浅谈桥式盾构法顶进框架桥存在的问题及改进优化措施

李宗山

（中铁二十四局集团西南建设有限公司，四川成都 610052）

1 “桥式盾构法”简介

“桥式盾构法”在保留传统顶涵施工，桥涵结构路侧预制工艺的基础上，对结构顶进支护方法进行了重大改革，将明挖开槽改为地下暗挖盾构支护。使用暗挖推进，减低了施工对行车的影响[1]。

桥式盾构主要由墩柱、主梁、盾壳、子盾构、液压推进系统、辅助机构六大部分组成[2]。装配在框架桥前端的盾构，作为带土顶进时掘进面与路基的施工支护，同时也担负顶推导向作用[1]。根据不同地质情况设计盾构长度以确保中心土天然支护作用是框架桥盾构法施工的关键[1]。盾构的横向截面成简支梁桥形，其外廓尺寸与刚架桥外廓尺寸基本相同，“桥形”梁跨中滞后挖掘的大断面土体（中心土）的滞留长度及挖掘量应根据土层性质而定，任何情况下放坡量不可小于1:0.5[1]，它与盾构共同平衡周边土压，成为掘进面的支护体系。

图1 盾构整体组装

2 “桥式盾构法”的工作原理

盾构体中的子盾构由液压系统控制，单台组错开推进，相邻子盾构不得同步推进，否则会带动上方路基土，子盾构作业根据挖掘面土体自稳能力分先顶后挖、边顶边挖和先挖后顶3 种方式。然后人工等截面挖除子盾构箱体、立柱前端土体（每次约0.4~0.5m），挖掘机刷中心土坡面及清除框架底板前方部分土体[1]。箱形桥顶进时，子盾构原推出部分被掘进面土体阻挡，子盾构与子盾构箱体作相对运动，退回箱体内，即完成盾构掘进一个工作循环，箱形桥完成一次顶进[3]。

框架桥顶进时（盾构随框架桥同时顶进），子盾构牵引的反拉减阻板将盾构、框架顶面与线路基床相隔离。在子盾构未出土前，减阻板与盾构、框架桥顶面扁铁的摩擦力与减阻板与基床上部的黏聚力及子盾构前方掌子面的土体阻力相平衡，保持线路不发生横移[4]。

反拉减阻板前方与子盾构顶部连接，后端与反拉油缸连接，既起到隔离框架主体与上部路基土的作用，减小摩阻力，又起到反拉稳定既有线路的作用。框架桥顶进时，当减阻板与基床上部的粘聚力及子盾构前方掌子面的阻挡力不足以阻挡子盾构前进时，基床上部及线路会随子盾构及减阻板移动，此时必须对减阻板实施反拉，启动反拉系统，理论上此时减阻板与盾构、框架桥顶面扁铁的摩擦力，基床上部对减阻板的黏聚力，子盾构前方掌子面的阻挡力及反拉力达到了新的力系平衡[4]。

3 框架桥桥式盾构法顶进工艺发展过程

起初该工艺对路基的防护只有盾构本身的超前支护和轨束梁对线路的简易防护，在实践中在一些方面也进行了改进，在路基防护方面又增加了管棚和防护桩，为防止在顶进过程中线路横移，除了本身体系的反拉系统外，在顶进出口增设一道挡碴梁，为了提高墩柱掌子面开挖土方的出土效率在每个墩柱下方安装一组运土传送带，包括对盾构不稳定结构的加固处理，在墩柱立柱和横系梁焊接处增加三角板或对拉焊接处理。当然还有其他完善的地方，在这里就不一一列举了。

4 目前桥式盾构法存在的主要问题

虽然该工艺经过多年的发展在一些方面进行了改进和完善，但随着时代的快速发展，科技技术的进步以及其他工艺的兴起，该工艺的经济性、工效率显然已经无法满足时代的要求，同时也存在一些技术问题还需解决。目前主要存在如下问题：

4.1 线路变化问题

我们知道桥式盾构法跟其他架空线路施工工艺相比最大的特点之一就是不中断交通（需要在列车间隔时间维修线路）。但在实际顶进过程中，由于框架桥主体顶进顶力（或顶进速度）与反拉力（或反拉速度）不同步，往往会造成线路横移，甚至有时横移量较大还需临时封闭线路或降低列车通行速度，尤其是随着现在车流密度的不断增大，列车间隔时间越来越小，这给维修线路带来极大的挑战，有时需要利用多个列车间隔时间完成维修作业，线路变化较大危及行车安全时，来不及抢修就得临时封闭线路。可以说一旦造成交通中断，将对行车运输造成很大干扰，甚至会产生很大的不良社会影响。

