增建二線鐵路橋涵設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

左家強

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

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增建二線鐵路橋涵設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

左家強

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

對邯長、邯濟鐵路擴能改造項目的橋涵設(shè)計進行簡要概述，主要介紹增建二線鐵路的橋涵設(shè)計難點。針對性地提出設(shè)計施工過程中的橋涵關(guān)鍵技術(shù)并進行研究，確保增建二線鐵路橋涵的施工安全，并在保障既有鐵路運營安全的前提下使設(shè)計施工方案經(jīng)濟合理。通過對關(guān)鍵技術(shù)的研究，以期對增建二線鐵路橋涵的工程建設(shè)提供指導性建議，同時豐富橋涵設(shè)計經(jīng)驗。

既有鐵路；增建二線鐵路；橋涵；設(shè)計

1 概述

邯長、邯濟鐵路為既有線擴能項目，增建二線的同時進行電氣化改造。正線長度455 km，共有大、中橋107座33 km，框構(gòu)56座，渡槽9座，涵洞及旅客地道1402座，柔性墩橋改造23座。增建第二線鐵路工程必須將保證鐵路行車安全放在首位[1]，本線橋涵即以此作為重點開展設(shè)計研究。

2 既有線增建二線橋涵設(shè)計難點分析

(1)臨近既有線基坑防護方案

既有鐵路增建二線，在線間距小的地段新建及接長橋涵對既有線的運營安全均有較大威脅。如何采取必要、安全的防護措施，成為設(shè)計單位必須考慮的問題。新建橋涵基坑與既有線之間的距離、基坑的深度各不相同，可采取的防護方案也有多種，但各式各樣的防護方案既增加了設(shè)計難度也會給施工造成一定困難。在保障安全的前提下，設(shè)計中應(yīng)盡量選擇常用的、施工難度小的防護方案。

(2)小半徑曲線地段簡支梁的適用性

邯長邯濟鐵路始建于20世紀70、90年代。受當時經(jīng)濟社會發(fā)展水平、鐵路設(shè)計理念限制，致使選擇的技術(shù)標準偏低[2]，邯長鐵路最小曲線半徑只有300 m[3]。在增二線橋涵設(shè)計中，最小曲線半徑500 m，簡支梁已超出鐵道部通用圖的曲線半徑適用范圍，且簡支梁偏距較大，也無法滿足擋砟墻內(nèi)側(cè)至線路中心不小于220 cm的大機養(yǎng)護要求。設(shè)計中通過加大梁肋中心距來滿足大機養(yǎng)護要求，并針對小半徑曲線、梁肋加大間距等進行了檢算。主梁在計算荷載作用下縱向受力可以滿足規(guī)范要求[4]；橫向受力不滿足要求，采用加強橋面板鋼筋的方法進行處理，解決了小半徑曲線簡支梁的適用問題。

(3)新舊橋臺錯臺布置

受斜交道路、河流等因素影響，增建二線橋梁需和既有橋梁斜對孔設(shè)置，造成新建橋臺與既有線橋臺錯臺布置。當線間距較小時，新建橋臺臺尾位于既有橋臺臺尾之后，會產(chǎn)生既有路基和錐體對新線橋梁的偏壓、侵入頂帽等問題，這種情況在新線設(shè)計中可以進行處理；新建橋臺臺尾位于既有橋臺臺尾之前，會產(chǎn)生新線路基邊坡及橋臺錐體對既有橋臺身和基礎(chǔ)產(chǎn)生的偏壓問題，而這種荷載工況在既有線設(shè)計時是未予以考慮的。

(4)小線間距增建二線橋梁

部分增建二線段落，受客觀條件限制，新舊橋梁之間的線間距只有5～5.3 m，因河流斜交，橋梁還需要錯線布置。為降低施工難度，既有線采用如此小的線間距增建復線橋梁的情況不多，尤其是斜交橋更是少見，給橋梁設(shè)計及既有線防護都帶來了較大困難。

(5)增二線橋墩位于既有線路基邊坡

既有橋臺填土較高且線間距較小時，新線橋墩位于既有線路基邊坡上的情況無法避免。此時增二線橋墩基礎(chǔ)的設(shè)計與新建橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計有所不同，它的控制因素較多[5]。首先是基礎(chǔ)形式的選擇，再者是基礎(chǔ)埋置深度的確定，都要遵守基礎(chǔ)施工時減少或避免對既有路基邊坡進行開挖的原則。設(shè)計中優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)同時盡量上抬承臺，上抬后承臺底高于原地面時，計算中應(yīng)分別考慮負摩阻、自由樁長等對樁基長度、配筋的影響。出露的承臺通過砌筑平臺進行覆蓋，平臺頂面及邊坡采用漿砌片石防護。承臺上抬后對既有路基的施工影響減低，充分保障了運營安全。

