下穿高速公路框架桥盾构顶进施工完整版.docx
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下穿高速公路框架桥盾构顶进施工完整版
Documentserialnumber【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
下穿高速公路框架桥盾构顶进施工
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73°37′，采用两孔净宽18m、净高6m的框架桥，结构砼厚，单孔桥长，上、下行框架桥间净距，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，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
盾构设计
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。
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：
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，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35~40cm，正立面设有1:
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:
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。
顶进过程中的导向作用
顶进时盾构的墩柱底部设有%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。
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50×4mm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~下降到了钢与钢的~，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。
顶力、后背和滑板设计
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，每孔框架共分成三节预制，第1节长8m，第2节长，最后一节长，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。
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=（2060×860－1800×600+50×50+150×50）÷10000=
2、自重计算：
第一节8m，C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑，则
G=vg=Slg=×8×26=14593KN
盾构自重160t，即1600KN
3、箱桥顶力计算
采用P=K[N1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA]
P——最大顶力（KN）
K——系数，采用
N1——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=550×3×80%=1320KN
覆盖层荷载
N12=×××+×××25=9032KN
N13=×8××+×8××25=8866KN
N2——框架桥自重N21=14593KN
盾构自重N22=1600KN
f1——箱顶表面与荷重的摩阻系数，取（因有减阻设施）
盾构顶表面与荷重的摩阻系数，取
f2——箱底与底层土的摩阻系数，取
盾构底与底层土的摩阻系数，取
E——箱两侧土压力
f3——箱体侧面摩阻系数，取
盾构侧面摩阻系数，取
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=×+××2=,盾构刃脚按其1/10考虑，则A=S/10=
顶力计算：
箱两侧土压力，按库仑压力计算E=1/2ξγH2B（参考《桥规》）
则：
E=1/2××××8=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=×8×30=2064KN同上相近
盾构两侧土压力，按库仑压力计算E=1/2ξγH2B（参考《桥规》）
则：
E=1/2××××=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=××30=2103KN同上相近
则：
P=×[（1320＋8866＋9032）×＋（1320＋8866＋14593）×＋（9032+1600）×＋2×2296×＋2×2339×＋1500×]=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=3200×24×=46080KN>42862KN，可满足要求。
第二节顶力设计
1、截面估计：
截面面积：
S=（2060×860－1800×600+50×50+150×50）÷10000=
2、自重计算：
第二节12m，C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑，则
G=vg=Slg=×12×26=21890KN
3、箱桥顶力计算
采用P=K[N1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA]
P——最大顶力（KN）
K——系数，采用
N1——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=550×3×80%=1320KN
覆盖层荷载
N12=×12××+×12××25=13299KN
N1=N11＋N12=1320+13299=14619KN
N2——框架桥自重N2=21890KN
f1——箱顶表面与荷重的摩阻系数，取（因有减阻设施）
f2——箱底与底层土的摩阻系数，取
E——箱两侧土压力
