下穿既有鐵路大跨度架空頂進(jìn)箱涵的設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

金繼偉

(河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南鄭州450052)

0 引言

高速公路穿越既有鐵路時(shí)，在保證鐵路安全運(yùn)行的前提下，將在鐵路路基一側(cè)預(yù)制好鋼筋混凝土箱型框架，采用高壓油泵帶動油壓千斤頂，并借助于預(yù)先修好的后背支承，頂入鐵路路基內(nèi)，成為一座鐵路立交橋涵，這種方法稱之為頂進(jìn)法.近年來，隨著高速公路建設(shè)里程的不斷增長，采用頂進(jìn)法穿越既有鐵路越來越多.當(dāng)上覆填土較低時(shí)，對于大跨度斜交頂推箱涵，由于無法形成卸載拱效應(yīng)，同時(shí)由于頂推箱涵與覆土間的摩擦，容易產(chǎn)生路基沉陷，難以保證鐵路的正常運(yùn)行，因此需要針對這種情況進(jìn)行專門地分析研究.目前國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究，其中楊燕、洪達(dá)飛等［1－2］對既有頂進(jìn)箱涵的設(shè)計(jì)、計(jì)算進(jìn)行研究，對鐵路的路基、箱涵頂進(jìn)及就位情況的檢測方法進(jìn)行了研究，提出了合理的方法和建議，保證了鐵路行車暢通和安全，為今后下穿鐵路頂進(jìn)箱涵的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控等提供了借鑒.但對線路架空安全可靠性以及頂進(jìn)鋼軌后背樁的設(shè)計(jì)研究較少，缺乏更深入地系統(tǒng)研究.筆者在對洛三高速公路改擴(kuò)建工程澠陳立交橋的設(shè)計(jì)中，針對上述箱涵特點(diǎn)，采用了架空頂進(jìn)的方案，使箱涵頂進(jìn)在鐵路線路架空的狀態(tài)下進(jìn)行.筆者依托該工程對下穿既有鐵路大跨度架空頂進(jìn)箱涵的設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)，為今后同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考.

1 工程概況

澠陳立交橋橋址位于連霍高速公路洛陽至三門峽段改擴(kuò)建工程(RK66+000～RK76+000)，全長10 km，屬山區(qū)重丘區(qū)路段.按單向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)修建，計(jì)算行車速度100 km/h，路基寬19.5 m，瀝青混凝土路面，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級，主線路基橫斷面為右側(cè)整體式加寬.

澠陳立交橋?yàn)殇摻罨炷料浜?，與既有義煤運(yùn)輸鐵路成斜交60°，采用頂進(jìn)施工，頂進(jìn)長度為11.8 m，設(shè)計(jì)涵體凈高為9.7 m，凈寬為 23.25 m，涵底標(biāo)高 532.474 m，板頂標(biāo)高 532.174 m，涵上既有線軌頂標(biāo)高為533.78 m，其箱涵立面圖如圖1所示.

2 設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 線路加固方案

在頂進(jìn)施工中，為確保被頂進(jìn)鐵路的行車安全和施工安全，必須在頂進(jìn)作業(yè)前對既有鐵路線路進(jìn)行加固，本項(xiàng)目線路架空采用便梁法，即沿鐵路縱向設(shè)置便梁架空線路，便梁接頭處采用高強(qiáng)度螺栓連接.便梁兩端采用1.5 m鋼筋混凝土挖孔樁作支點(diǎn)，在縱梁與支撐樁間主架空采用橫抬梁連接，橫抬梁兩端置于1.5 m混凝土挖孔樁上，箱橋頂?shù)较鄳?yīng)位置時(shí)將混凝土樁拆掉，此時(shí)橫抬梁已經(jīng)置于結(jié)構(gòu)頂板上，為減小該處結(jié)構(gòu)頂板上的摩擦力，在頂進(jìn)過程中橫梁下對應(yīng)位置放置鋼滑車減小摩擦力，并在箱橋頂板預(yù)埋拉環(huán)，用導(dǎo)鏈錨固鐵路軌道，以保證線路的幾何形狀.在保證行車安全的條件下，施工單位可根據(jù)機(jī)具設(shè)備施工條件自行擬訂線路架空方案.其架空正立面圖如圖2所示，平面圖如圖3所示.

圖1 箱涵立面Fig.1 Box culverts elevation

2.1.1 便梁支墩挖孔樁檢算

作用在支墩上的荷載主要有：列車活載，便梁自重，樁身自重等.

查《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》［3］得 L=10.0 m時(shí)，K0.5=141.3 kN/m.

考慮列車荷載動力系數(shù)，可求得單個(gè)樁頂列車活載為：P活=875.35 kN.

