铁路既有线地下箱涵先挖后顶施工工法

'铁路既有线地下箱涵先挖后顶施工工法1前言随着国家加大对基础设施的投资建设，一大批铁路工程需要改建扩建。在铁路改建扩建过程中地下通道（含进出站地道、行包地道等）需要下穿既有铁路线，但是又不能影响铁路的正常营运，而且地下通道还需要施工外墙与顶面的防水层。由于线路正常运营，列车照常通行，线路不能拆除，常规的现浇法施工时地道箱涵顶面与铁轨线路的距离太近，对正常运营的上部线路造成极大的安全隐患，而且线下施工时间长，不利于基坑安全，现浇法施工不适合既有线施工。因此要求在地下通道施工过程采取一种既能确保既有铁路线安全，又施工快捷的施工方法，对地下通道的各节箱涵采取先挖后顶的施工方法可以有效解决此类问题。2工法特点采用顶进施工，解决了地道箱涵顶面贴近铁轨线路的施工难题。基坑开挖完成后先施工滑板，然后地下箱涵一次顶进到位，基坑暴露时间较短，有利于确保基坑安全。先挖再顶的施工方法与边挖边顶的施工方法相比还具有以下特点：2.1预先施工顶进段的，减少了顶进的阻力，加快了施工速度。2.2预先施工顶进段的滑板，顶进过程中不会产生抬头与扎头现象。2.3避免顶进过程中防水层受土体挤压的影响，防水施工的质量容易保证。2.4先挖再顶，既有线范围内的地下电缆不会影响顶进施工，更容易确保电缆安全。2.5既有线施工协调配合要求高，危险性大。2.6既有线箱涵施工必须先加固线路。2.7既有线施工，要点施工（要点施工是指在既有线上施工前必须向铁路局或铁道部申请施工计划，在要点施工时铁路暂时不通行，要点时间一般不超过3小时），施工工期紧。3适用范围适用于铁路下穿既有线的地下通道与桥梁、涵洞的箱涵施工，顶进段一侧应有施工工作坑与后背的空间。4工艺原理先挖再顶的顶进法施工必须先加固既有线路，然后开挖顶进段的基坑，再将在工作坑中预制完成的箱涵借事先修筑好的后背用集群液压千斤顶整体顶进到位，图1是箱涵顶进平面示意图，图2为箱涵顶进立面示意图。―12― 5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程工作坑开挖→后背梁、滑板施工→箱涵预制与砼养护→顶进段基坑开挖→顶进段滑板施工→箱涵防水施工→箱涵顶进→箱体后背及顶部回填→回填道碴→拆除便梁、恢复线路。施工过程中做好井点降水、架设便梁对既有线进行加固等工作。5.2工作坑开挖工作坑是为了箱涵而设置的临时性场地，是预制钢筋混凝土箱涵和顶进的工作基地。工作坑的前端紧靠铁路线，后端布置运土道及后背工程，工作坑内设有工作底板（滑板），其上铺设润滑隔离层，框架涵主体结构就在隔离层上预制。一般情况下工作坑先于顶进段基坑开挖。工作坑靠近铁路路基一侧的边坡，要考虑行车安全，根据设计图纸中顶进预制工作基坑临近既有线一侧坡度要求施工。靠近既有线侧基坑开挖边线距既有路基路肩安全距离为1.5m以上。工作坑可―12― 采用土钉墙或其他支护形式进行明挖施工。如果工作坑不位于既有线范围，则直接采用机械开挖；如工作坑位于既有线范围，刚上部2m土方采用人工开挖以探明电缆，2m以下土方采用挖掘机分层挖土，距基底0.3m范围内的土方由人工配合机械施工，自卸汽车运土。滑板底部的锚梁、后背的土方与工作坑同时开挖。工作坑开挖的同时，要及时做好排降水处理，在基坑四周设一条蓄水槽。工作坑开挖到位后，马上施工垫层与滑板。5.3工作坑基底处理当工作坑开挖至设计标高时，对软弱地基要根据设计要求对基底进行处理。