(6)框構(gòu)設(shè)計方案

原位現(xiàn)澆框構(gòu)，無論新建還是接長，框構(gòu)施工時牽涉鐵路、公路眾多設(shè)備和單位[6]。設(shè)計方案應(yīng)充分考慮施工對既有公路交通的影響，盡量避免斷道施工。頂進框構(gòu)，在外部條件許可的條件下，多孔時盡量采用聯(lián)體框構(gòu)，一次整體頂進，縮短頂進施工工期。當頂進時既有線對應(yīng)的是橋涵結(jié)構(gòu)物時，結(jié)合既有結(jié)構(gòu)規(guī)模和框構(gòu)孔徑，可采用邊頂進邊拆除或先拆除再回填再頂進等方案。

(7)結(jié)構(gòu)頂進施工的線路加固

既有線施工中，頂進橋涵的施工質(zhì)量與進度直接影響到既有線行車安全及施工工期，而既有鐵路線路加固，尤其是運營單位關(guān)注的重點。邯長、邯濟鐵路頂進橋涵工點多，安全風險大，設(shè)計中應(yīng)結(jié)合工點的地質(zhì)、地形、鐵路運營條件等具體情況，因地制宜，選擇適合工程的線路加固方案[7]。

(8)框構(gòu)接橋

當增建二線為降低建筑高度，對應(yīng)既有簡支梁橋設(shè)置框構(gòu)時，框構(gòu)邊墻內(nèi)側(cè)一般與橋臺前墻對應(yīng)。與既有線相鄰一側(cè)存在如下問題：增建二線的路基土可能會壓到既有橋臺頂帽上；受既有線橋臺頂帽和臺身影響，該側(cè)的框構(gòu)出入口擋墻形狀復雜，設(shè)計施工困難。

(9)接長涵洞類型選擇

對于正交涵洞，接長采用框涵或板涵均可，主要視既有涵洞類型、填土高度、地質(zhì)情況而定。對于斜交涵洞，則需進行分析比較。采用板涵接長，出入口采用斜蓋板，洞身采用板涵或正交框涵，此方案造價較低。但接長涵洞較短時，受既有及新建斜蓋板尺寸影響，實際采用的涵長會比計算需要的長度大，導致涵洞突出路基之外；采用斜交框架涵進行接長，可避免前述情況，但斜交角度較大時，因受力需要涵洞配筋較多，工程費用相對較高。當既有涵洞為管道保護涵，可考慮使用樁蓋板進行接長，以利用其不遷改管線、基礎(chǔ)承載力高、施工方便的優(yōu)點[8]。

(10)涵洞接長施工方案

增二線涵洞接長時，如果線間距較小，在進行路基防護的同時還需進行線路加固，而且涵洞接長施工時間較長。設(shè)計時對有條件的工點，將距既有線較近的涵節(jié)采用預(yù)制頂進施工，首先在附近將涵節(jié)預(yù)制完成，再橫向、縱向兩次空頂就位。該方案既對既有道路、渠道的正常使用影響小，又大大減少了既有線下的施工時間，有效降低了施工難度風險。進行線路加固時，盡量采用不限速的加固方式[9]。

(11)涵洞出入口斜蓋板處理

既有邯濟線采用了大量斜蓋板出入口，而其中大多數(shù)在增二線后原基本不承受活載的梯形節(jié)承受了由于增二線而引起的活載和土壓力[10]，使蓋板及基礎(chǔ)無法滿足增二線之后的受力要求，施工中需進行拆除，施工難度很大。

(12)渡槽設(shè)計

邯長線渡槽較多，增二線時，需要在原位置改建或者移位新建渡槽。設(shè)計中根據(jù)既有線與增二線之間的位置關(guān)系、路塹高度、既有渡槽的布置等情況進行孔跨布置、確定墩臺及基礎(chǔ)類型，原則是新建渡槽的墩臺盡量遠離既有線以減小施工難度，同時又要充分利用使用情況良好的既有槽身和墩臺。

