道路下穿鐵路框架橋頂進設(shè)計及施工研究

劉仲妍

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

社會進步與時代發(fā)展促使基礎(chǔ)工程技術(shù)不斷進步，在鐵路行業(yè)，運用“頂進法”等常規(guī)方法能極大提高施工效率。在穿鐵路框架橋頂進設(shè)計與施工方面，進行預(yù)設(shè)鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)的測量、組織、澆筑與維護，能極大地節(jié)約物料。頂進法施工是在已經(jīng)建成的鐵路立交橋框架上進行施工，在不影響其他施工的基礎(chǔ)上完成有限界面的澆筑，有效確保工時與質(zhì)量。

1 道路下穿鐵路框架橋頂進設(shè)計的原則

應(yīng)先確定頂進位置，框架結(jié)構(gòu)須保證鐵路行車運輸安全，橋位選擇時以不影響或少影響鐵路既有設(shè)備為布置原則，應(yīng)盡量避開鐵路道岔，并調(diào)整傾斜角度不得小于45o。

頂進結(jié)構(gòu)擬定原則有如下幾點：第一，框架橋的長度應(yīng)綜合考慮地質(zhì)、地形、工地、結(jié)構(gòu)、縫隙、回填高度、橋梁管線等合理因素。第二，根據(jù)框架結(jié)構(gòu)所在地區(qū)，綜合考慮是否設(shè)置刃角與尾墻，確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)前后部分配重平衡。第三，框架橋跨線時，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、鐵路橫斷面、地基承載力及施工方法等因素，單節(jié)長度根據(jù)頂力計算，必要時需增加中繼間，沉降縫位置避開鐵路軌道及兩側(cè)2m 范圍。第四，雙孔以上分離式框架結(jié)構(gòu)頂進時，需根據(jù)填土、壓實工作空間和邊墻之間的頂升偏差，確保側(cè)壁之間的自由空間。第五，框架結(jié)構(gòu)頂板頂與軌底之間的距離應(yīng)根據(jù)線路等級、線路鋼筋厚度和道碴確定，一般控制在0.65～0.85m 之間。

頂進過程中，為保證鐵路在施工過程中的安全，必須對鐵路進行線路加固措施。必要時對框架結(jié)構(gòu)兩側(cè)路基土進行注漿加固，以減少頂進過程中路基土體塌陷的不利影響。

2 道路下穿鐵路框架橋頂進設(shè)計要點分析

在道路下穿鐵路框架結(jié)構(gòu)頂進安全系數(shù)下考慮施工面其前端距離鐵路太近，而后背需要承受相應(yīng)載荷，所以相應(yīng)通道部署需要首先確立后背的形式（后背土堆、后背墻或后背樁），在地質(zhì)力學(xué)角度下確定工作坑邊坡坡率，并將鐵路平面作為參照基點確定工作坑位置。而現(xiàn)場基于施工經(jīng)驗，在余量可控前提下綜合避免鐵路線運營干擾。而相關(guān)基坑的加固工作更需要依據(jù)鐵路標準嚴格執(zhí)行，附件要求的四周排水溝和地井形式需要考慮尺寸，避免附著物淤堵導(dǎo)致的地基失衡。而必要時還需要及時清理，保證排水順利。

