陶德敬

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

隨著我國(guó)城市建設(shè)和鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，有時(shí)為滿足既有鐵路提速的需要，需在運(yùn)營(yíng)鐵路線[1]上增建橋涵，以便能夠溝通鐵路兩邊的道路交通，實(shí)現(xiàn)立體化交通。實(shí)際工程中為了不中斷既有鐵路的運(yùn)營(yíng)，常采用限速行車(chē)直接頂進(jìn)橋涵[2]的方法，即頂入法，又叫頂進(jìn)法。這種施工方法的主要特點(diǎn)在于，不僅能夠保證既有鐵路的安全運(yùn)行，同時(shí)占地拆遷少、對(duì)城鎮(zhèn)交通干擾小、結(jié)構(gòu)輕巧、適宜配合城市建筑風(fēng)格等。近年來(lái)國(guó)內(nèi)用頂入法施工的大中型立交工程很多，但有關(guān)長(zhǎng)距離超大斷面頂進(jìn)隧道(框架橋)的設(shè)計(jì)較少，以下就福建省規(guī)模最大的鐵路下穿隧道—廈漳高速公路東孚隧道為例進(jìn)行分析，之所以選擇該隧道為研究背景，主要是考慮到該工程具有很多的難點(diǎn)，主要包括4個(gè)方面，分別是：隧道的斷面很大；地質(zhì)條件差，局部還有砂層；大體積混凝土；基坑支護(hù)難度很大。本文的主要目的在于：希望通過(guò)對(duì)該長(zhǎng)距離超大斷面頂進(jìn)隧道(框架橋)[3]的分析，以便能夠?yàn)槠渌嗨乒こ痰男藿ㄌ峁┮欢ǖ膮⒖純r(jià)值。

1 工程背景

廈漳高速公路東孚隧道是福建省規(guī)模最大的鐵路下穿隧道，設(shè)有超大斷面的雙向8車(chē)道，隧道全長(zhǎng)1 000 m，依次下穿廈深鐵路高架橋、新建鷹廈鐵路右線及海滄線、既有鷹廈鐵路、新建東孚鐵路編組站、新建鷹廈鐵路左線、既有鐵路線及東孚工業(yè)園區(qū)。

下穿廈深鐵路鋪軌基地和新建鷹廈鐵路左線段為了防止鐵路軌道下沉，下穿既有鐵路部分采用中繼間法頂進(jìn)施工技術(shù)，為國(guó)內(nèi)少見(jiàn)的大跨度隧道頂進(jìn)施工，也創(chuàng)造了“下穿鐵路設(shè)施距離最長(zhǎng)”的紀(jì)錄。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程為東孚隧道下穿鷹廈鐵路東孚區(qū)段站五股道而設(shè)，東孚隧道頂進(jìn)段的平面圖如圖 1所示。擬建(21.4+21.4) m雙孔分體式鋼筋混凝土框架隧道，隧道與鷹廈鐵路夾角82°～90°，隧道結(jié)構(gòu)主體采用線路加固頂進(jìn)法施，其頂進(jìn)隧道橫斷面圖如圖2所示。

圖1 東孚隧道頂進(jìn)段平面

圖2 頂進(jìn)隧道橫斷面(單位:cm)

隧道主體結(jié)構(gòu)[4]正截面尺寸：?jiǎn)慰淄廨喞獙?1.4 m、總高 10.135 m或10.295 m，頂板厚度1.3～4.5 m，底板厚度1.5 m，邊墻厚度1.2 m。右線部分位于R2250圓曲線上超高為2 %，左線部分位于R1750圓曲線上超高為3 %，為滿足隧道直線頂進(jìn)的工藝要求，在滿足限界的基礎(chǔ)上寬度適當(dāng)放大，將平面曲線隧道擬合成直線隧道。

2.1 既有鐵路線路加固設(shè)計(jì)

鐵路加固主要考慮采用D24、D16型施工便梁、型鋼縱橫梁加固線路?？v梁架設(shè)在挖孔樁上，個(gè)別樁上設(shè)置擴(kuò)大端樁帽，保證縱梁的有效支撐。線路加固平面圖如圖 3所示。以下就加固設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容進(jìn)行一一分析。