(13)柔性墩加固

邯長鐵路橋墩主要為柔性橋墩[11]，既有柔性墩橋梁共23座，原設(shè)計適用于設(shè)計時速不大于120 km的鐵路，且不包括無縫線路地段[12]。既有橋墩主要為80 cm×(400～500) cm的板式墩，高度一般900～2 000 cm。每聯(lián)不設(shè)或設(shè)置一個活動支座，一聯(lián)的制動力等水平力根據(jù)剛度分配主要由剛性墩臺承擔。為滿足安裝電化立柱和無縫線路改造要求，需要進行橋墩加固及體系轉(zhuǎn)換，原先的柔性墩體系改造成簡支梁體系。

3 增二線橋涵設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

(1)基坑防護設(shè)計

首先全線橋涵基坑防護方案盡量予以統(tǒng)一，參照《鐵路大型臨時工程和過渡工程設(shè)計暫行規(guī)定》[13]中相關(guān)要求，對既有鐵路的開挖高度在6 m以內(nèi)時，采用鋼板樁或鋼軌樁進行支擋防護；開挖高度大于6 m時，采用鉆孔灌注樁進行防護。再根據(jù)防護樁邊緣距線路中心距離(考慮既有邯長鐵路高填方埋臺，本線最大距離按20 m控制)、樁頂至路肩高度、基坑深度、基坑土的容重及內(nèi)摩擦角等物理力學指標確定防護樁總長、嵌入坑底長度、鋼板樁型號、鉆孔樁直徑及配筋、布置間距等防護參數(shù)，形成通用設(shè)計成果供工點采用。

(2)錯臺處理設(shè)計

新舊橋臺交錯布置時，設(shè)計中采用在兩線之間設(shè)置兼做基坑防護樁的永久性防護樁的方案，防護范圍為既有橋臺臺尾至新線錐體坡腳處，適用于路基填土高5～11 m的地段。采用直徑1～1.25 m鉆孔樁，新建路基范圍內(nèi)采用等長樁，考慮活載作用；新建錐體范圍內(nèi)為不等長樁，不考慮活載作用，樁頂坡度與錐體順橋向坡度一致。排樁頂部設(shè)冠梁將排樁連成整體，鉆孔樁外露部分采用鐵絲網(wǎng)混凝土罩面，并留出泄水孔。該方案永臨結(jié)合，在減小基礎(chǔ)施工難度的同時對偏壓進行了妥善的處理。

(3)小線間距橋梁設(shè)計

采用多種措施解決設(shè)計施工難題，首先采用直徑80 cm小直徑鉆孔樁，盡量縮小基礎(chǔ)尺寸，減小與既有線的干擾；再設(shè)置臺后混凝土過渡段、加大前墻長度并在頂帽上臨近既有線側(cè)設(shè)置擋墻，避免相鄰路基土壓到相鄰線簡支梁及橋臺上；再對頂帽進行斜向及橫向部分切除，以避免橫向干擾、減小阻水面積；最后開挖基坑時采用既有線左右兩側(cè)均打入鋼板樁并設(shè)置對拉鋼筋的方案進行防護。平面布置見圖1。

(4)線路加固設(shè)計

框構(gòu)或涵洞頂進施工時，一般采用D梁施工便梁或縱橫抬梁進行線路加固。D梁最大跨度32 m，常用跨度16～24 m，一般適用于孔徑較小的框構(gòu)或多個單孔框構(gòu)依次頂進，可采用單孔或者多孔，其支撐可采用明挖基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、或已頂進框構(gòu)的邊墻。當框構(gòu)孔徑較大，或既有線曲線半徑較小、線間距較小、位于道岔范圍、股道較多等情況時，可采用縱橫抬梁進行線路加固。采用縱橫梁時，除支撐樁外，還應(yīng)設(shè)置抗移樁，以穩(wěn)定軌道。為保障運營安全，頂進施工開始前及完成后宜采用注漿對既有線路基進行加固。設(shè)計中對于橫抬梁，不能簡單套用類似工程的型號，應(yīng)根據(jù)施工中可能的最大跨度進行分析，對于跨度較大的需進行結(jié)構(gòu)驗算。受各種外部條件控制，頂進框構(gòu)頂板頂至既有線軌底的距離與橫梁高度可能不一致，此時可在頂板上設(shè)置臨時或永久支撐結(jié)構(gòu)，以使橫梁保持水平狀態(tài)。線路進行加固期間列車需限速行駛，當線路位于曲線時，隨著限速引起的行車速度發(fā)生變化，外軌超高應(yīng)相應(yīng)調(diào)整，確保施工期間行車安全。