地基土的换填或碾压与夯实，粘性土和粉土碾压效果，除了与压实机械的能量有关外，主要与土的含水率有关。故在以后的实际工作中，应根据压实机械的能量，通过试压，来控制含水率，铺砂土厚度和碾压遍数，才能使地基稳定，消除不均匀沉降。5.4后背梁、滑板施工后背梁、滑板采用整体形式进行浇筑，既：滑板、后背、地锚梁、导向墩混凝土连续浇注，不留施工缝，以保证其整体受力。5.4.1后背的设置后背是在框架涵顶进中，用以抗衡顶进反力的临时性建筑，是重要的设施，应具有足够的强度﹑刚度和稳定性，要充分利用地形因地制宜的修建，达到安全可靠并便于拆除。后背尺寸的确定，按库仑理论法计算，要使后背具有抵抗最大顶力的能力，必须满足Ep=Pmax/B=0.5γH2KpEp—每米宽度的后背产生的被动土压力Pmax—后背要随的最大顶力H—后背的高度B—后背的宽度Kp—被动土压力系数γ—土壤容重另外后背梁与工作底板相连接浇注为一整体，使顶力分解并均匀传递到后背填土上，则后背梁的设计顶力为最大顶力减去工作板的抗拉力：即F=Pmax-GfF—设计顶力G—工作板重Pmax—最大顶力f—底板的摩阻系数通过对箱涵后背的受力检算，安全系数达2倍以上。5.4.2后背、滑板整体施工滑板混凝土强度不低于C20砼，厚度200mm以上，并采用M10水泥砂浆抹面。底板钢筋用φ―12― 8的钢筋网片。设计网片为的是工作滑板具有足够的强度、刚度和稳定性。钢筋网片使滑板成为整体，均匀受力，以防顶入时滑板开裂；设横锚梁为了在顶进时滑板不滑移，以增加抗滑力；导向墩控制涵顶入方向。在灌筑滑板混凝土时，用Ф16的钢筋头埋入混凝土内分成2m方格网控制高程，按点找平，再用1:3水泥砂浆抹面，保证表面的平整度。沿顶入方向，在滑板两侧，距箱涵外边线5～10㎝处设置钢轨导向墩。每侧的导向墩必须在同一直线上，以控制箱涵顶进方向。箱涵底板预埋螺栓，用以固定传力柱。5.4.3滑板隔离层铺设为了框架顶进时顺利起动和顶进，在滑板顶面设置良好的润滑隔离层，良好的光滑度能大大减少顶进时阻力。润滑层具体做法：将废机油与滑石粉按体积比1﹕1.5加热调匀后，在底板长度方向每米挂一道铁丝，做为润滑层的厚度标准，每浇完一格，用木板刮平拆除铁丝后的槽痕，用喷灯烤溶整平，稍微凝固后，撒上一层0.2～1毫米的滑石粉，然后上铺一层塑料布，接茬约0.2米左右，且用塑料胶带粘结，接茬口朝顶进方向（路基方向）。隔离比润滑更为重要，一定要保护塑料薄膜受钢筋，机械人力的损害破裂。否则，滑石粉进水后溶解而起不到作用。在实际操作中，在塑料薄膜上拌一层2～3厘米厚的水泥砂浆，既保护了隔离层，又不加大顶进阻力，效果较好。润滑隔离层是减少顶进阻力的一个重要因素，其铺设质量直接影响到顶进的成败，因此在施工中要严格其每道工序。5.5箱涵预制与防水层施工箱涵在工作坑内进行预制。采用商品混凝土，由混凝土泵车配合搅拌车浇注混凝土，机械振捣。箱涵混凝土分二次灌筑完成，第一次浇注至底板顶1.5m处，第二次浇注边墙与顶板混凝土。施工程序：在工作坑内的滑板上支设模板→扎底板钢筋→浇筑底板混凝土→支设内模→绑扎两侧墙体与顶板钢筋→支设外模→浇筑两侧墙体及顶板混凝土→混凝土养护与拆模→施工防水层。框架砼达到要求抗渗标号外，在涵身顶面，侧面应铺设防水层，防止地表、地下水的渗入影响框架，要严格按设计及规范进行。