铁路下穿框架桥施工技术研究

铁路下穿框架桥施工技术研究

1桥式盾构是顶进法施工的一种新方法经过40多年的技术建设，已在中国铁路上建立了所有权桥。在40公里的范围内，框架桥的制造技术相对成熟。经过6次提速后的铁路列车通过速度越来越高。近年来发展起来的城际铁路和高速铁路,使传统的顶进法施工工艺很难满足要求。同时高速运行的列车对施工的安全也提出更高的要求,即在施工过程及以后的运营中,对线路的沉降等影响达到最小的程度。近几年,发展起来的桥式盾构也是框架桥顶进施工的一种新方法。它的特点是在框架桥顶进施工前,先制作好与框架桥结构类似的桥式盾构,将桥式盾构分次顶进路基内,在顶进桥式盾构时,框架桥也分次顶进到路基内。桥式盾构起到保护路基稳定、提高线路安全的作用。管棚的使用起到支护路基土体,防止路基沉降的作用。2单元刚度计算方法本文提出的框架桥设计是采用厚板有限元原理进行设计及并用VC++6.0系统进行程序开发的。框架桥结构内力分析处理技术的具体步骤是:(1)建立基本假定;(2)确定单元的位移、内力和变形;(3)建立弹性矩阵;(4)求解形函数;(5)建立应变和节点位移的关系——几何矩阵;(6)在局部坐标系下建立单元刚度矩阵;(7)在总体坐标系下建立单元刚度矩阵;(8)弹性地基的处理;(9)引入边界条件,解刚度方程,求节点位移和单元内力;(10)计算机程序的实现。根据以上的结构计算(包括正交和斜交)步骤,并进行了一系列的电算程序设计工作,经过多个工程设计实例的检验来看,计算结果与SAP5等大型结构计算结果比较吻合。具体过程在此从略,详见参考文献。3“桥式”盾构法“桥式盾构法”(以下简称“盾构法”)是一种较为先进的顶涵施工方法,是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,暗挖推进降低了施工对行车的影响。盾构由钢柱、钢梁、盾壳、子盾构、液压推进系统、辅助机构六大部分组成。装配在第一节框架桥前端的盾构,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。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“桥式盾构法”的关键。盾构的横向截面成简支梁桥形,其外廓尺寸与框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)从盾构入土直到出土前均保持1∶0.75坡比,并滞后子盾构掘进面一段距离开挖,它与盾构共同平衡周边土压,成为掘进面的强大支护体系。盾构母体中的子盾构由液压系统控制,单台组错开推进,担负减阻板的牵引及掘进面的小断面化。增强了开挖面的稳定性,被牵引的减阻板则将上部摩擦力分散。框架桥推进前顺坡清除底板前方部分中心土体,盾构母体随框架桥同步推进时,子盾构原推出部分被掘进面土体阻挡与子构箱体作相对运动,套回箱内,完成一盾构掘进工作循环。盾构法顶涵施工,施工前期工作与普通施工方法相同,主要为以下几个方面:施工准备、基坑开挖及滑板制做、框架箱身预制、后座制做。下面主要就盾构的安制、掘进等几个方面进行论述。3.1在安装前，应考虑以下几点(1)框架桥表面平整度框架桥前端面为盾构止推梁、柱推力传递面。其不平整度将影响止推梁及相关柱的受力状态,不均衡受力可能造成盾构变形与偏向推进,影响安全和破坏盾构的导向功能。所以在盾构安装前必需对框架桥前端面进行检测、修整。同时也应对框架桥外廓几何尺寸进行严格检查,对跑模较严重部分进行必要的修整来减低推进阻力,框架桥各表面的整体平整度还直接影响线路沉降控制的效果。为此,框架桥边墙允许误差≤3cm,框架桥顶面允许误差≤1cm。其检查方法可采用仪器与拉线,对凸出部位采取凿低后再补平,对较低部位则先凿毛再水泥砂浆补平。(2)框架初动会引起的粘连采用“桥式盾构法”施工,框架推进时增加了盾构阻力,该状况在框架初动时会较明显。盾构安装前必须预先将框架推动相应行程,以确认滑板无粘连,可保证盾构安装后不因滑板粘连而又撤除。试顶方法为:使用油顶推动框架桥,行程3cm。预顶也是后座保护措施之一。3.2桥梁结构的制造和安装(1)槽长、槽宽、材料及硬化层在确认底板无粘连后,在路基边坡下按框架桥轴线放出盾构各墩柱底板开槽边线,开挖槽宽1.5m,槽长6.6m(长和宽具体数值视框架桥尺寸确定),槽深至框架底面下10cm。