铁路顶进涵施工控制关键技术探析*

2021-05-19王新选

甘肃科技纵横 2021年4期

王新选

（中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃兰州730030）

桥涵顶进施工法是现阶段桥梁施工中常用的一种施工方法，特别是在新线下穿既有铁路的桥梁施工中，主要采用顶进施工法。顶进施工法具有施工速度快，对既有线扰动小，施工质量有保证的优点。现阶段关于顶进施工的技术研究相对较多，比如：黄腾飞［1］应用数值模拟的方法研究了大断面箱涵顶进过程中不同阶段位移与应力变化规律；章昱［2］利用理正软件进行后背桩和防护桩的承力能力以及安全性的检算；马瑞芳［3］以铁路平改立为案例阐述顶进涵施工过程中存在的问题及注意事项；郭勇［4］着眼于施工中的安全质量控制论述了顶进涵的施工关键技术；张吟秋［5］介绍了顶进施工法用钢筋混凝土箱涵的原材料选择、模具设备、制作方法和生产工艺；郑文豪［6］着重论述了如何控制涵体周围土体的位移；罗福亮［7］强调了顶进前涵位处既有线路的加固；李东兴［8］则在质量控制效果方面加以论述。文章结合某新建铁路下穿既有铁路的桥涵顶进施工，对铁路顶进涵施工过程中的关键技术进行研究。

1 工程概述

某电厂铁路专用线为满足新建电厂的用煤需求而新建的企业专用线。该线以框架涵的方式下穿既有铁路，以40°的小角度与既有线斜交。既有铁路为双线铁路，时速为160 km/h，线间距为4.4 m。涵孔跨式样为1～10.0 m钢筋混凝土框架涵（框架涵外径宽度12 m），涵体主体重约2 600 t。箱身主体结构通高9 m，顶板最厚处为0.9 m，下底板厚度为1 m，两侧边墙厚达1 m。涵桥横向长度为28.4 m，箱形涵出入口与路基挡墙工程顺接。顶板顶面至钢轨底距离为110 cm。

框架涵采用顶推法施工，在下行线侧预制框架涵，顶程为22 m。

2 施工关键技术

2.1 施工前准备

进场施工前，应会同铁路部门对既有通讯光缆进行探测确认，并制定妥善防护措施防止出现因施工而导致的通讯中断的情况。根据现场具体情况向施工地段小范围深挖探沟，以掌握地下光电缆的情况，明确光电缆的走向、数量、具体位置及深度。

顺电缆纵向开挖挑出电缆之后，将其置入槽钢内做好安全防护。在顶进施工期间将槽钢悬挂于便梁上。待顶推涵主体顶进施工完毕后，旋即将挑出的光电缆移至新建桥面光电缆槽内，确保通信不因施工而中断。

2.2 基坑开挖

基坑开挖是为了后续涵体预制与顶推施工提供稳定的作业面。基坑底面尺寸、坑底标高应满足框架桥预制的需要。为减少开挖对既有铁路路基的影响，开挖边缘应距铁路路基坡脚20 m。

基坑开挖前需测量人员放线确认开挖范围，之后树立标高控制桩用以在开挖过程中时刻监测开挖深度，避免出现超挖与欠挖的现象。大量的土石方开挖由机械完成，用以提高施工速度，节约人力资源。开挖出的废弃土方需转运到指定位置，切忌随意堆放。当开挖深度接近设计深度时，转由人工将基坑开挖到位，并将基坑底整修平整。为了提高地基土的承载力，避免出现较大变形，对基底进行夯实。当开挖达到设计深度时，应及时在坡面进行泼浆处理，以提高坡面的整体性，从而消除工作面坍塌的危险。基坑开挖示意图见图1。

图1 基坑开挖示意图

开挖时须在基坑四周设立厚度0.3 m，高度0.3 m的土质截水墙。开挖完成后，应在坑底四边都留有排水沟，根据水力计算，排水沟应深度大于0.3 m，宽度大于0.3 m；在基坑一角设置集水井并配置潜水泵，用以将积水排出坑外，防止基底土强度降低。

