螺栓聯(lián)結(jié)擰緊。底刃腳如圖12所示。

圖12 底刃腳示意(單位:mm)

3.7.3 頂力計(jì)算

(1)框架自重計(jì)算:頂進(jìn)框架按10 m一節(jié),一節(jié)框架主體混凝土數(shù)量860.4 m3,鋼筋混凝土的容重取26 kN/m3,機(jī)具、人群、刃角以及未能及時(shí)運(yùn)走的土重等施工荷重為100 kN,則框架自重為:860.4×26+ 100=22 470.4 kN。

(2)最大頂力的確定:P=K[N1f1+(N1+N2)f2+ 2Ef3]=17 976.3 kN

式中,P為最大頂力,kN;K為系數(shù),取1.2;N1為箱身頂上荷載,kN,由于箱身頂上均被D型便梁完全卸載,則N1=0;f1為箱體頂部表面與頂部荷重之間的摩阻系數(shù),則f1=0;N2為框構(gòu)自重,kN;f2為箱體底板與基底土摩阻系數(shù),取f2=0.8;E為框架兩側(cè)土壓力, kN,箱體兩側(cè)有作業(yè)空間,E=0;f3為側(cè)面摩阻系數(shù),取f3=0。

3.7.4 頂進(jìn)設(shè)備選定與設(shè)置

(1)頂進(jìn)設(shè)備選定

根據(jù)最大頂力計(jì)算情況,選配頂進(jìn)設(shè)備數(shù)量

N=Pmax/(T·η)

式中,N為需用千斤頂臺數(shù);Pmax為計(jì)算最大頂力;T為千斤頂額定推力;η為千斤頂?shù)墓β氏禂?shù)。

采用一次頂進(jìn)法,框架箱體采用3 200 kN頂鎬,頂程2 299 mm,功率系數(shù)按0.7計(jì)。

代入公式:N=17 976.3 kN/(3 200×0.7)≈8臺;確定采用3 200 kN頂鎬8臺,備用2臺,共計(jì)10臺。

(2)頂進(jìn)設(shè)備設(shè)置

左幅洞后背方第一組、第二組均采用8個(gè)3 200 kN千斤頂。右幅洞前后兩組同左幅配置,中間一組采用5個(gè)4 000 kN和4個(gè)2 000 kN組合,千斤頂?shù)牟贾靡韵潴w中心線為軸對稱設(shè)置,為防止箱底板因直接承受頂力而壓碎,在頂鎬與箱底板尾部接觸處設(shè)置1塊20 mm厚的承壓鋼板,承壓板下端焊接鋼板托盤,千斤頂放置在鋼板托盤上,以避免千斤頂與底板接觸造成刮板現(xiàn)象。

3.7.5 傳力設(shè)備配備

(1)頂程:36 m。

(2)頂鐵:頂鐵用鋼板和舊鋼軌焊接制成,長度規(guī)格分10/15/20/25/30/40 cm,每種規(guī)格的頂鐵按每臺千斤頂2套配備,另準(zhǔn)備若干0.5/1/2/3 cm的補(bǔ)空鐵墊板以填充頂鐵間的空隔。

(3)傳力柱:頂柱用舊鋼軌和鋼板焊制成,長度規(guī)格分1/2/4 m 3種,每臺千斤頂配置數(shù)量與頂鐵相同,總共需配備數(shù)量分別為6/10/10套。千斤頂、頂鐵及傳力柱的布置,必須位于一直線上。頂力設(shè)備布置如圖13所示。

圖13 頂進(jìn)頂力設(shè)備布置(單位:m)

(4)活動橫梁:為避免頂進(jìn)中頂柱拱起變形,可在頂柱之間加設(shè)橫梁,以保證頂柱受力穩(wěn)定,頂柱間橫梁長度5 m,每隔3 m傳力柱長設(shè)置1道,橫梁采用I450型鋼和鋼板條組焊而成。

3.7.6 框架隧道箱體頂進(jìn)施工及挖土

在工作坑滑板潤滑隔離層上頂進(jìn)預(yù)制好框架體,框架箱身中心線和頂進(jìn)中心線兩者均在同一條直線上。每次頂進(jìn)隧道框架為左幅洞20 m、右幅洞30 m,采用中繼間法頂進(jìn),左右洞分開作業(yè)。

(1)挖土施工:框架隧道頂進(jìn)采用小型機(jī)械配合人工由上向下進(jìn)行洞內(nèi)挖土,挖土必須與頂進(jìn)緊密結(jié)合;挖土作業(yè)時(shí),要在框架內(nèi)設(shè)置挖土中間平臺,每次挖掘進(jìn)尺可控制在2 m,嚴(yán)禁超挖,同時(shí)前方邊坡坡度按1∶1控制,兩側(cè)邊坡坡度按1∶1控制,以保證行車安全;開挖面寬度高度比框構(gòu)輪廓小10 cm,保證角切土頂進(jìn),以利方向控制;框構(gòu)底面應(yīng)預(yù)留高出5～10 cm厚度的土層不挖,使底板吃土頂進(jìn),減少“扎頭”?？蚣芩淼老潴w內(nèi)頂進(jìn)面挖土作業(yè)如圖14所示。

