下穿高速公路框架桥盾构顶进施工完整版.docx

1、下穿高速公路框架桥盾构顶进施工完整版 Document serial number【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7337，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

2、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

3、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3540cm，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

4、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

5、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

6、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

7、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3

8、mm、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

9、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

10、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=(20608601800600+5050+15050)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=826=14593KN盾构自重160t，即1600KN3、箱桥顶力计算采用

11、P=KN1f1+（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=550380%=1320KN覆盖层荷载N12=+25=9032KNN13=8+825=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(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

12、 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=1/2H2B（参考桥规） 则：E=1/28=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=830=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=1/2=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=(132088669032)(13208866145

13、93)(9032+1600)22296223391500 =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=320024=46080KN42862KN，可满足要求。第二节顶力设计1、截面估计：截面面积：S=(20608601800600+5050+15050)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=1226=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N1箱顶上总荷载，汽车

14、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=12+1225=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(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=1/2H2B（参考桥规） 则：E=1/212=3444KN 采用铁路桥涵地基和基础设计规范取摩阻系数为f

15、=30Kpa（第160页），则E=1330=3069KN同上相近则：P=14619(2189014619)234440 =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=320024=46080KN42251KN，可满足要求。第三节顶力设计1、截面估计：截面面积：S=(20608601800600+5050+15050)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=26450KN3、箱桥顶力计算采用P=KN1f1+（N1+N2）f2+2Ef3+RA P

16、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=550380%=1320KN覆盖层荷载N12=+25(2+5)22=13273KNN1= N11N12=1320+13273=14593 KNN2框架桥自重 N2=26450KNf1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=1/2H2B（参考桥规） 则：E=1/2=4

17、161KN 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(2645014593)241610 =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=40020=48000KN47931KN，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，=35o，按朗金土压力理论计算，

18、偏保守。则：Kp=tan2(45o+/2)=所以被动土压力：Ep=1/2rH2KpB=1/219= 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PfQ 479314017=5281KN28300KN 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16200，箍筋12200。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=GA=26827= 土= 100Kpa满足地基承

19、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25200，横向钢筋12200。N=26=26450KNf1=26450=31740KNf2=(26450+26)=16883KNT= f1f2=14857KNA=15082(2801000112)=10-4 m2取D=25mm(A=10-4 m2)为增加滑板底部摩擦力，在滑板底部每三米设一道5050cm的地锚梁，方向垂直于顶进方向，滑板前端设一道100100cm的地锚梁封边。在框架桥启动之后，框架桥与滑板间的摩

20、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

21、）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150kP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。

22、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1 mm。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32 mm，由此间隙来降低顶推过程中框

23、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68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

24、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35cm40cm。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3540cm。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

25、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

26、。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05101520253035404550101340-23-52-68-101-162-250-2972001-18-39-53-83-117-194-307-3633015112-34-65-86-112-167-226-23840-4-4-21-52-69-102-133-199-275-30350-5-3-19-46-61-89-126-178-250-27560-19-26-24-23-63-100-157-215-271-39470-44-9-40-57-94

27、-137-195-271-28280-16-17-16-16-59-102-162-234-287-39990-20-29-32-29-58-100-165-215-257-26510054041-16-46-94-167-236110-14-15-12-7-38-80-141-204-257-27312013242238269-20-73-166-237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

28、。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23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510152025303540455010-1-20-3-7-9-9-10-1120-1-29-47-84-169-214-241-263-28430-2-70-89-145-202-251-275-282-29440-1-34-62-98-156-201-224-229-2365001-1-3-9-12-17-16-15600031-4-6-7-5-370001-16-37-56-59-72-9080001-29-77-115-143-178-19990003-14-57-94-124-164-1851000043-5-9-14-12