框架涵顶面防水层，除设计外，常用甲种防水层，采用三油二毡做法，再铺设M10砂浆作保护层，并作排水坡。5.6架设D型便梁图4：加固完成后的线路CX11水平位移~深度关系曲线根据箱涵宽度与基坑开挖的宽度确定D型便梁型号，D型便梁采用轨道平板车运至施工现场。由于上部有高压接触网，下部要跨线作业，便梁吊装采用一台或两台汽车吊吊装。吊装前先进行线路封锁，然后开始穿横梁，施工时根据加固长度先在钢轨腰或枕木上划线定出下穿横梁的位置，在其位置开沟槽，采用人力穿入横梁。双机抬吊叶在便梁两端同步吊至便梁基础上，同时人工安放胶垫和绝缘垫片，待两片便梁准确对位后，将横梁与D型便梁进行联接。图4为加固完成后的线路。便梁组装完成后，检查、修整线路。―12― 图5：仰视的线路加固情况CX11水平位移~深度关系曲线5.7顶进段地道开挖与滑板施工上部2m土方采用人工探沟开挖，2m以下土方采用挖掘机分层挖土，距基底0.3m范围内的土方由人工配合机械施工，确保地下管线的安全。基坑采用土钉墙支护，井点降水，边坡坡度为1:0.41。对基坑边的接触网柱与人工挖孔桩边采用钢管支护桩进行加固。基坑出土采用自卸汽车从西边运出。土方开挖到位后马上施工垫层、滑板与导向墩，最后施工润滑隔离层，施工方法同5.3。图5为从顶进段基坑往上看的线路加固情况。5.8箱涵顶进5.8.1设备安装利用高压油泵带动千斤顶，连续将箱涵顶进就位。根据计算确定所需顶进设备，顶进前检查设备工作状态，并作预顶试验。液压系统有动力传递机构、高压油泵、油箱、高压油管及其它辅助装置。千斤顶安装在箱涵的底部，使液压基本一致，千斤顶按箱涵中轴线对称布置。传力设备的顶铁、传力柱与顶力线一致，并垂直于后背梁。顶进设备的安装与拆除全部采用人力配合汽车吊作业。5.8.2顶力计算Pmax=Kf1（N1+N2）其中：Pmax—最大顶力（KN）N1—箱涵自重（KN）N2—防水保温层自重（KN）f1—箱涵底与滑板的摩擦系数（视滑板施工情况而定，一般为0.3～0.5）图6：正在顶进中的箱涵CX11水平位移~深度关系曲线K—系数（一般为1.2）2.需要千斤顶台数（N）N=Pmax/（T额×n）其中：T额—千斤顶额定功率n—功率系数取0.85.8.3箱涵顶进采用液压千斤顶整体顶进法施工。从箱涵启动到箱涵就位一气呵成。顶入前对箱涵主体结构、后背各部几何尺寸、线路加固进行检查验收，混凝土强度符合设计要求。箱涵在顶进前，根据箱涵的尺寸、重量及顶进长度选择适用的顶进设备。高压油泵、千斤顶等数量满足施工需要。顶铁选择0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3、4、5和工字钢等多种规格材料进场。空压设备进行安装调试，运转正常。―12― 准备工作完成后先进行试顶，试顶一个行图7：左侧千斤顶顶进中程并符合要求后再进行正式顶进，图6为正在顶进中的箱涵，图7为箱涵左侧千斤顶正在顶进中。顶进过程中，随时对后背、传力柱进行检查，发现后背倾斜或严重变形，顶柱发生扭曲现象，立即停止顶进，迅速处理后再继续顶进。顶进时设2名专职安全员负责施工现场施工安全防护工作。车站设驻站联络员，线路信号标牌设两名防护员进行看守。统一作业指挥信号，作好观测准备。顶入作业顶进连续进行，不作长期停顿，以防地下水渗出，造成路基坍塌。5.8.4顶进纠偏措施在浇筑滑板时，按设计要求做好导向墩，在顶进起始时随即调整。