石 敏/中铁六局集团太原铁路建设有限公司
预制空间有限的顶进桥施工技术浅析
石 敏/中铁六局集团太原铁路建设有限公司
以九江站改造青年南路框架桥施工为例,本工程是在原京九线九江青年路下穿铁路立交桥的基础上扩建,新桥中心线在原桥中心线向南昌方向偏移3.5米。原设计为既有京九上、下行线下框架采用顶进,新增线下框架就位预制节正位现浇。由于工期紧,框构主体变更为全部采用顶进施工。经现场调查,预制框构受地形空间的限制,框构桥分成四节预制,在线路两侧左右交错布置,既有铁路采用24m D型便梁加固及16m工字钢加固线路,再顶进。针对框架涵切割施工、便梁架空施工、顶进施工等进行了详细论述,为今后类似的施工积累了经验,提供了参考。
框架桥;便梁;切割;施工;顶进
本工程是在原京九线既有框架(4m+8m+4m)改建,改建后框架桥孔径布置为:6m+12.5m+12.5m+6m,全长42.13m,框构长28.6m,新桥中心线在原桥中心线向南昌方向偏移3.5米。
原设计为既有京九上、下行线下框架采用顶进,新增线下框架就位预制节正位现浇。由于工期紧,框构主体变更为全部采用顶进施工。经现场调查,预制框构受地形空间的限制,故考虑将框构分成四节预制,在线路两侧左右交错布置,既有铁路采用24m D型便梁加固及16m工字钢加固线路,再顶进。其中九江端右侧预制京九左右线及武九客联上行疏解线3股道的(6.5+12.5m)框架①节17.1m,左侧预制武九客联2股道的(6.5+12.5m)框架②节11.5m;南昌端左侧预制武九客联及京九左右线4股道的(6.5+12.5m)框架③节22.1m,右侧预制武九客联上行疏解线1股道的(6.5+12.5m)框架④节6.5m。顶进顺序依次按照1#→3#→2#→4#的顺序进行顶进。
新建框架桥顶进前,先对九江侧(6.5+12.5m)框架节对应位置线路进行加固,待①、②节就位后,纵移D型梁、拆除工字钢;对庐山侧(6.5+12.5m)框架节对应位置线路进行加固,再将③、④节顶进就位。九江端支墩采用挖孔桩基础,24m便梁庐山端支撑在既有京九铁路框架桥上。顶进过程中,需拆除既有京九铁路框架桥中孔及九江侧边孔。庐山端支墩采用挖孔桩基础,24m便梁九江端支撑在已就位的九江侧新建顶进铁路框架桥上,顶进过程中,拆除既有京九铁路框架桥庐山侧边孔。本次改造采用既有桥同步拆除改建,新桥建成后,道路中心较现在偏西3.5m。
施工顺序为:基坑开挖--框架桥预制--后背墙制作—拆除部分既有框架涵--九江端线路加固--九江端框架桥顶进--庐山端线路加固—拆除剩余部分既有框架涵--庐山端框架桥顶进--线路恢复。为缩短总体工期,桩基施工与框架节预制同步施工。
本工程原结构为三跨框架涵,现因地方改造要求,该涵原位靠九江端两跨为新涵设计位置,在顶进替换时需要将九江端两涵(主、副)移除,因此必须先将九江端两涵与南昌副涵断开。本次拟采用片锯和链锯切割的方法解除框架涵的连接,其特点是施工时间短,所需人工和机械少。切割设备采用瑞士进口的HILTI(喜利得)切割设备,包括D-LP32片锯切割设备和DS-LP32链锯切割设备。本次先采用片锯切割框架涵下部砼体——两道切割缝,同时人工配合凿除已切割好的下部砼体——两道切割缝之间凿成U型槽,待下部砼体切割完成后返回最先切割侧,链锯切割顶板砼体。由于下部砼体链锯操作困难,厚度达1.4m,片锯切割一次不能解除连接,必须分成两次切割,每次切70cm厚。切割时先用片据切两条间隔70cm的缝,人工配合凿除两缝间混凝土成U型槽,在U型槽内重新安装切割机,将整个砼底板切开。上部混凝土在顶板上用取芯机钻两个孔(位置约在沉降缝两侧涵平均分为四段),通过钻孔和沉降缝安装链锯进行切割。
(一)片锯切割工艺
1.确定需要切割的位置,弹好墨线。
2.钻膨胀螺栓孔,打膨胀螺栓,安装切割设备。
3.安装连接电源、水源。
4.开动油压泵,运转机头,进行切割。
5.切割到位,拆除设备,移到下一点继续安装切割。
(二)链锯切割工艺
片锯切割完成后,进行链锯切割框架涵上部。
1.根据需切割的位置,用钻机钻穿链锯的工艺孔。
2.钻膨胀螺栓孔,打膨胀螺栓,安装切割设备及链锯。
3.连接电源、水源。
4.开动机器,运转机头,进行切割。
5.切割到位,拆除设备,移到下一点继续安装切割。
(一)架空部分养护
为较好地掌握D24便梁变化,在便梁两端两外侧各设一观测桩,对架空过程中便梁的状况进行随时观测,确保线路的稳定,保证列车的平稳运行,同时应经常检查架空便梁及线路扣件的扣紧度。
