浅谈大跨径框架桥顶进施工技术的研究

浅谈大跨径框架桥顶进施工技术的研究

周平

（湖南岳麓经济开发有限责任公司 湖南 长沙 410000）

摘要：随着城市快速发展，越来越多的城市道路需要下穿高速公路来满足城市快速往外发展的需求。本文以湘江智谷人工智能科技城•玉赤大道与长潭西高速相交节点工程——玉赤大道下穿长潭西高速公路为例，把管棚和桥式盾构顶进法施工技术运用到下穿大跨径框架桥施工中，既有效地保障了高速公路运行，又保障项目的顺利进行。希望可以为同行提供类似项目的施工提供一些指导和建议。

关键词：大跨径；桥式盾构机；框架桥；顶进施工

1.项目概况

湘江智谷人工智能科技城•玉赤大道与长潭西高速相交节点工程，位于长沙市岳麓区中部的学士街道，节点结构设计采用钢筋混凝土框架桥方式下穿，轴线与高速公路斜交夹角约106度，为斜交框架桥。

框架桥全长36米，分三节预制，长度分别是12m、12m、12m，框架桥外廓尺寸为宽22.1m（斜长22.99m）、高8.18米，斜交角16度，顶板1.35m、侧壁厚1.3m、底板厚1.3m，框架桥采用C45防水混凝土，共计5348m³，钢筋1608.4吨。本项目框架桥为宽22.1m大跨径框架桥、且最低点高速公路覆土仅为1.35m，对施工精度要求极其高。

图1 框架桥顶推纵断面图

2.施工流程

“钢盾构”法在保留传统顶涵施工方法工艺的基础上，对框架桥顶进路基支护进行了大改革—管刃切土改为平刃切土，用钢构支撑架来保持公路坡比，提高了施工的安全性和适用性，特别是对于大跨度砼框架桥顶进施工更具有可靠性，使用时掘进机构相继错开推进，框架桥掘进断面化成若干个小断面掘进，最大限度地减少浅覆盖层顶进施工过程中对公路路基的扰动。

图2 框架桥顶进施工流程图

3.水平定向管棚施工

水平定向大管棚能长距离钻孔，且能保证管棚质量，水平定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法，钻头后面200mm处装有有线导向探棒，操作台上有显屏，如有偏斜随时可以调整角度，可以按设计要求完成各种管线的铺设。该方法在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向，终孔偏差可以控制在5‰以内，能够达到施工高精度要求。

3.1导向孔钻进

大管棚钻孔时必须跳孔，终孔后注浆，注浆必须保证管道间间隙注满填充实，跳打3－5个孔再回去补打。导向孔钻进时钻具头部只安装略大于钻杆外径尺寸4cm的矛式钻头，对正既定孔位，即可开动钻机钻进导向孔，在钻进时需设置2°～4°上仰角度，沿着预先设计的路径钻进。钻进时人力扳拉推进持力均匀，匀速前进。

3.2扩孔

扩孔时人工给进均匀，匀速回拉。同时注水机连续注适量水，通过钻具搅拌孔内泥土造泥浆，用以保护成孔孔壁，保持土层稳定，同时起到润滑作用。根据现场地质情况，采用刮刀式扩孔器。扩孔器尺寸为铺设管径的1.2～1.5倍，这样既能够保持泥浆流动畅通又能保证管线的安全、顺利的拖入孔中。

图3 扩孔钻头图

3.3清孔

在回扩钻孔时，在钻头尾部配装拉链，钻孔回扩到达工作平台时，卸下扩孔钻头，在拉链一端换装拉泥盘，进行拉泥成孔工作。此项工序主要是拉运出扩孔搅碎的孔内土，形成光滑圆顺的安管通道。拉泥时，首次拉泥采用环形盘，反复来回拖拉后，如阻力减轻则在拉泥盘上加装横挡，再次入孔拉泥，逐次加封横挡，直至拉泥盘全封闭，并能轻松顺利拉出为止。

