关于高铁桥梁及隧道施工图解.docx

1、关于高铁桥梁及隧道施工图解高铁桥梁及隧道施工简介摘要台湾高速铁路主体工程的兴建自公元2000年三月起，几乎是全长330公里同时动工。其中近80%为高架桥，10%为隧道，为期于公元2005年十月份顺利通车，不论桥梁与隧道，均采用了快速安全的施工方式。本文简单叙述台湾高铁桥梁与隧道施工方式。1、 前言台湾高速铁路计划由台北至高雄，全长345公里，除由台北车站至新庄树林处之15公里由政府兴建外，其余330公里全由台湾高速铁路公司负责兴建。全线共分为12个土建施工标。经过邀标、议约、议价及决标的程序后，各标均于2000年中陆续开始施工。土建标均采设计施工合一(D/B)之合约型式，由土建承商按合约所订之

2、设计与工程规范，自行委请顾问公司办理设计，另再委请独立审查顾问办理设计审查工作。表一即为各土建标承商及其顾问公司之综整表。由台湾高铁公司负责兴建的330公里中，高架桥即有250公里，约占全线之76%，隧道长度为44公里，约占全线之13%。高架桥与隧道之施工于本案中，占有极重要且关键的角色。本文即就本案各标高桥梁与隧道的施工方法摘要报告。表一、台湾高速铁路土建工程总揽表土建合约合约范围路线长度( 公里)承揽承商设计顾问设计审查(CICE)开始日期预定日期C21016K+80028K+08011.280日商大林组互助营造Sinotech TY LinMuller+Hereth Leonardt,

3、Andra & Partners2000/4/12004/11/26C21528K+08068K+54040.460日商大林组互助营造Sinotech TY LinMuller+HerethLeonardt, Andra & Partners2000/4/12004/6/29C22068K+54086K+32017.780日商大丰 九泰营造 国开营造Moh & Associates IOA LexiqSGTE2000/4/12004/6/29C23086K+320109K+76023.440 韩商现建营造 中麟营造 港商亚太工程Hyder GeoconsultParsons Brinckerh

4、off Merz McClellan2000/4/12004/8/28C240109K+760130K+60020.840 韩商现建营造 中麟营造Hyder GeoconsultKampsax2000/5/12004/7/29C250130K+600170K+40039.800 德商豪赫蒂夫 荷商霸力顿 泛亚Hochtief Ballast NedamKampsax2000/5/12004/6/29C260170K+400207K+01536.615 德商皕德 大陆工程Bilfinger+Berger SinotechMoh & Associate2000/4/12004/6/29C27020

5、7K+015249K+81442.799 德商皕德 大陆工程Maunsell SinotechMoh & Associate2000/4/12004/6/29C280249K+814284K+22134.410 韩商三星 韩商重工 理成Byucksan Parsons Brinckerhoff RESI CTCIHyder2000/3/12004/5/29C291284K+221312K+73428.513 日商清水建设 长鸿营造Moh & AssociatesTY Lin2000/4/12004/1/31C295312K+734340K+05827.324 日商清水建设 长鸿营造 太电Moh

6、 & Associates Jean Muller IntlParsons Brinckerhoff Merz McClellan2000/4/12004/5/10C296340K+058343K+1203.062 泰商意太建设 长鸿营造 太电Moh & AssociatesTY Lin2000/4/12004/1/312、 高铁桥梁之设计与施工2.1高铁桥梁的设计考虑高铁桥梁基于安全、舒适，易于维护的前提下，在设计上有些特别的考虑，兹举数则条列如下:1. 采用钢筋混凝土或预力混凝土桥梁，并尽可能避免采用钢构桥梁。2. 桥梁之所有支承均应易于检修，并应在结构体使用寿命期间内，以不影响列车正常运

7、行之情况下轻易调整及更换。支承之更换作业应局限在午夜至凌晨6点之间并于4小时之内完工。3. 桥梁之设计应将维修吊车于桥面版悬吊部位造成之垂向载重纳入考虑。4. 上部结构应于顶版底面每一检修口上方预埋可承受3公吨吊装重量之吊环。所有检修口均应配置可上锁之镀锌钢盖板。5. 最大设计地震力：系考虑地震回归期为950年之地表加速度，在此地震作用下，主结构允许产生非弹性变形并允许损坏发生，并应可修复，惟不允许结构发生脆性破坏，以致倒塌。6. 安全运转设计地震：相当于三分之一之最大设计地震力。在此地震作用下，结构反应必须维持在弹性范围，不得有塑性变形产生。7. 增加桥梁支承长度：高铁桥梁设计规范规定桥梁最