4.2 桥基结合处塌方的问题

在框架桥顶进过程中，由于盾构两侧及框架桥主体墙背与路基土体的摩擦，路基土被不断带走，尤其是粗颗粒路基土（如新疆一些地区的戈壁料土质，细粒土含量极少），在框架桥顶进过程中随着桥背侧土体被不断带走，框架桥顶部以下逐步形成空洞，顶部以上有管棚形成的板结层支撑暂时不会下沉或坍塌，但是在列车的不断冲击振动作用下，管棚板结层会发生突发性的坍塌，甚至有时在工程交工后都有发生，严重危及行车安全。

4.3 功效及工期的问题

桥式盾构法比传统的架空结构形式有许多优势，破解了不少难题，比如可以实现大跨度、多股道、岔区穿越，而且具有占地少，对行车干扰小的优点，但是机械化程度并不高，功效较低，还需要大量的劳动作业人员（只要包括线路抢修人员和顶进挖土人员），要想紧跟时代发展的步伐，必须要加以解决。

桥式盾构法顶进框架桥的每个顶进循环主要由挖土（包括人工挖土和机械挖土）、子盾构顶进、主体顶进及线路整修组成，一个顶进循环的时间主要由挖土及整修线路组成，子盾构箱掌子面一般处于路基填方，相对较好开挖且紧贴线路，随时要盯控观察，但是出土非常困难，下在里面狭小的空间内还要跨过第一品主梁两个下横梁后才能将土弃到中心土开挖面上。盾构墩柱部分，多数情况其掌子面是原状土，在土质较硬的情况下人工开挖的效率就更为低下。线路整修主要采用人工携带小型线路维修机具利用列车间隔时间进行的，线路变化一旦超出容许范围，必须组织大量人员在极其有限的列车间隔时间内组织维修，多数情况利用多个列车间隔时间才能完成，严重影响正常顶进作业。随着市场竞争的日趋激烈，且业主对工期的要求越来越高，可以说功效低下已成为制约桥式盾构法发展的一个重要因素。

4.4 其他问题

子盾构设置在盾构体顶部最前端，在每次顶进前首先要发出子盾构，然后人工等截面挖除子盾构箱体、立柱前端土体（每次约0.4~0.5m），也就是说在主体框架桥顶进前子盾构架前方要挖出顶进方向深度为0.4~0.5m 的槽，由于前导梁立柱为直立式，因此掌子面为垂直面，在工程实践中该土层一般均是路基填方，尤其在新疆填料多为戈壁料土质，气候干燥、填料松散、自稳能力差，现场多见子盾构前方采用方木及编织袋等填充，施工极为不便，且充满风险。

5 桥式盾构法改进优化措施

5.1 提高线路的整体稳定性

线路变化问题可以说是自桥式盾构法诞生之日起就一直存在，同行们也想了很多办法去解决它，比如对松散、软弱路基土质采用管棚进行超前支护，在顶进出口侧增设挡碴梁以及在股道间填充道碴。上述方法也收到一些效果，但还是没有彻底解决问题，框架桥顶面上方路基没有真正形成一个整体板块，在顶进过程中路基土还是在推移，并从挡碴梁的上方挤推出去。

通过在顶进出口设置挡碴梁、进口同样设置混凝土梁，管棚两端分别与挡碴梁及混凝土梁连为整体（跨度太大考虑到混凝土梁会产生下挠，两侧梁可以用钢桁架代替），梁体两端均和线路防护桩连接锚固，这样框架桥上方路基就形成了了整体板块，同时在防护桩的限位作用下处于静止状态，且实现某种意义上的线路架空，也就是说本防护体系能够承担一部分线路荷载，作用在盾构或框架桥面上的线路荷载就会减小，在框架主体顶进过程中产生的摩阻力也会降低，反拉系统压力也就会减少很多，这样线路就不易发生变化，减少了维修线路的工作量，提高顶进功效率，最大程度减小对行车的干扰。线路防护改进优化后的平面及立面示意图如图2、3 所示。

