頂進框架橋鐵路線路架空加固設計

李春填 LI Chun-tian

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司廈門分院，廈門 361010）

0 引言

頂進框架橋下穿既有鐵路運營線可在不中斷鐵路運行的條件下實現(xiàn)道路與鐵路分離立交。框架橋建成通車后對既有鐵路線路運營干擾小，因此被廣泛應用于既有鐵路平交道口改造或者新建公路、市政道路下穿既有鐵路。在頂進框架橋施工中，對既有鐵路線路進行架空加固是確保行車及施工安全的首要條件。選用線路架空加固方案既要保證對鐵路運營干擾較小，又能保證鐵路運輸安全，同時施工又簡單便捷。頂進框架橋鐵路線路架空加固方案應根據(jù)框架橋結(jié)構(gòu)尺寸、場地地質(zhì)條件、框架橋頂覆土厚度、施工期間地下水位變化情況等綜合確定。本文針對鐵路大型貨場內(nèi)下穿直線鐵路專用線及半徑200m 的曲線鐵路專用線分別采用低高度施工便梁和縱橫抬梁進行線路加固和計算分析。

1 工程概況

現(xiàn)狀前場二路與貨場內(nèi)兩條專用線鐵路平面交叉，南線與前場二路交叉樁號為K0+323.0，斜交角度為90°，北線與前場二路交叉樁號為K0+409.5，斜交角度為85°。貨場內(nèi)南北兩條既有鐵路線間距86m，均為有縫單線鐵路，P50 鋼軌，軌枕為鋼筋混凝土枕?，F(xiàn)狀平交道口設置P50橡膠道口板以保證貨場內(nèi)現(xiàn)狀前場二路通行。本項目新建市政道路穿越貨場，既滿足社會車輛對貨場鐵路運營影響小，又有較高的通行效率。本項目擬新建下穿通道下穿既有大型貨場，設置頂進框架橋穿越既有貨場鐵路，實現(xiàn)主干路與貨場立體分離，互不干擾。

本項目頂進框架橋建筑限界考慮單向三車道及兩側(cè)側(cè)向?qū)挾?、檢修通道，確定下穿通道標準段凈寬13.2m，頂進框架結(jié)構(gòu)高度6.8m。受鋼便梁跨度限制，南側(cè)貨場軌道頂進框架橋采用雙孔分離鋼筋砼結(jié)構(gòu)斷面，頂板厚1.0m，底板厚1.1m，側(cè)墻厚0.9m，框架內(nèi)結(jié)構(gòu)凈高6.8m。北側(cè)貨場軌道因鐵路線路半徑為200m＜400m，不具備低高度施工便梁架設條件，需采用縱橫抬梁加固線路，頂進框架橋采用雙孔連續(xù)鋼筋砼結(jié)構(gòu)斷面，頂板厚1.0m，底板厚1.1m，側(cè)墻厚0.9m，中墻厚0.8m，框架內(nèi)結(jié)構(gòu)凈高6.8m?？蚣芫捎肅40 防水砼現(xiàn)澆，抗?jié)B等級P8。頂進框架橋頂板頂與軌底凈距按1.5m 控制。

2 線路加固設計方案

框架橋頂進設計的關鍵是確定鐵路線路加固方案以保障既有鐵路線路的穩(wěn)固，確保鐵路安全運營，萬無一失。頂進框架橋應根據(jù)線路、行車、地質(zhì)和地下水情況并結(jié)合框架橋結(jié)構(gòu)尺寸大小、覆土厚薄等綜合考慮，確定恰當?shù)木€路加固形式，以保證頂進時的行車安全。低高度施工便梁法和縱挑橫抬法是頂進框架橋既有線路加固常用的方法[1]，這兩種線路加固方法特別適用于框架橋頂板以上覆土很薄的大跨度框架橋。常規(guī)的D 型施工便梁適用于曲線半徑大于等于400m 且跨徑小于16m 的分離式框架橋的加固。而縱挑橫抬加固法可適用于多跨連續(xù)式框架橋及小曲率半徑框架橋。結(jié)合本項目兩條專用線鐵路的特點，因地制宜地設計頂進框架橋穿越鐵路，選取合理可行的線路加固方案。

