下穿高速公路框架桥盾构顶进施工.docx
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下穿高速公路框架桥盾构顶进施工
Preparedon21November2021
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-f 47931-×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 -
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