中继间顶进法下穿高铁既有桥墩施工技术应用

占有志

中继间顶进法下穿高铁既有桥墩施工技术应用

占有志

京台高速公路（北京段）下穿京沪高铁框架桥顶进施工中，原设计为“眀挖”，通过计算后改为框架桥顶进施工，大大削减了施工期间对于高铁墩柱的影响，保证了高铁的运营安全，工程质量得到了保证。

一、工程概况

1.京沪高铁设计概况

京台高速公路与京沪高铁交叉处京沪高铁下行线运营里程为K36+206.84，公路里程为K18+335.44。交叉处框架桥位于京沪高速铁路正线区间段，桥上轨道为无砟轨道形式。京沪高铁已于2011年6月30日正式运营。

主要技术标准如下：

线路级别：高速铁路，双线，线间距5.0m；

设计速度目标值：350km/h；

轨道标准：无缝线路、无砟轨道。

北京特大桥E137～E141号墩位于-1.5‰纵坡及直线上，梁跨采用32m无砟轨道后张法预应力简支箱梁（双线）；桥墩均采用双线流线形圆端实体墩，托盘高2.75m，顶帽高0.25m。

下穿处京沪高铁运营里程为K36+206.84，本段轨道平顺性数据如下表所示，各项指标均满足《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》（铁运〔2012〕83号）的要求。

2.京沪高铁桥梁对京台高速公路的工程预留情况

根据北京市规划委员会2009年4月14日《关于京沪高铁与京台高速公路（北京段）等道路相交处桥跨方案审查的会议纪要》，要求京台高速公路（北京段）与京沪高铁相交节点处结构物同步实施，并且京沪高铁E138～E140号墩根据京台高速公路施工荷载、运营荷载及纵断面下埋基础，做工程预留。后京台高速公路（北京段）并未同期施工，京沪高铁E138～E140号墩施工完后将基坑回填至原地面。

由于京沪高铁E138～E140号墩基础施工基坑深13m，施工时采用1.0m钻孔桩防护，施工完后钻孔桩保留在承台周围。

3.京台高速公路与京沪高铁的位置关系

京台高速公路分幅从京沪高速E138～E140号桥孔间以路堑形式下穿，18.75m行车道占压承台，E138号承台占压0.47m，E139号承台占压小里程和大里程侧分别为2.59m、2.48m，E140号承台占压0.59m。施工时公路挖深9m。

4.下穿高铁简介

京台高速公路与京沪高铁交叉处京沪高铁下行线运营里程为K36+206.84，公路里程为K18+335.44，交叉角度61.5°，道路分幅从京沪高铁北京特大桥的E138号墩～E140号墩之间穿过。

京台高速公路下穿京沪高铁处按双向八车道设计，设计时速为120kg/h。采用两座1-18.75m正交框构，轴向长均为76.06m，分为三节（第一节长26m，第二节长28m，第三节长22m），中间设沉降缝。在京沪高铁南侧防护开挖顶进工作坑，并现浇框构，由南往北顶进。顶进施工时沿着顶进方向设置导向桩。采用中继间顶进法左右幅同时施工。框架桥最大顶力为125500KN，右幅顶程116.0m，左幅顶程90.0m。京台高速公路（北京段）工程，以框架桥顶进的方式下穿京沪高铁，京台高速公路与京沪高铁交叉处京沪高铁下行线运营里程为K36+206.84，公路里程为K18+335.44，交叉角度61.5°，道路分幅从京沪高铁北京特大桥的E138号墩～E140号墩之间穿过。

设计方案为明挖施工，对高铁无防护措施，为保证高铁安全，施工过程中采用“中继间顶进法”，即先后进行基坑开挖及防护桩施工、框架桥制作、顶进设备进场调试、桥体顶进及桥体配重、附属施工。

