有高差的鐵路下穿框架橋?qū)斒┕ぜ夹g(shù)

王朝騰

(中鐵六局華東指揮部，上海 201102)

1 工程概況

豐潤動車城外環(huán)公路下穿京哈鐵路地道橋工程，位于河北省唐山市豐潤區(qū)小營村。地道橋為8 m-13.5 m-13.5 m-8 m四孔框架地道橋，與京哈鐵路交點里程為K162+91.76 m。本工程設(shè)兩座橋，對頂施工，其中京哈下行線北側(cè)設(shè)置1#基坑，預(yù)制1#箱體，由北向南頂進(jìn)，頂程33.6 m。京哈上行線南側(cè)設(shè)置2#基坑，預(yù)制2#箱體，由南向北頂進(jìn)，頂程39 m。地道橋總長為45.824 m，其中1#箱體長21.018 m，高8.9 m。2#箱體長24.776 m，高12.15 m?？驑?gòu)底板、中墻、側(cè)墻厚1.1 m，頂板厚1 m，加腋尺寸1.8 m×0.6 m，橋?qū)捑鶠?8.5 m。頂進(jìn)結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 頂進(jìn)施工平面布置

圖2 頂進(jìn)施工立面布置(單位：cm)

本工程穿越京哈鐵路。既有京哈鐵路為雙線電氣化鐵路，兩股鐵軌中間距19.844 m，鐵路位于直線段上，橋位處路基填高約3 m。此處京哈下行線低、上行線高，上、下行高差3.25 m，上、下行分別位于8.5‰和4‰的縱坡上。

線路加固采用扣軌縱橫工字鋼梁加固體系，單股線路加固長度87.5 m，寬度25 m?？圮壊捎?0 kg/m鋼軌，組裝方式3-5-3扣軌。橫梁采用I40b工字鋼，間距0.9 m。橫梁的一端支撐在框構(gòu)橋頂板上，另一端支撐在抗移樁上的冠梁上?？v梁采用I45b工字鋼，沿線路方向在線路兩側(cè)布置，縱梁工字鋼與橫梁工字鋼用直徑22 mm U型螺栓連接在一起，兩端置于枕木垛基座或護(hù)坡樁樁頂冠梁。

本工程是豐潤動車城外環(huán)的重要節(jié)點，也是G102國道改線之后的重要節(jié)點，建成后能大幅緩解豐潤區(qū)的貨車通行壓力。

2 工程難點及針對性措施

2.1 線間地形條件復(fù)雜

2.1.1 施工難點

本工程位于鐵路的線路區(qū)間地段，鐵路線路為封閉線路，施工機械不能跨越鐵路，所有施工只能依靠人工進(jìn)行。橋位處鐵路線路有3.25 m高差，兩鐵路線間距19.844 m，既有地面為路基、邊坡、排水溝、邊坡、路基斷面形式。整體地形比較復(fù)雜，期間還有排水管涵，均不利于施工。

2.1.2 設(shè)置線間通道

借助施工區(qū)域外的橋梁通道進(jìn)入鐵路線間，沿鐵路線路設(shè)置人行通道并設(shè)置硬隔離設(shè)施，確保施工人員和列車運行的安全。利用施工區(qū)域的排水管涵接通水、電和混凝土地泵，為現(xiàn)場施工提供必須的保障。如圖1所示。

因線間施工，無論鉆孔樁還是挖孔樁均需將土方或泥漿進(jìn)行外運，鐵路樁基數(shù)目多，將產(chǎn)生的土方向兩側(cè)施工區(qū)域內(nèi)倒運，形成土平臺，保證線間內(nèi)施工，同時倒運的土方高度不會對鐵路行駛造成影響。

2.2 箱體超高

2.2.1 施工難點

以往地道橋的外高一般為8 m，而本工程2#橋外高12.15 m，是一般地道橋的1.5倍還多，且橋?qū)挒?8.5 m，長24.776 m。長高比為2∶1，長寬比為1∶2。地道橋的底面受力面積小，側(cè)墻摩阻力較常規(guī)地道橋靠上。頂進(jìn)受力位于底板，橋體所受抬升的扭矩增大，頂進(jìn)就位精度不易控制。兩座橋梁需要對頂合攏，對頂進(jìn)施工的精度要求非常高。

2.2.2 減小側(cè)面摩阻力、降低正面阻力

針對2#箱體結(jié)構(gòu)重心上移，摩阻力受力較高的情況進(jìn)行箱體受力分析。根據(jù)分析，頂進(jìn)過程中側(cè)面摩阻力與底板所受的頂力形成的抬頭力矩將會增大，將不利于箱體的姿態(tài)控制，需降低正面阻力及側(cè)面阻力。

(1)減少側(cè)面阻力：邊墻土壓力的大小及其分布規(guī)律受到墻體可能的移動方向、墻后填土的種類、填土面的形式、墻的截面剛度和地基的變形等一系列因素的影響。邊墻完全沒有側(cè)向位移、偏轉(zhuǎn)和自身彎曲變形時，作用在其上的土壓力即為靜止土壓力，此時墻后土體處于側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)(彈性平衡狀態(tài))，與土的自重應(yīng)力狀態(tài)相同。

