大跨度框架頂進施工時鐵路雙線線路加固技術研究

陳俊超

摘要：本文以下穿太焦鐵路的框架頂進施工為例，詳細說明了大跨度、雙線鐵路（線間距過小，線間無法設置支墩孔樁）的線路加固方法。并重點闡述了I100大工字鋼、[3703]組合構件在線路加固中的應用，以期為此類困難條件下的線路加固提供參考。

Abstract： This article takes the frame jacking construction of the Taiyuan-Jiaozuo Railway as an example， and explains in detail the line reinforcement method of the large-span and double-track railway （the line spacing is too small， buttress hole piles cannot be set between the lines）. It also focuses on the application of I100 large I-beam and [3703] composite members in line reinforcement， in order to provide reference for line reinforcement under such difficult conditions.

關鍵詞：大跨度框架;雙線鐵路;線路加固;I100大工字鋼;[3703]組合構件

Key words： long-span frame;double-track railway;line reinforcement;I100 large I-beam;[3703] composite member

中圖分類號：U445.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0147-03

0 ?引言

道路及涵洞等工程下穿鐵路的施工建設通常采取預制后頂進法施工，為了維持鐵路的正常運營，對鐵路線路進行防護、加固是必不可少的，但隨著頂進框架等構筑物跨度日趨增大，且施工環(huán)境也是復雜多變，線路加固及防護的技術難度也是越來越大。本文以下穿太焦雙線鐵路大跨度的框架頂進施工為例，總結了在復雜及困難的施工條件下，下穿雙線鐵路大跨度框架頂進時的線路加固方法，以期探索、研究出更為安全可靠、技術可行的線路加固而方案。

1 ?工程概況及技術難點

長治市黑臭水體治理工程（穿太焦鐵路工程）及涉鐵地段河道整治工程位于石子河與太焦鐵路交叉處。新建北側人行步道及污水涵與太焦鐵路交叉處里程為K241+907.18，南側人行步道及污水涵與太焦鐵路交叉里程為K242+038.1、河道擴孔涵與太焦鐵路交叉處里程為K242+024.2，3座箱涵與太焦鐵路交叉角度均為90°，采用線路架空頂進法施工，頂進方向為自東向西。其中南岸新建污水涵與南岸新建河道擴孔涵為緊鄰設計，采取一次同時頂進法施工。南岸新建污水涵順鐵路橋長5.5m，橫鐵路橋長13.5m，結構全高8.9m，中間設置2層水平隔板，分別形成走人、過污水及電纜管線預留倉。南岸新建河道擴孔涵順鐵路橋長21.7m，橫鐵路橋長13.5m，結構全高8.9m，為2×9.5m雙孔連體涵。由于其中南岸新建污水涵與南岸新建河道擴孔涵共同頂進的框架總跨度達27.8m，需架空太焦鐵路長度達30m。且太焦鐵路雙線的線間距僅為4m，股道間無法設置孔樁支墩，故傳統(tǒng)的型鋼，或是D型便梁均不適合用于本項目的線路加固，需探索及研究新型的線路加固方案。

2 ?線路加固的設計方案

在對以往各類線路加固方案進行總結的基礎上，參考類似施工條件的線路加固方案，并進行了充分的優(yōu)化及評估，本項目南岸框架涵頂進采取的線路加固方案如下：設計方案按縱、橫向硬支點架空線路后頂進。路架空采用“縱橫抬梁”法。采用I100大工字鋼作為線路加固的縱梁，2根一組，縱梁設在太焦鐵路的兩側，縱梁總長度為48m，孔跨設計為7.75m+10.5m+10.5+9m。因太焦上行、下行的線間距僅為4m，難以在線間設置孔樁支墩，故僅在太焦上行、下行線間布置了壓梁，以增強線路加固體系的整體穩(wěn)定性，壓梁為2根一組[3703]組合構件。線路加固的橫抬梁全部采用[3703]組合構件，其長度為12m，按0.6間距布設。本項目還在支墩頂上布設支點式橫梁5組，5根[3703]組合構件為一組。其中3組橫橫梁長度12m，2組梁長18m（末端固定在抗橫移樁上，以避免線路橫移）。采用U型螺栓和吊梁角鋼設置雙螺母將橫抬梁、支點橫梁與縱梁聯(lián)結成整體。為了確保線路架空加固安全穩(wěn)定，使縱、橫梁的強度、變形滿足要求，在上行線和下行線兩側對應縱梁與橫梁組交點位置設置直徑1.5m（不含護壁）的C30鋼筋混凝土支墩樁，樁長分別為11m和15m，共計8根（15m長支墩樁6根、11m長支墩樁2根）;為避免線路橫向滑移，在框架橋頂進前方的支墩樁的外側7m處設置2根抗橫移樁，直徑1.5m（不含護壁）的C30砼樁，樁長15m。為確保鐵路路基的安全，在新建污水涵的南側，布設直徑1.25m的路基防護樁8根，樁間距按2m，樁長為14.0m。線路加固體系的結構布置如圖1、圖2、圖3所示。

