淺析下穿鐵路橋涵的設(shè)計(jì)施工方案

陳正馳

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

淺析下穿鐵路橋涵的設(shè)計(jì)施工方案

陳正馳

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要隨著我國(guó)鐵路網(wǎng)的逐步形成，出現(xiàn)了很多下穿鐵路橋涵工程，由于鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾院吞厥庑?，這些結(jié)點(diǎn)往往是卡控項(xiàng)目實(shí)施的重難點(diǎn)工程。文中根據(jù)一般的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合以往項(xiàng)目中的一些實(shí)際情況，歸納總結(jié)了下穿鐵路橋涵工程幾種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)施工方案的主要特點(diǎn)及適用范圍，通過(guò)對(duì)比分析，在線路條件允許的情況下，建議優(yōu)先采用D型便梁加固線路頂進(jìn)施工方案。

關(guān)鍵詞鐵路橋涵明挖轉(zhuǎn)線線路加固頂進(jìn)管幕工法CRD工法盾構(gòu)法

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的工程項(xiàng)目不可避免地會(huì)與既有鐵路發(fā)生交叉關(guān)系，為確保鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，且又不致影響在建工程的正常施工，就出現(xiàn)了各式各樣下穿鐵路的橋涵結(jié)構(gòu)，下面就常用的幾種設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行簡(jiǎn)要的對(duì)比分析。

1設(shè)計(jì)施工方案

1.1　明挖轉(zhuǎn)線施工

當(dāng)既有鐵路可以做臨時(shí)便線時(shí)，可以采用明挖轉(zhuǎn)線施工，即首先將既有鐵路進(jìn)行臨時(shí)改線，原位明挖施工下穿橋涵結(jié)構(gòu)，施工完成后恢復(fù)既有鐵路正常運(yùn)營(yíng)。本方案的缺點(diǎn)是影響范圍大，工程造價(jià)高，施工周期也很長(zhǎng)。

1.2　頂進(jìn)施工

本方案為目前最常見(jiàn)的施工方案，在頂進(jìn)橋涵作業(yè)中，最重要也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是既有線的軌道加固。其作用就是控制列車(chē)荷載作用下軌道的變形，減少對(duì)路基的動(dòng)載作用。確定軌道加固的形式應(yīng)視鐵路線路的狀況、既有線的運(yùn)輸能力、頂進(jìn)橋涵處地質(zhì)、地下水情況及結(jié)構(gòu)的尺寸、刃腳構(gòu)造、覆土厚度、施工季節(jié)等情況綜合考慮。目前頂進(jìn)橋涵施工軌道加固常用的方法有4種，即扣軌加縱橫梁加固方案、D型便梁和工便梁縱橫抬梁及軍用梁加固方案。

1.2.1扣軌與縱橫梁組合加固

(1) 單一的扣軌加固方法。當(dāng)頂進(jìn)橋涵涵箱身孔徑小于3 m，處于直線地段，運(yùn)輸不甚繁忙，路基土質(zhì)較好，且涵頂有較厚密實(shí)的覆土，刃腳安裝良好，可采用單一的扣軌加固方法進(jìn)行線路加固。

(2) 吊軌橫梁或吊軌縱橫梁加固方法。當(dāng)頂進(jìn)橋涵箱身孔徑較大，箱頂無(wú)覆蓋土，線路加固可采用扣軌橫梁或扣軌縱橫梁加固方法，施工順序依此次為：鋪設(shè)扣軌→鋪設(shè)橫梁→鋪設(shè)縱梁。

1.2.2D型便梁加固

D型便梁為單線半穿式鋼梁，縱梁箱形，橫梁兼作軌枕，適用于曲線半徑≥400 m的線路。D型便梁可以架空加固線路，一次開(kāi)挖完土方，在不中斷行車(chē)的條件下進(jìn)行各種下穿橋涵施工，而且拼裝簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便，但是D型便梁也有其使用的局限性。表現(xiàn)為：①D型便梁只有4種規(guī)格即D12，D16，D20和D24，對(duì)于需要頂進(jìn)大孔徑的框構(gòu)就無(wú)法采用；②由于D型便梁高度較高，如果橋涵頂至軌底間距離較小時(shí)，則不能采用；③對(duì)鐵路線間距有最小要求；④單片梁重心較高、底面較窄，在移動(dòng)中很容易拆翻、傾覆。

采用便梁加固線路施工，設(shè)計(jì)限速可達(dá)60 km/h，工藝簡(jiǎn)單，可使用于各種地質(zhì)情況，應(yīng)用地勢(shì)條件不受限制，能夠確保既有線在頂進(jìn)立交橋施工中的行車(chē)安全，箱涵主體的質(zhì)量容易控制，同時(shí)解決了超高型箱涵頂進(jìn)時(shí)的線路加固問(wèn)題，D型便梁最大的缺點(diǎn)是縱梁不能連接，D型便梁最大跨徑24 m，架空跨度超過(guò)24 m不能采用D型便梁。

