中继间法在下穿铁路股道群顶进施工中的应用

王 鑫 张自光 周荣环 康 帅

（1、江苏雷威建设工程有限公司，江苏 南京 210003 2、安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601 3、河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475001）

近年来，随着我国城市道路设施建设的迅猛发展，城市道路下穿铁路线路股道及股道群交叉施工的现象越来越多。如何在保证不影响既有铁路线路通行或结构正常运行的条件下安全地进行新建项目的施工是摆在工程人员面前的一个难点[1]。框架桥涵由于其不影响既有线路运行、施工速度块、对环境影响小等特征，在城市道路长距离下穿铁路运营线路建设中发挥着越来越重要的作用。

城市道路长距离下穿铁路股道群中继间顶进箱涵施工，不可避免地引起箱涵抬头、扎头、方向等姿态偏移。过大的箱涵姿态偏移将会对工程自身和周边环境的安全质量造成不可承受的影响，因此，必须将箱涵姿态偏移控制在合理的范围内。本文依托合肥市铜陵北路下穿合肥东站立交桥工程实例，对长距离多节框架桥下穿铁路股道群中继间顶进顶进施工进行集成创新研究，为工程项目安全、经济、快速、高效实施提供坚强的技术支撑和理论依据，同时为类似工程施工项目提供借鉴和参考。

1 箱涵中继间法顶进施工原理

在箱涵顶管管节较多时，采用中继间法顶进施工。在发射井内的千斤顶达到最大顶力后暂停顶进，前节箱体利用后节箱体作为后背，用两节箱体中间设置的中继间千斤顶进行顶进，中继间内的千斤顶达到最大顶程后，前节箱体暂停顶进并使千斤顶回缩，而后再进行后节箱体的顶进[2]。该方法缓解了后背墙和千斤顶的强度，也有效避免了箱涵顶管管节在顶进过程中被压碎的情况。中继间法顶进传力结构比较方便施工，且顶进受力稳定可靠，顶进质量容易控制。

1.1 中继间法箱涵顶镐设置原则

1.1.1 箱涵顶镐布置部位

在采用中继间法施工时，应在箱涵顶管管节的地板上布置用于箱涵顶进的顶镐和千斤顶。顶镐位置按照箱涵所需顶镐的吨位和数量，沿箱体底板横向均匀对称布置。箱体预制时，在前一箱涵体的尾部预留出安放顶镐的位置，并在施顶处预埋20mm厚的钢板，以加强箱体的局部强度，防止在顶进过程中破坏箱体。待箱涵涵节顶进到位后，再在箱涵节尾部的镐窝处绑扎、焊接钢筋，提高一个等级补浇混凝土[3]。

1.1.2 箱涵顶镐数量

箱涵顶推力的计算根据所给的已知条件，按照《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）[4]计算出箱涵的最大顶推力，并进而选择千斤顶的型号及数目。顶进法施工的难点在于精确计算出箱涵顶进时的顶力。箱涵顶推力主要为由箱涵本身的自重引起与周围围岩所产生的摩阻力[5]。箱涵的顶进过程包括箱涵启动直至箱涵全部入土，其中箱涵全部入土时所需顶推力是最大的，即箱涵最大顶推力。箱涵顶镐顶力可按式（1）计算：

式中：P为最大顶力（kN）；

K为安全系数，一般采用1.2；

N1为箱涵顶管顶部荷载（kN），包括顶管管节上方线路及加固材料的重量；

N2为箱涵顶管管节自重（kN）；

f1为框架箱涵顶部摩擦系数，无实验资料时可按以下经验取值：涂石蜡0.17 -0.34 、涂滑石粉浆0.3 、涂机油调剂的滑石粉浆0.2；

f2为箱涵顶管管节与基底土体的摩擦阻力系数，可取0.7 -0.8 ；

f3为箱涵顶管管节侧面摩擦阻力系数，一般取0.7 -0.8 ；

E为箱涵顶管管节两侧的土压力（kN）；

R为箱涵顶管管节前部刃脚正面与土体的阻力；

A为箱涵顶管管节前部刃脚的正面接触面积。

箱涵顶管管节顶进施工过程可分为下面三个阶段：起动，滑动，进入路基土直至就位。线路加固后顶进箱涵时，土体已分段全部开挖，上部荷载不需计入。进入路基后应受阻力最大，因此，此时的顶力最大[6]。