2.3 滑板与后背墙施工

滑板采用钢筋混凝土一次浇筑成型。为了使顶推顺利进行而不发生卡顿，滑板表面应尽量光滑平整。为降低摩擦系数，滑板表面还需用砂浆抹平，并在滑板表面涂刷石蜡与机油的混合物，待其干燥之后再撒1 mm厚的滑石粉共同充当润滑层。在后续浇筑框架底板混凝土时为了使现浇底板与滑板不沾粘，需铺设一层塑料布作为隔离层。

虽然采取了上述减少摩擦力的措施，但是摩擦反力相对于滑板自重来说仍然十分巨大，可能导致滑板底面整体错位。为此在滑板底部需设置抗滑锚以提高底板抗力。在距框架外侧5 cm处设置与滑板同时浇筑的低矮坚固的导向墩，如果在框架桥前端没接触到既有线路基之前的空顶阶段顶推方向出现偏差，可以以导向墩为依托进行方向调整。

后背墙是顶进的依托，在顶进过程中需要承受千斤顶传递而来的巨大的顶推反力，为此应有足够的刚度和强度。在框架结构顶进过程中后背墙不应该出现较大的变形或破坏，如果后背墙的施工质量不过关，有可能会发生冒顶塌陷等工程事故，所以应做到坚实可靠。为了进一步提高稳定性，后背墙用10根10.5 m的工字钢桩进行加固。后背墙完成后堆码装土草袋来增加自重，减少后背墙滑移。

2.4 框架涵施工

严格按设计要求及有关施工规范绑扎框架钢筋、立模。首先在滑板上绑扎底板内配置的钢筋骨架，再树立起约束混凝土形状的模板，之后方可浇筑底板混凝土。当其达到规定的强度之后拆除模板并立起内模，以内模为依据绑扎侧墙以及顶板内的钢筋，随后在钢筋外架设外模，之后便可以浇筑边墙与顶板的混凝土了。精心养护待强度形成之后拆除模板做防水层。

2.4.1 框架涵底板施工

准确的工程测量结果是底板施工的支撑，在确保架身中心线与基础中心线两线合一，并在隔离层上将框架桥的十字中心线弹出之后才能进行钢筋绑扎与模板树立的工作。模板采用钢模，为防止混凝土溢出，模板衔接处用双面胶条密封，安装模板前要对模板进行打磨、矫正。

在模板架立，钢筋绑扎完成后，只有做到模板竖直度好、表面平整度高、接缝严密性良好、棱角分明不歪斜，经监理工程师签字同意方才可浇筑混凝土。混凝土在浇筑完成后旋即应用振捣棒充分振捣，在初凝后，用透水性土工合成材料覆盖并洒水养生，避免产生水化热积聚而导致的大量裂缝。养生时间不少于7 d。

2.4.2 框架涵边墙及顶板模板及支架施工

当底板混凝土表面硬化，且其表面及棱角不因拆模磕碰而受损时，可依次架设边墙模板及顶板内模。模板的安装顺序为：先架立内边墙模板直至上倒角，继而立外侧边墙模板，最终搭满堂支架来承受顶部模板的重量。为抵消重力引起的变形，顶板模板需设置预拱度。模板采用钢管架加固，防止模板因失稳而倒塌。

框架内及顶部采用钢管支架方式。支架与支架之间留出80 cm见方的空隙，支架四周每隔3～5排增设一组剪力撑用以增加平面稳定性。顶托为先横后纵设置的方木，横向的间距80 cm，尺寸为12 cm×15 cm；竖直方向的间距30 cm，尺寸为10 cm×10 cm。顶模的底部为加铺12 mm厚竹胶板的纵向方木。

沿侧墙外模应安装两排钢管支架以便于侧墙模板安装加固。立杆安装时先确定起始安装位置，并根据底面标高确定立杆起始高度安装预制块，利用可调底托将标高调平。在此之前需要掌握地面标高的详细数据，以此计算出立杆的底面标高，调平后将底托安装到位，再安装立杆。

内外模均采用组合钢模板，尺寸变化处灵活采用木模。边墙模板用拉杆固定，拉杆间距0.5 m，按正方形布置。模板接缝用强力双面胶贴严实，保证接缝处严密紧实，混凝土不会因为振捣而被挤出模板。安装完毕后检查模板安装是否符合规范要求。