2.1 南側(cè)頂進框架橋線路加固方案

本項目穿越南側(cè)貨場鐵路專用線處，鐵路路線平面位于直線段，具備D 型低高度便梁架設條件。該頂進框架橋左側(cè)距離現(xiàn)狀信號設備及道岔轉(zhuǎn)轍機較近，其中，左幅框架側(cè)墻邊緣距信號設備凈距為12.7m，距岔尖凈距16.9m，距道岔轉(zhuǎn)轍機凈距18m。線路加固擬優(yōu)先采用D16、D24型施工鋼便梁，鋼便梁支墩采用鋼筋混凝土蓋梁下設人工挖孔樁。根據(jù)工電橋房函[2020]48 號文第一條第8 款規(guī)定：框構(gòu)頂進線路架空長度不應小于軌底至框構(gòu)底板底面高度的2 倍+框架橋全長+5m。右幅框架頂進采用D16+D24+D16 鋼便梁加固線路，架空長度（16+24+16）=56m＞（2×9.7+15+5）=39.4m，南線右幅框架頂進線路加固詳見圖1。左幅框架頂進若采用D16+D24 鋼便梁加固線路，則線路加固范圍進入道岔岔尖，因道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)及設備復雜，對變形要求較高。因此擬采用D24 鋼便梁結(jié)合鐵路路基注漿加固及縱橫抬梁進行線路加固，南側(cè)左幅框架頂進線路加固詳見圖2。

圖1 南線右幅框架頂進線路加固圖

圖2 南線左幅框架頂進線路加固圖

2.2 北側(cè)頂進框架橋線路加固方案

本項目下穿框架橋穿越北側(cè)貨場鐵路專用線處，鐵路路線平面位于曲線段，曲線半徑為200m。D 型鋼便梁加固法適用于曲線半徑≥400m 的單線或多線鐵路，本條鐵路線受平面線型限制，便梁加固法已不適用，因此考慮采用縱橫抬梁結(jié)合3-5-3 扣軌進行線路加固。為保證縱橫抬梁加固體系的可靠穩(wěn)定，加固前預先對鐵路路基進行注漿加固，以增強路基體粘結(jié)性，改善路基土質(zhì)性狀。支墩采用1.5m 人工挖孔樁，抗橫移樁采用1.25m 人工挖孔樁?？v挑梁由三根I56b 工字鋼聯(lián)結(jié)成一束，單層布置，單束采用A22 圓鋼U 型扣扣成整體[2]。橫抬梁采用9m、12m 的I56b工字鋼，相鄰橫抬梁中心間距按1m 布置，橫抬梁與縱挑梁及砼枕采用A22 圓鋼U 型扣扣成整體，所有橫抬梁與鋼軌間設置絕緣墊形成可靠絕緣，防止軌道電路短路而引起對信號的干擾[3]。框架頂進采用縱橫抬梁加固長度58.61m＞（2×9.7+29+5）=53.4m，滿足工電橋房函[2020]48 號文第一條第8 款規(guī)定：框構(gòu)頂進線路架空長度不應小于軌底至框構(gòu)底板底面高度的2 倍+框架橋全長+5m 的規(guī)定。線路加固施工在線路封鎖要點內(nèi)完成。線路加固完成后能保證列車運行時速不大于45km/h，北線框架頂進線路加固如圖3 所示。

圖3 北線框架頂進線路加固平面圖

3 線路加固設計分析

3.1 南側(cè)頂進框架線路加固計算

南側(cè)頂進框架采用鐵路線路加固常用的D 型施工便梁具有運輸和拆裝方便的特點。D 型鋼便梁被廣泛應用于鐵路線路加固中，工藝成熟，可靠度高。D 型鋼便梁線路架空縱橫梁的強度、撓度均能滿足規(guī)范要求，本文不再贅述。因此，對于D 型鋼便梁的線路加固計算關鍵在于便梁支墩的檢算。針對本項目人工挖孔樁支墩，下面主要闡述其豎向承載力的驗算過程。

