下穿高速公路框架桥“盾构顶进”施工1前言近十年来，随着城市建设不断扩大，许多城市道路必须穿过既有的高速公路。“盾构顶进”为下穿高速公路施工提供了一种新的施工技术，该技术可以在不断道的条件下施工，保证了高速公路畅通，对国家经济建设有重要意义。2工程概况郑州市某北路下穿某高速公路立交桥位于某北路K4+310m处下穿某高速公路，夹角7337，采用两孔净宽18m、净高6m的框架桥，结构砼厚1.3m，单孔桥长35.5m，上、下行框架桥间净距9.6m，其中车道宽12m，非机动车道宽4m，人行道宽2m。桥内横坡按1%单向坡设计。框架立交桥中心框架上部覆土厚平均2.67m，结构尺寸见下图。该桥采用了“盾构顶进”施工，下面将该施工方法作如下简介：下穿某高速公路立交桥纵断面图（单位：cm）下穿某高速公路立交桥平面图（单位：cm）3“盾构顶进”设计与施工3.1盾构设计3.1.1盾构组成盾构的横向截面成桥梁形，其外廓尺寸与框架桥外廓尺寸相同。盾构由墩柱、主梁、盾壳、子盾构、液压推进系统、辅助机构、六大部分组成，如下图示。3.1.2作用机理“盾构顶进”采用了网格式的原理，化整为零，具有如下作用：3.1.2.1对掘进面的支护作用在第一节框架桥前装配盾构，作为框架桥带土顶进时掘进面与路基的支护。掘进面开挖分为三个部分：1、子盾构内开挖盾构上部设有23个子盾构，将上部开挖面分成了23等分。当子盾构向前顶进时，其上部土方由前端锯齿刃脚切割下落，子盾构承担了上部荷载。视挖掘面土的自稳能力，子盾构作业分先顶后挖、边顶边挖和先挖后顶三种方式。上部子盾构由液压系统控制，单台组错开推进，插入土体中以托住上方，至下一掘进面止。盾构母体随第一节框架桥推进时，子盾构推出部分被掘进面土体阻挡而与盾构母体作相对运动，套回子盾构箱内，完成一个工作循环。2、墩柱开挖每个墩柱宽为1.1m，分为4层，每层下部有一块支垫钢板，可将每层封闭成独立箱室。每次仅向前开挖3540cm，正立面设有1:0.2的坡。一旦发现有坍塌现象，可对这个独立箱室进行单独封闭，不会造成大面积塌方。3、中心土开挖中心土采用机械开挖，按墩柱上的1:0.5剪力板线开挖，一般情况下中心土滞后子盾构掘进面5m左右。若中心土自稳能力不强时，可放缓开挖坡度。“盾构顶进”受力的关键就是利用中心土支撑，有两个主要作用：(1)承受上部荷载上部荷载由覆盖层恒载、汽车恒载和动载组成。上部荷载直接作用在主梁和子盾构箱上，再由五个墩柱传递到基底。墩柱的底面积不大，当地基承载力较低时，墩柱底部不足以承受所有的荷载，但在框架桥顶进期间，先人工挖土开槽，将盾构主梁和墩柱正前方土体挖空，盾构由第一节框架桥推动切入土体中，受力模式就发生了新的变化。高速公路路基经过了分层碾压成形，尤其是紧靠路面结构层下的土体，因长年汽车振动形成了板结层，承载力相当高。“盾构顶进”就是利用这一点，在子盾构箱和第五个主梁下部安装了一块宽2.7m厚16mm的上托板，它紧压在“桥形”梁跨下滞后挖掘的土体（中心土）上，承受所有的上部荷载。(2)平衡侧向土压力因框架桥侧墙是垂直的，顶进开挖时就形成了一个垂直的凌空面。当框架桥高度比较高时，侧向土压力也会十分大，容易造成坍塌。当盾构切入土体后，利用中心土的侧向土压力平衡了盾构外侧的侧向土压力。3.1.2.2顶进过程中的导向作用顶进时盾构的墩柱底部设有0.25%的仰坡，对通过的土体进行了预压，盾构在前方走出一道轨迹，框架桥沿着这条轨迹前行，并在节与节之间设置8组2扣1的50轨束，作为导向墩，可防止节间错台。盾构的走向完全取决于人工超挖的方向，可高可低，可左可右。