槽基底进行硬化处理。硬化层坡度视现场开挖地质状况而定,硬化材料采用C20素混凝土,厚度平框架底。当地基承载力达180kPa以上时,墩柱底板地基可不作硬化处理。(2)下托梁、定位架的安装将墩柱底板放入基槽中与预先埋设于框架桥前端预埋托板平整焊接,焊缝为v30°坡口,焊接前应复测底板坡度,并确认满足要求。施工人员充足时,所有墩柱可同步平行作业,以减少吊机台班费用。墩柱下托梁按底板轴线平行等分安装,下托梁与底板连接焊缝以受压为主,剪应力小,可采用每焊接10cm空20cm不焊的间断焊。为防下托梁在焊接过程中发生偏斜,应采用两侧同步对称焊接。立柱吊装前,应在预先搭设的工作平台上采用钢管脚手制做立柱定位架,在立柱安装时起安全及临时定位作用。将各条立柱的设计位置事先吊垂线标记于下托梁及定位架上,可极大程度提高墩柱安装进度与质量。当盾构墩柱安装基本就绪时,视情况对边坡槽进行简易支护,以确保路基稳定为原则。墩柱上、下托梁安装时必需注意:与线路斜交,盾构墩柱托梁不在同一水平面上,其各托梁高差值为基坑滑板坡度换算可得,现场确定。(3)框架桥吊装方式桥式盾构所用主梁在地面临时平台上精心制做,由于该主梁除上方负载外,还与盾构顶板共同承担框架桥推进时的轴向力传递,因此,设计刚度较大。安装时先测量标记定位线于墩柱上托梁上,然后由起吊能力大的吊机分榀吊装就位。其梁垫在测量人员配合指挥下安装,各榀梁的顶面高度需按设计要求进行调配。(4)双面间断焊为加快制做速度与合理安排劳动力,子构箱从母构体两侧做起向中间发展,合龙后按实际尺寸制做非标型子盾构。子构箱下托板需在临时设制的托架上调校后与第一榀盾构主梁下托板进行对接,其横向受压焊缝允许采用间距不大于30cm的双面间断焊,纵向受剪、受拉焊缝处必需采用x60°坡口双面满焊,以保证焊缝牢固度。便于总体吊装的工地现场,子盾构箱可在就近工作平台上制做,采用机械整体吊装。子盾构导向架各组件均在平台上靠模中统一标准制做,安装时采用定位装置定位焊接,导梁滑道与子盾构配合间隙设计为4mm,误差允许±1mm,子盾构箱制做完成后,将尚未编号子盾构进行试配,要求子盾构装入箱后无卡滞现象,空载时以人力可推动为宜。装配完成后进行编号与滑道注油。子盾构箱底板厚20mm,盖板厚16mm,板面靠前端均倒有上刃口,底板刃口为铲除土体欠挖量用,箱盖板刃口为防止减阻板卷曲之用,导向架用料I28B,要求材料平整无扭曲变形。(5)顶面板下框架桥复合顶面图4盾构外壳钢板均采用16mm厚钢板,其盾构尾部长30cm套在框架桥前端,作相互制约用。盾构外壳安装后其总宽值大于框架桥总宽约32mm,由此间隙来降低顶推过程中框架桥两侧与土体产生的摩擦阻力,并有效地减小两侧土体的摩擦位移现象。超宽造成的土损失在框架桥顶推到位后进行压浆补空,也可在顶进时压注水泥浆或打入水平槽钢,以避免路基出现沉降。盾构外壳顶面板采用16mm厚钢板满敷,左右两边与盾构边板焊接,顶板底面与主梁间梁撑焊接。安装时高于框架桥4mm,以留出顶面扁铁焊接位置。顶板敷设后需对整体平面进行检测,不平整度高差应小于3mm,如大于3mm则应检查调整。(6)牵引力配置子盾构现状及工作原理子盾构是桥式盾构母体中对上部掘进面进行有效支护的重要部分,在不同土层中采用不同的推进方式来保持掘进面的稳定。连续框架根据盾构总宽,设多台组子盾构,各组间隔750cm(其中一组按剩余实际尺寸制做)水平布置。每台组子盾构内布30t双向作用液压顶2台来保证子盾构的推进、切土能力,子盾构推进的同时,牵引框架桥顶面铺设的减阻板。每台子盾构中共需2台油顶,由2套液压泵站操纵控制(中间连续框架每孔配备1套),该液压系统中设有高压截止阀,用以控制子盾构单独运动或间隔群体运动。严禁相邻子盾构同步推进,造成减阻板上部覆盖土应力集中被剪切破坏,使线路产生水平位移。框架桥推进阶段桥式盾构母体与框架桥采用铰接,盾构外壳套入桥体长度为30cm。当框架桥被推进时盾构亦被框架桥同步、同方向推进。顶位处布置单向作用多台油压顶,其中几台液压泵站采用并联方式操纵控制,以解决单泵流量过小推进缓慢问题。3.3掘进方式框架桥工程采用桥式盾构法施工,掘进时,每组子盾构由1名工人配合修整掘进面、出土,以及盾构母体推进时对子盾构套入箱体状态的监视。