本項目豎向荷載最不利工況為D24 型施工便梁及D16 型施工便梁均支承1.8m 人工挖孔樁支墩上。支墩所承受的豎向荷載主要有自鋼便梁傳遞下來鋼軌自重、系梁自重、D 型施工便梁自重、混凝土軌枕自重以及列車豎向靜活載（中-活載）[4]。鋼便梁樁基豎向荷載按照簡支梁計算，采用影響線加載進行疊加，計算所得鋼便梁人工挖孔樁支墩最大豎向荷載為1730.9kN。根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》TB 10093-2017 第6.2.2-2 條，支墩容許承載力為[P]=U∑fili+m0A[σ]=4313.4kN＞1730.9kN，滿足要求。

3.2 縱橫抬梁計算分析

采用Midas Civil2020 計算軟件，建立縱挑橫抬梁空間有限元模型，分析縱橫梁體系在包括軌道、枕木、扣件、扣軌梁等恒載及列車活載作用下的受力與變形狀態(tài)。列車活載按照計入動力系數(shù)的“中-活載”考慮，動力系數(shù)根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》TB10091-2017 計算?？v橫梁采用空間梁單元模擬，縱橫梁連接采用彈性連接，位移協(xié)同，釋放轉(zhuǎn)角自由度。因頂進過程中路基存在沉降問題，計算模型中將橫梁與路基的連接作為安全儲備，忽略路基對橫梁彈性支承的有利作用。橫梁與支撐樁及抗橫移樁之間按照固結(jié)考慮。縱橫抬梁線路加固有限元計算模型詳見圖4。

圖4 縱橫抬梁線路加固有限元模型

3.2.1 縱橫抬梁強度驗算

橫梁及縱梁均按照一個主平面內(nèi)變形的純彎構(gòu)件，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》TB10091-2017 第4.2.1-2、4.2.1-6 條進行構(gòu)件強度驗算。Q235 鋼材容許應力分別為：容許彎曲應力[σW]=140MPa；容許剪應力[τ]=80MPa。因縱橫抬梁為臨時結(jié)構(gòu)，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》TB10091-2017 第3.2.8 條，考慮1.2 的容許應力提高系數(shù)后的容許彎曲應力、容許剪應力分別為：168MPa、96MPa。最不利工況下縱橫梁計算結(jié)果如下：

縱梁強度驗算：

橫梁強度驗算：

綜上所述，縱橫抬梁的彎曲應力及剪應力均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 縱橫抬梁剛度驗算

根據(jù)《普速鐵路工務安全規(guī)則》鐵總運[2014]272 號，附表3-3，梁體在靜活載下的撓度不應大于跨度的1/400。本項目最不利工況下橫梁最大撓度為8.04mm＜5300/400=13.25mm，撓度計算滿足規(guī)范要求。

3.2.3 支墩驗算

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，本項目縱橫抬梁人工挖孔樁支墩最大豎向荷載為711.8kN。根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》TB 10093-2017 第6.2.2-2 條，支墩容許承載力為[P]=U∑fili+m0A[σ]=2400.3kN＞711.8kN，滿足要求。

4 結(jié)語

頂進框架橋施工時鐵路線路加固需根據(jù)項目現(xiàn)場實際情況，合理選擇安全可靠、方便施工的線路加固方案。本項目針對鐵路線路的不同特點，對于鐵路線路平面處于曲線段的頂進框架橋采用3-5-3 扣軌結(jié)合縱橫抬梁加固方案；對于鐵路線路平面處于直線段，且單側(cè)臨近信號設備及道岔轉(zhuǎn)轍設備的頂進框架橋采用D 型施工便梁+縱橫抬梁結(jié)合注漿加固方案，解決了頂進框架橋施工中線路架空加固的難題。本項目在保證鐵路安全運營的前提下對鐵路線路進行加固設計，為大跨度框架橋下穿既有鐵路頂進的類似工程積累了經(jīng)驗。