8、小设计防落长度为政府颁布之铁路桥梁耐震设计规范之规定值1.2倍。8. 通过断层之结构型式选择：以较柔性之结构物（如路堤）通过为主，以加速地震后修复速度，如因现地限制，需采桥梁通过，则需额外加大防落长度。9. 施工中地震力之考虑：土木承包商需依据高铁桥梁设计规定，以25%之设计地震力设计相关之施工设备，以确保施工设备于施工期间之结构安全。2.2 高铁桥梁的结构型态一、基础(一)、扩展基脚（Spread Footing）扩展基脚属浅基础，其断面尺寸为（L*W*D）10m*10m*2.25m17.5m*17.5m*2.7m。若土壤之承载力适合而且无沈陷之疑虑，则扩展式基础在施工上比桩基础简便许多。扩

9、展基础仅限在接近地表处存在适当之承载层，且其下方无任何具高度可压缩性质之土层，经计算所得之沈陷量并未超过容许限值之状况下使用。扩展基脚于台湾高铁计划的使用情形如表二。图一为C220标新竹车站段之一例。施工范围基础总数量(座)扩展基脚 (座)区域扩展基脚比例 混凝土立方(立方公尺/座)北工段(C210C240)1,6441,13869%280830南工段(C250C296)6,4311,09417%225456总计8,0752,23228%表二、 台湾高铁桥梁浅基础 图一、 扩展基脚 (C220标)(二)、桩基础（Pile Foundation）桩承基脚属深基础，桩径为1.5m2.5m；根据台湾

10、高铁针对桩承基础之规定，凡于浅基础无法以安全、经济之方式承载设计载重，且又无法符合规定之沈陷标准者，均应使用深基础。另即使于地层之承载力适合使用浅基础处，若表层土壤有遭受冲刷或冲蚀之虞者，仍应使用深基础设计。高铁沿线基桩型式大多采全套管基桩及反循环基桩，基础之型式与深度应依工址地工调查之结果判定，并根据地工调查之结果计算基础土壤之容许承载压力、基桩承载力、预期沈陷量与地下水位等数据。施工范围基础总数(座)桩基础 (座)桩数量 (支)总桩长(公尺)平均桩长(公尺)区域桩承基础比重北工段(C210C240)1,6445064,809135,07728.131%南工段(C250C296)6,4315

11、,33725,1111,338,58353.383%总计8,0755,84329,9201,473,66049.372% 表三 台湾高铁桥梁深基础桥梁基础设计为因应工址地质与区域地震力变化而有差异，尤其高铁桥梁工程纵贯台湾西部走廊，桥梁总长约250公里，沿线之基础设计考虑与设计结果反应其工址地质与区域地震力变化；表三为桩基础于台湾高铁计划使用之情形。由表二与表三之统计数据，北部标段之基础型式采扩展基脚比重较南部标段高，南部采用桩承基础之平均桩长远较于北部标段高出约一倍。除扩展基脚与桩基础外，高铁全线并未采用其它型式之基础。二、墩柱皆为场铸桥墩，形式有单柱、双柱、三柱、四柱及Y形柱，其断面尺寸为

12、L*W2.5m*2.5m5.0m*4.3m 或 3m5m直径之圆柱。单柱结构广泛使用于主线高架桥结构中，双柱、三柱、四柱结构各为车站路线结构，而Y型柱(如图二)仅见于C295标。墩柱基础顶部之覆土厚度依台湾高铁规定不得小于600 mm，且都会区内以及邻近公路地区之基础顶部高程应符合相关主管机关之规定，以容纳地表排水与管线设施施作所需之深度。轨道及相关工程完工，经所有外加呆载重作用后，相邻墩柱间之差异沈陷量不得超过下列限制： 简支多跨桥梁 差异沈陷之斜率不得大于1/1,000 连续跨桥梁 - 差异沈陷之斜率不得大于1/1,500混凝土之弹性模数E（杨氏系数）应符合交通部公路桥梁设计规范之规定。混

