墨玉連接線下穿鐵路頂進(jìn)式框架橋設(shè)計(jì)

馬 超

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 新疆 烏魯木齊 830000

由于結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，框架橋在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。為了不中斷鐵路運(yùn)營，采用限速行車，直接頂進(jìn)的橋涵稱頂進(jìn)式框架橋。采用頂進(jìn)式具體的操作方式是，在確保鐵路的安全運(yùn)營的基礎(chǔ)上，在鐵路路基的側(cè)面，將鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，使用高壓油泵來驅(qū)動(dòng)油壓千斤頂，并借助事先修復(fù)好的后背支撐，將該框架結(jié)構(gòu)推到了已有線路路基中，從而形成了一座頂進(jìn)式立交橋。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路的建設(shè)也得到了空前的發(fā)展。在工程實(shí)踐中，采用了更先進(jìn)、更科學(xué)的設(shè)計(jì)思想，促進(jìn)了我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展。下穿鐵路頂進(jìn)式框架橋的設(shè)計(jì)對項(xiàng)目的施工極為重要。頂進(jìn)法施工是一種非明挖技術(shù)方法，是在不影響地面正常交通通行的情況下，橫向下穿立交構(gòu)筑物的施工方法。頂進(jìn)法施工的優(yōu)點(diǎn)就在于保證鐵路安全運(yùn)行的前提下完成整個(gè)施工過程。本文以墨玉連接線K1914+050新建2-16.0框架橋?yàn)槔郎\談下穿鐵路框架橋的設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)墨玉縣境內(nèi)，為國道315線墨玉連接線南延聯(lián)通道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目穿越南疆鐵路而設(shè)。前期經(jīng)與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門溝通對接，本項(xiàng)目推薦采用頂進(jìn)框架橋下穿的方式穿越鐵路。

擬建道路于南疆鐵路K1914+050處下穿鐵路，穿越處路線與鐵路交角為90°，本次設(shè)計(jì)框架橋按正交設(shè)置。擬建道路路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度18m，按雙向四車道設(shè)計(jì)?？紤]到遠(yuǎn)期規(guī)劃及預(yù)留，經(jīng)與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門溝通，本次下穿鐵路框架橋按2-16.0m設(shè)計(jì)，頂進(jìn)施工，施工時(shí)對既有鐵路采用組合工便梁法進(jìn)行防護(hù)。

南疆鐵路喀什至和田段為單線鐵路（預(yù)留雙線條件），無縫線路，P60鋼軌，新Ⅲ型混凝土枕，內(nèi)燃牽引（預(yù)留電氣化）。穿越處線路位于R=3000m的曲線上，縱坡-1‰，線路兩側(cè)均設(shè)置防護(hù)柵欄，路基高度5m左右，無路基防護(hù)。在南疆線K1914+582處，設(shè)置有一座24-32.0m特大橋，本項(xiàng)目距既有橋橋臺80m，施工時(shí)對既有結(jié)構(gòu)無影響。

在南疆線K1914+050處，面向大里程左側(cè)防護(hù)柵欄內(nèi)直埋敷設(shè)有兩根信號電纜有，電纜型號為SPTYWPL 12A芯兩根，貫通地線一根，本次設(shè)計(jì)對既有信號電纜進(jìn)行移設(shè)防護(hù)處理。

在南疆線K1914+050處，鐵路通信光、電纜在既有鐵路線左側(cè)（面向大里程）防護(hù)柵欄內(nèi)線路路肩上直埋敷設(shè)，通信光、電纜為：一條20芯光纜和一條7*4對稱電纜同溝敷設(shè)（敷設(shè)于距防護(hù)柵欄約11m的鐵路路肩上）。本次設(shè)計(jì)對既有通信光、電纜進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

2.1 地形地貌

該項(xiàng)目橋址位于和田地區(qū)墨玉縣，為國道315線墨玉連接線聯(lián)通道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目下穿南疆鐵路。

2.2 地質(zhì)特征

在本次勘察的深度范圍內(nèi)，地基土共分為兩個(gè)工程地質(zhì)單元層，現(xiàn)自上而下分層描述如下：

（1）素填土（Qme）：雜色，松散，稍濕，主要由粉土組成，局部含少量生活垃圾和建筑垃圾。該地層層底深度1.5m，層厚1.5m，平均層厚1.5m。

（2）卵石（Q2al+pl）：灰褐色，稍濕～飽和，稍密～密實(shí)，一般粒徑為20.0～40.0mm，最大可見粒徑80mm，磨圓度較好，以圓狀、亞圓狀為主。成份以硬質(zhì)巖為主，充填物為中粗砂，骨架顆粒交錯(cuò)排列，大部分接觸。顆粒級配良好，分選性差。地下水位隨喀拉喀什河季節(jié)性變化而變化。該地層層底深度33.5～35m，層厚33～35m，平均厚度34m，承載力基本容許值300kPa。