由以上可以知道箱涵顶进所需最大顶力的值，再根据已知的顶镐的最大顶力，由最大顶力除以顶镐的最大顶力的得到的数进一取整即为顶镐的数量。

1.1.3 顶镐的分布

安装在支架上的顶镐，应在管道轴线两侧对称布置，顶镐规格应相同，其合力的作用点应在箱涵中心线上，要有利于箱涵顶管管节的受力和纠偏需求，还要便于箱体之间的搭接，方便施工，利于涵节箱体底板的整体传力，要对箱涵在顶进过程中的损害降低到最小。总之，顶镐的布置一定要便于施工，容易操作，且要保证顶进质量。

1.2 箱涵顶进中继间布置

1.2.1 中继间位置计算

箱涵中继间的设置应根据估算总顶力、箱涵允许顶力、工作井允许顶力、中继间千斤顶总顶力和主顶千斤顶的顶力确定。第一道中继间应根据顶管机迎面阻力及估算摩阻力确定，宜布置在顶管机后方20m～50m的位置[7]。

中继间布置宜按式（2）计算确定。

式中：S'——中继间的间隔距离（m）；

k——顶力系数，宜取0.5 ～0.6 ；

F2——顶管机的迎面阻力(kN)；

F3——控制顶力(kN)；

D——管道外径(m)；

f——管道外壁与土的平均摩阻力(kPa)，宜取2kPa～7kPa。

1.2.2 并联式

箱涵在靠铁路一侧并排预制好，先将箱涵1顶入，然后将箱涵2平移，安装第一个中继间，待箱涵2也顶入路基后再平移箱涵3，安装第二个中继间，再继续顶进，直至全部就位。箱涵在横移的过程中需要设置横向顶进后背，或者在工作坑发射井内设置箱涵顶管管节底部的铁轨滑道，如图1所示[8]。

图1 并联式

1.2.3 串联式

先将数节箱涵顶管管节在顶进方向的轴线上预制好，而后将箱涵顶管管节之间的中继间按照先后顺序安装完成。箱涵顶管管节顶进过程启动后即可中途连续不停顿的顶进，直到全部箱涵顶管管节顶进到指定位置，如图2所示[8]。由于并联法需要多增加一步横移工作，所以在一般在场地较大，布置无困难的施工场地多采用串联法布置。

图2 串联式

1.2.4 混合式

采用串联式和并联式混合使用的方式称为混合式。利用有限的场地尽可能的将先将尽可能多的箱涵顶管管节在顶进方向的轴线上预制好，而后将箱涵顶管管节之间的中继间按照先后顺序安装完成。其他剩余的箱涵在靠铁路一侧并排预制好，再依次将箱涵顶管管节横向移动至顶进方向的轴线即可，然后按照串联式进行顶进作业。