1.2.3工便梁縱橫抬梁加固

工便梁為分節(jié)式縱梁，利用簡(jiǎn)支鋼結(jié)構(gòu)原理，把工字鋼作為單孔便梁聯(lián)接起來(lái)。便梁可由多個(gè)支點(diǎn)支撐，其接頭聯(lián)接板采用等強(qiáng)度聯(lián)結(jié)，由上下2組夾板和1組腹板組成，單片便梁最小長(zhǎng)度為12 m。但由于工便梁剛度較D型便梁弱，因此在施工時(shí)往往采用工便梁加橫抬梁組合的加固形式。施工順序依次為：支墩施工→便梁安裝→鋼軌安裝→橫抬梁安裝→線路控制。

工便梁縱橫抬梁施工工序較為繁瑣，聯(lián)結(jié)構(gòu)件較多，安全性較D型便梁有明顯劣勢(shì)；一般線路在線間距滿足D型便梁架設(shè)要求時(shí)，優(yōu)先采用D型便梁加固方案。

1.2.4“六四式”軍用梁加固

當(dāng)框架較大且與鐵路線斜交角度較小時(shí)，D型便梁跨度不滿足要求時(shí)，可以“六四式”軍用梁作縱梁，610工字鋼為橫梁加固，兩側(cè)采用D16型便梁架孔。但“六四式”軍用梁目前普及率較低，要根據(jù)施工單位架空設(shè)備而定制，工程造價(jià)較高。

1.3　明挖現(xiàn)澆施工

首先對(duì)鐵路進(jìn)行架空，加固方案同1.2。待線路加固完成后，再進(jìn)行線下作業(yè)，挖除線路路基填土，保證框架現(xiàn)澆作業(yè)空間。當(dāng)鉆(挖)孔灌注樁基礎(chǔ)侵占框架現(xiàn)澆作業(yè)空間時(shí)，先不破壞線路加固所需的鉆(挖)孔灌注樁基礎(chǔ)，在鉆(挖)孔灌注樁基礎(chǔ)處預(yù)留空洞，現(xiàn)澆框架。明挖現(xiàn)澆施工最大的缺點(diǎn)是施工周期很長(zhǎng)，對(duì)線路影響大。

1.4　管幕工法

管幕工法是非開(kāi)挖工藝的一種，作為利用小口徑頂管機(jī)建造大斷面地下空間的施工技術(shù)，國(guó)外已有20年的發(fā)展歷程，在國(guó)外應(yīng)用于穿越道路、鐵路、結(jié)構(gòu)物、機(jī)場(chǎng)等下方之開(kāi)挖工程，都取得了不錯(cuò)的效果，積累了一定的施工經(jīng)驗(yàn)[1]。該工法適用于回填土、砂土、粘土、巖層等多種地層。

由于管幕鋼管鎖口注漿片町能有效防止?jié)B漏水，各單管間依靠鎖口在鋼管側(cè)面相接形成管排，并在鎖口空隙注入止水劑以達(dá)到止水要求，管排頂進(jìn)完成后，形成管幕。然后對(duì)管幕內(nèi)土體進(jìn)行加固處理，隨后在內(nèi)部邊開(kāi)挖邊支撐，直至管幕段開(kāi)挖貫通，再澆筑結(jié)構(gòu)體。本工法最大的優(yōu)點(diǎn)是：不需要支護(hù)樁和止水帷幕；不抽取地下水(井點(diǎn)降水)，故地面沉降較小，不影響管幕上構(gòu)筑物，不對(duì)建筑物產(chǎn)生不良影響，故無(wú)需加固地基和樁基。但施工工法較為復(fù)雜，精度要求較高，目前國(guó)內(nèi)施工技術(shù)很難達(dá)到要求，成功案例也較少，且埋入的鋼管不能回收，成本較高且工程投資大、工期長(zhǎng)。

1.5　CRD工法

CRD工法即中隔墻的分步開(kāi)挖法，是隸屬于淺埋暗挖法的一種工法。其基本原理是依據(jù)新奧法的基本原理，在施工中采用多種輔助施工措施加固圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，隧道開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)、封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系，有效地抑制圍巖過(guò)大變形的一種綜合配套施工技術(shù)[2]。

CRD法是以新奧法的基本原理為指導(dǎo)，采用監(jiān)控量測(cè)信息來(lái)反饋設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的新理念，并采用先柔后剛復(fù)合式襯砌新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，初期支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)上部荷載。在采用該法施工時(shí)，同時(shí)采用多種輔助工法進(jìn)行超前支護(hù)，來(lái)改善和加固圍巖，調(diào)動(dòng)部分圍巖的自承能力；及時(shí)支護(hù)、封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系；在施工過(guò)程中應(yīng)用監(jiān)控量測(cè)等手段，及時(shí)反饋信息，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不塌方、少沉降、安全生產(chǎn)與施工。

淺埋暗挖法施工順序：超前支護(hù)→中洞、側(cè)洞3洞室臺(tái)階法施工→中柱墻、外側(cè)墻及相應(yīng)頂、底板結(jié)構(gòu)同時(shí)施工→中部臺(tái)階法施工→換撐→底板、頂板結(jié)構(gòu)施工。

