下穿铁路区段站长距离超大断面顶进隧道设计

陶德敬

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

随着我国城市建设和铁路建设的飞速发展，有时为满足既有铁路提速的需要，需在运营铁路线[1]上增建桥涵，以便能够沟通铁路两边的道路交通，实现立体化交通。实际工程中为了不中断既有铁路的运营，常采用限速行车直接顶进桥涵[2]的方法，即顶入法，又叫顶进法。这种施工方法的主要特点在于，不仅能够保证既有铁路的安全运行，同时占地拆迁少、对城镇交通干扰小、结构轻巧、适宜配合城市建筑风格等。近年来国内用顶入法施工的大中型立交工程很多，但有关长距离超大断面顶进隧道(框架桥)的设计较少，以下就福建省规模最大的铁路下穿隧道—厦漳高速公路东孚隧道为例进行分析，之所以选择该隧道为研究背景，主要是考虑到该工程具有很多的难点，主要包括4个方面，分别是：隧道的断面很大；地质条件差，局部还有砂层；大体积混凝土；基坑支护难度很大。本文的主要目的在于：希望通过对该长距离超大断面顶进隧道(框架桥)[3]的分析，以便能够为其它相似工程的修建提供一定的参考价值。

1 工程背景

厦漳高速公路东孚隧道是福建省规模最大的铁路下穿隧道，设有超大断面的双向8车道，隧道全长1 000 m，依次下穿厦深铁路高架桥、新建鹰厦铁路右线及海沧线、既有鹰厦铁路、新建东孚铁路编组站、新建鹰厦铁路左线、既有铁路线及东孚工业园区。

下穿厦深铁路铺轨基地和新建鹰厦铁路左线段为了防止铁路轨道下沉，下穿既有铁路部分采用中继间法顶进施工技术，为国内少见的大跨度隧道顶进施工，也创造了“下穿铁路设施距离最长”的纪录。

2 结构设计

本工程为东孚隧道下穿鹰厦铁路东孚区段站五股道而设，东孚隧道顶进段的平面图如图 1所示。拟建(21.4+21.4) m双孔分体式钢筋混凝土框架隧道，隧道与鹰厦铁路夹角82°～90°，隧道结构主体采用线路加固顶进法施，其顶进隧道横断面图如图2所示。

图1 东孚隧道顶进段平面

图2 顶进隧道横断面(单位:cm)

隧道主体结构[4]正截面尺寸：单孔外轮廓宽21.4 m、总高 10.135 m或10.295 m，顶板厚度1.3～4.5 m，底板厚度1.5 m，边墙厚度1.2 m。右线部分位于R2250圆曲线上超高为2 %，左线部分位于R1750圆曲线上超高为3 %，为满足隧道直线顶进的工艺要求，在满足限界的基础上宽度适当放大，将平面曲线隧道拟合成直线隧道。

2.1 既有铁路线路加固设计

铁路加固主要考虑采用D24、D16型施工便梁、型钢纵横梁加固线路。纵梁架设在挖孔桩上，个别桩上设置扩大端桩帽，保证纵梁的有效支撑。线路加固平面图如图 3所示。以下就加固设计的主要内容进行一一分析。

图3 线路加固平面

(1)线路加固。施工期间列车限速45 km/h。本次设计线路加固为：一次架空，分孔顶进。顶进施工预制立交主体工作坑设在铁路两侧，上下行隧道主体结构可以同时预制，但须先后顶进，错开一节预制长度。

(2)架空措施。线路加固纵梁采用10孔D24型施工便梁，纵梁支撑为φ1 800挖孔桩，部分桩与其他加固纵梁合用，采用φ2 600挖孔桩。横抬梁长度根据工地实际量测的立交预制位置和线路间距离确定。

为防止顶进过程中线路挖孔桩外侧路基土坍塌影响铁路安全，在D24型施工便梁两端外设置8孔D16型施工便梁和12 m Ι 100工字钢梁，1孔横抬梁为两片一组[40槽钢，[40槽钢横抬梁按间距0.75 m设置，纵横梁采用U型螺栓吊装连接对线路进行加固。在两隧道之间设置6.7～8 m的5孔63a工字钢梁，1孔横抬梁为两片一组[40槽钢，[40槽钢横抬梁按间距0.75 m设置，纵横梁采用U型螺栓吊装连接对线路进行加固。需要注意的一点是：纵横梁搭接接头需交错布置。