此外，對多重技術(shù)手段、不同算法計算進行數(shù)據(jù)比對。后背計算需考慮工作坑深度，地下水標高，頂進結(jié)構(gòu)長度等多重因素。沉降監(jiān)控需要考慮材料力學(xué)的影響，并確保框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所述混凝土澆筑質(zhì)量合規(guī)，填充物無空洞。而框架橋結(jié)構(gòu)底部土壤的流變塑性會因為水平面頂進運動而誘發(fā)不同程度的導(dǎo)向作用失衡，所以需要系統(tǒng)性規(guī)避。這種情況可以進行頂力核算以及前移動程度觀測，并保證工作坑滑板在施工過程中擁有良好的預(yù)設(shè)間隙。而基于滑板的頂部位置大小的確定需要細節(jié)性核算，另外潤滑隔離層的厚度也需要向下余力的抵消，比如運用錨梁設(shè)置可以在抗滑能力最佳前提下確保導(dǎo)向墩不受額外載荷的干擾。而滑板兩端需要距離5～10cm 之間設(shè)置導(dǎo)向墩，并核算力的方向是否為沿著頂進的方向，以確保頂進最佳性。此外，對多重技術(shù)手段、不同算法計算進行數(shù)據(jù)比對。后背計算需考慮工作坑深度，地下水標高，頂進結(jié)構(gòu)長度等多重因素。根據(jù)施工經(jīng)驗，可在成本充裕的前提下多使用槽鋼或鋼軌樁鋼筋混凝土型后背，以確?？傮w工程完善可靠。

3 道路下穿鐵路框架橋應(yīng)用實例

3.1 結(jié)構(gòu)確定

鹽城市海洋路下穿新長鐵路、鹽通高鐵、范公路立交橋工程起止樁號為K1+860～K2+160，長300m。主要施工內(nèi)容為下穿新長鐵路框架橋工程；U 形槽工程；道路路基、路面工程；交通、照明及綠化工程；雨水泵站及附屬工程等[1]。

根據(jù)鹽城市規(guī)劃，海洋路與改建新長鐵路、既有新長鐵路、新建鹽通高鐵、范公路相交。設(shè)計過程中，鹽通鐵路和改建新長鐵路處于施工狀態(tài)。結(jié)合新建鐵路選址及規(guī)劃道路情況，為減少將來的重復(fù)建設(shè)，實現(xiàn)投資集約，與鹽通高鐵相交的規(guī)劃路應(yīng)盡量與鹽通鐵路同步實施建設(shè)。既有新長鐵路與改建新長鐵路線間距9.7m，高差1.7m，頂進期間，既有新長鐵路為運營狀態(tài)。根據(jù)道路狀況、新建鐵路設(shè)計情況、地形、地物等條件，設(shè)計情況如下。

道路下穿鐵路框架結(jié)構(gòu)凈跨為（5.5+12.25+14.5+10）m 框架橋，設(shè)計采用高低一體框架，頂進法施工。交叉位置處既有新長鐵路鋼軌軌底標高為4.904m，框架橋結(jié)構(gòu)頂板頂面標高為4.094m，框架橋頂板頂面距新建鐵路鋼軌軌底以下0.81m。結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 下穿既有新長鐵路框架橋結(jié)構(gòu)尺寸

交叉位置處改建新長鐵路鋼軌軌底標高為6.767m，框架橋結(jié)構(gòu)頂板頂面標高為5.794m，框架橋頂板頂面距新建鐵路鋼軌軌底以下0.973m。結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 下穿改建新長鐵路框架橋結(jié)構(gòu)尺寸

框架橋結(jié)構(gòu)總長23.03m（含開口箱部分）?？蚣軜蚪Y(jié)構(gòu)凈高考慮了道路縱坡、橫坡、頂板加腋、路面鋪裝、頂進誤差等影響。框架橋施工完成、路面形成后機動車道通行凈高不小于5.0m。下穿新長鐵路處橫斷面設(shè)計見圖1。

圖1 新長鐵路處斷面圖（單位：cm）

根據(jù)現(xiàn)場條件，下穿既有新長鐵路框架橋采用頂進法施工。在鐵路東側(cè)設(shè)置頂進框架橋工作坑，頂進方向由東向西[2]。

工作坑采用鉆孔樁支護。支護樁樁頂均設(shè)置1.5m 厚的鋼筋混凝土冠梁，將支護樁連接成整體。鉆孔樁外側(cè)設(shè)雙排直徑0.6m 高壓旋噴樁作為止水帷幕。工作坑采用管井降水。工作坑支護及止水、降水完成后方可進行基坑開挖。工作坑土方開挖應(yīng)分層、分區(qū)進行，每層開挖深度不超過2m，嚴禁一次開挖到底或超挖。挖到距離設(shè)計標高還差1m 時，應(yīng)改用人工開挖。挖到設(shè)計標高后應(yīng)及時鋪設(shè)碎石褥墊層并澆筑混凝土墊層封底，嚴禁長時間暴露。