1.6　盾構(gòu)法

本方法一般用于高路堤頂進(jìn)施工，采用橋式盾構(gòu)法頂進(jìn)時(shí)，由于路基土體在頂進(jìn)過(guò)程中不被破壞，可不進(jìn)行便梁架空，只需進(jìn)行扣軌防止線路橫移，減少了便梁架空和土方回填的工作量，頂進(jìn)時(shí)依靠盾構(gòu)主體受力帶土頂進(jìn)，對(duì)線路、行車(chē)的影響較小，提高了施工的安全性。盾構(gòu)由鋼柱、鋼梁、盾殼、子盾構(gòu)、液壓推進(jìn)系統(tǒng)、輔助機(jī)構(gòu)6大部分組成。

盾構(gòu)主體裝配在框架橋前端，作為帶土頂進(jìn)時(shí)掘進(jìn)面與路基的施工支護(hù)，同時(shí)也擔(dān)負(fù)頂推導(dǎo)向作用。盾構(gòu)的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)箱涵高度及路基土質(zhì)以確保盾構(gòu)內(nèi)的土方能對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行3向支撐為準(zhǔn)，寬度、高度與箱涵相同或略大于箱涵，以保證箱涵能通過(guò)盾構(gòu)施工產(chǎn)生的開(kāi)挖面。盾構(gòu)母體中的子盾構(gòu)箱為盾構(gòu)內(nèi)部唯一的活動(dòng)部件，伸出后用于支撐開(kāi)挖范圍頂部的路基土方及擔(dān)負(fù)減阻板的牽引，其運(yùn)行由液壓系統(tǒng)控制，單臺(tái)組錯(cuò)開(kāi)推進(jìn)，使掘進(jìn)面小斷面化，減少對(duì)土體的擾動(dòng)。

2經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

各施工方案比較見(jiàn)表1。

表1　各施工方案比較表

由表1可見(jiàn)，頂進(jìn)施工方案的適用性是最為廣泛的，成功案例也較多，因此下穿鐵路工程應(yīng)優(yōu)先考慮此方案， 在曲線半徑及線間距滿足要求的情況下優(yōu)先選擇D型便梁加固。但其也有局限性，畢竟頂進(jìn)施工對(duì)既有鐵路存在一定干擾，施工時(shí)一般需要限速，對(duì)于線路標(biāo)準(zhǔn)較高或不適合限速的路段可選擇盾構(gòu)法施工。

3工程案例

某市政道路工程下穿既有鐵路貨場(chǎng)，總共35股道，其中外側(cè)2股道為鐵路正線，其余股道為貨物線，線間距4.9～9.5 m，貨場(chǎng)路基面寬226.9 m，路基填高7～8 m，地質(zhì)條件較好，線路兩側(cè)主要為居民區(qū)。

本工程的特點(diǎn)為股道眾多，下穿鐵路范圍很長(zhǎng)，故上述管幕工法、CRD工法和盾構(gòu)法在工程造價(jià)上劣勢(shì)明顯，且工期無(wú)法滿足項(xiàng)目要求；另受兩側(cè)地形和構(gòu)造物限制，也不具備轉(zhuǎn)線施工的條件。

下穿既有鐵路正線范圍，因無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間限速行車(chē)，必須采用頂進(jìn)施工方案，但若所有股道均采用頂進(jìn)施工方案，兩側(cè)工作坑各需預(yù)制115 m框架，頂程長(zhǎng)達(dá)130 m，施工周期及精度無(wú)法控制，方案也不可行。考慮到貨運(yùn)線車(chē)速要求較低，甚至部分股道可臨時(shí)中斷行車(chē)，具備明挖現(xiàn)澆施工的條件。本工程最終采用D型便梁加固頂進(jìn)施工結(jié)合明挖現(xiàn)澆施工的設(shè)計(jì)方案，工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性較為合理，施工工期也能滿足建設(shè)需求。

4結(jié)語(yǔ)

鐵路為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的命脈，其重要性可見(jiàn)一斑。因此，對(duì)施工工法的選擇要點(diǎn)之先后順序應(yīng)依次為：鐵路安全、施工周期、工程造價(jià)和施工難度等。如前所述，以上各種施工方案特點(diǎn)鮮明，各有所長(zhǎng)，不同的項(xiàng)目應(yīng)結(jié)合自身特點(diǎn)選擇最合適的施工方案，在保證鐵路安全的情況下推進(jìn)項(xiàng)目的順利實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

[1]袁金榮,陳鴻.利用小口徑頂管機(jī)建造大斷面地下空間的一種新手段：管幕工法[J].地下工程與隧道,2004(1):23-28.

[2]張淵,魏放,田新明.淺埋暗挖法施工工藝在鐵路隧道穿越高速公路中的應(yīng)用[J].鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(2)：87-91.

[3]馬雷.盾構(gòu)法頂涵施工工藝研究[J].城市住宅,2008(2):112-115.

收稿日期：2015-04-30

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.043