框架橋基礎(chǔ)位于該層，承載力能夠滿足要求。

2.3 地下水位及埋深

擬建橋位處的地下水類型含水層的埋藏條件及地下水的水力特征，主要為層間孔隙水。豐水期地下水埋深1.5m；枯水期地下水埋深7.0m。

2.4 抗震設(shè)防烈度

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18036-2015）的劃分，工程建設(shè)場地設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

2.5 凍結(jié)深度

標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度0.7m。

對于冰點(diǎn)試驗(yàn)的重復(fù)性好壞我們采用GB/T 2430-2008《航空燃料冰點(diǎn)測定法》的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定[8]，從表9看出，長嶺噴氣燃料的4次冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果的均值為-53.8℃，極差為0.6℃；根據(jù)GB/T 2430-2008的重復(fù)性要求，對同一試樣的兩次試驗(yàn)結(jié)果之差不應(yīng)大于1.5℃，所以冰點(diǎn)的重復(fù)性同樣滿足要求。

2.6 不良地質(zhì)與特殊巖土

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查和勘探揭露情況，擬建橋址區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用。

3 設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)的思考

3.1 合理的孔跨布置，滿足結(jié)構(gòu)安全要求

框架橋設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮合理的孔跨比。孔跨比過大或過小既會(huì)對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生隱患，又容易造成材料浪費(fèi)[1]。

3.2 工作坑的防護(hù)設(shè)計(jì)

工作坑是一個(gè)臨時(shí)的支承構(gòu)件，它能為頂進(jìn)式框架橋提供最大的頂升壓力。工作坑位于軌道基床一側(cè)，采取1:1的斜率，噴漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，并對其背面回填土進(jìn)行嚴(yán)密的壓實(shí)。在框架橋式滑道上，必須在其上表面涂上一層絕緣油，以提高其防滑性能。同時(shí)，在頂升時(shí)，為防止工作坑滑塊在框架橋上產(chǎn)生的強(qiáng)大頂載力作用下發(fā)生無序運(yùn)動(dòng)，需要在工作坑滑塊底部布置一根錨桿，并在工作坑滑塊的兩頭布置一根導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與框架橋側(cè)面相隔5-10cm布置。采用該方法可以對懸索橋的施工進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使懸索橋施工過程中的施工走向得到了有效的控制。

3.3 鐵路的防護(hù)措施設(shè)計(jì)，保證鐵路在施工過程中的安全

施工期間采用組合工便梁對既有線路進(jìn)行防護(hù)，縱梁采用I115型工便梁，梁高1150mm，翼緣寬380mm，節(jié)長為8、10、12m不等，根據(jù)加固長度需要組合，采取等強(qiáng)聯(lián)結(jié)，本設(shè)計(jì)采用8根10m縱梁拼接成型計(jì)列連接部位相關(guān)工程數(shù)量；橫抬梁組采用H70梁2根，每根長12m，采用等強(qiáng)拼接，橫抬梁與縱梁采用Φ22U型螺栓聯(lián)結(jié)。

4 墨玉連接線下穿鐵路頂進(jìn)式框架橋設(shè)計(jì)

4.1 主體結(jié)構(gòu)

綜合考慮橋址處地形、地物、地質(zhì)、道路設(shè)計(jì)情況、既有鐵路狀況以及方案設(shè)計(jì)評審意見等情況，本次設(shè)計(jì)采用如下形式。

下穿立交采用2-16m框架結(jié)構(gòu)，于南疆鐵路K1914+050處穿越。框架橋中心線與南疆鐵路下行線交角90°，軌底至頂板頂高度不小于1.2m。

框架橋單孔凈寬16m，結(jié)構(gòu)凈高5.5m，頂板厚1.0m，底板厚1.15m，邊墻厚1.3m，頂板倒角0.9*1.6m，底板倒角0.2*0.2m；框架橋順鐵路方向長度為35.5m，垂直鐵路方向長度為16.0m。出入口設(shè)置擋土墻。頂進(jìn)到位后橋下最小凈空為4.8m?？蚣軜蚴┕ね戤吅笤诔鋈肟谠O(shè)置限高架，高度4.5m。

設(shè)計(jì)為線路架空頂進(jìn)施工，結(jié)合地勢及交通條件，將工作坑設(shè)置在線路左側(cè)（面向鐵路大里程方向）。頂進(jìn)方向：由左向右。

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本項(xiàng)目擬在前期研究的基礎(chǔ)上，利用我國北方交通大學(xué)自主研發(fā)的鐵路和公路框架橋梁（框架橋梁）結(jié)構(gòu)有限元模型，利用 MIDAS模型對其進(jìn)行校核。

