浅谈多节箱涵顶进技术在施工中的应用
【摘要】对多节箱涵下穿铁路施工工艺和关键技术进行了详细的介绍，特别对最大顶力、后背分配梁截面、顶进设备、中继间的构造及容易出现的问题产生的原因及解决的办法进行了详细的阐述。对施工具有指导意义。
【关键词】顶进箱涵纠偏安全防护
中图分类号：u449.82文献标识码： a 文章编号： 天津密云路框构桥主体分三节，第一节长19.65m,第二节长27.2m，第三节长24.15m,全长71m。斜穿京沪高铁上行、下行和京沪联等5股线路，交角为67。。箱涵结构为1-16m，边墙及顶板厚1.1m，底板厚1.2m，结构全高8.9m。箱涵主体采用c35砼，抗渗p10。采用顶进施工工艺。 一、工程难点
1、本工程地基较软，水位高，邻近京沪高铁既有线，线路行车密度大，因此地基处理、基坑开挖、临边既有线防护、路基边坡的稳定性控制，是工程的难点。
2、多节箱涵顶进过程中的纠偏控制、“扎头”预防、顶进就位后中继间的防水施工，是又一难点。 二、施工工艺流程
该工程顶进分为降低地下水位和地基处理、开挖工作坑、修筑滑板和导向墩、浇筑后背分配梁混凝土、预制箱涵、安装钢刃角、布置顶进设备和监测设备、线路加固、试顶和正式顶进、组织挖运土
等十个工序。工序流程如下：
1、降低地下水位和地基处理
1）、该箱涵地基以杂填土、亚粘土和软土为主，地基承载力σb在80kpa左右，地下水位较高。为确保干槽开挖，在施工中采用设置14m长，直径0.6m，间距0.5m的水泥搅拌桩做两层止水帷幕的施工方案。直径500mm的降水井沿工作坑四周u形布置。 2）、地基加固采用10m水泥搅拌桩，桩径0.6m，间距1m,梅花形布置。
2、开挖工作坑的施工
工作坑是预制箱涵和顶进箱涵的工作基地。按箱涵长度、宽度、后背分配梁尺寸、操作空间等因素确定。考虑现场情况，采用12.5m长钻孔灌注桩支护，桩径1.25m，桩间距1.5m。工作坑从距离线路中心线8.5m处开挖，分二次开挖完成。工作坑底四周设排水沟和集水井。为确保路基安全，减少雨水冲刷对路基的不良影响，靠路基一侧边坡坡度不小于1:1，并进行挂网喷射混凝土防护。 3、浇筑后背分配梁混凝土
1）、后背分配梁是为顶进提供反作用力的。由于箱涵与线路斜交，顶力及两侧土压力的不同，产生不等的力矩，箱涵容易旋转，影响顶进质量。为了最大限度的保证顶进设备出力，后背分配梁应与顶进设备垂直浇筑，与滑板浇筑整体考虑。
2）、为保证后背分配梁的抵抗力能满足顶力需要，首先要进行最
大顶力计算。箱涵从开始启动到全部入土时所需之力为最大。该力除要克服箱涵与土壤之间的摩擦阻力外，尚应留有一定富裕，以便顺利顶进。计算时，应根据顶进土壤的性质、地下水位情况、箱涵长度和施工方法等因素综合考虑确定。采用公式为： p=k* [n1*f1+（n1+n2）*f2+2e*f3+r*a] 式中： p—最大顶力（包括线路加固材料），kn k—安全系数，取1.2 n1—箱涵顶面负荷，kn
f1—箱涵顶面与顶面荷载的摩擦系数取0.3 n2—箱涵自重，kn
f2—箱涵底板与基底土的摩擦系数，取0.7-0.8 e—箱涵侧面土压力，kn f3—侧面摩擦系数，取0.7-0.8 r—钢刃角正面阻力，取60kn/m2 a—钢刃角正面切土面积，m2
n1据线路加固设计要求，经计算131t, n2经计算6755t，箱顶土压力q1=ζγh ，箱底土压力为q2=ζγ(h+h1)，故e=0.5（q1+q2）h1l=0.5γh2k0=41
γ为土体容重，k0为土质系数取0.3，两侧钢刃角切土正面积0.2m2，则p=1.2（131*0.3+（131+6755）*0.7+2*41*0.3+0.2*60）=5875.32t
其次，计算后背分配梁截面。根据后背分配梁承受顶力的范围，
