高低箱框架橋頂進(jìn)工程的研究

劉建齊

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

隨著城市交通的需求增大，現(xiàn)在越來越多的道路需下穿通過既有運(yùn)營鐵路，從而多股道大高差既有鐵路的下穿頂進(jìn)工程隨之而來。在框架橋頂進(jìn)施工中如何保證鐵路運(yùn)營安全是需要解決的重點(diǎn)問題。

文章結(jié)合“邯鄲市國道G106 館陶繞城改建段下穿邯濟(jì)鐵路立交橋工程”，分析了高低箱頂進(jìn)框架橋下穿不等高線路的方案，詳細(xì)考慮了不等高線路加固措施以及高低箱頂進(jìn)體系的方案。

1 工程概況及重難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

邯鄲市國道G106 館陶繞城改建段下穿邯濟(jì)鐵路立交橋工程位于河北省邯鄲市東南部。新建公路設(shè)計(jì)路線與邯濟(jì)鐵路下行線交叉處鐵路里程:K78+310.023，交角為75.8°。

新建公路下穿既有鐵路采用頂進(jìn)框架橋形式，框架橋孔徑為2～16.0 m 兩孔連體式結(jié)構(gòu)，頂板和中墻厚度為1.0 m，邊墻和底板厚度為1.2 m，框架順公路方向?yàn)?1.765 m，順鐵路方向?yàn)?6.441 m。高低兩座框架橋高差為2.03 m，在鐵路北側(cè)設(shè)置頂進(jìn)工作坑，框架橋由北向南頂進(jìn)施工，頂進(jìn)行程53.812 m。

1.2 工程重難點(diǎn)分析

本工程高低兩座框架橋均設(shè)置在鐵路北側(cè)進(jìn)行頂進(jìn)施工。且穿越位置邯濟(jì)鐵路上行線和下行線高差較大，相對(duì)高差為2.03 m，因此框架采用高低箱設(shè)計(jì)，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，設(shè)計(jì)方案重難點(diǎn)如下：

（1）邯濟(jì)鐵路為邯鄲至濟(jì)南的一條重要客貨兩用國鐵一級(jí)電氣化鐵路，線路運(yùn)營繁忙，承擔(dān)運(yùn)營任務(wù)眾多，設(shè)計(jì)方案務(wù)必保證線路的穩(wěn)定及列車運(yùn)營安全。

（2）穿越位置既有邯濟(jì)鐵路為位于大名站～館陶站之間的區(qū)間線路上，既有路基填方高，約為4.9 m，設(shè)計(jì)方案需保證頂進(jìn)過程中路基的穩(wěn)定與安全。

（3）橋址處邯濟(jì)鐵路上行線和下行線高差為2.03 m，上下行鐵路線路加固體需分區(qū)設(shè)置，為保證線路的穩(wěn)定安全，設(shè)計(jì)方案需保證上下行鐵路加固體系的完整與牢固。

（4）高低兩座框架橋均設(shè)置在鐵路北側(cè)進(jìn)行頂進(jìn)施工，中間采用中繼間連接，框架橋本體較大，頂進(jìn)過程中施工精度務(wù)必需滿足相關(guān)行業(yè)要求。

（5）高低兩座框架橋均設(shè)置在鐵路北側(cè)進(jìn)行頂進(jìn)施工，中間采用中繼間連接，框架橋頂進(jìn)就位后在橋間進(jìn)行防水處理，以保證日后運(yùn)營安全及便于養(yǎng)護(hù)。

（6）橋址處邯濟(jì)鐵路上行線和下行線高差為2.03 m，低箱框架橋頂在頂進(jìn)過程是需設(shè)置臨時(shí)加固加高結(jié)構(gòu)與高箱框架保持等高，頂進(jìn)過程中隨頂隨拆，拆除以及運(yùn)輸方案務(wù)必需保證鐵路運(yùn)營及線上相關(guān)設(shè)備的使用安全。

2 不等高鐵路線路加固體系

線路加固系統(tǒng)：3-5-3 扣吊軌梁和橫抬縱挑法布置的工字鋼縱橫梁以及路基防護(hù)樁、支撐樁、抗橫移樁及頂梁組成線路加固系統(tǒng)（滿足列車慢行45 Km/h 的要求）。鐵路兩側(cè)路基防護(hù)樁、支撐樁、抗橫移樁均采用鉆孔樁施工，線間路基防護(hù)樁及支撐樁采用人工挖孔樁施工。樁間空隙及防護(hù)樁和框架間均采用C20 混凝土封堵，防止流塌。線路加固時(shí)安裝與拆除吊軌梁需在封鎖點(diǎn)內(nèi)施工，框架橋頂進(jìn)期間必須滿足列車慢行45 km/h 的要求，施工結(jié)束后，第一列限速45 km/h 不少于12 h，后限速60 km/h、80 km/h 各不少于24 h、后120 km/h 2h 后恢復(fù)常速。