圖3 線路加固平面

(1)線路加固。施工期間列車(chē)限速45 km/h。本次設(shè)計(jì)線路加固為：一次架空，分孔頂進(jìn)。頂進(jìn)施工預(yù)制立交主體工作坑設(shè)在鐵路兩側(cè)，上下行隧道主體結(jié)構(gòu)可以同時(shí)預(yù)制，但須先后頂進(jìn)，錯(cuò)開(kāi)一節(jié)預(yù)制長(zhǎng)度。

(2)架空措施。線路加固縱梁采用10孔D24型施工便梁，縱梁支撐為φ1 800挖孔樁，部分樁與其他加固縱梁合用，采用φ2 600挖孔樁。橫抬梁長(zhǎng)度根據(jù)工地實(shí)際量測(cè)的立交預(yù)制位置和線路間距離確定。

為防止頂進(jìn)過(guò)程中線路挖孔樁外側(cè)路基土坍塌影響鐵路安全，在D24型施工便梁兩端外設(shè)置8孔D16型施工便梁和12 m Ι 100工字鋼梁，1孔橫抬梁為兩片一組[40槽鋼，[40槽鋼橫抬梁按間距0.75 m設(shè)置，縱橫梁采用U型螺栓吊裝連接對(duì)線路進(jìn)行加固。在兩隧道之間設(shè)置6.7～8 m的5孔63a工字鋼梁，1孔橫抬梁為兩片一組[40槽鋼，[40槽鋼橫抬梁按間距0.75 m設(shè)置，縱橫梁采用U型螺栓吊裝連接對(duì)線路進(jìn)行加固。需要注意的一點(diǎn)是：縱橫梁搭接接頭需交錯(cuò)布置。

(3)挖孔樁挖孔時(shí)必須設(shè)護(hù)壁防護(hù)，直徑1.7 m及1.0 m挖孔樁，樁身為C30鋼筋混凝土，護(hù)壁為20 cm厚C25鋼筋混凝土。

(4)立交頂進(jìn)到位后與路基土形成的缺口采用砂礫回填并夯實(shí)。

2.2 頂進(jìn)隧道平縱斷面設(shè)計(jì)

頂進(jìn)段分為A、B兩段，長(zhǎng)度分別為60 m和50 m，頂進(jìn)框架一節(jié)長(zhǎng)度為10 m，框架間采用中繼間。其中頂進(jìn)隧道縱斷面圖如圖 4所示。

圖4 頂進(jìn)隧道縱斷面(單位:cm)

2.3 隧道預(yù)加固措施

為保證頂進(jìn)過(guò)程中掌子面穩(wěn)定、控制鐵路股道沉降，采取適當(dāng)?shù)妮o助工法，主要為大管棚超前支護(hù)和全斷面注漿預(yù)加固。隧道頂至鐵路軌頂距離最大為4.5 m，上部荷載較大，為保證頂進(jìn)中拱頂、側(cè)墻圍巖穩(wěn)定，采用大管棚預(yù)支護(hù)。頂進(jìn)A、B段對(duì)向施作，搭接長(zhǎng)度不小于3 m。管棚分段安裝，鋼管與鋼管間用絲扣連接。

2.4 隧道頂力及千斤頂設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，框架主體斷面積77.83 m2，根據(jù)《鐵路混凝土與砌體工程施工規(guī)范》，鋼筋混凝土的密度取2 600 kg/m3，頂進(jìn)框架按10 m一節(jié)，則框架自重的計(jì)算如下：

77.83×10×2600=2023580kg=2023.58t

根據(jù)TB 10002.3-2005 J462-2005《鐵路鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》P86第8.2.2條可知：頂進(jìn)橋涵的頂力，應(yīng)根據(jù)頂進(jìn)長(zhǎng)度、土的性質(zhì)、地下水情況、橋涵外形及施工方法等因素可按下式進(jìn)行計(jì)算：

P=K×[N1μ1+(N1+N2)μ2+2Eμ3+RA]