导向的秘密在中心土。当上托板的角度增大时，在中心土强大的反力作用下，盾构被迫抬升。反之盾构降低。每个立柱的两侧都安装了剪力板，中心土西侧超挖，东侧欠挖时，盾构向西偏转。相对于框架桥巨大的自重来说，盾构的引导作用毕竟有限，应加强测量观测，当发现框架桥走向不对时及时调整盾构方向。3.1.2.3对高速公路的保护作用在框架桥顶进期间，对高速公路产生两种不利影响：沉降和水平位移。要保证顶进期间高速公路畅通，不断道就必须严格控制沉降和水平位移。1、沉降控制高速公路沉降主要由两个原因产生：框架桥沉降和土体损失。因土方开挖在盾构的支护下作业，路基开挖的高度和宽度均和框架桥相同，甚至是由盾构周边的刃脚切入，不会造成超挖和土体坍塌。同时在每节框架桥之间接缝处，四周均采用护套钢板进行了封闭，减少了上部土体的损失，也就减少了高速公路路面的沉降。在顶进就位后，立即对框架桥顶部和两侧的缝隙进行注浆填充。2、水平位移控制在框架桥的整体顶进过程，上部的摩擦力逐渐增加，当超过路基的抵抗能力时，高速公路被拉裂，甚至带着整个路基偏移。如果能减少框架桥顶进时的摩擦阻力，就可以减轻摩擦时框架桥对上部覆盖土的破坏。在盾构顶进中控制水平位移有几项关键措施：(1)化整为零盾构上部设有23个子盾构，每个子盾构由两台30t的油顶控制。在每个子盾构的刃脚尾部均安装了一条与子盾构等宽、厚度3mm、与框架桥等长的一块钢板（称为减阻板）。当单个子盾构向前顶进时，减阻板因子盾构牵引向前运动，将大面积摩擦造成的破坏性剪切力以大化小，变成二十三分之一，以致无法剪断覆盖土，使公路保持完好。(2)多层隔离在框架桥顶部，除了减阻板之外，沿顶进轴线方向通长设置504mm的扁铁，其扁铁横向中心间距为100mm。扁铁前端与盾壳尾端焊接，后端摆放于框架桥顶板上。框架桥顶部与土层被扁铁与减阻板隔开，当子盾构牵引减阻板就位后，减阻板不动，第一节框架桥与盾构带着扁铁在减阻板下运动，第二、三节框架桥顶进也在扁铁下运动。摩擦系数由砼与土的0.50.7下降到了钢与钢的0.10.2，摩擦力减小了三倍以上。顶进前，在减阻板与扁铁间涂抹黄油、板面及框架桥外侧壁涂工业废油，降低周边土体的摩擦力。(3)双层减阻板通过计算，60t的油顶只能将925mm宽的减阻板拖动22m，而框架桥需穿过高速公路34m。这样我们可将减阻板分为两层，上层长12m，下层长22m。当框架桥顶进高速公路12m后将上层减阻板甩掉，尾部用工字钢焊接上，上层减阻板不再向前移动，这12m范围内的上层土体不再受框架桥摩擦扰动，相对稳定。子盾构继续牵引下层减阻板向前移动。(4)挡土梁在公路对面，各框架桥出口边坡上部设置钢筋挡土梁一条，两端与抗滑桩相连，上部用袋装土反压，用以抵抗子盾构及减阻板上部土出洞时的轴向推力，以保护路边坡。3.2顶力、后背和滑板设计3.2.1顶力设计框架桥的预制在某高速公路南侧滑板上进行。为便于顶进，每孔35.5m框架共分成三节预制，第1节长8m，第2节长11.9m，最后一节长14.5m，每节之间设55cm待浇带，后一节作为前一节顶进的后背。先预制第一节和第三节，最后预制第二节，均在设计中心线上进行预制。这样分配可以后一节作为前一节的后背，利用中继间顶进，可大大减少顶进后背的受力需求。