滑板厚度為0.3m。滑板底設(shè)碎石墊層和錨梁。碎石墊層厚0.2m，滑板底以下錨梁深0.5m。

線路加固采用D 型便梁、便梁條基等組成線路加固系統(tǒng)，滿足列車慢行速度45km/h 的要求。

3.2 結(jié)構(gòu)計算與線路加固

對頂進框架結(jié)構(gòu)進行計算時，列車活載橫向分布寬度按現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）有關(guān)規(guī)定計算。結(jié)構(gòu)內(nèi)力按彈性地基上的三維殼體計算，并考慮荷載作用下的結(jié)構(gòu)底板在彈性地基上的變形（相對下沉、轉(zhuǎn)角）對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。彈性地基的計算采用共同變形理論。框架結(jié)構(gòu)頂、底板按受彎構(gòu)件配筋，側(cè)墻及中墻按偏心受壓構(gòu)件配筋。運用科寶華軟件及MidasCivil 對框架結(jié)構(gòu)的受力情況進行分析，計算框架結(jié)構(gòu)各截面的鋼筋面積，匯總框架結(jié)構(gòu)鋼筋圖。為保證鐵路運營安全，須在施工期間對鐵路線路進行加固處理。鐵路線路的加固可采用3-5-3扣、縱橫梁加固及D 型便梁等方式。距離鐵路線路較近位置無法使用大型機械設(shè)備，可使用人工挖孔樁配合線路加固系統(tǒng)。

3.3 對工作坑的相關(guān)設(shè)計

作為頂進框架結(jié)構(gòu)的施工基地，工作坑的前端僅以鐵路為基礎(chǔ)，而后端一般用于布置通道和土方支撐。后部可以是土方、后墻或樁，應(yīng)根據(jù)頂力、工作坑的深度和后地面的高度來選擇。工作坑位置的選擇應(yīng)充分考慮鐵路線路平面圖、兩側(cè)地質(zhì)地形、物資儲存場地等。此外，工作坑的相關(guān)設(shè)計還應(yīng)符合鐵路部門的安全標準，如果工作坑達到一定深度，應(yīng)進行專門的基坑支護設(shè)計，并設(shè)置排水溝和排水井。坑底周圍，方便施工，在此期間，排水沒有問題。工作坑的設(shè)計除了其背部的計算外，還包括錨梁、導(dǎo)向墩和滑板的布置。避免框架結(jié)構(gòu)因下伏土的結(jié)合作用的影響。為防止施工中框架結(jié)構(gòu)頂進時，工作坑滑板以其巨大的摩擦力逐漸向前移動，因此應(yīng)在滑板頂部設(shè)置相應(yīng)的潤滑絕緣層，并放置錨梁滑板底部向下，以提高滑板的防滑能力。導(dǎo)向柱應(yīng)放置在滑板的兩端，一般距架橋側(cè)壁外側(cè)的距離為5～10cm，并應(yīng)沿頂進方向放置，以便架橋能很好地控制在滑板上[3]。