3.4回拖拉管

钢管管焊缝和管道强度检验合格后，即可进入拉管施工。首先在管头后端接上回扩头，管后接上分动器进行接管，将管子回接到工作平台后，卸下回扩头、分动器、取出剩余钻杆。施工时，拉管机操作人员根据设备数据均匀平稳的牵引管道，切不可生拉硬拽。

3.5管道压浆

大管棚注浆采用水泥浆，水灰比为1：1，注浆量根据钢管内和钢管外的环状间隙计算多少立方，然后看地层渗漏情况确定每一根钢管的注浆量。注浆量要求管内注浆由管外排出泥浆，停15－30分钟进行二次补浆，确保管内外填充质量、注浆必须控制好注浆量、注浆压力等每一个环节，保证达到设计要求为标准。

图4 扩孔钻头图

管棚上注浆孔孔径宜为10~20mm，间距宜为15~20cm,呈梅花形布置。钢管注浆孔设置孔口段2.0m范围内管壁不开孔，作为止浆墙。管棚的注浆压力一般在0.5~2. 5MPa选取。

4.顶进设备计算、桥式盾构机构造及验算

4.1顶进设备计算

1）已知计算条件

框架桥每延米体积：74.3m³

C40混凝土容重：γ=2.6t/m³

每延米框架桥质量：74.3×2.6=193.1t

钢盾：546.6t

2）最大水平顶力计算

框架桥顶入时所需顶力必须克服自身重力产生与滑板上的摩阻力、周围土的摩阻力及前刃角切土时的阻力。顶力可按下式进行计算：

P=k[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]

N1=A1(最不利汽车荷载)+A2(框架桥顶板上土柱重)+A3(盾构顶板上土柱重)+盾构重

框架桥两侧土压力及钢盾构内中心土压力：328.5+78.6=404.1

P=k[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]=6364.3t

考虑到顶部及四周都采用管棚施工，其独立承担了一部分土压力，故实际顶力要小。

3）千斤顶数量计算

采用400t油顶顶进施工，单个400t油顶实际顶力：

P1=400×70%=280t，N=6364.3/280=22台

考虑到实际顶进过程中的其他因素，本工程推荐选用400t千斤顶25台（使用23台，备用2台）。整个框架桥用400t千斤顶个数为75台，其中备用6台。

4.2桥式盾构机构造及验算

施工方法采用桥式盾构法。盾构由顶板结构、腹板结构和底板组成。腹板结构共有五道，两道边腹板和三道中腹板，把盾构内部分成四个箱室。盾构横端面与地道桥相对应，斜长22.99m，高8.19m。

图5 桥式盾构机大样图

荷载（作用）考虑结构自重、顶板覆土、顶板活载，侧墙主动土压力，侧墙活载下土压力，《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）第4.1节规定进行组合。

结构计算主要参数取值如下：

1. 结构重要性系数，γ₀=1.1；

2. 钢材容重： ；

3. 汽车荷载按公路I级计算，按两车道计算，并考虑车道荷载和车辆荷载两者的最不利效应；

4. 覆土层厚度超过50cm，不计汽车冲击系数。

5. 顶板土层厚度按最厚位置2.1m计算，土重度取18kN/m³，面荷载37.8kN/m²，施加于顶板钢板上。

6. 侧向土压力，作用于两个边腹板钢板上，垂直钢板向内，按主动土压力计算，计算公式如下，计算结果如下图所示：

Ep=γh tan²(45-φ/2)-2c tan(45-φ/2)

图6 侧向土压力沿盾构高度分布图 图7 车辆荷载产生土压力沿盾构高度分布图

5.中继间的设置

顶进框架桥总长为36米，分三节进行顶进，单节长度12米，框架桥轴线与顶推方向斜交角为16°，中继间位置框架桥底板设置台阶槽口，靠近侧板对称布置，每侧宽度4×2m，槽口深度90cm，顺桥向宽度0.8m。中继间内安放22台400T的千斤顶，中继间顶、底端和两侧设钢板护套防止框架桥四周土落入框架桥内，前后节框架桥间设置防错位钢销，以保证前后接对齐接顺。