4.3 框架橋附屬結(jié)構(gòu)及輔助工程

（1）框架橋頂出入口處設(shè)欄桿，欄桿內(nèi)側(cè)設(shè)擋碴網(wǎng)和電纜槽。電纜槽為三室，分別盛裝通信、信號光、電纜及電力電纜并考慮預(yù)留，每個(gè)電纜槽凈空為30cm*30cm。電纜槽盛裝電纜后應(yīng)填滿防火、防鼠材料。（2）為防止框架橋頂積水浸泡鐵路路基，在橋頂用C30細(xì)石混凝土做好流水坡，將水集中后用PVC管道引入橋下排水系統(tǒng)，并在橋頂兩端設(shè)小擋水墻（與主體一起澆筑）。（3）橋下道路設(shè)置縱坡，縱坡最低點(diǎn)位于鐵路保護(hù)區(qū)外側(cè)。（4）框架橋頂進(jìn)到位后，沿道路方向設(shè)置重力式混凝土擋墻。（5）施工前需將受影響鐵路柵欄進(jìn)行拆除，施工完畢后將柵欄恢復(fù)。臨時(shí)圍欄需與既有柵欄相接，并不得侵入鐵路限界。（6）在框架橋梁頂部設(shè)置了一層含氯的聚乙烯醇防水帶，在框架橋梁頂部的防水層上設(shè)置了6cm厚度的C40細(xì)砂-聚乙烯醇纖維砼防護(hù)層?？蚣軜蜻厜ν獗诰磕ň郯滨シ浪苛稀?/p>

4.4 線路加固

線路加固采用目前最常用的方式：對框架橋須下穿的鐵路采用組合工便梁法加固?？蚣軜蛘w預(yù)制，一次頂進(jìn)，隨挖隨頂。線路架空加固為：一次架空，一次頂進(jìn)。在框架橋的前部，確保了軌道補(bǔ)強(qiáng)系統(tǒng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。在框架橋的頂板上，用 TQF—1型防水涂料和C40鋼纖維砼防護(hù)涂料覆蓋；在墻體兩側(cè)的外面，分別涂上兩層聚亞安酯防水漆?？蚣軜虻捻敯寰臀缓?，在頂板的兩側(cè)置擋水坡，并頂板的防水層保護(hù)層上設(shè)置斜坡，使水流匯集后再導(dǎo)入橋面。

在此基礎(chǔ)上，利用 FEM進(jìn)行了框架橋的內(nèi)力計(jì)算，并對其進(jìn)行了校核；刃角度的確定，是根據(jù)頂進(jìn)時(shí)所能承受的列車暫時(shí)性載荷來確定的；頂力既要考慮刃的前部阻力，也要考慮不同的摩擦。

框架橋主體部位使用C40混凝土，其抗?jié)B性不低于P8，其骨料的選用和堿度必須滿足《鐵路混凝土工程預(yù)防堿–骨料技術(shù)反應(yīng)條件》（TB/T 3054）的要求；工作坑的滑動(dòng)板、錨桿和導(dǎo)墩均為C30混凝土；后梁為C30混凝土；進(jìn)、出口的護(hù)壁為C30混凝土；

帽石采用C30混凝土；防水層保護(hù)層采用C40鋼纖維混凝土；護(hù)坡樁、抗橫移樁、后背樁、支撐樁及頂梁采用C30混凝土。

一般鋼筋建議選用HPB300及HRB400型鋼筋，該鋼筋的技術(shù)參數(shù)必須滿足GB1499.1 《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》及GB1499.2 《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》的要求。

框架橋的橋面和兩側(cè)路基，在頂板施工之前，應(yīng)先對其進(jìn)行灌漿，以避免在頂板施工時(shí)出現(xiàn)塌方；在框架橋施工過程中，在邊墻兩側(cè)設(shè)置管道，施工完畢后，對框架橋兩側(cè)的路基、橋梁過渡段進(jìn)行灌漿加固，并用級配砂石回填，對邊坡進(jìn)行灌漿加固，以確保施工過程中路基的緊實(shí)度和穩(wěn)定。并采用雷達(dá)物探檢測。為保證頂進(jìn)方向的準(zhǔn)確，在框架橋兩側(cè)滑板上設(shè)置導(dǎo)向墩，工作坑鐵路路基側(cè)，采用1:1放坡，噴射混凝土加固，后背填土應(yīng)嚴(yán)格夯實(shí)[2]。