4 道路下穿鐵路框架橋頂進設(shè)計的技術(shù)難點

對下穿鐵路框架結(jié)構(gòu)進行頂進施工之時，為了避免在施工過程中出現(xiàn)變形或管線的安全問題，可以采取以下兩點關(guān)鍵措施。

4.1 確?？蚣軜蝽斶M線形的相關(guān)措施

頂進時控制好頂力和頂進方向，在頂進過程中做好監(jiān)測工作，防止框架橋“扎頭”“抬頭”和中線偏移。為避免頂進過程中出現(xiàn)“轉(zhuǎn)向”現(xiàn)象，車架底板前端應(yīng)預(yù)留船艏坡度，在車架上表面預(yù)留1%的坡度?；搴洼^高的部分。頂進過程中，根據(jù)鐵路要求，需進行滑板跟進措施，還應(yīng)隨時測量底板標高，以相應(yīng)調(diào)整前部開挖深度。頂進過程中左右偏斜的問題，可以通過改變左右兩側(cè)不同的頂進力、挖地或千斤頂?shù)奈恢脕砜刂啤２捎媒恿﹂g提升的方式，在節(jié)點間準備相應(yīng)的剪力楔來傳遞剪力，并使前后段重心運動路徑在施工過程中盡量重疊。為了促進剪力楔可以發(fā)揮最佳的使用效果，避免節(jié)間剪力過大的現(xiàn)象。另外，千斤頂頂程的時間越長，錨的糙化速度就越快，但這必須基于更高水平的控制技術(shù)，千斤頂頂程最好控制在20cm 以內(nèi)[4]。

4.2 確保管線安全的相關(guān)措施

頂進過程中挖掘時，頂部或側(cè)面鋼刃角的深度自始至終不應(yīng)小于30cm，同時不應(yīng)過度挖掘，使開挖與正面平行。每次頂進前，應(yīng)在結(jié)構(gòu)標高前挖一個開挖孔，查明地面是否有阻礙吊裝作業(yè)的障礙物，如一些巖石、不明管道等，確保每次頂進作業(yè)都能安全順利地完成。

5 道路下穿鐵路框架橋頂進施工的技術(shù)要點

“頂進法”對地下鐵路框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計非常有利，應(yīng)用也非常廣泛。但在設(shè)計中要注意幾點：其一，施工期間在鐵路橋梁及兩側(cè)各50m 范圍內(nèi)進行路基、路面壓實時禁止使用震動壓路機，同時在鐵路兩側(cè)設(shè)置臨時限高架，禁止大型施工車輛從鐵路橋下通過；其二，框架橋主體澆筑混凝土前，應(yīng)檢查預(yù)埋件是否齊全；其三，澆筑混凝土底板時，要注意使其與工作坑滑板有效隔離，底板表面要盡量光滑、平整，并涂潤滑劑，防止底板與滑板粘連在一起，頂進啟動時發(fā)生困難；其四，框架橋主體混凝土達到設(shè)計強度100%，防水層及保護層按設(shè)計鋪設(shè)良好，并經(jīng)試頂后方可進行頂進施工；其五，為防止混凝土因收縮而開裂，選擇集料時要求混凝土有最大密實度，要嚴格控制用水量，要仔細搗固，除用振搗器外，在角隅及鋼筋較密處還須用插釬搗實，要精心養(yǎng)護，及時澆水，要晚拆模；其六，施工時應(yīng)注意采取壓頂防崩措施；其七，當(dāng)路基表面注漿時，先在路基以外地表進行注漿試驗，確定地表注漿壓力和注漿率。注漿施工過程中加強監(jiān)測；其八基坑出土須遠離基坑堆放。

頂進“栽頭”，確保箱身頂進誤差不超限的必要措施。降低地下水至開挖面以下1m 左右，避免擾動地基土層；加快連續(xù)頂進速度、加強監(jiān)測；設(shè)接長跟進滑板，加長重心移動滑板時間等。人為地預(yù)先設(shè)置門檻并接長滑板，對預(yù)防軟土地基頂進“栽頭”是極其重要的，應(yīng)在軟土地基框架結(jié)構(gòu)頂進施工中堅持和推廣。

6 結(jié)語

綜上所述，限于成本和工時的優(yōu)勢，采用框架橋頂進施工能極大優(yōu)化工程質(zhì)量，確保鐵路線路列車正常運行，并且不影響系統(tǒng)施工。該種工藝能在系統(tǒng)運用的前提下確保工藝可控、質(zhì)量完善、成本合規(guī)，在土木工程系統(tǒng)運用上確保提速提效良好開展。