13、凝土、钢筋、预力钢绞线、预力钢棒等材料之应力与应变关系亦应符合交通部公路桥梁设计规范之规定。桥梁结构混凝土于28日龄期之最小抗压强度应符合如表四之规定。桥梁结构桥梁结构混凝土于28日龄期之最小抗压强度基椿、方桩、沉箱245 kg/cm2基脚、桩帽、桥墩280 kg/cm2钢筋混凝土结构280 kg/cm2预力混凝土结构350 或420 kg/cm2表四 高铁桥梁结构混凝土于28日龄期之最小抗压强度规定图二 Y型墩柱 (C295标)三、上部结构主线线形的设计，最大纵坡为2.5，少数路段为3.5。最小曲率半径为6,250公尺，特殊路段采用5500公尺半径，侧线因非营运使用线路故采用较低标准的相关设

14、计规范。除车站区附近之桥梁段采46轨道设计外，台湾高铁之桥面净宽皆为13公尺，提供双轨道北上及南下各一轨道之营运使用，并符合最高设计速度为350公里/时之运转及最大营运速度达300公里/时之安全需求。为确保乘客搭载列车之安全与舒适，高铁所有高架桥结构之容许角变量之规定较一般公路规定更严谨，详表五（中间数值得采线性内插法求取）：跨距( 公尺 )垂直折角( / 1000 )水平折角( / 1000 )10203040501.71.71.51.31.31.71.71.71.31.3表五 高架桥结构之容许角变量台湾高铁上部结构型式区分为箱型梁、I型梁及其它型式之大梁，使用情形如表六：结构型式总长度 (

15、公尺)占总上构百分比预力系统预铸箱型梁137,40355.0%先拉法、后拉法、先拉加后拉法场铸箱型梁106,73542.8%后拉法I型梁4,9802.0%后拉法、先拉加后拉法表六 台湾高铁桥梁上部结构型式其它6050.2%(一)、箱型梁承载二股轨道之所有正线桥梁均以采用预力混凝土单孔箱形梁为原则，箱型梁得采预铸或场铸方式铸造。高铁箱型梁除少数采先拉(C280)或先拉混合后拉(C215, C250)预力工法外，后拉预力箱型梁属最普遍之预力施工法，其断面尺寸依跨距及工址而有异，梁深2800mm4630mm，梁底宽4600mm6000mm。图三 箱型梁 (C260标)图四 箱型梁 (C270标)图三

16、与图四分别为C260与C270标已完成铸造的与柱箱型梁，即将予以吊放。 (二)、I型梁高铁C220标及C250标在车站附近之主线及南北调车线之桥梁上构工程采用预铸I型梁，其平均重量达145公吨支，最重可达230公吨支。其中C250标之预力系统则采用先拉与后拉并用方式。图五与六为其示意。图六 I型梁先拉预力设计细部图五 I型梁断面图及先拉预力钢铰线配置 (三)、其它型式之上部结构在长跨距及符合工址条件下，可考虑采用钢桁架桥梁或复合钢结构。复合结构采用钢箱形梁与混凝土桥面版为宜。钢桁架桥梁或复合式钢构桥梁大部份是应用在跨河川、道路等桥梁。如C220标之头前溪桥为全长140公尺之钢桁架桥梁，C210

17、标经一号省道之钢桁架桥等。2.3 桥梁施工法高铁桥梁施工法包括全跨预铸工法（Full Span Launching Method；Pre-cast Span Method）、支撑先进工法（Advance Shoring Method；Movable Scaffolding System；Movable Shoring System）、悬臂工法（Cantilever Method）及场铸支撑工法（Fixed Shoring Method），其工法施工简介如下：一、全跨预铸吊装工法（Full Span Launching Method）(一)、工法概述：系将全跨预铸工法整个工法作业流程区分成三大阶

18、段，即生产预铸梁、运送与吊梁：1、 生产预铸梁：预铸场之配置位于线形桥梁之端点或中心位置，单一施工范围在10公里至20公里不等；上部结构于预铸场内完成钢筋绑扎、布设钢铰索、预力施拉、混凝土浇置、养护至表面处理完成，铸梁作业完全不受天候影响。C215标之箱型梁铸造系采用预铸方式，而铸造时系先对底版施以先拉预力，蒸气养护完成后，再对翼版施以后拉预力，如图八之流程图所示。图八 预力箱型梁铸梁流程 (C215标)此外，预铸场之配置计划是影响施工进度与施工管理重要因素之一；以C215标为例，因预铸场之取得不易，其总占地面积为5公顷并配置于TK44+300，配合唯一全跨预铸吊装工作面总长约18公里TK44