鉴于设计方案无法满足高铁运营安全，为此经过多方论证后决定采用框架桥中继间顶进法进行施工。

二、下穿京沪高铁

1.下穿京沪高铁箱涵施工措施

（1）开挖工作坑

预制框构的工作坑沿框构轴向方向长86m，宽52m，基坑边缘距离既有京沪高铁基础边缘为35m。地勘报告表明，桥体范围内以粉质粘土为主，在底板底以上1.5m处为粉砂，根据土质情况确定边坡采用1:1开挖，靠近高铁侧的边坡采用1∶1.5进行开挖。开挖采用2台270挖掘机同时开挖，20台斯太尔自卸汽车运输土方，土体逐层进行开挖。技术测量人员全程跟踪测量基底高程及工作坑几何尺寸，为避免超挖，在机械开挖至距基底标高200mm后，剩余部分采用人工开挖至设计标高。基坑开挖过程中时刻关注天气情况，备足塑料布，遇到下雨天气及时覆盖基坑边坡，防止被雨水冲刷。

基坑开挖完毕后，在边坡四周进行挂网锚喷混凝土。基坑四周用土堆成30cm高土坝，防止地面水流入基坑，冲刷坑壁，距基坑边2m处设置30cm深，下口宽30cm，上口宽40cm的截水沟。基坑开挖成型后，周围外设置围栏，并用密目网封闭。同时在基坑周边以及施工临时便道设置警示标志。基坑排水采取在基坑四周设排水沟及集水坑，并由专人负责排除基坑积水，严禁积水浸泡基坑。

（2）中继间镐窝制作

①鎬窝预留

第一节与第二节中间鎬窝预留区：从桥体外侧除去80cm边墙、30cm下八字、20cm预留区，剩余17.75m为鎬窝预留区。

第三节框架桥范围均可布置顶镐。

②第一节与第二节拖拉封闭钢板

桥体第一节与第二节中继间拖拉钢板按照1.2m行程的镐预留：缩镐状态下钢板埋入底板30cm，深入后节桥体150cm，出镐状态下钢板深入前节、后节桥体均为30cm。

③第二节与第三节拖拉封闭钢板

第二节桥体与第三节桥体中继间拖拉钢板按照0.6m行程的镐预留：缩镐状态下前节钢板30cm，后节钢板90cm，出镐状态下前节钢板、后节钢板均搭接为30cm。

（3）桥体压重

框架桥轴向长度为76.06m，分为三节，第一节长26m，第二节长28m，第三节长22m，中间设沉降缝。压重材料采用80cm碎石道砟，20cm表层填土。第一节压重顺桥向为22m，横桥向19.35m，重量为964t，第二节压重顺桥向28m，横桥向19.35m，重量为1227t，第三节压重顺桥向18.75m，横桥向19.35m，压重量为760t。

（4）框架桥顶力计算

第一节（单幅）顶力计算如下：

根据地堪资料，框架桥持力层土质为壤土，计算桥体最大顶力时，按粉砂土取值，计算如下：

P=K［（N1+N2）f2+2Ef3+RA］

式中：P——最大顶力（KN）

N1——桥涵顶部荷载（KN）取N1=9640KN

N2——桥涵箱身自重32260（KN）

f2——箱身底板与基底土的摩擦系数，取0.8

E——箱体两侧土压力（KN）

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

式中：ξ——静止土压力系数 ξ=0.25

γ——土的容重（KN/m3）γ=18

H——计算土层高度 H=8.9m

B——计算宽度 B=20.35m

f3——侧面摩阻系数 取0.8

R——桥体正面阻力

A1——桥体正面阻力部分面积 A=53.22m2

K——系数，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、三节(单幅)顶力计算如下：

根据地堪资料，框架桥持力层土质为壤土，计算桥体最大顶力时，按粉砂土取值，计算如下：

P=K［N1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA］

式中：P——最大顶力（KN）

N1——桥涵顶部荷载（KN）取N1=1987KN

N2——桥涵箱身自重6918（KN）

f2——箱身底板与基底土的摩擦系数，取0.8

E——箱体两侧土压力（KN）

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

式中：ξ——静止土压力系数 ξ=0.25

γ——土的容重（KN/m3）γ=18

H——计算土层高度 H=8.9m

B——计算宽度 B=20.35m

f3——侧面摩阻系数 取0.8

R——桥体正面阻力

A1——桥体正面阻力部分面积 A=53.22m2

K——系数，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）桥体顶进

框构箱涵分为两个单独的桥涵进行顶进，每个桥体分为三节，顶进顺序为：

第一节—第二节—第一节—第三节—第二节—第一节

如此往复，能够减少回稿时间，加快施工进度。顶进过程中每镐行程为50cm，高铁不限行，在顶进的过程中,箱身每前进一个顶程,即要对箱身的轴线和高程进行观测,并做好记录,发现偏差及时通知指挥人员采取措施,进行纠偏。