图2 线路整体防护平面

图3 线路整体防护立面

5.2 桥基结合处病害处理措施

顶进前要准备足够的编织袋、道碴、土石混合料，并提前将部分道碴和土石混合料装袋堆码在线路两侧，盾构进入股道后，在入口侧线路外侧及两线间桥背与路基结合处掏导洞，顶进过程中向导洞（护壁挖孔）内灌入细土石混合料，补充被带走的路基土，从而避免形成大的空洞，造成突发性的路基坍塌，危及行车安全。另外，在预制框架桥时在其边墙上部或在盾构外侧挡土板上方预留孔洞，一方面可以通过预留孔洞观察桥背与路基间的密实情况，另一方面也可通过预留孔洞向桥基结合处泵送填料。在线路上派专人盯控桥背两侧路基土体稳定情况，每完成一个顶进循环后，安排专人对桥背两侧土体采用撬棍、钢钎进行深插检查，以免桥背两侧突然坍塌形成暗洞，危及行车安全。

盾构进入线路后，每天最后一顶完成后，组织线路维修组队线路进行综合维修，对路基局部存在下沉的地方进行回填捣实，缺碴的地方补足道碴，并对桥涵与路基结合处要进行充分捣固。夜间安排专人进行值班，每隔2h 对线路进行一次巡查，线路维修组随时待命，确保随叫随到。

框架桥顶进到位，八字端翼墙及墙背回填完成后，尽快完成桥基结合处的注浆处理，注浆可以利用框架桥边墙预留孔洞或在线路两侧桥基结合处打入的钢管，管壁适当开孔，线路以下1m范围内不开孔，以防注浆过程将线路顶高，影响行车安全。根据情况还可以进行二次注浆。这样可以彻底解决桥基结合处的病害问题。

图4 桥基结合处现场注浆

5.3 提高功效、优化工期

针对上述几个主要影响功效的问题，再结合施工现场实际，本文主要从以下几个方面提出解决办法：

（1）提高子盾构箱开挖土方的出土效率。解决这个问题，只需将子盾构下导梁延伸至第一榀主梁下方，第一榀主梁放到子盾构下导梁上，这样出土就更加方便，极大的减轻了作业人员的工作强度，提高了出土效率。

图5 原子盾构箱出土

图6 改进后子盾构箱出土

（2）改变盾构墩柱掌子面开挖方式。人工向机械化方式转变是历史发展的必然要求，盾构墩柱掌子面土方开挖也应该有人工开挖向机械化方向发展，由于盾构墩柱内空间不大，可以将小型掘进机械安装在盾构墩柱前端，每个墩柱配备一台小型掘进机，小型掘进基座可以沿墩柱前端立柱上下移动，前后伸缩可以采用液压方式。这样不仅可以解放大量劳动力，还可以提高作业效率。

（3）加强线路整体防护，减少维修工作量。这一点在前面的提高线路的整体稳定性和防变性优化措施中已做了详细论述，采取本项措施后，可以有效防止线路变化，减少线路维修工作，为框架桥正常顶进作业创造有利条件。

上述三个方面改进优化后，框架桥桥式盾构法的整体功效就会得到大幅提高，整体工期大大缩短，对今后工艺的发展和提高市场竞争力有着非常重要的意义。

5.4 其他方面的改进优化

对于细粒土含量少、干燥及自稳能力差的填方路基，为了减少子盾构掌子面的失稳坍塌对正常施工造成干扰，甚至危及行车安全，可以通过改变子盾构架的结构形式和延长子盾构端部的锯齿刀刃来解决，即将子盾构架前导梁立柱由直立式改为斜立式，这样子盾构箱体前端掌子面就会由垂直面变为斜坡面，具体斜坡度的设置根据土质情况而定。这样通过结构形式的简单调整变化，掌子面的稳定性就会得到显著提高，该工艺的适应性也得到进一步增强。

图7 改进后子盾构装配

6 结束语

框架桥桥式盾构法比传统的架空结构形式有很大优势，甚至可以说在当时的大跨度、多股道、岔区下穿方面取得了历史性突破，但是任何事物有优点，当然也有不足之处。本文结合工程实践从提高线路的整体稳定性，加强桥基结合处隐患处理，进一步提高功效及优化结构设计方面提出了解决办法，希望能为今后类似的工程提供有益参考。相信随着该工艺的不断完善和优化，今后的发展舞台会更加宽广，应用前景将更加广阔。