1.3 中继间顶进姿态控制

1.3.1 中继间法水平偏差调整

箱体在发射井工作坑内底板上滑动时，方向墩起到主要调整纠正方向偏差的作用。箱涵顶管管节在进入土体之前先进行校正工作，确保在设计位置，这样箱涵顶管管节进入土体之后就会相对较为稳定。在箱涵顶管管节进入土体之后的顶进方向控制可采用以下一些措施[9]：（1）当箱涵顶管管节斜度较小时，采用顶进系统动态自动纠偏，通过顶管系统自动调整轴线两侧油压，从而自动矫正监测到的管节偏差。（2）增加或者减少轴线一侧的油压管顶力。即管节左偏时，减少轴线右侧千斤顶顶力；管节左偏时，减少轴线右侧千斤顶顶力。（3）在顶进施工过程中调整刃脚两侧阻力差值以达到纠偏的目的。即箱涵顶管管节前端轴线左右两侧刃脚前，一侧超挖，另一侧少挖土或不挖土。（4）利用发射井内后背顶铁的松紧调整以达到纠偏的目的。添加或者更换后背顶铁时，要按照箱涵顶管管节偏差的大小和方向，将顶进轴线一侧的顶铁楔紧，轴线另一侧顶铁楔松或留1～3cm的空隙。千斤顶发力之后，则楔紧一侧首先被顶进，楔松一侧要晚于楔紧一侧被顶进，从而达到调整纠偏的作用。这种方法很有效，但要严格掌握顶进时楔松紧程度以防止箱涵顶管管节由于受力不均而出现永久性裂缝。（5）设置挖孔桩在箱涵顶管管节两侧铁路线间，挖孔桩有卸载箱涵顶管管节两侧土压力及控制箱涵顶管管节顶进方向的作用。

上述方法应因地制宜的按照工程实际需求进行使用，要分情况仅使用一种方法或者几种纠偏方法组合一起使用，以调整箱涵顶管管节在顶进过程中产生的水平偏差，使顶进到位的箱涵符合设计要求。

1.3.2 中继间法垂直偏差调整

中继间法顶进垂直方向的调整主要是防止和纠正箱涵顶管管节在顶进过程中产生一个普遍而不易处理的“扎头”和“抬头”问题。引起垂直方向变化因素主要包括：顶进施工时使用的方法、箱涵顶管管节顶部覆土类型和厚度、箱涵顶管管节基底地层的各种条件等。

可采取如下措施防止箱涵顶管管节顶进过程中产生的“扎头”和“抬头”现象[10]：（1）发射井工作坑内滑板前端设置顶进过渡段，通过增大接触面积以增强滑板前端土壤承载力；（2）在刃角或底板正面适当增加欠挖面积强制顶进，在顶力有较大富裕时，也可对箱涵顶管管节采用全断面强制顶进；（3）在箱涵顶管管节“扎头”现象严重时可在“船头坡”下铺设混凝土预制板强行抬坡顶进；（4）在箱涵顶管管节有“抬头”现象时，可在箱体底部以下适当超挖。

2 工程应用

2.1 工程概况

合肥市铜陵北路新建道路位于合肥市瑶海区，南起天水路，北至东方大道，全长4752.436 米，设计时速60km/h，规划红线45米，是该区域内的一条交通性城市主干道。铜陵北路下穿合肥东站立交桥工程涉铁范围全长为763.315 m，需要穿越多条股道，如图3所示。其中穿越铁路股道范围采用顶进法施工，其余部分采用现浇，引道部分采用U型槽结构。

图3 铜陵北路下穿合肥东站示意图

道路下穿立交桥工程采用孔径6.0 m+12.0 m+12.0 m+6.0 m的四孔分离式框架桥结构型式，总跨度43.5 m，如图4所示。其中12.0 米框架布置11.25 m的机动车道，两边6.0 米框架各布置人行道及非机动车道。12.0 m框架顶板厚1.1 m，底板厚1.2 m，侧墙厚1.1 m；6.0 m框架顶板厚0.6 m，底板厚0.7 m，侧墙厚0.7 m。

图4 框架横断面图

项目拟建场地地形总体呈北高南低分布，地表高程约25.22 ～33.71 m，最大高差约8.49 m。江淮丘陵的地貌单元，岗地的微地貌单位，上覆第四系覆盖层厚度约32.80 ～45.10 m，下伏白垩系暗红、紫红色泥质砂岩风化带。一层为耕作土，厚度为1.5 ～1.8 m，2层为杂填土，厚度为0.8 ～3.3 m，3层为粘土层，厚度为22.8 ～31.7 m，4层为全风化层，厚度为1.7 ～6.9 m。