每米后背所需的最大顶力f=p/l（kn/m），被动土压力系数kp=tg2（45+ψ/2）,据朗金土压力理论计算公式：ep=γh2kp/2+20hkp1/2,求得后背分配梁高度h,从而拟定后背分配量截面。 4、修筑滑板、导向墩
1）、滑板是顶进施工中极为重要的设施。滑板面设5‰的船头坡，前端高程与箱涵底板高程相同，滑板表面做到光滑平整，高程误差控制在3mm以内。为防止滑板与箱涵底板粘结，同时为减少启动阻力，滑板砼强度达到100%后在滑板表面做润滑隔离层。其做法为表面涂3mm厚机油滑石粉混合物（比例为3:7），上铺油毛毡，按接缝顺着顶进的方向搭接并粘接牢固，最后铺塑料布。为防止绑扎钢筋时损坏隔离层，在其上抹20mm砂浆保护层。
2）、为了控制箱涵起动后空顶阶段的方向，在滑板两边距箱涵预制位置5-10cm处设导向墩，便于导向。 5、箱涵预制
1）、每节箱涵分两次浇筑，第一次浇筑箱涵的底板，第二次浇筑箱涵的边墙和顶板。
2）、每节箱涵间采用中继间连接。中继间包括钢护套、钢插销（套）、钢搭榫、顶镐窝等。
a钢护套分内外套。内钢套与箱体连接，外钢套用预埋螺栓布置在2节箱体的接缝四周。可以起到防止顶进时土体进入箱涵内，并对顶进过程中2节箱涵的横向、上下位移造成约束，分担钢插销的部分剪力。
b钢插销（套）一端预埋入先施工的箱体圬工内，另一端伸出圬工外，外露长度不小于顶程加20cm。在顶进过程中对防止箱体错台起关键作用。
c钢搭榫设置在箱体内各角。它主要对顶进过程中两节箱体的上下位移造成约束，分担钢插销（套）的部分剪力。
d根据顶镐的尺寸设计顶镐窝，布置在底板、侧墙上，以便调整顶力和达到调整方向的目的。
在每节箱涵的接缝处应做防水工作。止水带可结合箱涵的预制和顶进施工进行安装，位置要准确。箱涵在就位后接缝处采用弹性防水材料密封，抹干，做到不漏水。见图。
6、钢刃角
钢刃角在顶进过程中用来切土，对防止塌方也起到重要作用。箱涵顶板、底板和侧墙都要安装钢刃角。钢刃角用厚20mm，宽50cm的钢板制成。底刃角在安装时刃角底面与箱涵表面成一仰角，以利于切土，防止箱涵扎头。侧刃角较箱涵外框尺寸略大，以减少顶进阻力。
7、安装顶进设备及监测设备
1）、需要配置的顶镐数量，应根据箱涵最大顶力确定。公式为：n=p*r*k/t
其中：n—需用顶镐台数 p—最大顶力（t）
r—粘着系数
t—每台顶镐的额定推力（t）
该箱涵最大设计顶力5875.32t，采用tdw-400顶镐，顶镐顶力按额定的75%计算，5875.32÷（400*0.75）≌12台，采用与箱涵的中轴线对称，与横梁垂直的布置方式。每个中继间布置12台。
2）、顶铁采用40cm*40cm型号，布置8路。有4m、2m、1.2m、0.8m、0.4m不等的长度，据具体情况随顶进随加适当的长度。为了使顶铁均匀受力，增加稳定性，在后背分配梁与箱涵之间每隔4m加一道横梁。
3）、箱涵在顶进全程中用自动数字监测系统对箱涵的轴线、进程以及涵端土压力进行实时跟踪监测，数字记录。
a两个位移传感器设置在滑板前端，间距1m,用来监测箱涵实际轴线与设计轴线间水平偏移量。
b箱涵前端2个角位置设置2个高程传感器。用来监测箱涵前端2个角点的实际高程与设计高程偏差。
以上通过i/d数据采集板将偏移量收集于计算机，用图像直观反映箱涵的姿态。 8、线路加固
线路加固采用吊轨横梁和吊轨纵横梁体系的加固方法。钢轨接头错开1.0m以上，两端伸出路基防护桩外4.0m，吊轨与枕木用φ20mm的u型螺栓连接。
横梁采用40b工字钢，铺设间距0.9m，接头错开1.5m，铺设横向工字钢时按隔6穿1进行，确保穿过一根捣固密实一根，并在工字钢两端用枕木垛支撑稳固。再进行下一根作业，纵梁采用45b工字钢，3根一组，接头错开1.5m以上，纵梁两端支撑于防护桩或枕木垛上。轨底至箱涵顶面净高0.7m。 9、试顶和正式顶进