綜合便梁自重、鋼軌自重和樁身自重，單根挖孔樁頂收到的最大豎向外力：P=1 413.95 kN.

2.1.2 挖孔樁單樁承載力計(jì)算

按橋涵基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［4］，磨擦樁軸向受壓的容許承載力：

式中：［P］為樁的容許承載力，kN;U為樁身截面周長，m;li為各土層厚度，第一層為路基填土厚度為3 m，第二層為粉砂厚度為6 m;A為樁底支承面積，m2;λ為系數(shù)，按照規(guī)范要求取0.8;fi為樁周土的極限摩阻力，kPa，取 55，40，65 kPa;［σ0］為樁底基礎(chǔ)承載力 ，kPa，取220 kPa.

樁身承載力驗(yàn)算：

樁身豎向荷載為P=1 413.95 kN＜［P］=2 242.55 kN.

故樁身承載力滿足要求.

2.1.3 樁穩(wěn)定性檢算

故樁身穩(wěn)定性滿足要求.

2.2 頂進(jìn)設(shè)計(jì)

2.2.1 頂力計(jì)算

要設(shè)計(jì)后背墻截面尺寸，首先要進(jìn)行最大頂力計(jì)算，箱涵的頂進(jìn)從啟動開始，至涵洞全部入土?xí)r所需之力為最大.計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)頂進(jìn)箱涵的長度、土質(zhì)的性質(zhì)、地下水情況、箱涵的外形及施工方法等因素確定，按TB 1002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》［3］橋規(guī)第 11.2.2 條(2 －132)式：

式中：K=1.2;f1為橋頂表面與頂部荷重之間的摩阻系數(shù)，取f1=0.3;f2為箱底板與基底土的摩阻系數(shù)，取 f2=0.8;f3為側(cè)面摩阻系數(shù)，取0.8;R=55 t/m2.

圖2 架空正立面Fig.2 Aerial front elevation

圖3 架空平面Fig.3 Aerial plane

A為鋼刃角正面積，A=0; RA=0;N1為箱頂上荷重;N2為箱自重;E為箱兩側(cè)土壓力.

計(jì)算得P=3 913.554 t，箱涵最大頂力為：3 913.554 t.

2.2.2 頂進(jìn)設(shè)備

所需千斤頂臺數(shù)計(jì)算過程如下.

式中：N為需用千斤頂臺數(shù);T為千斤頂額定推力;η為千斤頂?shù)墓β氏禂?shù).采用320 t頂鎬，N2=3 913.554/(320 ×0.7)≈18 臺

確定采用320 t頂鎬18臺，備用4臺，共計(jì)22臺.

22臺頂鎬提供的最大頂力：320×22×0.7=4 928 t.

頂鎬布置箱橋后端按一層布置.為保證頂點(diǎn)位置不被頂壞，在箱橋后端兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)加設(shè)δ=10～15 mm鋼板，鋼板按箱橋底板立面在5 m范圍滿鋪.

頂鎬必須行程一致，保持同一種頂力，頂鎬及施頂方向必須與橋軸線一致布置，為使頂鎬作用力均勻傳至后背，在后背和頂鎬、箱尾與頂鐵之間各設(shè)分配梁.

頂進(jìn)橋涵的主體結(jié)構(gòu)前段應(yīng)設(shè)鋼刃角，安設(shè)刃角的邊墻端線與水平線的夾角應(yīng)視土質(zhì)而定，刃角挑出部分按施工荷載設(shè)計(jì).

2.3 鋼軌樁后背設(shè)計(jì)

鋼軌樁后背設(shè)計(jì)時(shí)，考慮黏聚力，采用將黏性土的黏聚力影響換算成土的內(nèi)磨擦角的方法計(jì)算土壓力，即綜合內(nèi)摩擦角法.后背為粉質(zhì)黏土，內(nèi)摩擦角ψ=30°，黏聚力C=35 kPa，土容重γ=19 kN/m3，

如圖4 所示，樁長H=7.1 m，h'=2.1 m，h=5 m

圖4 后背計(jì)算簡圖Fig.4 Back Calculation Sketch

2.3.1 樁后土破裂角

2.3.2 y 值的計(jì)算

設(shè)基坑底面以下同一深度h0內(nèi)主動土壓強(qiáng)度為σa，被動土壓強(qiáng)度為σp，基坑底面樁后產(chǎn)生主動土壓力的土層深度為y，則有：

可得 y=σh/γ(λp－λa)=0.25 m.