圖14 框架隧道箱體內(nèi)頂進(jìn)面挖土作業(yè)

(2)頂進(jìn)施工:采用由線路右側(cè)一頭頂進(jìn)施工,挖土與頂進(jìn)作業(yè)循環(huán)進(jìn)行。頂進(jìn)過程是:開動高壓油泵,使千斤頂產(chǎn)生頂力,通過傳力系統(tǒng),借助于后背的反作用力,推動隧道框架前進(jìn),節(jié)與節(jié)之間設(shè)置剪力楔以傳遞剪力,使前后節(jié)箱體在頂進(jìn)過程中重心的運(yùn)動軌跡盡可能重合,框架前進(jìn)頂完一節(jié)后,回鎬使千斤頂復(fù)原,然后在空檔處填放頂鐵,以待下次開鎬,如此循環(huán)往復(fù),直至框架就位。

4 施工監(jiān)測

采用自動數(shù)據(jù)采集與人工測量相結(jié)合技術(shù),對既有線軌道、既有線周圍地表進(jìn)行監(jiān)控量測。通過監(jiān)測提供軌道沉降與土層位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)與分析,反饋信息指導(dǎo)施工。

4.1 軌道與地面沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

在既有線軌道上各布置12個(gè)觀測點(diǎn),每頂1鎬,觀測1次;既有線周圍地表布置點(diǎn)為沿鐵路縱向20 m范圍內(nèi),距鐵路路基6 m處,按2.5 m間距布置觀測點(diǎn),共布設(shè)12個(gè)點(diǎn),每頂1鎬,觀測1次。

4.2 監(jiān)測控制要求及標(biāo)準(zhǔn)

(1)在施工之前對軌面、地面進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的采集。

(2)大管棚施工、地面荷載及隧道開挖引起的地表、軌道沉降每日觀測1次,沉降量控制在1 cm以內(nèi)。

(3)地面觀察,隨時(shí)進(jìn)行,包含地面的隆起、裂縫、塌陷等異常情況。

4.3 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析

4.3.1 軌道沉降分析

采用自動監(jiān)測采集技術(shù)對軌道進(jìn)行沉降監(jiān)測,軌道2號點(diǎn)最大沉降量為3.24 mm,小于限值10 mm,軌道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4.3.2 地表沉降分析

由于地面荷載、大管棚施工的共同作用,地表各測點(diǎn)均產(chǎn)生了輕微的初始沉降,且距離隧道框架遠(yuǎn)端位置處的地表沉降量小于正對隧道框架頂進(jìn)處地表沉降量。隨著頂進(jìn)次數(shù)的增加,距離掌子面遠(yuǎn)的測點(diǎn),對土的擾動較小,沉降量幾乎為0;當(dāng)隧道頂進(jìn)至鐵路線路下方時(shí),由于大管棚與全斷面超前預(yù)注漿支撐作用,沉降量變化較小,最終地表下沉量為8.5 mm,小于限值10 mm,地表處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)語

廈漳公路(廈門段)東孚雙洞框架隧道施工中,運(yùn)用該施工技術(shù)后可安全可靠的在既有線鐵路下方修建大跨徑隧道,有效保證了既有鐵路的安全運(yùn)營,控制了施工沉降量。本文系統(tǒng)說明了隧道頂進(jìn)施工中遇到的各種技術(shù)問題,說明了提高公路隧道下穿既有鐵路安全系數(shù)采取中繼間頂進(jìn)技術(shù)的必要性,挖孔樁結(jié)構(gòu)選型與承重力檢算的必要性,架設(shè)24 m D24型便梁+Ⅰ56型鋼縱、橫抬梁加固鋼軌的設(shè)計(jì)與設(shè)置原則和施工工藝,并強(qiáng)調(diào)了框架隧道中繼間頂進(jìn)施工技術(shù)與施工監(jiān)測技術(shù)的重要性。

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Jacking Construction Technology with Relay Chamber Method for Long-span Framework Tunnel Crossing beneath Existing Railway

ZHAO Li-cai
(China Railway 19th Bureau Group Co.,Ltd.,Beijing 100176,China)

U455.47

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.031

1004-2954(2014)08-0128-05

2013-11-08;

2013-11-21

趙立財(cái)(1985—),男,工程師,2007年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院公路與橋梁專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:383202550@qq.com。