(5)框構(gòu)橋過渡塊設(shè)計

為解決框構(gòu)接橋時存在的問題，設(shè)計中取消了出入口擋墻，并在框構(gòu)順線路方向兩側(cè)設(shè)置混凝土過渡塊，過渡塊上設(shè)置鋼筋混凝土整體橋面，橫橋向兩側(cè)設(shè)置錐體包住過渡塊。該方案既解決了前述問題，又取消了路橋過渡段。過渡塊設(shè)計時應(yīng)進行地基應(yīng)力、滑動、穩(wěn)定性等檢算，并根據(jù)檢算對地基處理、路基填筑提出要求和措施，保障過渡段安全?？驑?gòu)過渡塊構(gòu)造見圖2。

圖2 框構(gòu)過渡塊構(gòu)造

(6)涵洞斜出入口處理

設(shè)計中對非立交的斜蓋板涵進行加固處理，在跨中及端部各增設(shè)一道豎墻，加固后蓋板、邊墻及基礎(chǔ)滿足承受活載的受力要求，不再進行拆除。同時對二線接長側(cè)對接的斜出入口的蓋板、基礎(chǔ)加強配筋，同樣滿足了增二線后的受力需要。如果流水面高程可以適當抬高的話，為避免加固時植筋施工，也可采用既有斜蓋板出入口內(nèi)套接框涵的方案。

(7)異形墩渡槽設(shè)計

設(shè)計中采取了設(shè)置異形橋墩以利用既有槽身、優(yōu)化槽身截面設(shè)計等措施，以實現(xiàn)減小基礎(chǔ)施工難度、利用既有槽身、利用既有墩臺及基礎(chǔ)的目標。代表性工點布置見圖3。

圖3 渡槽立面布置(單位：cm)

(8)柔性墩加固設(shè)計

柔性墩采用植筋后外包混凝土進行加固，根據(jù)橋墩剛度、受力等需要，并考慮澆筑及內(nèi)部振搗混凝土的施工操作空間等要求確定加固尺寸。為縮短施工時間，降低施工難度，經(jīng)計算，橋墩只加固至托盤底。基礎(chǔ)加固采用補樁方案，為保證運營安全，原則上不進行基坑開挖，新的承臺盡量上抬，與既有墩身連為整體，上抬后承臺底埋深不滿足凍結(jié)線要求的，承臺底土層采用砂加碎石進行換填。體系轉(zhuǎn)換需進行支座更換，按2009年版《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》[14]設(shè)計新鋼支座，而且保證支座各部尺寸與原來的一致，充分利用原來的梁底和墩頂預(yù)埋件，實現(xiàn)施工可行、簡單的目標。為解決體系轉(zhuǎn)換期間橋墩不滿足受力要求的問題，并保障運營安全，設(shè)計了鋼管墩臨時支撐代替橋墩受力。加固構(gòu)造見圖4。

圖4 柔性墩加固構(gòu)造(單位：cm)

4 結(jié)語

增建二線鐵路的橋涵設(shè)計制約因素較多，不同于傳統(tǒng)的新建鐵路橋涵設(shè)計，因此必須結(jié)合現(xiàn)場實際情況，有目的性的進行合理設(shè)計。邯長、邯濟鐵路擴能改造工程在建設(shè)過程中，針對增建二線鐵路橋涵設(shè)計施工中基坑防護、線路加固、錯臺處理、小線間距增建二線橋、框構(gòu)過渡塊、斜板涵出入口處理、柔性墩加固等關(guān)鍵技術(shù)開展研究，達到降低橋涵施工難度、減小新線橋涵施工對既有線的影響、確保運營安全的目的。本文提出的設(shè)計方案及工程措施的實施，保障了邯長、邯濟增建二線鐵路順利建成通車。

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Study on Key Technologies Applied to Bridges and Culverts of Added Second Line Railway

ZUO Jia-qiang

(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

This paper reviews briefly the upgrading project of Handan-Changzhi and Handan-Jinan railway and addresses the difficulties in the design of bridges and culverts of the added second line. With respect to the safety， economy and feasibility， the key technologies for the bridges and culverts are developed for the construction of the added second line railway. The key technologies are expected to offer guidance for the construction and enrich the experience of bridges and culverts design．

Existing railway; Added second line railway; Bridge and culvert; Design

2016-03-03；

2016-03-08

左家強(1973—)，男，高級工程師，2000年畢業(yè)于北方交通大學鐵道工程專業(yè)，工學學士，E-mail：zuojiaqiang19730225@126.com。

1004-2954(2016)11-0058-04

U442.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.014