6. 框架桥顶进

采用中继间顶进施工方法，工作坑设置在道路的西侧，框架桥自西向东顶进。由于下穿的既有道路车流量繁忙，为保证道路安全稳定。长潭西高速路面以下土体须采用大管棚支护、钢网格刃角分割土体支护技术，稳固掌子面。框架桥分3节一次性预制完成，然后依次顶进，节与节之间设中继间，顶进框架桥两侧设导向墩，以控制顶进时的水平和方向。

框架桥必须待主体及滑板和后背墙混凝土强度达到100%后，才可进行顶进设备布置、安装及调试，顶进设备主要包括液压系统和传力设备两大部分。

7. 框架梁顶进减阻与润滑措施

1）框架桥底板的减阻与润滑：为减小启动阻力，在框架桥滑板上先铺一层5mm厚石蜡，石蜡上刷黄油，最上层设耐高温油毛毡，防止施工过程中因焊接造成隔离层起火或损坏。

2）框架桥顶板的减阻与润滑：为防止磨损，减少阻力，并防止顶进带动路基，使之与土体不磨擦，在框架桥顶部及钢盾构架顶部沿顶进轴线上通长，设置5mm厚钢板，钢板固定在顶面上，前端与钢构群相焊接，后端悬挂于框架桥顶板尾端，能有效地减少摩擦阻力；顶进距离较长，为了减少顶进阻力，在每座子盾构的顶部均拖挂5mm厚钢板（拖板）与掘进机构等宽、等长并随相框运动；使盾构与框架桥上部钢板不与土层接触，在拖板底下推进，达到减少推进摩擦阻力和有效保护框架桥的作用。并采用在顶板及拖板顶涂抹黄油的办法来尽量减阻。

3）框架桥立墙减阻与润滑：在框架桥预制完成后，在未顶进之前对边墙喷射或涂抹一定的润滑剂以减阻；并且边墙在顶进入土之前刮一层黄油进行边墙润滑处理。

8.顶进施工纠偏措施

施工过程中应加强监测，用监测数据指导施工顶进作业，及时有效的对施工进行纠偏，真正做到信息法施工，保障施工准确和安全。

1）平面纠偏措施：

顶进过程中，发现偏差应及时调整，可采取增减一侧的顶力，如向左偏，则关闭或减少右侧千斤顶，如向右偏则反之；调整两侧挖土方式，利用两侧边墙阻力不同来纠偏，如框架前端向右偏，则在右侧边墙前超挖20～50cm，左边保持吃土20cm；利用顶铁调整，如框架前端右偏，则将右侧顶铁楔紧，左侧顶铁松开1～3cm的间隙，开泵后右侧先受力顶进。

2）竖向纠偏措施

为预防纠正框架低头现象，设置滑道板的2‰的纵坡；滑道板前面部分土方底面应适当欠挖；降低油顶轴线高程。为预防纠正框架抬头现象，顶进过程中发现抬头现象且抬头量不大时，挖土至箱底齐平；抬头量过大时，则底面进行超挖；如因两侧挖土不够宽吃土量过大而引起抬头时，可在两侧适当超挖。

3）较大偏差纠正措施

两幅框架桥预制完成后进行框架桥顶进，因此在顶进过程中出现较大平面偏差，可以利用预制框架桥作为反力梁采用横顶的措施来处理，调整的空间相对较大。在出现较大低头情况时，暂停顶进，在顶进过程中采取尾端压载法调整，由于框架桥重，可采用箱内中后部区域浇筑砼压载；如顶进已完成，低头严重时，可采用支顶法予以调整，该措施费用较大，对工期影响大，应避免出现该情况。在出现较大抬头情况时，需要注意框架桥和管棚之间的净空，一旦无法继续顶进，必须采取措施。

9. 总结

本文认为湘江智谷人工智能科技城•玉赤大道与长潭西高速相交节点工程——玉赤大道下穿长潭西高速公路，采用管棚和桥式盾构顶进法施工对大跨径框架桥下穿高速公路提供实践技术支撑，是一次对大跨径框架桥下穿高速公路一次工程技术上的探索和实践，为同行施工提供有利技术参考和支撑。

参考文献

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