f3——箱体侧面摩阻系数，取
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E=1/2ξγH2B（参考《桥规》）
则：
E=1/2××××12=3444KN
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=×13×30=3069KN同上相近
则：
P=×[14619×＋（21890＋14619）×＋2×3444×＋0]=42251KN；
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=3200×24×=46080KN>42251KN，可满足要求。
第三节顶力设计
1、截面估计：
截面面积：
S=（2060×860－1800×600+50×50+150×50）÷10000=
2、自重计算：
第三节，C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑，则
G=vg=Slg=××26=26450KN
3、箱桥顶力计算
采用P=K[N1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA]
P——最大顶力（KN）
K——系数，采用
N1——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=550×3×80%=1320KN
覆盖层荷载
N12=×××+×××25
－（2+5）×2÷2××=13273KN
N1=N11＋N12=1320+13273=14593KN
N2——框架桥自重N2=26450KN
f1——箱顶表面与荷重的摩阻系数，取（因有减阻设施）
f2——箱底与底层土的摩阻系数，取
E——箱两侧土压力
f3——箱体侧面摩阻系数，取
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E=1/2ξγH2B（参考《桥规》）
则：
E=1/2××××=4161KN
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=××30=3741KN同上相近
则：
P=×[14593×＋（26450＋14593）×＋2×4161×＋0]=47931KN；
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20台400吨穿心式卧式千斤顶，其最大顶力为：
N=400×20×=48000KN>47931KN，可满足要求。
后背设计
截面估计：
最大顶力为46904KN，后背截面形式按下图估算：
截面：
高5m，宽1m，长度，后背填土高度按3m，
滑板上填土高度按（滑板长40m，宽。
后背土压力计算：
原土上填土为夯填土，取r=m3，φ=35o，按朗金土压力理论计算，偏保守。
则：
Kp=tan2（45o+φ/2）=
所以被动土压力：
Ep=1/2×rH2KpB=1/2×19×××=19631KN
后背土检算
当第三节框架桥全部进入路基中，框架桥顶力达到最大值。
而这时，框架桥已经全部出滑板了，后背仅受后背土压力和滑板摩擦产生的拉力。
要使后背稳定，后背土压力必须大于顶力减去滑板上部和底部摩擦力，即P－f47931－×40××17×＋=5281KN<19631KN
后背梁配筋计算
后背梁所受剪力：
Q=P－E=47931－19631=28300KN
后背梁所受剪力面积：
A=×1=
C20砼抗剪力:
×××1000=53760KN>28300KN
所以C20砼后背梁仅靠砼已满足抗减要求，配筋仅考虑构造筋，
配筋如下：
纵向钢筋Φ16@200，箍筋φ12@200。
滑板设计
滑板尺寸：
截面：
长边长48m，短边长41m，宽，厚度。
承载力检算
=G÷A=26827÷÷=<[土]=100Kpa
满足地基承载力要求。
C20砼滑板仅为构造布置，设置厚度。
抗拉力检算及配筋
产生最大拉力在第三节框架桥起动时，框架桥底部与滑板间的摩擦系数取，滑板与地基土间摩擦系数取，钢筋采用II级钢筋，纵向钢筋Φ25@200，横向钢筋φ12@200。
N=××26=26450KN
f1=26450×=31740KN
f2=（26450+×××26）×=16883KN
T=f1－f2=14857KN
A=15082÷（280×1000×112）=×10-4m2
取D=25mm（A=×10-4m2）
为增加滑板底部摩擦力，在滑板底部每三米设一道50×50cm的地锚梁，方向垂直于顶进方向，滑板前端设一道100×100cm的地锚梁封边。
在框架桥启动之后，框架桥与滑板间的摩擦系数减为，小于滑板与地基的摩擦力，因此纵向钢筋可从跨过中继间后的下一个地锚梁位置开始减弱。
为减少框架桥顶进的沉降量，一般滑板设有~5‰的仰坡。
因本框架桥设计长度为，若设计坡度过大，前后高差太大，不利于顶进，所以本工程滑板设为‰的仰坡，方向顺顶进方向，前后高差为10cm，前端比设计框架桥底板底标高高5cm。
滑板钢筋必须插入后背梁中，滑板与后背梁最好是一起现浇，不宜设施工缝。
施工
施工工艺流程
框架桥预制——试顶——框架桥几何尺寸修整——搭设作业平台与跑道——盾构基底处理——盾构墩柱安装——盾构主梁安装——子盾构箱制作安装——盾构外壳制作安装——盾构内辅助系统安装——子盾构、立柱前土方人工开挖——中心土机械开挖——第一节与盾构顶进——二三节顶进
施工事项
（1）试顶
起动时因增加了盾构阻力，在盾构安装前必须预先将框架推动，以确认滑板无粘连。
（2）框架桥几何尺寸修整
框架桥前端面为盾构止推梁、柱推力传递面，不平整将受力不均衡可能造成盾构变形与偏行，影响安全和顶推质量。
在盾构安装前必须对框架桥前端面跑模较严重部分进行必要的修整。
（3）盾构基底处理
确认底板无粘连后，在路基边坡下按框架桥轴线放出盾构墩柱滑板线，并进行硬化处理。
盾构滑板位伸入路基边坡，采用开槽方式进行硬化前作业。
当基土承载力达150kPɑ以上时滑板下可不作硬化处理。
（4）盾构墩柱安装
将盾构墩柱吊入基槽中与预先埋设于框架桥前端托板平整焊接，焊缝为v30°坡口，焊接后复测滑板坡度。
五座墩柱同步平行作业。
下托梁按滑板轴线平行等分安装，下托梁与滑板连接焊缝以受压为主，剪力不大，采用每50㎝距焊接10㎝的间断焊，采用两侧同步焊接。