式中：P為最大頂力；N1為橋涵頂上荷載(包括線路加固材料荷載)，單位為kN；N2為橋涵自重，單位為kN；μ1為橋涵頂面與頂上荷載的摩擦系數(shù)；μ2為橋涵底板與基底土的摩擦系數(shù)；μ3為側(cè)面摩擦系數(shù)，視土的性質(zhì)經(jīng)試驗(yàn)確定；E為橋涵兩側(cè)土壓力(靜土壓力)單位為kN；R為鋼刃角正面阻力，視刃角構(gòu)造、挖土方法、土的性質(zhì)經(jīng)試驗(yàn)確定；A為鋼刃角正面積，單位為m；K為系數(shù)，取值為1.2。

通過(guò)計(jì)算可知：

(1)選用320 t油頂(頂鎬)，每頂頂力按額定頂力70 %計(jì)，即224 t，油頂配置數(shù)19臺(tái)；

(2)根據(jù)工作坑布置，計(jì)算頂程為60.7 m；

(3)配備頂鐵：頂鐵是傳遞千斤頂頂力、延長(zhǎng)千斤頂行程的頂進(jìn)工具，要求能承受較大的壓力而不變形，且搬動(dòng)方便。頂鐵一般用鋼板和舊鋼軌或槽鋼焊接制成，長(zhǎng)度規(guī)格分為10 cm、20 cm、25 cm、30 cm、40 cm、50 cm，每種規(guī)格按頂鎬數(shù)量配備，另備若干1 cm、2 cm、3 cm厚的補(bǔ)空鐵墊板，以填充頂鐵間的空隙，減少空頂；

(4)配備頂柱：19×85=1615m。頂柱用鋼板和舊鋼軌或型鋼焊接制成，長(zhǎng)度分1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，按最大頂程計(jì)算配備數(shù)量；

(5)橫梁：由于頂程較長(zhǎng)，為避免頂進(jìn)中頂柱拱起變形，可在頂柱之間加設(shè)橫梁，保證頂柱受力穩(wěn)定，確保施工安全。

2.5 工作坑的設(shè)計(jì)

工作坑的設(shè)計(jì)主要包括工作坑后背的計(jì)算,滑板、錨梁和導(dǎo)向墩的設(shè)置。頂進(jìn)后背采用Ι56a鋼板樁，插入基底下2.5 m，背后回填土7 m以上。后背墻是框架橋頂進(jìn)施工中的重要臨時(shí)設(shè)施，承受頂進(jìn)時(shí)的水平頂力，因此要求具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。結(jié)合本工程實(shí)際施工情況，擬采用利用后背原狀土作支撐，在后背前施工混凝土擋墻支擋。或采用后背鋼板樁支撐。

頂鎬必須行程一致，保持同一種頂力，頂鎬及施鎬及施頂方向必須與橋軸線一致布置，為使頂鎬作用力均勻傳至后背，在后背和頂鎬、箱尾與頂鐵之間各設(shè)分配梁。頂鐵的安設(shè)更換用20 t吊車(chē)，人工配合，為保證頂鐵的穩(wěn)定，頂鐵縱向每4～5 m設(shè)一道橫頂梁，以增加頂柱的整體性能。

開(kāi)動(dòng)高壓油泵，使頂鎬受液壓產(chǎn)生頂力，推動(dòng)箱身前進(jìn)，當(dāng)一個(gè)沖程結(jié)束后，頂鎬活塞回復(fù)原位，在空檔處填放頂鐵，再開(kāi)鎬頂進(jìn)，如此循環(huán)往復(fù)，直至箱身就位。

2.6 頂進(jìn)隧道防水設(shè)計(jì)

頂進(jìn)隧道結(jié)構(gòu)混凝土抗?jié)B等級(jí)為P8。結(jié)構(gòu)表層防水：立交頂面及側(cè)面20 cm鋪設(shè)TQF-1型防水層。具體設(shè)置方法從下至上：聚氨酯防水涂料+氯化聚乙烯防水卷材+鋼絲網(wǎng)水泥砂漿防護(hù)層。搭接處設(shè)置方法為：聚氨酯防水涂料+氯化聚乙烯防水卷材+聚氨酯防水涂料+氯化聚乙烯防水卷材+鋼絲網(wǎng)水泥砂漿防護(hù)層，搭接長(zhǎng)度15 cm。詳細(xì)施工方法請(qǐng)施工單位嚴(yán)格按照《鐵路混凝土橋梁橋面TQF-1型防水層施工細(xì)則》執(zhí)行。隧道內(nèi)壁涂刷HM-1500防水涂料2遍。