（6）顶进设备配备（单幅）

①根据桥体中心线与线路夹角及桥体持力层的地质情况，通过计算对桥体进行合理配置顶镐。

第一节桥体自重为3226t，桥体配重为964t，合计为4190t，按照1.5倍系数考虑，需布置18台500t级的千斤顶（顶镐有效系数取0.7），合计顶力6300t。

第二、三节桥体自重为6918t，桥体配重为1987t，合计为8905t，按照1.5倍系数考虑，需布置38台500t级的千斤顶（顶镐有效系数取0.7），合计顶力13300t。

②根据顶力需要，第一节框架桥采用流量为120L/ min的高压油泵2台，第二、三节框架桥采用流量为120L/ min的高压油泵3台。

③第二、三节框架桥顶进时连接板每隔6m设一道，断面尺寸（0.4×0.4m）；大横顶梁每12m设一道，断面尺寸0.55×0.6m。

④顶铁长度由6.0m、4.0m、2.0m、1.2m、 0.6m、0.3m、0.2m组成，断面尺寸0.4×0.4m。顶铁拆装，采用吊车配合。

⑤根据桥体顶进土方数量，东西两侧分别安排2台270挖掘机、3辆铲车、5辆自卸翻斗车。

（7）启动（试顶）

①顶进的实施是整个工程的关键环节，因此，正式顶进前必须进行试顶。试顶顶力不能过大，一般是桥结构自重的0.6～1.0倍，开始启动时不能突然增到此数值，应使顶镐同步逐渐加压，每升压一次要稳定几分钟,并派专人对设备及滑板后背和框构进行检查， 如一切正常，方可加压正式顶进。在加压过程中如油表突然下降，表明框构与滑板脱离，框构开始向前移动。

②框架桥空顶距离为左幅为20.7m，右幅为46.6米，空顶位置前檐距离京沪高铁投影边缘为23m。

③空顶时严格控制方向和高程，防止桥体进入线路后给纠偏工作带来困难，根据每一镐的测量结果，控制底板船头坡和刃角的吃土量来保证高程的稳定性。

④空顶就位后前掌子面暴露时间较长，为了保证京沪高铁线路的安全，空顶最后一次挖土时，开挖的土方要全部留在框架桥内，在桥体空顶就位后利用桥内预留的土方堆放于前掌子面，保证路基的稳定性。

（8）顶进及挖土作业

①开镐顶进是现场顶进工作的中心环节，要求各部门必须严密组织，统一指挥，协调好出土和顶进的关系。并在每次开镐前对设备、前端清土情况及监测数据进行全面检查，确认一切正常后再开镐顶进。

②第一节完成一个顶程后回镐，开始顶进第二、三节，顶进二三节时增换不同长度的顶铁，顶铁增换完成后打楔子顶紧，再次以二三节作为后背顶进第一节箱体，如此往复，直到顶进就位。

③顶进时间，利用列车运行间隔进行，执行四不顶制度，即：列车通过时不顶；后背倾斜或严重变形时不顶；顶柱发现扭曲时不顶；顶进超过偏差且无措施时不顶。

④在顶进时，要与工务段监护人员及铁三院监测人员密切配合，在桥顶板后端设配电箱一个，控制油泵及电铃，开关要标明“油泵”与“电铃”字样，顶进作业人员用对讲机联系，并且呼唤应答，当有列车通过时，监护人员用对讲机通知司泵人员并按响电铃，司泵人员立即停止顶进，如果电铃响后桥体还继续顶进，监护人员可切断油泵电源。