（5）子盾构箱制作安装
子构箱从母构体两侧向中间进行制作。
子构箱下托板在临时设制的托架上调校，与第一榀盾构主梁下托板进行对接。
子盾构导向架23组件均在平台上靠模中统一标准制作，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，正负误差允许1mm。
子盾构箱制作完成后，进行试配，要求子盾构装入箱后既不松动又无卡滞现象，空载时以人力可推动。
装配完成后进行编号与滑道注油。
（6）盾构外壳制作安装
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。
超宽造成的土损失在框架桥顶推到位时进行压浆补充。
顶板敷设后对整体平面进行检测，高差小于5mm。
（7）盾构内辅助系统之监控系统安装
在后座的两侧各装激光发射器一枚,光束对准框架桥内壁上设置的轴线光靶，可全程监测顶进轴线微量变化。
做好初始与中途监测记录，以此作为盾构纠偏前。
在公路上施工影响范围内和框架桥内不同角度位置装有6～8枚带音频可视探头，并用导线接到现场监控房，对施工现场进行全过程、全方位电视监控。
在第5榀盾构主梁上，安设红、黄、蓝色信号灯各1盏，由掘进检查人员使用遥控器控制，各作业面挖土检查合格后，由检查人逐一开放与关闭子盾构截止阀并向液压泵站发出开顶、回油、停止等视觉信号，泵站按信号指示操纵系统以确保挖土与顶推安全。
（8）顶进作业
掘进时，23组子盾构由23名工人配合挖土、修整、出土，在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，子盾构单次推进行程35cm～40cm。
盾构墩柱设计为4层，每层土体由1名工人完成掘进，5组墩柱由20人担负挖土、出土、顶推监视工作。
挖掘标准为墩柱的外廓尺寸与前进方向35～40cm。
大断面中心土采用1台PC100挖机掘进与装车，2台5t自卸汽车外运弃土。
作业人员采用8小时三班倒制，机械24小时连续作业，人停机不停。
人工掘进的同时，机械将框架桥前滞后约5m的四孔中心土挖去长1m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。
顶进时纵断面示意图
立柱和中心土开挖
子盾构开挖
传力柱的转运、更换、铺压土由两名工人配合挖机来完成，液压主站工作时，传力柱更换人员负责协助监视传力柱受力后的变化情况。
传力柱更换后，挖机进入框架桥前挖土，工人上桥面作涂油润滑工作。
施工效果
框架桥于2004年12月15日右幅框架桥预制完成。
2004年12月28日盾构拼装完成开始试顶进。
2005年1月3日开始正式顶进，1月26日顶进就位，总顶程，日平均进度为。
为确保高速公路行车安全，顶进期间，在高速公路上按公安部要求设置防护栏和指示牌，车辆速度均控制在40km/h以下。
在顶进过程中，没有发生路基坍塌和中断行车。
这说明“盾构顶进”在该工程施工中是可行的，安全的，成功的。
具体情况如下：
框架桥沉降
框架桥顶进每5m累计沉降记录统计表
顶程
测点
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1
0
13
4
0
-23
-52
-68
-101
-162
-250
-297
2
0
0
1
-18
-39
-53
-83
-117
-194
-307
-363
3
0
15
11
2
-34
-65
-86
-112
-167
-226
-238
4
0
-4
-4
-21
-52
-69
-102
-133
-199
-275
-303
5
0
-5
-3
-19
-46
-61
-89
-126
-178
-250
-275
6
0
-19
-26
-24
-23
-63
-100
-157
-215
-271
-394
7
0
-4
4
-9
-40
-57
-94
-137
-195
-271
-282
8
0
-16
-17
-16
-16
-59
-102
-162
-234
-287
-399
9
0
-20
-29
-32
-29
-58
-100
-165
-215
-257
-265
10
0
5
4
0
4
1
-16
-46
-94
-167
-236
11
0
-14
-15
-12
-7
-38
-80
-141
-204
-257
-273
12
0
13
24
22
38
26
9
-20
-73
-166
-237
点位示意图
框架桥顶进5号点累计沉降折线示意图
从数据表中我们可以看出，第一节前端比后端沉降量小，并不是扎头，说明在顶进时盾构对框架桥还是有一定的牵引作用，但因地基过份软弱，框架桥整体下沉。
因框架桥自重非常大，盾构不可能完全托起它，只能跟着下沉。
上图仅以5号点为例，我们不难看出框架桥沉降过程基本呈抛物线形式。
前10m因在滑板上移动沉降量不大，甚至2~3点还是上升的；出滑板之后，随顶程的增加，沉降速率也进一步加大。
其它各点也是类似情况。
因此，我们可以如下结论：
在滑板上设仰坡可以减少框架桥部分沉降，但减少沉降量的关键还是缩短顶程。
高速公路沉降
高速公路累计沉降量统计表
顶程点号
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1
0
-1
-2
0
-3
-7
-9
-9
-10
-11
2
0
-1
-29
-47
-84
-169
-214
-241
-263
-284
3
0
-2
-70
-89
-145
-202
-251
-275
-282
-294
4
0
-1
-34
-62
-98
-156
-201
-224
-229
-236
5
0
0
1
-1
-3
-9
-12
-17
-16
-15
6
0
0
0
3
1
-4
-6
-7
-5
-3
7
0
0
0
1
-16
-37
-56
-59
-72
-90
8
0
0
0
1
-29
-77
-115
-143
-178
-199
9
0
0
0
3
-14
-57
-94
-124
-164
-185
10
0
0
0
4
3
-5
-9
-14
-12
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