2.3.3 所有外力對樁頂A點(diǎn)的力矩

2.3.4 附加深度x值的計(jì)算

設(shè)x為在深度y下所需的附加深度，則：

解得 x=0.88 m

故鋼軌樁需打入基坑底面以下總深度為：

現(xiàn)采用 h'=2.1 m，則 x=h'－y=1.85 m.

2.3.5 拉力T的計(jì)算

設(shè)鋼軌樁頂拉桿拉力為T

T為負(fù)值，即拉桿頂端A點(diǎn)沒有承受拉力，故可不設(shè)拉桿.

2.3.6 鋼軌樁穩(wěn)定檢算

傾倒力矩為樁后主動土壓力對A點(diǎn)的力矩總和∑MA，抵抗傾倒力矩后基坑底面以下樁前被動土壓力P3對A點(diǎn)力矩∑M3.

圖5 鋼軌樁計(jì)算簡圖Fig.5 Rail pile calculation sketch

穩(wěn)定系數(shù) K= ∑M3/∑MA=5.0 ＞1.3，滿足要求.

2.3.7 鋼軌樁截面計(jì)算

控制鋼軌樁截面的最大彎矩是開頂后樁后背動土壓力所產(chǎn)生的彎矩，作用于分配梁底處，見圖5，鋼軌樁后背立面見圖6.

后背梁下深長度 L=0.8 m，h"=2.1 －0.8=1.3 m，

對1—1截面彎矩M1－1=Eq·eq=491 kN·m，則每米后背需要截面模量為

采用P50 kg鋼軌，正倒扣布置，每根鋼軌的平均截面模量為

則每米后背需要鋼軌數(shù)為

n=2336/269.2=8.68， 取12 根.

2.3.8 鋼軌樁數(shù)量

每米后背提供最大頂力EP=γ/2·H2·λp=2 195 kN.

本橋最大頂力為4 928 t，需后背寬度：B=4 928/2195×10=22.45 m， 取23 m.

圖6 鋼軌樁后背立面Fig.6 Back facade of the rail pile

3 施工要點(diǎn)

3.1 施工條件

由于本次施工的特殊性，即在不中斷既有鐵路線路正常運(yùn)營的情況下進(jìn)行箱橋的施工，根據(jù)工期要求和施工單位人員、設(shè)備情況，結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行頂推施工.

3.2 頂進(jìn)作業(yè)

頂進(jìn)法順序如下：

箱身挖土?頂進(jìn)箱身?換頂鐵?箱身再挖土?頂進(jìn)……循環(huán)往復(fù)，直至箱身就位［5］.

3.3 施工注意事項(xiàng)

(1)保障頂進(jìn)施工時(shí)行車安全和人員安全，并做好針對性防范措施［6］.

(2)做好鐵路線路封鎖及慢行措施預(yù)案，并做好應(yīng)急處理預(yù)案.

(3)施工便梁安裝架設(shè)過程中，工字鋼之間應(yīng)采用焊接或螺栓連接牢固，施工過程中應(yīng)隨時(shí)觀測水平工字鋼的下?lián)虾拖鲁燎闆r，如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象應(yīng)及時(shí)上報(bào).

(4)在箱橋鋼筋骨架過程中，主鋼筋應(yīng)定位準(zhǔn)確，如有主筋與其它鋼筋位置相沖突時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整構(gòu)造鋼筋位置.

(5)在混凝土澆筑過程中，必須采取有效措施，保證結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確，混凝土振搗密實(shí)，澆筑完畢后應(yīng)合理養(yǎng)護(hù)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié)論

隨著高速公路的建設(shè)里程不斷增加，高速公路與其他道路、鐵路的交叉越來越多，除了采用傳統(tǒng)的上跨方案外，高速公路越來越多地采用了頂進(jìn)方案，但對于上覆填土低的頂進(jìn)箱涵是一個(gè)難點(diǎn).筆者針對上覆填土較低的情況，結(jié)合洛三高速公路改擴(kuò)建工程澠池－陳村箱型立交橋，系統(tǒng)地介紹了下穿既有鐵路大跨度架空頂進(jìn)箱涵的設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)，為同類工程提供了理論基礎(chǔ)和工程實(shí)例，為解決上覆填土低的大跨度頂推箱涵提供了重要的技術(shù)支撐.

［1］楊燕.廈門雙涵路下穿鐵路頂進(jìn)框架橋的施工技術(shù)［J］.工程建設(shè)與檔案，2005，19(6)：458 －461.

［2］洪達(dá)飛.鐵路既有線箱涵頂進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.中國科技信息，2006(6)：140 －141.

［3］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB 1002.1—2005.鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［4］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG 063—2007公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB 10203—2002.鐵路橋涵施工規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［6］顧安邦，孫國柱.公路橋涵設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：人民交通出版社，1994.