2.4.3 支架稳定性验算

2.4.3 .1支架荷载计算

混凝土重量G1，

模板重量G2，

施工荷载G3，

工况组合N，

2.4.3 .2立杆承重计算

受压构件强度应按式（5）计算：

所以：

支架为Q235钢材，容许应力轴向应力［σ］=215 MPa，故立杆强度满足要求。

2.4.3 .3立杆稳定性验算

支架的实际步距为80 cm，参考建筑施工扣件式脚手架规范可知，计算步距由l0＝k×u×I可得，其中u为表征整体稳定因素的计算长度系数，由于本立杆较为短粗，所以取u＝1，k为安全系数，取k＝2。

则有：

由钢结构设计原理表C-2可知，φ48壁厚3 mm钢管回转半径为：i=1.59，

因此，立杆长细比：

受压构件稳定系数：φ=0.54

轴心受压构件的稳定性：

故支架稳定性满足要求。

2.4.4 框架涵边墙及顶板混凝土施工

浇筑前对模板、绑扎钢筋和预埋件进行检查，并将模板内的生活垃圾、积水和钢筋上的油渍锈蚀清理干净。使用两台泵车在东西两侧边墙同时对称浇筑。应采取必要措施使两侧浇筑进度大体相同。施工时为避免出现施工接缝，采用倒班作业，连续浇筑混凝土。

砼的捣固是保证施工质量的关键工序。振捣不足混凝土难以密实，振捣过度会发生离析现象，二者均不可取。由技术娴熟的工人使用插入式振动器振捣密实，每一次连续振捣15 s左右，以砼不再下沉、表面泛起细浆、看不见气泡为度。

2.5 线路加固

本加固方案采用2组D24便梁和4组D16便梁加固线路，主支撑孔桩采用直径1.5 m的圆桩，深度为20 m，辅支撑孔桩采用直径1.5 m的钢筋混凝土圆形孔桩，深度13 m。

框架顶进前应事先准备好用于防护的草袋、木板及支撑，若因顶进而致既有线路基局部塌方或露桩，立即采用草袋围堰堆码及支撑挡护避免进一步的破坏，并及时将受损的既有线路基修复。

2.6 顶进涵顶进

2.6.1 顶进设备安装

本工程采用带土顶进法施工。顶进涵所需全部顶推力由千斤顶群提供，通过拉锚、传力柱、高压油泵、空机等设备将顶推力作用于预制箱涵上。所需总顶力可以按照式（9）计算：

式中：N1为涵顶上施工机械与脚手架等荷载重；N2为涵洞圬工结构自重；u1为涵顶与顶上荷载的摩擦系数；u2为涵底板与基底隔离带的滑动摩阻系数；u3为与侧面土的摩擦系数；E为顶进涵两侧主动土压力；R为钢刃脚阻力系数；A为钢刃脚受力面积。

总的千斤顶产生的顶力之和应大于所需顶力；由此可以计算得到千斤顶的台数。另外需要额外准备数台设备以备不时之需。

传力柱采用钢轨与钢板组合焊接而成，钢轨排横向焊接组成横梁，钢板与传力柱中心保持垂直。在安放传力设备时，需要保证传力柱的形心与千斤顶群产生的顶力的合力在同一方向不歪斜；支承面保持密贴提高传力效率。

2.6.2 顶进涵试顶

开泵后每当液压升高5～10 MPa时即停机观察，如发现异常情况及时处理。当千斤顶活塞伸出至顶铁压紧后停止顶进，各部位无异常情况再开泵，直至箱涵身向前移动。如情况均属良好，便可进行下一步正式顶进工序。

2.6.3 顶进涵顶进

在顶进前，要设置水准和中线观测点。在顶进过程中，利用水准仪与全站仪随时观察是否出现方向偏离、扎头抬头现象。起动时油泵应分级缓慢加压，涵体开始移动时为不切土空顶，随后进入路基切土阶段。当前方刃脚完成一个顶程后，光靠油泵的推力难以继续维持涵体前进，此时需要开动高压油泵，使千斤顶产生顶力，借助后背墙的反作用力推动箱体前进。顶进施工过程中，列车限速60 km/h慢行通过。每通过一趟列车后，就对既有几何状态、轨距、便梁、便梁支墩进行检查。顶进到位后再次确认标高、中线位置，如果符合要求，立即回填箱顶石碴。

在顶推过程中，发生偏差及时纠正。如方向发生偏差，可调整千斤顶来调整方向；如发生扎头现象，可以减少箱底前端的挖土或垫石碴与枕木。