地下水类型主要为上层滞水和风化岩层层间水，上层滞水主要分布于耕作土层和杂填土中，水量不丰富，水位埋深约在地表下0.5 ～1m；层间水主要分布于全风化土和强风化泥质砂岩中，含水量不大，无承压性。

2.2 施工程序步骤

施工基坑围护桩施工→开挖工作坑、铁路加固→开挖集水井安装排水设施→浇筑后背梁及滑板→浇筑主体框架→安装钢刃角→安装顶进设备→施顶→框架就位→施工现浇框架→凿除后背挖孔桩→施工U型槽→回收线路加固设备→桥面工程→框架内道路和路面施工。

2.3 顶进方案及施工关键技术

顶进施工工艺：铁路股道线路加固→安装、调整项进设备→尝试顶进→开始顶进→停止顶进→安放顶铁→继续顶进→测量、到达指定位置。

2.3.1 铁路线路加固

为了在箱涵顶进施工时最大程度不影响火车站的运行，本次工程采用对线路加固的方式确保边施工边通行。工程采用施工钢便梁铁路股道进行线路加固，主要进行条形基础、架设钢便梁及箱涵顶进的施工，在封锁点内进行吊装便梁、穿抽钢枕和移梁的工作。箱涵顶管管节顶进到位以后，为了防止箱涵顶管管节两侧路基蹋方，在箱涵顶管管节两侧路基采用槽钢桩支护，支护长度为5m，桩间距为1.0 m，在桩的顶部设置冠梁将桩连成整体，以防发生侧移。

2.3.2 箱涵顶进设备及安装

2.3.2.1 首先对场地进行测量，建立箱涵顶进的控制点坐标和顶进轴线，为后续精准控制箱涵顶进做准备。

2.3.2.2 工作坑施工。根据箱涵施工要求合理设置工作坑，保证在承受荷载能力方面具有较好的表现[11]。为避免不均匀沉降现象，需填入适量的级配砂石，并沿顶进方向修筑仰坡。工作坑施工期间应配套修筑排水沟、集水坑高效的排水设施。

2.3.2.3 安装顶进后背，采用并装式后背，顶进后背的平面垂直于顶进方向的轴线。拼装式后背，由两块钢筋混凝土预制块（又称“抵座”）夹着枕木垫层抵在后背土上组成。拼装式优点为更省钢材，可重复使用钢筋混凝土预制块和枕木，适用于顶进工点多，也有起吊运输条件的工地。

2.3.2.4 安装滑板导轨和主顶装置。进行监测测量，精确固定顶进导轨位置与坡度。要以箱涵顶管管节中心线为轴对称设置千斤顶[12]。为了防止箱涵顶管管节底部被压碎，因此设置厚2cm的承压钢板在箱涵顶管管节底部与顶镐连接的位置，并在承压钢板下面焊接钢板托盘，防止在箱涵顶管管节顶进过程中因底板和千斤顶接触而出现刮板的问题。高压油泵、油箱及其他辅助装置布置在箱涵顶管管节中墙的一侧。顶柱和顶铁安装轴线垂直于后背用于传力，并应按规格和数量备齐并摆放整齐，以便快速施工。为了防止顶进时顶铁蹦起，应该在后背梁前设钢横梁，并且千斤顶顶镐前每隔4 m设1道横梁作为托梁，在顶进过程中顶铁还要设置钢轨压梁，预埋在滑板内的压梁环固定压梁。

2.3.2.5 工作井内的平面布置。搭建井内工作平台、安装配电箱、主顶动力箱、控制台、铺设各种电缆、管线、油路等。井内平面布置要求布局合理，保证安全，方便施工。

2.3.2.6 地面辅助设备的安装及平面布置。辅助设备主要有搅拌系统、供电系统充电设备等的安装调试,此外还有轨道拼接、管节堆场、临时弃土场的安排以及吊车泊位、安全护栏等的布置。