1）、对设备（顶镐、高压油泵等）进行安装、调试合格后，进行箱涵试顶进。试顶进条件：箱涵砼强度≥100%。 2）、正式顶进
利用顶镐的顶力在后背分配梁的反力作用下推动箱涵前进。每次顶程为顶镐行程的80%左右，一个顶程完成后回镐并将分配梁归位，加长顶铁以待下一循环。如此反复，直到箱涵就位。 三、顶进中的“扎头”与“抬头”
根据以往的工程实践表明，大型箱涵顶进过程中，土质越软，顶进距离越长，其“扎头”现象越明显。
图中滑板前缘0是力矩中心，p、q、d、r、e、f、g、n、s、t、h为相对“0”之力臂（底板摩擦阻力f下对“0”之力臂按“零”计算）。顶进时箱涵结构由刚性滑板进入弹性地基，结构就会产生“扎头”趋势，当结构重心离开滑板后，在结构前部地基中产生最大的压缩沉降，导致结构前倾，此时滑板前缘变成力矩中心，构成了相反的两种力矩，即：
“扎头”力矩mz=p*p+q*q+r*r+d*d
“抬头”力矩mt=f上*f+e*e+g*g+n*n+s*s+t*t+h*h
当mz>mt时，会产生“扎头”现象，反之mza土质条件不同：由于内摩擦角不同，其土压力对箱涵周边产生的摩擦阻力不同；由侧面摩擦阻力形成的对箱涵夹持力也影响顶进高程变化；地下水位的高低，影响基底土壤含水量大小，进而导致地基承载力大小的不同；b当钢刃角顶入线路后，线上行走的机车对“扎头“起很大作用； c工作面开挖由挖掘机和装卸机完成，作业在底板前端，“扎头”力矩增大。 2）、解决的方法 ①左右偏差调整方法
a增加或减少顶镐的数量,即开或关一侧顶镐阀门。如向左偏，即关闭（减少）右侧的顶镐；如向右偏，反之。
b用后背顶铁调整，加换顶铁时，可根据偏差大小将一侧顶铁锲紧，另一侧顶铁锲松。如右偏，则右侧顶铁锲紧；左侧锲松。 ②上下高程调整的方法
a箱身“抬头”量不大，可把开挖面挖到与箱底面平。“抬头”量大，则在底板前超挖20-30cm,宽度与箱身相同，同时使刃角不吃土，在顶进中逐步调整。
b适当增加“抬头”力矩，即增加刃角的阻力，使刃角多吃土，
底板前不得超挖，逐步调整。 四、结束语
以上技术在天津密云路1-16m箱涵顶进过程中，得到较为成功的应用。顶进误差满足规范要求:高程误差≤+150mm~-200mm,中线误差≤200mm。结合施工实践，本人就既有线箱涵顶进法施工提出如下结论和建议：
1、箱涵顶进施工要制定详细的施工组织设计，编制切实可行的施工方案，组织施工人员认真学习，做好技术交底，做到施工中有条不紊。
2、顶进作业时，安排专人对路基边坡观测点进行监护，加强对箱体两侧路基的处理，以减少箱体对路基的扰动，确保顶进质量和线路安全。
3、顶进过程中，应用自动数字监测系统对箱涵实时跟踪观测，减少了大量的测量工作，提高了效率，节约了费用。同时能够及时发现偏差，采取措施予以纠正。
4、顶进中应该控制好速度和挖土量，做到随挖随顶。挖好的工作面不得长时间暴露，严禁超前挖土。严格做到“挖土”：列车通过时不挖土；机械设备发生故障时不挖土；较长时间不顶进时不挖土；交前不挖土；雨天不挖土。
5、挖土机械派专人监护，处于线路下方作业时，铲斗不得碰撞梁主体结构。严禁施工人员接近或跨越顶铁，或站在已经就位的顶铁上。
6、线路加固重中之重，吊轨梁与行车轨之间不得有导电物体，防止导电引起既有信号异常，所有加固部件不得影响轨道电线。按铁路有关规定和要求进行，并选派有经验和责任心的人员对施工现场24h监控，确保行车安全。
参考文献：
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2、雷为民大跨度桥顶进施工技术（j）铁道工程学报2004（3）80-86
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