頂進(jìn)段分節(jié)接縫防水，采用內(nèi)貼式止水帶，止水帶可結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)和頂進(jìn)施工進(jìn)行安裝。

地下結(jié)構(gòu)防水的重點(diǎn)是變形縫的防水，變形縫的防水做如下處理：邊墻、頂、底板埋設(shè)橡膠止水帶，沉降縫內(nèi)由止水帶向外分別填塞聚四氟乙烯泡沫塑料板，膩?zhàn)有陀鏊蛎浿顾畻l4 cm，聚氨酯塞縫5 cm。

為防止施工縫滲水，施工縫防水做如下處理：在結(jié)構(gòu)邊墻和頂?shù)装迦种缓穸忍幝裨O(shè)鋼板膩?zhàn)又顾畮Ш陀鏊蛎浿顾畻l。

2.7 大體積混凝土施工

本工程主體結(jié)構(gòu)中頂板、底板、側(cè)墻均大于1 m的結(jié)構(gòu)屬于大體積混凝土，因此要對(duì)混凝土溫度進(jìn)行控制。通過(guò)借鑒橋梁承臺(tái)大體積混凝土設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，除了從降低水泥水化熱、降低混凝土入模溫度、混凝土養(yǎng)護(hù)、嚴(yán)格控制拆模時(shí)間等幾方面做好混凝土溫度控制工作外需設(shè)置通水散熱管，確保內(nèi)外溫差控制在25 ℃以內(nèi)，盡量降低混凝土內(nèi)部溫度的升降速率。

散熱管布置：豎向布置一層(位于板的中部)，水平間距1.5 m,散熱管采用耐腐蝕的φ50 mm鍍鋅鋼管。散熱管與鋼筋一起綁扎，在使用前要求通水進(jìn)行密閉性試驗(yàn)，防止管道在焊接接頭位置處漏水或阻塞。通水散熱后對(duì)散熱管作壓漿處理。圖 5為散熱管平面布置圖。

圖5 散熱管平面布置(單位:cm)

圖 6展示了LYK15+175-LYK15+195底板混凝土在2011年1月4日至1月11日這段時(shí)間里內(nèi)部溫度的變化曲線圖，從該圖可知：在這時(shí)間段里混凝土內(nèi)部溫度的變化趨勢(shì)為先增加，再緩慢地降低。為了更清楚地知道進(jìn)出水的差值在混凝土內(nèi)部溫度高峰值的變化情況，給出了2011年1月4日～7日內(nèi)部溫度對(duì)應(yīng)的具體數(shù)據(jù)(表1)。從該表中數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)水口的溫度平均值為19.96 ℃，出水口的溫度平均值為31.23 ℃，進(jìn)出水的差值在混凝土內(nèi)部溫度高峰值平均在11.27 ℃，證明散熱管的布置能起到很好的降溫效果。

圖6 測(cè)溫點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線

表1 測(cè)溫點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線 ℃

3 結(jié)論

本工程根據(jù)實(shí)際工程實(shí)例，在復(fù)雜的周邊環(huán)境、復(fù)雜的路線情況下，隧道采用多種超大斷面形式，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，通過(guò)數(shù)值模擬及工程實(shí)踐，確定了斷面設(shè)計(jì)的合理性，施工工藝的可行性，對(duì)同類(lèi)工程具有一定的參考價(jià)值，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)本工程采用中繼間法頂進(jìn)隧道實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離超大斷面下穿既有鐵路編組站五股道的設(shè)計(jì)。

(2)應(yīng)用增設(shè)散熱管實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土水化熱引起的溫度控制。

(3)對(duì)于深寬基坑采用樁錨支護(hù)體系，有效控制了基坑變形，確保了基坑的安全。

(4)針對(duì)結(jié)構(gòu)斷面形式，采用專用模板臺(tái)車(chē)，既有內(nèi)模板，同時(shí)還有外模板和端模板，使用模板臺(tái)車(chē)不僅可以避免施工干擾、提高施工效率，更重要的是大大提高了隧道內(nèi)的襯砌施工質(zhì)量。