对于水平(三角坑)、高低,做到每过一趟车检查一次,检查轨距、水平用道尺,检查高低用目视,发现超保养标准立即进行处理。
各种检查要用规定的检查记录簿作好记录(线路检查记录簿、道岔检查记录簿、曲线正矢检查记录簿),作业要实行记名制,若发现作业质量不良,便于分析和追查责任。
(二)D24m便梁纵移
1.在封锁前一天将D24m便梁牛脚部位分解并将两线间2片便梁联结成整体。
2.封锁命令下达。
3.安装四对牛腿,将四米钢枕横架在便梁上。
4.将牛腿与钢枕用螺栓联结。
5.将D24便梁一头顶起,高度为高于支点70mm,安装两侧小台车、加垫临时垫块,落便梁在小台车上。
6.重复e工序,将D24便梁的另一头落在小台车上。
7.牵引小台车将D24便梁纵移24米到架设位。
8.将D24便梁的一头顶起2cm,拆除小台车落梁至支点上。
9.重复h工序,将便梁的另一头落至支点上。
10.解除封锁,开通线路。
施工按先后顺序分为基坑开挖、框架桥与后背墙制作、线路加固、框架桥顶进、线路恢复六部分。为缩短总体工期,桩基施工与框架节预制同步施工。
(一)基坑开挖
工作坑设在既有京九线两侧预制,基坑开挖边线距线路中心最小距离不小于3.5m,1号基坑尺寸为25.65×28.6m,2号基坑尺寸为25.65×23m,3号基坑尺寸为25.65×33.6m,4号基坑尺寸为25.65×18m,邻近既有线一侧,基坑开挖坡度为1:1.5,其余为1:1。
(二)滑板制做
滑板制做轴线与框架桥轴线重合,滑板面积大于框架桥投影面积每侧1m,尾端与后背梁相接,框架桥尾端距后背梁净距2.0m,以确保200t顶镐及顶铁能顺利装入。滑板采用C20钢筋混凝土,厚为0.3m。
1.滑板施工程序:
原地面夯实→10cm厚碎石垫层→30cm厚C20砼滑板→1mm石蜡→1mm润滑油→3mm油毡→1mm润滑油→3mm油毡。
2.滑板顶面顺顶进方向预留4‰的预仰坡,以减少顶进中出现的扎头现象,施工中应严格控制滑板面平整光洁度。
3.地锚梁与滑板砼一起灌注,锚梁宽0.5m,深0.5m,垂直于桥中线布置。
4.在滑板前端做船头坡,长1.0m,高0.1m,上铺隔离层。
(三)后背制作
1.计算说明
本工程采用便梁架空顶进方法,后背墙最大顶力为框架涵的自重的1.2倍。本工程顶进时顶板及两侧的土体基本掏空,摩擦力基本上只有底板的摩擦力,故左右侧各取后背墙最大顶力为22.1m和17.1m框架节自重的1.2倍。顶进时采用200t千斤顶。
依据现场基坑编号依次计算如下:
1#基坑预制17.1m框架,顶进距离:17.6m
G自17.1=52.64×17.1×2.55=2295T
F右侧max顶=1.2·G自=1.2×2295=2754T=27540KN
M倾覆=Fmax顶×l0=27540×0.2=5508KNm
油顶数n=2754÷200÷0.8=17.2台 为平衡取18台。
2#基坑预制11.5m框架,顶进距离:5.6m
G自11.5=52.64×11.5×2.55=1544T
F11.5顶=1.2·G自=1.2×1544=1853T=18530KN
M倾覆=Fmax顶×l0=18530×0.2=3706KNm
油顶数n=1853÷200÷0.8=11.6台 为平衡取12台。
3#基坑预制22.1m框架,顶进距离:12.5m
G自22.1=52.64×22.1×2.55=2967T
F左侧max顶=1.2·G自=1.2×2967=3561T=35610KN
M倾覆=Fmax顶×l0=35610×0.2=7122KNm
油顶数n=3561÷200÷0.8=22.3台 为平衡取24台。
4#基坑预制6.5m框架,顶进距离:5m
G自6.5=52.64×6.5×2.55=873T
岩体中裂隙分布复杂,目前在数学上处理裂隙岩体渗流主要有:等效连续介质模型、离散裂隙网络模型和双重介质渗流模型。
F6.5顶=1.2·G自=1.2×873=1048T=10480KN
M倾覆=Fmax顶×l0=10480×0.2=2096KNm
油顶数n=1048÷200÷0.8=6.6台 为平衡取8台。
按照设计图先顶进九江侧框架节,再顶进庐山侧框架节,故油顶最大需求量为32台,考虑油顶工作故障等特殊原因,多备4台,共需油顶36台。
2.后背墙结构形式及结构尺寸拟定
根据初步方案确定1#、3#采用钢筋混凝土墙做顶进后背,2#、4#由于离民房较近,为确保民房安全,采用钢筋混凝土墙+挖孔桩做顶进后背。现初步拟定后背墙结构尺寸:
桩基:单排布置,共6根桩,桩距3m,桩径φ1.0m,长7m,主筋采用Φ20@300;混凝土采用C25。