如果出现意外能及时通报控制台而中断事故发展。子盾构允许单次推进行程30～40cm。子盾构作业为人力配合机械,视挖掘面土体的自稳能力而定,有先顶后挖、边顶边挖或先挖后顶的三种掘进方式。采用何种形式,由工程技术人员决定,液压操纵班按令执行。子盾构推进时,其上部土方由前端锯齿刃脚切割下落。作业基本处线路板结层,工人可视情况申请采用气动风镐掘土。盾构墩柱设计为多层,每层土体由1名工人完成掘进,每组墩柱由4人担负出土、顶推监视工作。挖掘标准为墩柱的外廓尺寸宽与前进方向30～40cm长。大断面中心土采用挖机掘进与装车,自卸汽车外运弃土。为缩短顶进期,掘进时,机械将框架桥前滞后的中心土挖去相同长30～40cm距离,并采用接力方式推进各节框架桥同一距离为一顶进工作循环。顶进到一定程度时,为防止传力柱横向分力引发起拱甚至飞扬伤人,在传力柱上方设置轨束梁反压或增设分配梁。传力柱方向应预留余土运输通道。4管栅施工工艺对沉降要求较高的地方,超前长大管棚是一种十分有效的支护手段。由于高速铁路和城际铁路速度高,对路基的沉降要求很高,列车通过时几乎要求路基和轨道没有沉降量。因而使用管棚技术是十分必要的。管栅施工技术的工艺流程见图1。具体管棚设计参数、施工方法、使用仪器及设备、工效、注浆及效果等参阅参考文献,在此略。5-12.65m框架桥结构及施工方法在铁路长大干线上进行桥式盾构下穿涵施工,已经进行过几次试验,分别是南昌市政道路阳明大道下穿京九线、新余市政道路新余北大道下穿沪昆铁路和萍乡市政道路滨河大道下穿沪昆铁路等几个项目。本案例是在总结前几个项目的设计、施工经验的基础上进行的。工程概况:南昌市市政道路丰和北大道下穿京九铁路(K1435+000.30)的1-5.0m+2-12.75m+1-5.0m框架桥工程,其中主体为2-12.75m框架桥,轮廓高8.0m,中心轴线全长17.0m,顶板厚0.8m,底板厚1.0m,边墙均为1.0m,板顶覆土1.09～1.53m。1-5.0m框架涵高为8.8m,全长17.0m,顶板厚0.45m,底板厚0.5m,墙厚均为0.5m,板顶覆土为1.09～1.53m。为了降低顶进框架桥时限速对铁路线路造成的影响,2-12.75m框架桥工程采用桥式盾构顶进施工,设计的盾构立面、侧面和平面如图2～图4所示。1-5.0m框架桥在主体2-12.75m框架桥盾构施工完成后,采用D16梁加固线路,顶进施工。为防止在盾构框架桥顶进施工过程中路基土体的松动坍塌,采用三面管棚支护路基土体。主体框架桥顶为45根ϕ250×12mm无缝热轧钢管,净距40cm,钢管布置压浆孔,管内注水灰比0.8∶1素水泥浆;主体框架桥两侧分别为13根ϕ160×9.5mm无缝热钢管,净距50cm,管内注水泥浆。为控制框架桥顶进精度,框架底设计4条顶进滑轨,由ϕ970×14mmQ235钢管组成,内灌注C15混凝土。为防止框架桥顶进过程中,框架桥顶侧管棚的下沉、移位,影响正常顶进,在框架桥两侧设置马头门固定管棚。框架桥设计基底土应力为300kPa。桥位处路堤高9m,填方基底土层为填筑土,承载力仅120kPa,其下粉细砂层,细砂层2.7～3.1m,承载力120kPa,为框架桥基础下软卧层。因路堤较高,其上填土均匀性较差,为提高框架桥基底承载力,设计采用钻孔压浆对粉细砂,细砂进行加固。压浆孔采用梅花形布置,间距1.5m,路基面宽度以下范围施钻斜孔压浆,压浆孔深入地面以下3.0～4.0m,压浆孔直径110～130mm,采用直径108mm的无缝钢管,并在其深入灌浆的区域每隔50cm钻一环射浆孔。浆液采用M30水泥浆。灌浆压力0.6～0.8MPa。灌浆时,为防止浆液从孔口冒出和限定在灌浆段灌入地层,灌浆前宜先灌低强度的黏土水泥浆填料。6下穿框架桥结构的施工注意事项随着国家提出修建铁路、公路等扩大内需的政策的落实,未来几年将有大量的高速铁路和城际客运铁路专线付诸实施。下穿高速铁路和城际铁路的框架桥设计技术、施工技术与施工安全要引起我们的高度重视。本文根据框架桥设计理论和管棚与桥式盾构的特点,提出了顶进框架桥的应用条件和设计与施工中要注意的事项。(1)对于限速在40km/h以下的下穿框架桥结构,可以采用普通的顶进法进行框架桥的设计与施工,用便梁或工字钢对线路进行加固。(2)对于限速在4