線路防橫移措施：框架頂板預(yù)制時(shí)在尾部每隔3 m 設(shè)置拉環(huán)，采用倒鏈與線路加固系統(tǒng)聯(lián)系在一起，隨頂進(jìn)隨拉緊倒鏈，橋外部分設(shè)地錨拉緊線路；路基對(duì)側(cè)設(shè)抗橫移樁。

3 線路加固抗橫移措施

橋址處邯濟(jì)鐵路上行線和下行線高差為2.03 m，上下行鐵路線路加固體需分區(qū)設(shè)置，工字鋼橫梁也存在高差。因此上下行鐵路線路加固工字鋼橫梁通過焊接鋼柱連接固定，連接立柱采用工40 b 工字鋼，每道立柱設(shè)一處斜撐，斜撐采用∠100x10 角鋼，立柱與加固橫梁采用焊接法連接。

3.1 荷載檢算

橫梁采用I40b 工字鋼，橫梁間距以0.6 m、1.2 m循環(huán)穿插于既有軌枕間，橫梁平均間距0.9 m。橫梁的一端支撐在框架頂板頂上，另一端支撐在挖孔樁上。在路基兩側(cè)橫梁下設(shè)枕木垛支撐，采用^22 U 型螺栓將橫梁與吊枕聯(lián)接牢固。

（1）連接構(gòu)造自重：鋼材容重78.5 kN/m3，考慮1.1 倍的構(gòu)造放大系數(shù)。

（2）頂進(jìn)摩阻力：框架頂進(jìn)范圍摩阻力合計(jì)763.3 kN，總共42 根橫梁，隔兩根布置一處，即由22 根橫梁分?jǐn)偹侥ψ枇Γ扛芰?4.7 kN。計(jì)算考慮1.3 倍的安全儲(chǔ)備系數(shù)，即45.1 kN/根。

3.2 計(jì)算軟件及模型

（1）橫梁連接構(gòu)造檢算采用空間模型，檢算軟件為Midas civil。

（2）計(jì)算模型：

圖1 橫梁連接構(gòu)造模型

3.3 橫梁連接構(gòu)造桿件檢算

（1）立柱桿件采用I40b 工字鋼。

立柱最大應(yīng)力為23.5 Mpa＜140 Mpa，滿足要求。

（2）斜撐桿件采用∠100x10 角鋼。

斜撐角鋼最大應(yīng)力為-38.2 Mpa＜140 Mpa，滿足要求。

3.4 連接角鋼焊縫強(qiáng)度檢算

（1）橫梁連接構(gòu)造立柱根部所受最大剪力N=41.3 kN。

本設(shè)計(jì)采用的工字鋼材料為Q235，各桿件間進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫高度為8 mm。，滿足要求。

（2）橫梁連接構(gòu)造斜撐根部所受最大軸力N=60.6 kN，水平方向分力P=Nxsin45°=42.9 kN。

本設(shè)計(jì)采用的角鋼材料為Q235，各桿件間進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫高度為8 mm。，滿足要求。

綜合現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)條件和設(shè)計(jì)方案檢算，最終采用工字鋼和角撐配合，通過焊接方式連接邯濟(jì)鐵路上下行鐵路線路加固體系的橫梁。通過本線路加固體系可有效解決線路加固體系在頂進(jìn)施工作業(yè)過程中的線路橫移問題，保證了線路的穩(wěn)定及列車運(yùn)營安全。

4 低箱框架橋頂臨時(shí)加固系統(tǒng)

橋址處邯濟(jì)鐵路上行線和下行線高差為2.03 m，框架橋采用高低箱頂進(jìn)施工方案，為滿足頂進(jìn)工藝和線路加固方案要求，頂進(jìn)作業(yè)前須在低箱框架橋頂設(shè)置與高箱框架橋等高的臨時(shí)加高加固體系。

低箱框架橋頂臨時(shí)加高加固體系采用現(xiàn)澆臨時(shí)鋼筋混凝土加固系統(tǒng)，加固系統(tǒng)板厚40 cm，內(nèi)部設(shè)置空心混凝土砌塊+木屑支撐，間距4.0 m。空心混凝土砌塊尺寸為34 cm 長×25.8 cm 寬×25 cm 高，壁厚5 cm。