19、+775TK64+114铸梁，相较于C260标共18公顷之两处预铸场之配置，C215标之工作面之展开受到较大冲击。2、 运送：预铸梁完成后，运梁载具于预铸场将预铸梁运至吊放处，既成桥面形成运梁通道，可避免对沿线地面产生冲击。目前高铁使用之运梁载具有(1) 胶轮悬吊式运梁车；(2) 胶轮上承式运梁车，详图九、十。图九 胶轮悬吊式运梁车 (C215标)图十 胶轮上承式运梁车(C260标)C215标采用之胶轮悬吊式运梁车载重之行车时速为3.0公里，空车之行车时速为7.5公里；C260标采用之胶轮上承式运梁车载重之行车时速为10公里实际为6公里小时，空车之行车时速为15公里。(3)、吊梁：先将吊梁机固

20、定于两端之墩柱上，再吊放预铸梁并完成定位。(二)、施工考虑：多跨之箱形梁高架桥若采预铸逐跨工法施工，应考虑下列之施工状况：1、一组箱形梁与一组运梁车合计之静载重外加10%之冲击载重，位于另一组箱形梁上造成最不利载重条件之位置。2、运梁车车轮传递至下方箱形梁上之载重于下方箱形梁顶版造成之局部应力。3、 运梁车所承托箱形梁本身之局部应力，例如支承点及吊装点之局部应力。4、 推进桁架之静载重应假设作用在对桥墩与箱形梁造成最不利载重条件之位置。图十一至十六即为几个大梁吊放的实况。图十一 全跨预铸吊梁 (C215标)图十二 全跨预铸吊梁 (C215标)图十三 全跨预铸吊梁 (C250标)图十四 全跨预铸

21、吊梁 (C260标)图十五 全跨预铸吊梁 (C270标)图十六 全跨预铸吊梁 (C280标)二、支撑先进工法（Advance Shoring Method）支撑先进工法系将大梁安置于桥梁侧之两支托架上，再将系统模板组立于活动支撑架上，俟整跨桥梁混凝土浇置并施拉预力后，将整组活动支撑架及系统模板推至下一跨桥梁并完成定位，如此逐跨重复上述作业流程至全部桥梁完成为止。多跨之高架桥若采逐跨支撑先进工法施工，应符合下列之施工条件：(一)、任何断面处之预力钢腱续接量均不得超过50%；(二)、相邻预力钢腱之续接位置至少应沿纵向错开10 m。图十七为C291标以支撑先进法场铸大梁的情形。图十七 支撑先进工法

22、(C291标)三、悬臂工法（Cantilever Method）悬臂工法系于最先完成之桥墩或桥台上方桥面上架设工作车，按照节块大小向两侧或单侧施筑，并施拉预力，直到全部桥梁闭合为止。悬臂工法应用于台湾高铁之连续大跨径之桥梁，如C215标于在湖口跨中山高之三跨连续桥梁最大跨径为110公尺。四、节块推进工法（Incremental Launching Method）节块推进工法（以下简称ILM工法）系与悬臂工法完全相反之构想而发展，其最显著之差异在于制梁场所之位置与移动与否；悬臂工法系将制梁场之位置配合施工进展而移动；ILM工法则将制梁场固定于临近之桥台后方而移动梁本体之施工方式。ILM工法，系预

23、力混凝土梁由节块组成，惟每一节块须断面变化小，首先在临近桥台或桥墩后方之预铸厂内铸造混凝土节块，俟混凝土强度达到一定强度后，再施拉预力钢腱与前一节块连结，之后将节块由桥台往桥中心方向推展，依序重复制梁衔接推进之循环作业，直到所有节块施筑完成并推至定位为止。目前，台湾高铁全线仅C260标其中三座桥梁（约1.02公里）采用ILM工法，这三座桥梁属于连接八卦山几座隧道且构筑于深谷之上，此ILM工法之应用可克服因地势条件而受限制之施工动线。图十八及十九即为该标施作的情形。图十八 钢制节块推进鼻梁 (C260标)图十九 反力导轨 (C260标)五、场铸支撑工法（Fixed Shoring Method）

