復雜條件下架空法修建鐵路立交橋的方案設計與應用

■覃海源 ■中鐵二十五局集團第六工程有限公司，廣西 柳州 530000

1 工程概況及施工條件

柳州鷓鴣江鐵路立交橋為2－8.0m分離式框架橋，其里程為LD1K0+331.6，下穿青鷓聯(lián)絡線、柳鋼專用線兩條鐵路，為改造鷓鴣江平交道口設置?？鐝綖?8+8)m，孔內凈高為6m，設機動車道及非機動車道?？蚣軜蜓鼐€路方向總寬約27.48m，縱長43.58m。橋上柳鋼專線、青鷓聯(lián)絡線鐵路，曲線半徑最小為400m，鋼軌類型為60kg/m鋼軌，鋼筋混凝土軌枕，普通石渣道床。

框架橋位于線路曲線地段，框架箱身軸線與聯(lián)絡線、柳鋼專線中線斜交 45°。

新建框架橋所處地段，原平交道口道路兩側居民房屋密集(最近處離引道路邊2.5m)，附近有菜市場及學校，人流交通密集?？蚣芟麓┑膬蓷l鐵路為電氣化及內燃牽引，行車密度大道口交通繁忙。施工場地上有高壓電網，高空作業(yè)很困難，下有各種管線、設備，基坑開挖前必須遷改及保護。場地狹窄施工條件復雜，整個改造施工臨近年末工期要求緊，既要保證既有鐵路的正常運營，又不能影響周邊居民生活，安全、工期等各方面壓力巨大。

限于上述復雜條件，設計采用現(xiàn)澆法施工。為保證框架現(xiàn)澆施工，經過反復研究比較，我們提出了挖孔樁便梁支撐體系，架空既有線路，騰出下部空間，進行基坑開挖、現(xiàn)澆框架施工。

2 架空方案設計

2.1 方案設計原則

現(xiàn)場施工可行、安裝拆除線路封鎖時間短、載荷時變形小安全可靠性高。由此選定在線路兩側用人工挖孔樁作支點、支點上架設鐵路便梁，形成牢固的線路支撐結構。

2.2 便梁選型和布置

(1)便梁選型:寶橋廠生產的鐵路D型便梁是一種定型設計的整體鋼梁，加固線路封鎖時間短，對線路擾動小，安全可靠性高，是支撐線路最適宜的材料。

根據(jù)框架結構及沿線路方向的縱向長度，在湘桂聯(lián)絡線及柳鋼專用線兩側，距線路中線2.35m距離，各施工1.5*1.8m方形挖孔樁4根，組成D16m+D24m+D16m三孔便梁跨度，架空線路56m，兩個框架同時施工。

(2)布置方式:布置方式要復核曲線半徑(R≥400m)、鋼軌類型、曲線超高(≤100mm)、兩線間距(≥便梁寬度)、建筑限界(滿足鐵路建限－1規(guī)定)等計算出的結果。

該工程青鷓聯(lián)絡線曲線半徑R=450m，鋼軌類型為60kg/m鋼軌，曲線超高為80mm。柳鋼專用線曲線半徑R=400m，鋼軌類型為60kg/m鋼軌，曲線超高為40mm兩線間距9.5m，大于便梁寬度。為此，D24型便梁布置采用R≥400丁式，D16型便梁布置采用R≥400A式，具體結構尺寸見下表及示意圖1。

便梁定位線至便梁類型便梁布置形 式 縱梁位置軌底至梁 底梁頂至軌 面 縱梁中線距H(mm)h(mm)b(mm)c(mm)D24型 R≥400丁式 最低位 825 299 2230 2230 D16型 R≥400A式 高 位 449 299 2230 2170

圖1

便梁安裝后，線路要點封鎖，開始掏空線路石渣，最后使線路荷載完全落在便梁上，便可以放坡開挖框架基礎。限于便梁跨度，在施工①框架時，孔樁支點要落在框架內，處理辦法是在底板和頂板預留天窗孔(1.5×1.8m)，待框架施工完成強度達到設計強度后，通過支點轉換，拆除孔樁支點，用鋼筋混凝土將天窗孔封閉。最后將石渣回填到框架頂板與線路之間搗固密實，將線路上部荷載轉至框架，即可分步拆除便梁，恢復原線路速度。具體見下平面布置圖、立面圖(圖2)。

圖2 平面布置圖、立面圖

2.3 結構檢算

(1)便梁強度及剛度檢算。D16和D24便梁是寶橋廠按鐵道部鋼橋規(guī)范、鐵路標準荷載即“中－活載”設計生產的，縱梁材料均為16Mnq鋼，容許應力為240MPa，設計撓跨比為1/800，D16跨中豎向位移為20mm，D24跨中豎向位移為30mm。實際應用中與設計荷載一致，且為臨時結構，限速45km/h，在《鐵路工務安全規(guī)則》中規(guī)定，縱梁撓跨比不超過1/400，D16跨中豎向位移容許值為40mm，D24跨中豎向位移為60mm。使用條件和豎向位移容許值均優(yōu)于設計條件，不需再檢算，強度及剛度滿足要求。