根據(jù)計算最終得E為14 165.05 kN。土壓力的著力點至計算土層底面的距離C=H/3,為底板頂向上3.67 m。

將箱體兩側(cè)注入觸變泥漿減少側(cè)面土體對箱體的阻力[1]。通過試驗獲取觸變泥漿配比為：膨潤土∶CMC∶純堿∶PHP∶水=6%∶0.1%∶0.3%∶0.2%∶93.4%，注入觸變泥漿同時邊墻外面涂蠟，使石蠟附著于混凝土防水卷材表面，形成一層蠟?zāi)?，從而能夠進(jìn)一步減小頂進(jìn)施工中結(jié)構(gòu)與外側(cè)土體之間的摩阻力，減少50%～70%的摩阻力，最終外側(cè)土壓力減少至7 082.5 kN。

(2)減少正面壓力：將箱體前方刃角的土及兩側(cè)邊墻的土全部清理，使箱體正前方?jīng)]有阻力，減少正面阻力對箱體的干擾。頂進(jìn)時，前刃角處要本著“非必要，不吃土”的原則，即箱體不扎頭就不吃土頂進(jìn)，將側(cè)方土體清至邊墻外面以內(nèi)10 cm左右，在保證路基土體不塌方的情況下，減弱前段的抬升力矩。

2.3 土質(zhì)復(fù)雜

2.3.1 施工難點

工程地點地形復(fù)雜、水位較高。勘察報告顯示，2#基坑區(qū)域地層較為平緩，不同地層成上下分層狀態(tài)。1#基坑區(qū)域位于不同地層的縱向變化地帶，僅在1#基坑區(qū)域內(nèi)，坑底就呈現(xiàn)出4種不同的地質(zhì)狀態(tài)，其土質(zhì)分布、性質(zhì)如圖3、表1所示。地下水的區(qū)域分布也很明顯，東側(cè)1/3區(qū)域有地下水，較豐富，中西2/3區(qū)域無地下水。土質(zhì)條件的復(fù)雜性給頂進(jìn)施工精度控制增加了難度。

圖3 1#箱體土質(zhì)斷面

表1 土體特征

2.3.2 通過土工試驗確定留土高度

基坑開挖后，對底板前方的粉質(zhì)黏土進(jìn)行土工試驗?zāi)M、對土方的壓實度進(jìn)行檢測，控制底板前方土的預(yù)留高度。線間施工路基防護(hù)樁及支撐樁時，將地質(zhì)變化的位置深度及地質(zhì)層的厚度進(jìn)行記錄，并繪制成簡易地質(zhì)圖。同時通過對補充勘探的地質(zhì)報告及地質(zhì)圖共同研究，分析出抗移樁及箱體位置的大致地形地質(zhì)，對可能遇到的施工問題進(jìn)行提前分析模擬并提出可行的有效措施。

既有框構(gòu)橋底板土進(jìn)行取樣，做壓實度試驗，求得頂進(jìn)前方土壤壓實度，采用灌砂法測取壓實度，壓實度為干密度/最大干密度。

現(xiàn)場實際采集土方，通過灌砂法檢測壓實度：經(jīng)過實際測量灌砂桶與原有砂重質(zhì)量為4 000 g，圓錐體內(nèi)砂重質(zhì)量為270 g，灌砂筒與剩砂質(zhì)量2 720 g，砂密度P砂為1.4 g/cm3。試樣m為1 460 g；稱取30 g試樣，用酒精加熱后稱重質(zhì)量為25.9 g，則最大干密度P大為1.89 g/cm3。土體總質(zhì)量M=(4 000-270-2 720)g=1 010 g,土體總體積V=M/P砂=721.4 cm3，濕土密度P土濕=m/V=2.02 g/cm3，含水量W水=(30-25.9)g/25.9 g=15.8%，干土密度P干=P土濕/(1+W水) =1.74 g/cm3。獲得壓實度K=P干×100%/P大=92.06%。

先根據(jù)以往鋪筑假定一個松鋪系數(shù)，以該松鋪系數(shù)作為試驗段的參考值，然后測得原有土的高程h1，之后預(yù)留土方測得松鋪高程h2，最后測得壓實后的高程h3，壓實系數(shù)為K=(h3-h1)/(h2-h1)。則松鋪系數(shù)X=(h2-h1)/(h3-h1)，計算值為1.08。

通過土體壓實度及松鋪系數(shù)計算，當(dāng)頂進(jìn)前方土達(dá)到試驗要求的壓實度時，壓實后的高程h3一定時，h2與h1成正比關(guān)系，如果箱體頂進(jìn)趨勢向下沉、則將h2預(yù)留土厚度變大，反之，控制h2預(yù)留土厚度變小。