3 ?線路加固施工關鍵技術

3.1 架空準備 ?線路加固及框架頂進實施前，對操作人員、防護人員及現(xiàn)場管理人員進行既有線施工的安全培訓。并嚴格按規(guī)定履行施工申報審批手續(xù)，現(xiàn)場的施工組織嚴格按經鐵路相關部門批準的方案組織實行。將螺栓、拼接板、扣件、軌距桿、I100大工字鋼、[3703]組合構件、U型螺栓等線路加固用材料提前備好和加工，施工所需施工機具進入現(xiàn)場。施工期間（包括支墩孔樁挖掘、線路加固及頂進框架），限制列車通行施工點的速度為45km/h，框架頂進就位，且恢復太焦線路后，再按正常速度通行列車。慢行、要點都在長治車站登記，并按規(guī)定在長治車站派駐聯(lián)絡員，嚴格按照有關規(guī)定在工點兩端的線路上的規(guī)定位置設置慢行防護等標志，和安排足夠的合格防護人員進行防護。

3.2 線路應力放散 ?由于太焦鐵路正線為無縫線路，為避免線路在施工期間出現(xiàn)爬行及脹軌（縮軌）跑道，在實施太焦鐵路線路加固前，對太焦鐵路鋼軌進行應力放散。

3.3 橫抬梁組、橫梁穿設 ?線路加固的橫抬梁、橫梁全部采用人工穿梁。橫抬梁及支墩孔樁上的橫梁采取分開穿設。在線路西側用土填筑作業(yè)平臺，橫梁利用吊車吊裝至作業(yè)平臺上，使用25T吊車，或挖掘機配合人工穿設，首先安排人工扒除擬穿橫抬梁及橫梁組位置處的枕木盒內道碴，然后再用汽吊、挖掘機吊起橫抬梁，配合人力穿入。按“隔六穿一”原則穿設[3703]組合構件橫抬梁，橫抬梁從太焦上下行線鋼軌軌底穿過。橫抬梁組通穿線路，按照太焦下行軌軌底控制，利用雜木板和絕緣膠墊對高差進行調整。支墩樁樁頂標高根據(jù)實際架空要求確定，支墩樁樁頂標高需稍低于路基面標高。慢行開始后組織人員清理樁頭，根據(jù)縱梁安放位置穿設橫抬梁，支墩樁位置應先穿設支點橫抬梁，樁頂與橫梁間應滿鋪枕木。為了避免聯(lián)電，在鋼軌與橫抬梁、橫梁組間加墊絕緣墊板絕緣。采用U型螺栓和吊梁角鋼設置雙螺母將橫抬梁、橫梁與縱梁聯(lián)結成整體。

3.4 縱梁架設 ?線路兩側布置架空縱梁共計12片，每側6片16m長I100工字鋼（3片一組，共2組），線路中間設2片一組[3703]壓梁，單側長度48m?？v梁采用100t汽車起重機吊裝方式就位。吊裝縱梁在封鎖點內施工，在線路東、西側同時進行縱梁吊裝，根據(jù)方案提前規(guī)劃構件存放位置，按照吊裝施工的先后順序分別存放各種構件。吊裝施工嚴格按照起重機操作規(guī)程進行，吊裝工作準備就緒后，先試吊檢測，確認采用的吊裝方案合理、機械設備運行正常后，方可進行縱梁的正式吊裝。

3.5 線路參數(shù)控制

3.5.1 軌距控制 ?因為砼枕能夠使軌距得到較好的控制，故不抽換架空范圍內的砼方枕，以確保軌距符合要求。

3.5.2 線路橫向控制 為避免線路橫向滑移，在框架橋頂進前方的支墩樁的外側7m處設置2根抗橫移樁，因在頂進后期，線路加固的東側支點需轉移至框架頂上，為了減少橫梁與框架砼面間的摩阻力，在兩者之間設置滾杠;且并排的兩個框架采取分步錯時頂進，減少同時滑動的支點，以降低頂進作用于線路的摩阻力。