(2)孔樁支點承載力檢算(以跨度最大L=24m檢算)。支撐樁位于D型施工便梁的縱梁下方，承受D型便梁及以上結構所傳受的力?？缍萀=24m;樁為C30砼材料，其特性查《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010－2002得，fc=15N/mm2。慣性矩 Ix=πD4/64=3.14×1.54/64=0.248m4;彈性模量E=3×1010Pa。

①荷載計算

a.列車豎向活載。列車豎向靜活載按中—活載計算，換算成均布荷載，按《鐵路橋涵設計規(guī)范》TB 10002.1－2005 查表L=24m時，q活=123.7KN/m。

列車豎向活載=列車豎向靜活載*(1+μ)(1+μ)－動力系數(shù)=123.7×24×［1+28/(40+24)］=4267.65KN

b.離心力。因本框架位于線路的曲線地段，離心力按《鐵路橋涵設計規(guī)范》TB10002.1－2005中的公式計算為:

F－離心力KN;υ－行車速度KM/h，這里取45KM/h;f－豎向活載折減系數(shù)，這里υ≤120KM/h，取值為1;q－換算均布荷載KN/m，每線。

c.橋上制動力或牽引力。《鐵路橋涵設計規(guī)范》TB 10002.1－2005中規(guī)定:制動力或牽引力按列車豎向靜活載的10%計算。但當與離心力或列車豎向動力作用同時計算時，制動力或牽引力應按列車豎向靜活載的7%計算，即:

制動力(或牽引力)=123.7×24×7%=207.816KN

d.風荷載

式中:F風－孔樁所受風力KN;W－風荷載強度Pa;

K1－風載體型系數(shù)，取0.8;K2－風壓高度變化系數(shù)，取值為1;

K3－地形、地理條件系數(shù)，取0.85;W0－基本風壓值Pa，柳州取400Pa;A－受風面積m2。

e.恒載

D24型便梁自重:P=48903.5×9.8=479.25KN

既有線鋼軌自重:P=60×24×9.8×2=28.2KN

軌枕自重:P=251×36×9.8=88.55KN

P恒=479.25+18.82+88.55=596KN

支座反力RA=RB=(列車豎向活載+恒載)/2=(4267.65+596)/2=2431.825KN

②受力檢算:受力簡圖如右圖所示

其檢算過程如下:

a.強度驗算:

樁頂壓應力σ為:

σ=P/A=2431.825/(1.8*1.5)×103=0.9×106Pa＜15×106Pa強度符合要求。

b.穩(wěn)定性驗算:

用歐拉公式計算臨界力Pcr:

計算臨界應力σcr:

Kw安全系數(shù)取10，即10倍安全系數(shù)

樁頂壓應力σ=0.9×106Pa＜σcr/10=4.72×106Pa遠小于臨界應力，穩(wěn)定性符合要求。

c.地基容許承載力驗算:

根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》TB10002.5－2005中的柱樁軸向受壓的容許承載力公式計算:支承于巖層上與嵌入巖層內的樁容許承載力為:

承載力符合要求

d.水平荷載產生的彎矩驗算:

錨固深度h錨，根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》TB10002.5－2005中6.2.3條要求，樁下端錨固在巖石內時，可假定彎矩由錨固側壁巖石承受，錨固需要深度可不考慮水平剪力影響，并按以下公式近似計算:

彎矩對鋼筋砼樁身作用的檢算:

參照《結構設計原理》人民交通出版社(第二版)中截面受彎構件進行檢算:砼設計強度fc=15N/mm2，ft=1.5N/mm2，鋼筋設計強度

最小配筋率計算:

ρmin=45(ft/fy)=45(1.5/310)=0.217，書中規(guī)定且不應小于0.2，故取 ρmin=0.22%

砼保護層計算:

C=a－0.5d=120－0.5×25=107.5mm，大于鋼筋公稱直徑d=25mm。鋼筋間凈距Sn=140mm，符合Sn≥30mm及d=25mm的要求。

實際配筋率ρ

ρ=As/A=18163.3/(1.8*1.5)=0.67% ＞ρmin=0.22%。實際配筋率大于最小配筋率要求，符合要求。

受壓區(qū)高度χ

χ=fyAs/(fcd)=310×18163.3/(15×1500)=250.25mm＜ξbh0=0.56×1500=840mm不會發(fā)生超筋梁情況。

抗彎承載力Mμ

經復核該孔樁截面可以承受水平荷載所產生的彎矩作用。

3 過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析

為檢驗便梁的撓度和線路的變形情況，確保行車安全，線路架空后，我們對孔樁支點、便梁跨中、線路軌距、水平、軌向、高低、超高及軌溫等進行了監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控結果維護保養(yǎng)線路，主要數(shù)據(jù)如下:(1)孔樁支點沉降:2～4.5mm之間，說明基礎沉降穩(wěn)定、支撐牢固;(2)D16跨中豎向撓度:19～24.5mm之間，小于1/400跨度=40mm，滿足剛度要求;(3)D24跨中豎向撓度:27～34.5mm之間，小于1/400跨度 =60mm，滿足剛度要求;(4)線路左右高差:2～3.5mm之間，滿足正常行車要求。監(jiān)控數(shù)據(jù)說明，便梁架空體系支撐牢固、變形滿足45km/h行車要求。