(3)挖孔桩挖孔时必须设护壁防护，直径1.7 m及1.0 m挖孔桩，桩身为C30钢筋混凝土，护壁为20 cm厚C25钢筋混凝土。

(4)立交顶进到位后与路基土形成的缺口采用砂砾回填并夯实。

2.2 顶进隧道平纵断面设计

顶进段分为A、B两段，长度分别为60 m和50 m，顶进框架一节长度为10 m，框架间采用中继间。其中顶进隧道纵断面图如图 4所示。

图4 顶进隧道纵断面(单位:cm)

2.3 隧道预加固措施

为保证顶进过程中掌子面稳定、控制铁路股道沉降，采取适当的辅助工法，主要为大管棚超前支护和全断面注浆预加固。隧道顶至铁路轨顶距离最大为4.5 m，上部荷载较大，为保证顶进中拱顶、侧墙围岩稳定，采用大管棚预支护。顶进A、B段对向施作，搭接长度不小于3 m。管棚分段安装，钢管与钢管间用丝扣连接。

2.4 隧道顶力及千斤顶设计

根据设计图，框架主体断面积77.83 m2，根据《铁路混凝土与砌体工程施工规范》，钢筋混凝土的密度取2 600 kg/m3，顶进框架按10 m一节，则框架自重的计算如下：

77.83×10×2600=2023580kg=2023.58t

根据TB 10002.3-2005 J462-2005《铁路铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》P86第8.2.2条可知：顶进桥涵的顶力，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可按下式进行计算：

P=K×[N1μ1+(N1+N2)μ2+2Eμ3+RA]

式中：P为最大顶力；N1为桥涵顶上荷载(包括线路加固材料荷载)，单位为kN；N2为桥涵自重，单位为kN；μ1为桥涵顶面与顶上荷载的摩擦系数；μ2为桥涵底板与基底土的摩擦系数；μ3为侧面摩擦系数，视土的性质经试验确定；E为桥涵两侧土压力(静土压力)单位为kN；R为钢刃角正面阻力，视刃角构造、挖土方法、土的性质经试验确定；A为钢刃角正面积，单位为m；K为系数，取值为1.2。

通过计算可知：

(1)选用320 t油顶(顶镐)，每顶顶力按额定顶力70 %计，即224 t，油顶配置数19台；

(2)根据工作坑布置，计算顶程为60.7 m；

(3)配备顶铁：顶铁是传递千斤顶顶力、延长千斤顶行程的顶进工具，要求能承受较大的压力而不变形，且搬动方便。顶铁一般用钢板和旧钢轨或槽钢焊接制成，长度规格分为10 cm、20 cm、25 cm、30 cm、40 cm、50 cm，每种规格按顶镐数量配备，另备若干1 cm、2 cm、3 cm厚的补空铁垫板，以填充顶铁间的空隙，减少空顶；

(4)配备顶柱：19×85=1615m。顶柱用钢板和旧钢轨或型钢焊接制成，长度分1 m、2 m、3 m、4 m、5 m，按最大顶程计算配备数量；

(5)横梁：由于顶程较长，为避免顶进中顶柱拱起变形，可在顶柱之间加设横梁，保证顶柱受力稳定，确保施工安全。

2.5 工作坑的设计

工作坑的设计主要包括工作坑后背的计算,滑板、锚梁和导向墩的设置。顶进后背采用Ι56a钢板桩，插入基底下2.5 m，背后回填土7 m以上。后背墙是框架桥顶进施工中的重要临时设施，承受顶进时的水平顶力，因此要求具有足够的强度和稳定性。结合本工程实际施工情况，拟采用利用后背原状土作支撑，在后背前施工混凝土挡墙支挡。或采用后背钢板桩支撑。

