浅谈下穿铁路框架涵顶进后背墙优化施工技术

2021-06-10李涛

建材与装饰 2021年16期

关键词：板桩顶力后背

李涛

（中铁二十五局集团第四工程有限公司，广西柳州 545027）

0 引言

在国民经济持续发展的过程中，框架涵顶进技术日益成熟且由于其特有优点逐渐被广泛接受和应用。临近既有线施工大多地势狭小且工期紧张，后背墙及顶进成为工程能否保质保量、按期完成的关键工序。

下穿铁路顶进框架涵施工的优点主要体现在：

（1）在不封闭铁路运营的条件下，只需对部分线路进行限速即可完成施工。

（2）可以实现两点间直线穿越连接，避免重新选线或绕行造成投资增加或成本浪费。

1 工程概况

宜良柴石滩水库框架涵下穿既有南昆铁路里程为K725.588.20。涵洞长105.12m，1~4.0m框架涵，顶板至轨顶6.723m，顶进段长度15.0m。主体采用C40P10钢筋混凝土，后背墙C25片石混凝土。经现场踏勘，设计后背墙占用进入经济林道路，征拆难度大，且应铁路管理部门要求涉铁部位尽快完工，以减少雨季对既有铁路造成影响。对此，经验算后决定取消设计后背墙，利用第4、5节现浇涵身回填土作为后背墙。

除下穿南昆铁路15m节段采用线路架空顶进方式施工，其余节段采用明挖现浇施工。南昆铁路为运营铁路，施工期间不得中断行车。采用1孔20mD型便梁架孔线路，便桥桥台采用人工挖孔板桩。

顶进施工过程为：在一侧开挖工作坑，然后在工作坑内施工防滑凸键、地梁、导向墩及滑板，待达设计强度后预制钢筋混凝土框架涵。与此同时对既有南昆线进行D20便梁加固，挖空施工范围内全部土体。顶进时借启动反力推动框架涵，过程中随时调整轴线位置及增加顶铁，直至桥涵按设计位置就位。

铁路影响范围内基坑布置：设置20～26m、截面为2.2m×1.7m的人工挖孔桩桩板墙作为D便梁桥台，其中大里程侧板桩32.66m，小里程侧37.56m。桩长22～26m板桩采用1～2道φ609×12mm钢管支撑，其余长度桩身不设横撑。铁路中线左右5m范围外采用φ60cm咬合高压旋喷桩直打方式加固板桩，兼做止水帷幕。

铁路影响范围外基坑布置：既有线外采用φ1.2m钻孔桩支护，桩间距1.5m，桩顶设1.2m×1.4m冠梁一道，桩长17～26m不等。20～26m支护桩腰梁设置1～2道φ609×12mm钢管支撑，17m支护桩不设横撑。为保证基坑内人员作业安全，钻孔桩及止水帷幕间采用挂网喷混凝土防护，如图1~图2所示。

图1 桥涵布置平面

图2 基坑布置平面

2 顶进顶力计算

框架涵顶进从开始启动至就位所需之力即为顶力。计算时，应根据顶进部分长度、土体性质、地下水情况、框架涵外形及施工方法综合考虑，按如下计算公式进行顶力计算：

式中：P-最大顶力，kN；K-安全系数，取1.2；N1-涵顶荷载，kN；f1-涵顶面与顶上荷载的摩擦因数；N2-结构自重，kN；f2-底板与底基土的摩擦因数，取0.7～0.8。现场采用石蜡滑石粉等措施减小摩擦系数，故f2按0.3取值；E-结构侧面土压力，kN；R-钢刃角正面阻力，kN/m2；A-钢刃角正面积，m2。

由于本工程施工过程中采用D20便梁加固线路且基坑内采用大开挖方式，并且不设刃角，从而计算过程不考虑N1、E对施工影响。故顶力计算公式可简化为：

但同时考虑到在顶进启动的时候，顶力与摩擦力相等，此时框架和滑板只有相对滑动趋势但还没有相对滑动，启动时按0.3的滑动摩擦系数是不尽合理的。要使顶进段产生加速度，必然顶力要大于摩擦力，本次顶进启动顶力考虑为框架自重的1.2倍.

由最大顶力计算千斤顶配备数量N

式中：n-千斤顶效率系数，取0.7；T-千斤顶有效顶力，取2000kN。

由此计算可知，配备千斤顶4台，总顶力5600kN。现场配备4台2000kN（200t）千斤顶，按框架涵轴线对称布置。

3 后背墙方案比选

后背墙的工作原理：根据作用力与反作用力原理，通过千斤顶的启动力提供使框架涵前进的加速度，在顶进过程中增加顶铁，最终实现框架涵顶进就位。

后背墙除单独受力外，还与墙后回填土组成共同受力体系，保证在受力过程中不受反向顶力而整体移位。

常见后背墙有钢后背、木后背、混凝土后背。其中钢后背虽然能反复利用但用钢量较多需重复安拆，施工过程中安全风险大且不经济；木后背墙虽然能大量节约成本，但其强度、刚度较钢后背和混凝土后背差，不推荐使用。混凝土后背墙又可细分为板桩式、重力式等。

（1）板桩式后背墙。板桩式后背墙适用于跨径大、工期相对较为宽松的顶进工程。施工前采用人工或机械成孔方式施工板桩后背墙。为保证顶进过程中框架涵受力平衡，可设置一道“地梁”将板桩连成一体，从而提高后背墙的整体性。此方法优点是板桩及桩后土体整体受力，后背墙的相对位移较小（或可忽略），顶力利用率高。此方案优点明显的同时缺点也较为突出：①局限性大。一般适用于单侧顶进，当中间节段顶进时需破除板桩结构，造成成本、工期浪费；②对地质要求较高。如在不良地质条件下，除应增加桩长外，还需对桩间土及周边土进行改良处理，以便达到整体受力。

（2）重力式后背墙。重力式后背墙适用于跨度小、结构自重轻、墙后回填土力学性能好、工期紧的工程。它的优点可以概括为：①较板桩式后背墙成本相对低廉；②施工工序简单。在地基承载力及地质符合设计的前提下按图施工即可保证质量。

缺点主要表现在：①墙背回填质量难以控制。墙后回填土施工质量好坏直接关系到顶进工作能否正常进行，压实质量不满足设计或原状土时，势必在顶力反作用力的影响下造成墙体整体位移或开裂，导致工期延误；②地形受限。在征拆困难，地形狭小地带或作业面相对有限的情况下，不利于施工作业。

通过分析上述两种后背墙优缺点和现场实际情况，本工程最终采用己浇筑涵身并回填作为后背墙。顶进施工中，后背墙承受顶进时的全部水平顶力。后背墙的好坏直接关系到顶进能否正常进行。若采取原设计C25片石混凝土方案，一方面受地势、征拆及后期拆除影响（后背墙为临时工程，拆除后需进行后面节段的浇筑），另一方面后背墙施工、养护周期过长，施工期间正值云南雨季，势必会对架空铁路行车安全造成影响。综合考虑，利用第4、5节现浇框架涵并进行涵身回填土后作为后背墙。

根据地勘资料揭示，涵址地质资料如下：

﹤1﹥人工填土，层厚0.5～5.0m，承载力[fak]=120kPa；

﹤2﹥圆砾，层厚0.0～11.0m，承载力[fak]=300kPa；

﹤3﹥断层角砾，承载力[fak]=300kPa；

﹤4-1﹥全风化砂岩夹页岩，承载力[fak]=180kPa；

﹤4-2﹥强风化砂岩夹页岩，承载力[fak]=300kPa。