24、场撑支撑工法系于墩柱完成后采单跨且逐跨支撑梁底模于地面上，于该跨模板内组立钢筋、浇置混凝土、施拉预力至拆模，如此逐跨重复施筑直至全段完成为止。此工法零星应用于台湾高铁全线，如应用在全跨预铸吊装工法、支撑先进工法或悬臂工法之开端与末端之桥梁段，应用虽属灵活但并非高铁工程之主要桥梁工法。图二十为C210标使用全跨支撑场铸大梁的情形。图二十 场铸支撑工法 (C210标)2.4 大梁工法的比较各标土建厂商由于在设计施工时，有相当大的自主空间，在施工方法的选择上多以时程与成本作为首要考虑。至于何种施工法较为优，恐于现阶段难进行全面而客观的评估。提供表七之比较表作为参考。表八为将台湾高铁全线高架桥大梁施工

25、法做一综整，以供参考。标段预力预铸场(处)生产线(条/预铸场)单一生产线进度(日/支)吊梁进度(支/月)附注C215先拉+后拉13330C250先拉+后拉22230胸墙一并吊装C260后拉13232C270后拉12230C280先拉22325表七、预铸大梁施工法的比较桥梁施工法适用跨径(公尺)适用桥长(公尺)工法优点适用条件施工总长度(公尺)占总桥梁长度百分比采用之施工标段全跨预铸吊装工法 施工速率快，且可节省人力。 作业具周期性，质量管理佳。 既成之桥面提供运梁通道，避免对沿线环境产生冲击。 采预铸制造整跨箱型梁，不受天候影响。 长跨距桥梁。 桥梁沿线有足够腹地提供预铸场之设置。136,38

26、355%C250C260C270C280支撑先进工法3060200以上 不需架设地面支撑，适用于都会区域或跨越道路、桥梁、铁路或河川而不影响交通。 机械自动化且具循环之施工特性，施工质量与工期易控制。 施工设备能重复使用，可节省人力，降低成本，缩短工期。 完成之桥面可作人员、机具设备及材料之运输通道，减少对附近环境之冲击。 较无几何形限制。 桥长超过800公尺才具经济性，若能达1200公尺以上时，更具经济性。 上部结构采等断面设计。67,60527%C210C215C220C230C240C250C291C295平衡悬臂工法60250 不需架设地面支撑。 施工场所集中，易于管理。 重复性作业流

27、程，劳工易于训练。 对周遭环境冲击小，且于跨道路施工时，桥下交通不需管制。 施工可不受天候影响。 适用于中长跨径桥梁。 适合不规则地形，或跨越道路、桥梁、铁路、河川而不影响交通。 上部结构采变断面设计。 桥面高于10公尺以上之桥梁。9,0073.6%C210C215C220C230(续上页)桥梁施工法适用跨径(公尺)适用桥长(公尺)工法优点适用条件施工总长度(公尺)占总桥梁长度百分比采用之施工标段节块推进工法4065300800 不需架设支撑架、无吊装作业。 施工不受天候影响，质量与工期易控制。 铸造节块活动模板与推进设备，可重复使用，节省人力，降低成本。 施工地点集中，易于管理。 因循环作业

28、，劳工易训练。 适用于长跨距桥梁或能继续应用于其它工程(因其临时设备成本高)。 纯直线或曲率半径大之圆曲线之桥梁，大梁断面宜单纯，梁深必须固定。 适合跨越道路、桥梁或铁路而不影响交通或河川深谷等地区施工。 市区、住宅区等工程公害成为问题者。 桥台后方有足够之空间设置预铸场。1,0200.4%C260场铸支撑工法3050 模板可自由调整。 施工调度灵活，可随时增设工作面。 施工技术层次较低，人员不须高度专业训练。 设备成本较低。 适用于线型变化较大及增减车道。34,15714%C210C296表八、 台湾高铁桥梁施工法3、 高铁隧道施工3.1 高铁全线隧道概述高铁全线隧道主要分布于中北部路段，从台北盆地南缘大坑山，经林口台地、湖口台地、新竹苗栗丘陵区到八卦山为止，隧道通过地层除回龙外，均属年轻软弱地层，而卵砾石、软弱岩质施工在国内隧道界施工经验较少。高铁全线隧道分布可依标别、长度区分或依岩体类别区分，整理如下表：一、 依标别、长度区分：共47座总长44, 046公尺。C210C215C220C230C240C250C260长度统计【百分比】长隧道（L3000）【4座】林口（6,482）湖口（4,292）苗栗（3,060）八卦山（7,360）21,194【48.1%】中长隧道（1000L3000）【6座】回龙（2,149）