2.3.2.7 地面辅助工作及井内安装结束后。吊放顶管工具管，接通电气、液压等系统，进行出洞前的调试。

2.3.3 箱涵试顶

箱涵顶进施工是整个工程的重要环节，我们要进行预操作，在进行正式箱涵顶进施工之前应当进行试顶操作[12]。试顶施工时，为了避免顶力的突然增大导致顶镐或者箱涵顶管管节的破坏，应在启动时缓慢增大顶力，而且最大顶力不应超过箱涵顶管管节自重的1倍。同时，在顶进加压时，应有专人对所有参与顶进设备的运行状况进行全面检查，为了在顶进过程中出现的问题能够快速有效解决。试顶施工操作完成后方可进行正式的顶进施工。

2.3.4 箱涵顶进

2.3.4.1 首先开动高压油泵使顶镐在受到液压作用时产生顶力，推动箱涵顶管管节向前进，当一个冲程结束后使顶镐活塞回复原来的位置，此时在空隙处安放顶铁。开镐顶进是现场顶进工作的中心环节，在每次开镐前对现场工作设备情况进行全面检查，确认一切设备正常运行后再开镐顶进，绝不允许带故障工作。再次开镐推动顶铁和箱涵顶管关节前进，形成循环往复操作，从而实现箱涵顶管管节到达指定位置。

2.3.4.2 箱涵顶进采用机械挖土。出土选择从工作坑开始，在路基中间部分上下两层开始开挖以减少路基挖土，且平台上禁止积土。钢便梁需设置限高装置，以防止挖士时挖机大臂碰到便梁，造成线路的变形。挖土时，操作还要与观察人员紧密配合，随时观察箱身顶进的情况，若有偏差，及时改进挖土方式。

2.3.4.3 利用列车运行间隙按照“四不顶”的原则进行顶进施工，即：列车通过时不顶，顶进后背出现倾斜或严重变形时不顶，顶柱发生扭曲时不顶，顶进超过预期偏差且无应急预案措施时不顶。

2.3.4.4 箱涵顶进过程中需密切关注地层扰动状况。根据地层类型、覆土厚度及地面建（构）筑物等，依据现场监测数据，及时调整顶进姿态，减少对土体的扰动，将涵道轴线和地层变形控制在最佳状态。

2.3.5 减阻泥浆

箱涵顶进过程中，采用各种措施减少顶进阻力，其中最常用的是灌注泥浆进行减阻。在箱涵顶管管节顶进时使用压浆机通过管节上的压浆孔，向涵道外壁与外界土体之间注入一定量的减阻泥浆，在涵顶管管节外围与土体之间形成泥浆环套，减小涵顶管管节外壁和土层间的摩擦力，进而达到减小顶进顶力的目的[13]。为了压浆工作的顺利进行，在工具管尾部环向均匀布置四只压浆孔，箱涵顶进时工具管尾部的压浆孔要及时有效地跟踪压浆，确保能形成完整有效的泥浆环套，补压浆的次数及压浆量根据施工时的具体情况确定。减阻泥浆的用量主要取决于涵道周围空隙的大小及周围土层的特征，一般按涵壁空隙的5 cm计算理论压浆量。由于泥浆的流失及地下水的作用，泥浆的实际用量要比理论用量大得多，一般可达理论值的4～5倍，但在施工中还要根据周边地层及顶进状况调整泥浆用量。

3 结论

本文在对长距离箱涵中继间顶进施工顶镐设置部位、数量及分布方式，中继间布设类型及姿态控制等关键技术原理深入分析的基础上，结合铜陵北路下穿合肥东站顶进桥涵立交项目工程实践，详细阐述了铁路股道群加固、顶进设备安装及顶进作业等工程实施过程中存在的技术难题及管控对策，为工程项目安全、经济、快速、高效实施提了供坚强的技术支撑和理论依据，同时为类似工程施工项目提供借鉴和参考。