2.4 抗橫移系統(tǒng)的設(shè)置

2.4.1 施工難點

抗移樁是頂進(jìn)地道橋施工必需的臨時樁基，其作用是在頂進(jìn)過程中抵抗橋體對線路的摩擦力、支撐線路加固體系，以保證鐵路軌道的穩(wěn)定，進(jìn)而保證列車的行駛安全。

本工程為對頂施工，兩座橋需分別設(shè)置抗移樁，2#箱體抗移樁設(shè)置在1#箱體就位框構(gòu)橋范圍內(nèi)；1#箱體抗移樁設(shè)置在2#箱體就位框構(gòu)橋的前懸臂板下。這種設(shè)置解決了兩個箱體的抗移樁問題，但是也限定了頂進(jìn)施工的順序，頂進(jìn)不能同時進(jìn)行。需先進(jìn)行2#箱體頂進(jìn)施工，就位后再進(jìn)行1#箱體的頂進(jìn)，頂進(jìn)至2#箱體抗移樁時先進(jìn)行鑿除，鑿除完成后再繼續(xù)頂進(jìn)，至頂進(jìn)就位。整個施工需依次進(jìn)行2#橋和1#橋的線路加固、頂進(jìn)施工、鑿除抗移樁，整體頂進(jìn)施工工期長，對鐵路運行影響時間長，同時安全壓力大。而且，鑿除2#箱體抗移樁時，高出1#橋體頂面的部分難以施工，鑿除過程風(fēng)險較大。抗移樁設(shè)置如圖4所示。

圖4 線路加固體系

2.4.2 采用異型抗移樁系統(tǒng)

為了降低2#橋體抗移樁鑿除過程中的施工風(fēng)險，縮短對鐵路運行的影響時間，經(jīng)研究提出了一種能夠雙向使用的異型抗移樁頂進(jìn)系統(tǒng)，變更原來兩排抗移樁為可雙向抗移的單排抗移樁。

將抗移樁設(shè)置在2#箱體框構(gòu)橋前懸臂板下方。將常規(guī)的“L”型冠梁，調(diào)整為“ㄣ”型冠梁。下部“丨”區(qū)域冠梁與抗移樁相連，為1#箱體頂進(jìn)提供抗移。中間的“一”位于兩橋體前懸臂板中，并伸出2#箱體框構(gòu)橋前懸臂板。上部“丨”區(qū)域冠梁位于2#箱體前懸臂正前方，為2#箱體頂進(jìn)提供抗移。通過此設(shè)置，解決了兩座框構(gòu)橋無法同時頂進(jìn)施工、施工工期長、鑿除風(fēng)險高的難題，減少7 d頂進(jìn)時間(鑿除2#橋體抗移樁2 d，1#橋體頂進(jìn)時間5 d)?？挂茦豆诹航Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 單排抗移樁及冠梁形式

根據(jù)頂進(jìn)距離及時間分析，下部線路加固體系先開始對冠梁產(chǎn)生作用，上部線路加固體系再對冠梁進(jìn)行作用，如圖6所示。需檢算抗移樁冠梁厚度是否能在實際中抵消加固體系產(chǎn)生的水平橫向力。

圖6 抗移樁冠梁受力分析(單位：cm)

(1)橫向力計算：①既有上下行鋼軌60 kg/m、50 kg/m扣軌兩道、145b工字鋼縱梁，即每延米線路及加固體系質(zhì)量為1 107.5 kg。②既有混凝土軌枕(間距0.6 m，單根250 kg)質(zhì)量為417 kg。③橫梁(采用30 m I40b-10 m I40b-木枕形式，0.9 m 1個循環(huán))質(zhì)量為2 463 kg。④扣件、U形卡子、扣板等100 kg。合計質(zhì)量為4 087.5 kg。橋長范圍內(nèi)(50 m)線路及加固體系總重N:4 087.5 kg/m×50 m×g=2 002.875 kN。

通過試驗確定荷載與摩擦力關(guān)系式：F總=0.348N+4.82,則摩擦力F總=701.8 kN。

(2)冠梁強度計算：①抗移柱共10根，間距5 m，工字鋼冠梁總長45 m；該范圍內(nèi)共有30 m工字鋼橫梁57根。一根工字鋼橫梁作用的橫向力P=F總/57=12.31 kN。②將兩根抗移樁之間的工字鋼冠梁視為簡支梁，最不利荷載為兩點受力：12.31 kN×3/2=18.465 kN,應(yīng)力σ=1.465 MPa?？挂茦豆诹翰捎肅25混凝土，混凝土強度為25 MPa，采用標(biāo)準(zhǔn)值的75%作為工作強度。冠梁應(yīng)力1.465 MPa<18.75 MPa，滿足要求。

3 工程效果

以豐潤動車城外環(huán)公路下穿京哈鐵路地道橋工程為例，通過設(shè)置臨時通道、減弱四周土體壓力、施作土工試驗、設(shè)置異型抗移樁、合理組織施工等措施，使本工程對頂施工圓滿完成、接縫處誤差3 mm，精度符合要求。此施工有效減少了施工人員、縮短了工期，大幅節(jié)約成本，降低了對鐵路運營的影響時間，值得廣泛推廣使用。