顶镐必须行程一致，保持同一种顶力，顶镐及施镐及施顶方向必须与桥轴线一致布置，为使顶镐作用力均匀传至后背，在后背和顶镐、箱尾与顶铁之间各设分配梁。顶铁的安设更换用20 t吊车，人工配合，为保证顶铁的稳定，顶铁纵向每4～5 m设一道横顶梁，以增加顶柱的整体性能。

开动高压油泵，使顶镐受液压产生顶力，推动箱身前进，当一个冲程结束后，顶镐活塞回复原位，在空档处填放顶铁，再开镐顶进，如此循环往复，直至箱身就位。

2.6 顶进隧道防水设计

顶进隧道结构混凝土抗渗等级为P8。结构表层防水：立交顶面及侧面20 cm铺设TQF-1型防水层。具体设置方法从下至上：聚氨酯防水涂料+氯化聚乙烯防水卷材+钢丝网水泥砂浆防护层。搭接处设置方法为：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+钢丝网水泥砂浆防护层，搭接长度15 cm。详细施工方法请施工单位严格按照《铁路混凝土桥梁桥面TQF-1型防水层施工细则》执行。隧道内壁涂刷HM-1500防水涂料2遍。

顶进段分节接缝防水，采用内贴式止水带，止水带可结合隧道结构和顶进施工进行安装。

地下结构防水的重点是变形缝的防水，变形缝的防水做如下处理：边墙、顶、底板埋设橡胶止水带，沉降缝内由止水带向外分别填塞聚四氟乙烯泡沫塑料板，腻子型遇水膨胀止水条4 cm，聚氨酯塞缝5 cm。

为防止施工缝渗水，施工缝防水做如下处理：在结构边墙和顶底板三分之一厚度处埋设钢板腻子止水带和遇水膨胀止水条。

2.7 大体积混凝土施工

本工程主体结构中顶板、底板、侧墙均大于1 m的结构属于大体积混凝土，因此要对混凝土温度进行控制。通过借鉴桥梁承台大体积混凝土设计经验，除了从降低水泥水化热、降低混凝土入模温度、混凝土养护、严格控制拆模时间等几方面做好混凝土温度控制工作外需设置通水散热管，确保内外温差控制在25 ℃以内，尽量降低混凝土内部温度的升降速率。

散热管布置：竖向布置一层(位于板的中部)，水平间距1.5 m,散热管采用耐腐蚀的φ50 mm镀锌钢管。散热管与钢筋一起绑扎，在使用前要求通水进行密闭性试验，防止管道在焊接接头位置处漏水或阻塞。通水散热后对散热管作压浆处理。图 5为散热管平面布置图。

图5 散热管平面布置(单位:cm)

图 6展示了LYK15+175-LYK15+195底板混凝土在2011年1月4日至1月11日这段时间里内部温度的变化曲线图，从该图可知：在这时间段里混凝土内部温度的变化趋势为先增加，再缓慢地降低。为了更清楚地知道进出水的差值在混凝土内部温度高峰值的变化情况，给出了2011年1月4日～7日内部温度对应的具体数据(表1)。从该表中数据可以看出，进水口的温度平均值为19.96 ℃，出水口的温度平均值为31.23 ℃，进出水的差值在混凝土内部温度高峰值平均在11.27 ℃，证明散热管的布置能起到很好的降温效果。

图6 测温点温度-时间曲线

表1 测温点温度-时间曲线 ℃

3 结论

本工程根据实际工程实例，在复杂的周边环境、复杂的路线情况下，隧道采用多种超大断面形式，从结构设计角度，通过数值模拟及工程实践，确定了断面设计的合理性，施工工艺的可行性，对同类工程具有一定的参考价值，主要体现在以下几个方面：

(1)本工程采用中继间法顶进隧道实现了长距离超大断面下穿既有铁路编组站五股道的设计。

(2)应用增设散热管实现了大体积混凝土水化热引起的温度控制。

(3)对于深宽基坑采用桩锚支护体系，有效控制了基坑变形，确保了基坑的安全。

(4)针对结构断面形式，采用专用模板台车，既有内模板，同时还有外模板和端模板，使用模板台车不仅可以避免施工干扰、提高施工效率，更重要的是大大提高了隧道内的衬砌施工质量。