顶进过程中设置专人随时对箱涵方向、标高进行观测，发现偏差及时纠偏，主要采取增减一侧顶力的方式。确保箱涵方向、标高控制在规范充许偏差范围内。由于先将顶进段的基坑开挖到位后做一个整体滑板，然后再将箱涵顶进到位，因此不会出现扎头与抬头现象。5.9箱体后背及顶部回填箱体顶进到位后，组织人力回填箱体两侧及顶部填料。按设计要求分层回填分层夯实。箱身两端填筑须对称进行，采用冲击夯进行局部处理。路基填筑完成后，经检测合格后上道碴。5.10拆除纵梁、恢复线路（1）拆除便梁：拆除便梁采用人工拆卸横梁，汽车吊横向吊移纵梁至线路限界以外。封锁线路后，拆卸横梁、便梁的连接部件，同时在线路以外、便梁两侧安放两台70T汽车吊。横梁、便梁的连接螺栓卸开以后，用两台汽车吊在纵梁两端同步将便梁吊至线路外侧已设置好垫木上。便梁放置稳定后，人工打紧支撑。便梁吊移完成后，拆除横梁和恢复线路。拆除横梁用人工顺线路横向向外抽出，同步调整轨枕间距，上碴、捣固及做道。（2）恢复线路：人工拆除横梁后，抽出木枕，穿入混凝土枕，方正轨枕，上扣件。回填道碴，捣固及做道。线路开通前，检查线路轨距、水平、方向及轨枕扣件紧固情况等。拆下的轨料放到远离线路位置，并堆码整齐。拆除的枕木、U型卡及紧固螺栓等及时收回。5.11监测系统监测系统是施工中的重要环节，是确保施工安全中的重要措施，必须给予足够重视。监测数据必须真实、准确，确保监测质量。监测人员必须经过培训才能上岗。沉降点布置可沿围护结构桩顶冠梁中心外15米―12― 处设一点，对桩顶沉降和水平位移进行监测，点位布置可根据周围场地情况做相应调整。工地附近若无永久水准点，可设置临时水准点，水准点应在初次观测前一个月埋设。必须满足三、四级水准点的设置要求。测点在施工过程中如遭到破坏，应尽快在原位置处或尽量靠近原测点处补设，以保证该点观测数据的连续性。在监测工作正式展开以前，必须对其进行标定，监测点测量不少于2次，确定各监测项目监测点初值。基坑开挖期间对开挖区附近的测点，当变化较大或有突变时，应加密观测。6材料与设备6.1材料机油、石蜡滑石粉、塑料薄膜、机油、塑料胶带、水泥、水、砂、石子、粉煤灰、外加剂等。图8：使用前的顶铁CX11水平位移~深度关系曲线6.2设备320B挖掘机1辆，15t自卸汽车5辆，18T吊车1辆，ZL50装载机1辆，320T油泵与1.6m油镐若干组，顶铁、250KW发电机1组。切割机、弯曲机、捣固机、撬棍、抬杠、铁锨、叉子、洋镐、呆头扳手、起道机、压机、液压拨道机、活口扳手、钻眼机、锯轨机、氧割设备等若干。图8为使用前的顶铁。7质量控制7.1箱涵预制时模板接缝严密不漏浆，拆装方便，模板安装前满涂隔离剂，严禁隔离剂沾污钢筋。现浇顶板按规范模板应起拱，起拱度为全跨长度的1/200。底板模型加固技术上没有难度，但底模加固是边墙、顶板的根基，所以底模要严格依给定的几何尺寸，分毫不差的安装，加固稳定、牢固，通过技术、监理认可方可进行下一道工序。为考虑框架涵身必须保持垂直度和平整度，要求支架要稳定、牢固，具有足够的承载力。7.2钢筋的品种，规格、性能及生产厂家分批验收，分别堆存，不得混杂，且原以立牌以资识别。钢筋露天堆置时，应垫高并加遮盖；钢筋具有出厂质量证明书，并进行定期抽验。钢筋加工应平直、无局部曲折，经除锈，调直后按设计尺寸下料；绑扎保证间距、牢固；钢筋的加工和焊接均应满足设计和施工规范要求。为防止在顶进过程中框架涵混凝土碎裂，在顶镐与混凝土接触部位预埋10mm厚钢板。