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1、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1.3m,单孔桥长35.5m,上、下行框架桥间净距9.6m,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2.67m,结构尺寸见下图。该桥采用了“盾构顶进
2、”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3.1盾构设计3.1.1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。3.1.2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:3.1.2.1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
3、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1.1m,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1:0.2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1:0.5剪力板线
4、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
5、构箱和第五个主梁下部安装了一块宽2.7m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。3.1.2.2顶进过程中的导向作用顶进时盾构的墩柱底部设有0.25%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
6、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。3.1.2.3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
7、,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
8、)。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0.50.7下降到了钢与钢的0.10.2,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
9、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。3.2顶力、后背和滑板设计3.2.1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35.5m框架共分成三节预制,第1节长8m,第2节长11.9m,最后一节长14.5m,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。3.2.1.1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=70.16m22、自重计算:第一节8m,C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑,则G=vg=Slg=70.16826
11、=14593KN盾构自重160t,即1600KN3、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1.2N1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=2.08.1520.619.4+0.68.1520.625=9032KNN13=2.0820.619.4+0.6820.625=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0.2(
12、因有减阻设施) 盾构顶表面与荷重的摩阻系数,取0.2f2箱底与底层土的摩阻系数,取0.75 盾构底与底层土的摩阻系数,取0.2 E箱两侧土压力f3箱体侧面摩阻系数,取0.75 盾构侧面摩阻系数,取0.2 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=20.61.3+7.31.32=45.76m2, 盾构刃脚按其1/10考虑,则A=S/10=4.6m2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=1/219.40.48.628=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=8.683
13、0=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=1/219.40.48.628.15=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=8.68.1530=2103KN同上相近则:P=1.2(132088669032)0.2(1320886614593)0.75(9032+1600)0.2222960.75223390.215004.6 =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=3200240.6=46080KN
14、42862KN,可满足要求。3.2.1.2第二节顶力设计1、截面估计:截面面积:S=(20608601800600+5050+15050)10000=70.16m22、自重计算:第二节12m,C40钢筋砼密度按g=26KN/m3考虑,则G=vg=Slg=70.161226=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1.2N1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=2.01220.619.4+0.61220.625=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0.2(因有减阻设施)f2箱底与底层土的摩阻系数,取0.75 E箱两侧土压力f3箱体侧面摩阻系数,取0.75 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