架空后的線路圖

4 若干關鍵問題的處理

4.1 預留天窗及工況分析

最初的方案是不考慮預留天窗，計劃是施工完①#框架，將便梁拆除移至②孔位置，再施工②框架，這樣做工期長、線路封鎖時間長，尤其是春運前線路不能恢復速度對運輸限制太大。經各種比較后，最終的方案還是采用三跨結構，兩個框架同時施工。由于地形、便梁跨度限制，框架施工過程中，孔樁支點要落在①#框架范圍內，底板、頂板要預留“天窗”讓支柱穿過托住便梁，“天窗”大小為2.2m*1.9m、孔內設置鋼筋留茬，為下小上大，二級臺階，利于后續(xù)天窗封閉。

預留“天窗”對框架頂板受力的影響:預留“天窗”時，頂板尚在腳手架上沒有受力，框架完成孔樁支點拆除前，用鋼柱支撐“天窗”四周使之不受力，“天窗”封閉達到強度后才拆除鋼柱，“天窗”面積占頂板面積很小，封閉時鋼筋又做特別加強，對框架頂板受力影響不大。

4.2 支點轉換

框架現(xiàn)澆完成達到設計強度后，在底板上用頂鐵在孔樁支柱旁臨時支撐頂板，在框架頂板與便梁的縱梁間穿入兩組工字鋼，用油頂將縱梁頂起，拆除挖孔樁頂?shù)膲|板，油頂落下后，就將受力轉到工字鋼，工字鋼將力傳至框架頂板，頂板通過頂鐵柱將力傳至底板，孔樁不受力，就可拆除了。

4.3 沉降縫的設置

為將“天窗”放在一個比較合適的位置，不影響原受力狀況，將原設計沉降縫節(jié)段由原(13+15.5+15)m調整為(18+25.5)m。

4.4 便梁的橫向穩(wěn)定

由于便梁位于線路曲線上，完全架空后車輛通過時，因離心力的作用，會引起線路及車輛的橫向擺動，超過時會影響行車的安全。為此我們在垂直線路的兩側設置了約束裝置，限制便梁的橫向擺動。

5 方案實施效果及體會

(1)方案確定后，經報請設計、監(jiān)理、建設指揮部審核批準后進行實施。施工工程和步驟如下:①支撐孔樁施工(開挖、護壁、扎鋼筋、澆筑砼);②開挖D便梁縱梁槽;③調整既有軌道砼軌枕間距，符合安裝橫梁要求，穿橫梁;④支撐孔樁頂部支座安裝并固定，封鎖線路吊裝縱梁，安在支座上;⑤縱橫梁連接;⑥軌道調平、固定;⑦D便梁安裝完成，安設防墜板，安全網;⑧列車慢行通行檢驗;⑨線路日常檢查保養(yǎng)。

(2)實施效果及體會。工程于2014年7月20開工，10月21日開始加固線路，2015年1月15日兩個框架現(xiàn)澆完成，2月1日便梁拆除完畢提前7天恢復線路，沒有發(fā)生任何安全和質量事故，也沒有發(fā)生影響周圍居民生活的事件，得到當?shù)卣块T、建設指揮部、設備單位、監(jiān)理單位、公司的一致認可和贊揚。

為推廣經驗，公司組織全公司項目部在現(xiàn)場召開了D型便梁加固線路標準工藝展示會，得到好評。

建設指揮部對我部主體的提前完成高度評價，于2月7日頒發(fā)嘉獎令，給予全線通報表揚和獎勵。效益上由于方案的優(yōu)化、工期的縮短節(jié)約成本近300萬，在南寧局和柳州地方市場樹立了良好形象，現(xiàn)有兩個地方下穿鐵路立交橋項目找我們洽談當中，安全和效益取得較好效果。

通過該項目施工，我們認識到在某些復雜條件下，對跨度較大的鐵路下穿框架橋，使用便梁架空線路現(xiàn)澆施工，適應性強安全可靠性高，有其獨特的優(yōu)勢，值得我們進行認真總結研究。

［1］結構設計原理.人民交通出版社(第二版).

［2］鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范 TB 10002.5－2005.鐵道出版社.

［3］鐵路橋涵設計規(guī)范 TB 10002.1－2005.鐵道出版社.

［4］混凝土結構設計規(guī)范 GB50010－2002.中國建筑工業(yè)出版社.