7.3为保证砼质量，底板等大体积砼的浇筑应合理分段分层进行，使砼沿高度均匀上升，中途不得随意间断，一次浇注至施工缝处。框架施工中两边墙灌注同步进行，以防一边灌注带来边墙受力不一致而发生歪斜和底板受力的不均匀性和平衡性。7.4军便梁架、拆施工内容，由项目管理机构组织，施工、监理、设备管理单位共同检查，签字确认后由施工单位申请开通。7.5线路开通24―12― 小时由运营单位接管，如线路已具备提速条件，应及时提速，减少慢行对运输的影响。线路速度提高到80km/h以上时，应由工务处组织检查确认并提高行车速度。7.6做好工序验证及交接制度，加强对工艺标准、工序流程的控制，每一分项、分部做到工序前、中、后检查。工序交接坚持“三检制”，每一道工序完工并经检查确定合格后，才能进行后续工作。7.7材料采购、进场及使用前的检验，进入工地的所有材料必须符合规范要求及使用要求，所有厂制材料必须有出厂合格证和必要的检化验等证明；钢材、水泥、防水材料等实行双控制度(即合格证、复试)，材料、成品及半成品进场，首先取样验证及验收，杜绝不合格材料进入工地。8安全措施8.1设驻站联络员，按规定要点、登销记和传达信息。用对讲机与现场防护人员保持联系，及时避车。8.2施工现场作业区段两侧按规定设置防护员，插设安全警示牌，并对施工作业区实行24小时全天候安全防护。8.3上岗值班的防护员在接到驻站联络员的来车预报后，必须及时、准确、清晰的向施工人员预报来车方向、到点时间和线路股道。并对作业区段人员、设备、机具是否撤离到铁路限界以外进行检查，发现问题及时通知施工现场负责人及驻站联络员。8.4防护人员上岗前，必须带齐防护用具（测速仪、防护旗、信号灯、响墩、火炬、报话机、喊话器、道尺等）作业期间要做好列车开行记录，区间封锁、慢行、开通记录和交接班记录，并严格执行交接班制度，按时上岗作业，不得擅自离岗或迟到早退。8.5工作坑土方开挖前，先在开挖范围内挖探沟，探明开挖范围内有无电缆及管道。施工中靠近临线线路堆放材料机具等，不得侵入限界。在线路放置钢轨时，应按规定放置。8.6施工中，派专人24小时对便梁进行检查，并对便梁设置沉降观测点，定时观测，同时加强便梁的横向连接，确保便梁整体稳定和安全。线路架空后，每天必须对便梁所有连接扣件进行一次全面检查、紧固，并详细记录相关情况。8.7为防止施工中纵、横梁及吊轨梁松动，由线路巡查整治组人员三班倒作业，24小时对纵梁、横梁加固的扣件进行检查，对松动的扣件进行及时紧固，做到每趟列车通过前后进行一次检查紧固，确保纵梁、横梁整体稳定和安全。8.8拆除横梁后，线路及时回填道碴，捣固密实。开通线路必须满足列车开通条件。经施工、监理、设备管理及相关单位确认，达到列车放行条件开通线路。8.9专人观察养护线路。发现有安全险情影响行车安全时，应迅速组织抢修，加固。8.10顶进设备由专人操作，机操工必须持证上岗。机械设备统一管理，及时保养，工作状态良好，防护设施齐全。8.11机械设备做到三级配电三级保护，一机一闸一保护。―12― 9环保措施9.1编制施工环保措施计划，明确环保要求，健全环境保护体系，把环境保护工作作为一项重要施工管理内容，制定和落实环境保护措施，修建环保设施，处理好施工与环保的关系。9.2实行环保目标责任制。把环保指标以责任书形式层层分解到个人，列入施工合同和岗位责任制，建立环保自我监控体系。