⑤挖土运土作业：采用机械挖土，人工清槽刷坡并配合装载机、自卸汽车的作业方案，坚持四不挖制度，即：列车通过时；桥体顶进时；发现塌方迹象时；机械发生故障时。

⑥顶进挖土顺序：为了避免顶进时桥体两侧坍塌，两侧刃角墙体部位采用人工提前挖土，防止桥体两侧由于吃土过多造成两侧土体坍塌，人工挖时，墙体厚度为1.0m，人工挖土宽度为0.8m，两侧墙体吃土为0.2m。挖掘机开挖土方后，装载机开始清运洞内土方，土方挖运完成刃角清除完毕后马上开始顶进。

⑦根据土质情况，严格控制上开口开挖量控制在2～1.8m之间，下开口不大于1.2m，并要有坡度，必须为顺坡且不陡于1∶0.7。

⑧挖土坡度与刃角相符，挖土坡度平顺整齐，同时挖土与测量工作密切配合，根据框架的偏差情况及时改变挖土方法。

⑨为避免挖土作业时超挖，桥体悬臂板以上土体要先用人工戳穿至前悬臂板以下，方便挖掘机司机看清位置，同时要派专人指挥挖掘机作业，每台挖掘机要由两名人员指挥，即：地面一个，箱体内一个，用对讲机呼唤应答，密切配合。严格控制超挖危及行车安全。

三、施工监测方案

1.规范要求

《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）规定桥梁墩台基础工后沉降值如下：

沉降类型 桥上轨道类型 限值有砟轨道 30mm墩台均匀沉降无砟轨道 20mm有砟轨道 15mm相邻墩台沉降差无砟轨道 5mm

《高速铁路设计规范》（TB10621-2014）对高速铁路桥梁的墩顶的横向水平变形量给出了明确要求：第7.3.9 条给出墩台横向水平线刚度需要满足高速行车条件下列车安全性和旅客乘车舒适度的要求，并应对最不利荷载作用下墩台顶横向弹性水平位移进行计算。

在ZK活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角应不大于1.0‰弧度。

2.监测方案

监测范围：E134#墩～E144#墩，共11个桥墩。

监测项目：1）桥墩自动化沉降监测；2）桥墩人工沉降监测；3）桥墩自动化水平变形监测；4）防护桩冠梁顶沉降监测

3.预警值

监测内容 黄色预警值（mm）橙色预警值（mm）红色预警值（mm）沉降监测 1.8 3.2 3.7水平变形监测 1.8 2.5 2.8

四、施工监测数据分析

1.基坑开挖对桥墩变形的影响

京台高速公路下穿京沪高铁工程于2016年5月7日开始开挖基坑，至5月13日完成大部分基坑开挖工作，至5月20日基坑全部开挖完成。基坑开挖全过程我方跟踪进行了持续的桥墩变形观测和数据分析。

现场基坑开挖的形状如下图所示，现场基坑开挖深度为10m，放坡开挖，放坡坡度为1∶0.6。

对139#桥墩的分析后，在5～14日其差异沉降日变化量达到0.25mm，与此同时，差异沉降量达到0.74mm。随后在基坑开挖完成并进行压重后，差异沉降值趋于稳定，建议后续施工时应控制节奏，避免京沪高铁桥墩产生过快的变形，防范安全风险。

2.桥下堆土对桥墩变形的影响

为了降低基坑开挖对京沪高铁变形的影响，2016年5月15日在京沪高铁桥下进行了堆载反压，反压范围为140#桥墩～142#桥墩，反压范围140～141#桥墩处上宽5.9m，下宽10.1m，长度16.5m，高3m；141～142#桥墩位置处上宽6.7m，下宽11.2m，长27.5m，高3m，堆载方量1100方。

桥下进行堆载反压后，监测值显示141#桥墩沉降值为1.53mm，理论计算值为1.31mm，理论值与监测值趋势较为一致，吻合较好。

3.框构浇筑对桥墩变形的影响

框构浇筑后，监测值显示141#桥墩的沉降值为0.43mm，理论计算值为0.51mm，二者趋势较为一致，吻合较好。

五、结语

采用中继间顶进法下穿高铁，对高铁影响降到最小，既保证了施工进度，同样保证了高铁施工安全，在框架桥顶进到位后，经过监测，沉降、位移均在可控范围之内，说明该方法在高铁下穿工程中是可行的，对于下穿高铁工程开辟了一条道路，为以后类似工程，提供借鉴。

（作者单位：中铁六局集团有限公司）