后背:截面尺寸:宽×高:1.5×3.5m,纵向长22米。采用钢筋混凝土材料。后背墙自滑板埋入2.5m,外露1.0m。
3.检算后背墙稳定性
(1)桩基水平承载力验算
RH=ηbRh
式中:ηb-群桩效应综合系数,由《桩基规》查取,这里取0.85;
Rh-单桩水平承载力设计值
当缺少单桩水平静载试验资料时,可按下式估算桩身配筋率小于0.65%的灌注桩水平承载力设计值Rh
式中:±号根据桩顶竖向力性质确定,压力取“+”,拉力取“-”
其中 m-地基土横向抗力系数的比例系数,查表m=60×106N/m4
b1-桩的截面计算宽度,b1=0.9×(1.0+1)=1.8m
EI-桩身抗弯刚度,EI=6.96×109
m
γ -桩截面抵抗矩塑性系数,圆形截面γm=2,矩行截面γm=1.75;
ft-桩身混凝土抗拉设计强度,C25混凝土ft=1.26Mpa;
W0-桩身换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩,圆形截面为:
其中 d0-扣除保护层的桩直径,d0=0.96m;E
α - 钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值;
υm-桩身最大弯矩系数,查表取值为υ m=0.768;
ρg-桩身配筋率, ρg=0.28%<0.65%;
An-桩身换算截面面积,对圆形截面为:
ζN-桩顶竖向力影响系数,竖向压力取ζN=0.5。
把数据带入各公式,可得:α=0.435,W0=0.1012,Rh=397KN
6根桩总共能承受的水平承载力: RH =0.85×397×6=2024.7KN
① 2#、4#后背被动土压力计算(采用朗肯土压力理论)
2#、4#后背墙根据地质资料显示主要以硬塑性粉质黏土为主,其物理力学的参数:内摩擦角ϕ=15°,粘聚力c=18kpa,基底摩擦系数µ=0.5,密度ρ=2.0×103kg/m3
ho-墙后有超载q作用时的等效高度
zi-在顶层和底层土的高度
γ-土的容重,γ=ρg=2.0×103×10=20KN/m3
A 桩基的被动土压力计算(桩长全长7m,取5m桩长的范围计算)
M抗倾覆1p=E1p×2.5=15324KNm
B 同理可以后背墙被动土压力及抗倾覆弯距:
E2p=11800.8KN M抗倾覆2p=29529.5
基底摩擦力计算
后背自重:G1=1.5×3.5×2.5×10×22=2887.5KN
F抗滑=µG1=0.75×2887.5=2165.6KN
M抗倾覆 =G1×0.5=1082.8KNm
抗滑稳定性检算 (取2#框架节检算)
抗倾覆稳定性检算
故后2#、4#后背墙稳定性可以满足要求。
② 1#、3#后背被动土压力计算(采用朗肯土压力理论)
1#、3#后背墙根据地质资料显示主要以风化岩为主,其物理力学的参数:内摩擦角ϕ=50°,粘聚力c=20kpa,基底摩擦系数µ=0.5,密度ρ=2.4×103kg/m3
土的容重,γ=ρg=2.4×103×10=24KN/m3
后背墙被动土压力及抗倾覆弯距:
M抗倾覆1p=E1p×2.5=85923.6KNm
基底摩擦力计算
后背自重:G1=1.5×3.5×2.5×10×23=3018.8KN
F抗滑=µG1=0.75×3018.1=2264.1KN
M抗倾覆 =G1×0.5=1082.8KNm
抗滑稳定性检算 (取3#框架节检算)
抗倾覆稳定性检算
故后1#、3#背墙稳定性可以满足要求。
4、框架顶进
①顶进动力系统设置
顶进采用200T油顶,按照设计图先顶进九江侧框架节,再顶进庐山侧框架节,故油顶最大需求量为32台,考虑油顶工作故障等特殊原因,多备4台,共需油顶36台。共设动力泵站4台。所有油顶靠框架两侧布置。
②顶铁设置
顶铁采用钢筋混凝土制作,尺寸为0.45m×0.45m×1m,在油顶后直线摆放。最大顶进长度为17.7m(1#框架节),按此预制顶铁数量。
③顶进顺序
先使用人工配合机械出土,依次按照1#→3#→2#→4#的顺序进行顶进。
昌九城际九江站改的桥涵施工中,技术要求高,工期紧,施工任务重。我单位在保证质量和满足工期的要求下优质高效的完成了任务,为今后类似的施工积累了经验,提供了参考。
[1]《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》 TZ203-2008
[2]《铁路桥涵工程施工质量验收标准》 TB10415-2003
[3]《高速铁路桥涵工程施工技术指南》 中国铁道出版社