橋下主路道路路面采用12cm瀝青混凝土+1cm乳化瀝青透層和SBS改性瀝青防水層+36cm水泥穩(wěn)定碎石+20cm石灰粉煤灰綜合穩(wěn)定土。

（1）本設(shè)計(jì)適應(yīng)列車慢行45km/h的要求。架空加固長度為80m；挖支點(diǎn)樁前應(yīng)對無縫線路進(jìn)行應(yīng)力放散，線路架空后應(yīng)對線路進(jìn)行應(yīng)力回放。（2）施工期間采用組合工便梁對既有線路進(jìn)行防護(hù)，縱梁采用I115型工便梁，梁高1150mm，翼緣寬380mm，節(jié)長為8、10、12m不等，根據(jù)加固長度需要組合，采取等強(qiáng)聯(lián)結(jié)，本設(shè)計(jì)采用8根10m縱梁拼接成型計(jì)列連接部位相關(guān)工程數(shù)量；橫抬梁組采用H70梁2根，每根長12m，采用等強(qiáng)拼接，橫抬梁與縱梁采用Φ22U型螺栓聯(lián)結(jié)。（3）為確保線路架空加固安全穩(wěn)定、使縱橫梁的強(qiáng)度、變形滿足要求，在鐵路線路兩側(cè)對應(yīng)縱橫梁交叉位置處設(shè)置直徑1.5m（不含護(hù)壁）的C30鋼筋混凝土支點(diǎn)樁。（4）在框架頂進(jìn)方向，南疆鐵路下行線中心6.87m處對應(yīng)支點(diǎn)樁的位置上設(shè)置鋼筋混凝土抗橫移樁，樁頂設(shè)抗橫移托梁。托梁及支撐樁在框架橋頂進(jìn)到位后拆除。（5）支承樁的樁頂標(biāo)高可視具體條件而定，在支承樁的頂部設(shè)置蓋梁，蓋梁的高度略低于基床表面標(biāo)高。枕木在帽梁頂部和橫梁之間必須鋪上足夠厚的墊層。（6）頂進(jìn)橋梁時(shí)，隨頂進(jìn)逐漸清除橋頂以上全部填土及道砟，使線路完全架空。當(dāng)橫抬梁進(jìn)入框架上后，在橫抬梁下設(shè)置萬向滑車。頂進(jìn)時(shí)按頂鎬行程，每次頂進(jìn)不大于0.5m，在箱身前進(jìn)后頂鎬活塞回復(fù)原位，在空檔處加入頂鐵，以待下次開鎬，如此循環(huán)往復(fù)，直到箱身就位。在頂進(jìn)到挖孔樁時(shí)，要把箱體上方的支點(diǎn)墊緊，確保電線全部在平穩(wěn)可靠后才能拆卸挖孔樁，但拆卸之前要把支點(diǎn)上的墊木拆下來。挖孔樁的下部拆除至比箱形橋底板底面低0.5m，然后采用碎石土填料進(jìn)行回填夯實(shí)。（7）在施工過程中，要安排專門的人員對線路的跨越情況進(jìn)行監(jiān)控，并在車輛通過后，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行快速處理，確保線路的標(biāo)高和各個(gè)部件的連接是安全的。（8）線路加固系統(tǒng)共計(jì)使用各種挖孔樁43根，其中直徑1.5m（不含護(hù)壁）長12m的縱梁支點(diǎn)樁10根；直徑1.5m（不含護(hù)壁）長8.0m的縱梁支點(diǎn)樁4根；直徑1.5m（不含護(hù)壁）長12m的縱梁抗側(cè)移樁5根；直徑1.2m（不含護(hù)壁）長12m的防護(hù)樁24根[3]。

5 結(jié)論

框架橋由于自身的優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛的使用。頂進(jìn)式框架橋在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）下穿框架橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要正確設(shè)置頂?shù)装宓某叽?，并使孔跨比在合理的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，保障橋體結(jié)構(gòu)的安全經(jīng)濟(jì)。2）框架橋頂板頂距軌底距離在滿足線路加固要求的基礎(chǔ)上可以降低橋頂?shù)理暮穸?，并且可以抬高道路縱斷，減小挖深，縮短下挖段引道長度，同時(shí)減少線路加固的難度。3）框架橋的橋面和兩邊的路基，在頂板施工之前，應(yīng)先對其進(jìn)行灌漿，以避免在頂板施工中出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象；框架橋在頂板施工過程中，在邊壁兩邊設(shè)置管道，在頂板到位后，對框架橋兩邊的路橋轉(zhuǎn)換處進(jìn)行灌漿處理，對兩邊坍塌處進(jìn)行級配砂壓實(shí)處理，并對邊壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，以確保頂板施工后的地基壓實(shí)及穩(wěn)定，同時(shí)利用雷達(dá)物探技術(shù)對其進(jìn)行探測。4）工作坑背板的設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到構(gòu)筑物頂入最大頂入壓力，避免在構(gòu)筑物頂入時(shí)出現(xiàn)開裂或傾覆現(xiàn)象，造成工程進(jìn)度延遲。