頂板上下緣及側(cè)墻均采用直徑12 mm 鋼筋，間距10 cm。

4.1 計(jì)算荷載

自重：為框架自重，按結(jié)構(gòu)實(shí)際截面尺寸計(jì)入，系數(shù)為1.04。

橫梁：橫梁為I40 b，按全長均勻分布于框架上，荷載為1.31 kN/m2。

縱梁：縱梁為I45 b，荷載為1.01 kN/m2。

扣軌：扣軌為3-5-3 型50 軌，荷載分別為2.39 N/m2、3.83N/m2。

鐵軌：鋼軌為60 軌，荷載為1.25 kN/m2。

軌枕：軌枕340 kg/個(gè)，荷載為3.79 kN/m2。

活載：采用ZKH 荷載；

汽 車 沖 擊 系 數(shù)：1+μ=1+a×(6/(30+L))，a=0.32×(3-0.5)2=2，按0.35 考慮。

4.2 有限元模型及結(jié)果檢算

（1）采用Midas civil 進(jìn)行有限元模擬，模型如下：

圖2 加固體系計(jì)算模型

（2）頂板計(jì)算結(jié)果：

鐵路鋼筋混凝土偏壓構(gòu)件。（單位 kN m MPa）

寬度b=1.000 m，高度h=0.400 m。

受拉區(qū)鋼筋到邊緣距離=0.045 m；受壓區(qū)鋼筋到邊緣距離=0.045 m。

受拉區(qū)鋼筋面積=0.001131 m2；受壓區(qū)鋼筋=0.001131 m2。

彈模比n 值=10.0；彎矩M=61.5 MPa；軸力N=11.8 kN。

偏心增大系數(shù)yita=1.00378。

大偏心。

受壓區(qū)高度x=0.077 m。

混凝土應(yīng)力sigc=4.493357 kN。

近力作用點(diǎn)鋼筋應(yīng)力sigs1=18.743439 kN。

遠(yuǎn)力作用點(diǎn)鋼筋應(yīng)力sigs2=-161.677462 kN。裂縫寬度(mm)=0.204 mm。

（3）邊墻計(jì)算結(jié)果：

鐵路鋼筋混凝土偏壓構(gòu)件。（單位 kN m MPa）寬度b=1.000 m；高度h=1.000 m。

受拉區(qū)鋼筋到邊緣距離=0.045 m；受壓區(qū)鋼筋到邊緣距離=0.045 m。

受拉區(qū)鋼筋面積=0.001131 m2；受壓區(qū)鋼筋=0.001131 m2。

彈模比n 值=10.0；彎矩M=68.1 MPa；軸力N=153.1 kN。

偏心增大系數(shù)yita=1.00167。

大偏心。

受壓區(qū)高度x=0.391 m。

混凝土應(yīng)力sigc=0.809995 kN。

近力作用點(diǎn)鋼筋應(yīng)力sigs1=7.166980 kN。

遠(yuǎn)力作用點(diǎn)鋼筋應(yīng)力sigs2=-11.699767 kN。

裂縫寬度(mm)=0.015 mm。

根據(jù)Midas civil 計(jì)算結(jié)果可知，頂板上下緣及側(cè)墻均采用直徑12 mm 鋼筋，間距10 cm 配筋滿足規(guī)范要求。通過本加固體系可滿足高低箱頂進(jìn)方案的有效實(shí)施，并且保證了線路的穩(wěn)定及列車運(yùn)營安全。

5 結(jié)語

通過研究多股道大高差既有鐵路的下穿頂進(jìn)框架橋工程，對(duì)不等高線路加固措施以及高低箱頂進(jìn)臨時(shí)加固體系方案得出如下結(jié)論：

存在高差的多股道鐵路線路加固工字鋼橫梁通過焊接鋼柱連接固定，每道立柱設(shè)一處斜撐，立柱與加固橫梁采用焊接法連接。通過本體系可有效解決線路加固體系在頂進(jìn)施工作業(yè)過程中的橫移問題，保證了線路的穩(wěn)定及列車運(yùn)營安全。

頂進(jìn)作業(yè)前在低箱框架橋頂設(shè)置與高箱框架橋等高的臨時(shí)加高加固體系，并配合不等高鐵路線路加固體系，頂進(jìn)作業(yè)中臨時(shí)加固系統(tǒng)位于線間采用繩鋸切割，并用卷揚(yáng)機(jī)沿加固系統(tǒng)內(nèi)部空間向頂進(jìn)方向后端拉出施工作業(yè)面，可保證高低箱頂進(jìn)方案的有效實(shí)施。

采用高低箱技術(shù)穿越不等高線路，有效解決了線路復(fù)雜條件下鐵路加固體系的穩(wěn)定和安全問題，確保了線路的穩(wěn)定及列車運(yùn)營安全。施工過程中以及竣工后線路的沉降、位移均控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，鐵路安全得到了有效保障。表明多股道大高差既有鐵路的下穿頂進(jìn)框架橋工程可以有效實(shí)施。