9.3加强检查和监控，加强对施工现场扬尘、噪声、振动、废气、强光的监控、监测及检查管理，定期组织有关人员对环保工作评定。9.4严格遵守《建筑施工场界噪声限值》的有关规定，施工前，首先向环保局申报并了解周围单位居民工作生活情况，施工作业严格限定在规定的时间内进行。9.5对周围单位、居民产生影响的施工工序，均安排在白天或规定时间进行，施工运输车辆慢速行驶，不鸣喇叭。施工照明灯的悬挂高度和方向合理设置，晚间不进行露天电焊作业，不影响居民夜间休息，减少或避免光污染。9.6施工中对弃碴场地按设计进行防护，随弃碴随防护，防止水土流失，保护水资源。9.7装卸、运输土方时，采取覆盖措施，定时进行洒水降尘。9.8加强机械设备的维修保养和达标工作，减少机械废气、排烟对大气环境的污染。9.9施工便道由取土场取土，运输车运输，推土机推平，压路机压实填筑而成，满足施工要求。修建排水设施，保证排水畅通。9.10不断提高项目管理水平，加强项目管理人员的培训，由项目经理、施工管理员定期对员工进行环保施工教育、法律和法规知识教育及遵章守纪、提高职工的环保意识和法制观念。10效益分析采用铁路既有线地下箱涵先挖后顶施工工法解决了地下箱涵施工时铁路既有线正常运营、列车照常通行、线路不能拆除的技术难题，确保线路安全，加快施工速度。顶进设备相对简单，造价较低，解决了常规现浇法无法施工的技术难题。与常规顶进法相比具有很大优势：①经济方面：由于增加了顶进段的滑板，减少了顶进的阻力，顶进设备的费用节省50%以上。②进度方面：先挖后顶，土方开挖的速度大大加快；设置顶进段滑板后，顶进施工速度也大大加快，顶进施工时间是原来的1/5。③质量方面：顶进段下设置滑板，顶进时不会产生抬头、扎头与下沉等现象；滑板端部设置了定位梁，能极好地控制箱涵的位移；防水施工的质量容易保证，避免了顶进过程中防水层受土体挤压的影响。④安全方面：先开挖顶进段的土方，对既有线范围内的地下暗埋电缆进行探沟，避免了边挖边顶对地下电缆威胁。―12― 11应用实例图9：顶进到位后的箱涵CX11水平位移~深度关系曲线11.1银川车站改造工程出站地道位于宁夏银川市，出站地道包兰正线中心里程分别为K524+727.669。出站地道全长206.0m，地道结构宽度为14.05m，结构净高4.6m，顶板厚0.9m，底板厚1.1m，腹板厚1.0m。轨底到结构顶板顶1.62m，地道最大开挖深度8.0m。全地道纵向分19节，其中下穿既有客1、客2、客3道及1-11道。出站地道基坑开挖深度达到8m，基坑土质为砂性土，地下水位在地表下2～3m。出站地道下穿既有1、Ⅱ线时采用先挖再顶的顶进法施工，顺利完成了箱涵的顶进，确保了施工质量，保证了基坑与既有线的安全。图9为顶进到位后的箱涵。11.2银川车站改造工程人行地道位于宁夏银川市，人行地道包兰正线中心里程分别为K524+888.78。人行地道全长204.88m，地道结构宽度为14.05m，结构净高4.5m，顶板厚0.9m，底板厚1.1m，腹板厚1.0m。轨底到结构顶板顶1.5m，地道最大开挖深度8.0m。全地道纵向分21节，其中下穿既有客1、客2、客3道及1-11道。人行地道基坑开挖深度达到8m，基坑土质为砂性土，地下水位在地表下2～3m。人行地道下穿既有1、Ⅱ线时采用先挖再顶的顶进法施工，顺利完成了箱涵的顶进，确保了施工质量，保证了基坑与既有线的安全。附图说明―12― ―12― ―12―'