3.2.1.1第一节顶力设计1、截面估计： 最大跨为18m，截面形式按下图估算：截面面积：S=(20608601800600+5050+15050)10000=70.16m22、自重计算：第一节8m，C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑，则G=vg=Slg=70.16826=14593KN盾构自重160t，即1600KN3、箱桥顶力计算采用P=KN1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA P最大顶力（KN） K系数，采用1.2N1箱顶上总荷载，汽车荷载按汽车-超20级计算，公路桥涵设计通用规范(第22页)填料厚度等于或大于50cm的涵洞可不考虑冲击力,则汽车荷载N11=550380%=1320KN覆盖层荷载N12=2.08.1520.619.4+0.68.1520.625=9032KNN13=2.0820.619.4+0.6820.625=8866KNN2框架桥自重 N21=14593KN 盾构自重 N22=1600KNf1箱顶表面与荷重的摩阻系数，取0.2(因有减阻设施) 盾构顶表面与荷重的摩阻系数，取0.2f2箱底与底层土的摩阻系数，取0.75 盾构底与底层土的摩阻系数，取0.2 E箱两侧土压力f3箱体侧面摩阻系数，取0.75 盾构侧面摩阻系数，取0.2 R盾构刃脚正面阻力，取1500KN/m2 A盾构刃脚正面积框架桥正面阻力面积S=20.61.3+7.31.32=45.76m2, 盾构刃脚按其1/10考虑，则A=S/10=4.6m2顶力计算： 箱两侧土压力，按库仑压力计算 E=1/2H2B（参考桥规） 则：E=1/219.40.48.628=2296KN 采用铁路桥涵地基和基础设计规范取摩阻系数为f=30Kpa（第160页），则E=8.6830=2064KN同上相近盾构两侧土压力，按库仑压力计算 E=1/2H2B（参考桥规） 则：E=1/219.40.48.628.15=2339KN 采用铁路桥涵地基和基础设计规范取摩阻系数为f=30Kpa（第160页），则E=8.68.1530=2103KN同上相近则：P=1.2(132088669032)0.2(1320886614593)0.75(9032+1600)0.2222960.75223390.215004.6 =42862KN； 4、配顶设计千斤顶合力宜设在合力重心位置。根据千斤顶的机械性能，拟配24台320吨穿心式卧式千斤顶，其最大顶力为：N=3200240.6=46080KN42862KN，可满足要求。3.2.1.2第二节顶力设计1、截面估计：截面面积：S=(20608601800600+5050+15050)10000=70.16m22、自重计算：第二节12m，C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑，则G=vg=Slg=70.161226=21890KN3、箱桥顶力计算采用P=KN1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA P最大顶力（KN） K系数，采用1.2N1箱顶上总荷载，汽车荷载按汽车-超20级计算，公路桥涵设计通用规范(第22页)填料厚度等于或大于50cm的涵洞可不考虑冲击力,则汽车荷载N11=550380%=1320KN覆盖层荷载N12=2.01220.619.4+0.61220.625=13299KNN1= N11N12=1320+13299=14619KNN2框架桥自重 N2=21890KNf1箱顶表面与荷重的摩阻系数，取0.2(因有减阻设施)f2箱底与底层土的摩阻系数，取0.75 E箱两侧土压力f3箱体侧面摩阻系数，取0.75 R正面阻力，取0KN/m2 A正面积顶力计算： 箱两侧土压力，按库仑压力计算