3.5.3 線路下沉、偏移處理措施 ?出現(xiàn)線路下沉、偏移等現(xiàn)象時，立即停工。在工點兩端的線路旁設置防護標志，隨時攔停列車，并將險情通報鄰近的長治、大辛莊車站，扣發(fā)列車。然后上足道砟，對股道起道、撥道，確認達到臨時補修條件后，限速放行列車，隨后再繼續(xù)整修線路，直至達到正常運營標準。

3.6 線路架空期間檢查維修及巡養(yǎng)制度 ?①從開挖支墩孔樁，直至拆除線路加固體系，并恢復線路前。在現(xiàn)場按《技規(guī)》要求設置減速信號標、作業(yè)標及移動停車信號標。嚴格按鐵路管理部門的要求配備現(xiàn)場防護人員，做好每趟通過列車的接車，按規(guī)定出示信號。②線上所有施工人員嚴格執(zhí)行既有線施工安全規(guī)定，并做好記錄。嚴格執(zhí)行交接班制度，嚴禁擅自撤離工作崗位。③安排線路巡道工24h不間斷對線路幾何尺寸、支撐體系的防聯(lián)電、防木撐侵限等進行巡查，除了要求每通過一列列車都必須認真檢查線路后，日常線路檢查間隔時間不得超過2h，并認真填寫線路檢查記錄。建立建全交接班制度，出現(xiàn)問題及時處理。

4 ?線路加固穩(wěn)定性驗算

4.1 容許應力 ?線路加固作為主要承載結構的縱梁與橫抬梁為臨時結構，故屈服強度按70%設定，即[σw]=210MPa。低碳鋼Q235彈性模量按：E=210GPa。

4.2 容許撓度 ?根據(jù)規(guī)范要求，最大容許撓度不得超過計算跨度的1/400。

4.3 主要參數(shù) ?①I100大工字鋼：高h：1000mm，寬b：360mm，腹板厚d：19mm，截面積A：462.8cm2，每延米重量：420kg/m，截面慣性矩Ix：787228cm4，截面抵抗矩Wx：13900cm3。②[3703]組合構件：高h：420mm，寬b：200mm，腹板厚d：21mm，截面積A：172cm2，每延米重量：145kg/m，截面慣性矩Ix：75712cm4，截面抵抗矩Wx：3442cm3。

4.4 縱梁檢算 ?線路加固縱梁為2根一組的I100大工字鋼，橫抬梁為單根[3703]組合構件，由線路加固設計方案可知，縱梁的最大跨度為L=10.5m。

按簡支梁進行縱梁承載檢算，列車荷載查《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》（附錄C），列車荷載通過內插法換算成均布荷載q1=143.8kN/m。

其上的線路設備荷載取q2=5.1kN/m;橫抬梁重量荷載q3=（（10.5/0.6）×145×12×10）/（2×10.5×1000）=14.5kN/m;縱梁自重：q4=（2×420×10）/1000=8.4kN/m;列車沖擊系數(shù)按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》的規(guī)定，計算得1.06。

彎矩：M=（q2+q3+q4）L2/8+1.06×q1L2/8=（5.1+14.5+8.4）×10.52/8+1.06×143.8×10.52/8=2486.5kN·m

強度：σ=2486.5×1000/（2×13900）=89.4MPa<210MPa

撓度：fmax=（5（q1+q2+q3+q4）L4）/（384EI）=5×（143.8+5.1+14.5+8.4）×10.54/（2×384×210×787228）=0.0081m<10.5/400=0.02625m

故跨度為10.5m的縱梁能夠滿足承載要求。

4.5 橫抬梁檢算 ?檢算橫抬梁時，現(xiàn)行的現(xiàn)行機車最大軸重取P=250kN，軸距為1.5m。橫抬梁按0.6m一根布設。并考慮沖擊作用和橫抬梁承載的不均勻性，在限速不超過40km/h時，其綜合不均勻系數(shù)按1.5。故活載作用于單根橫抬梁的荷載為：P1=1.5×220/（1.5/0.6）=132kN。

單根橫抬梁所承受的自重、股道荷載經計算得：P2=20kN。

框架橋頂進自東向西進行，當頂進接近東側支墩孔樁時，需將橫抬梁的支點轉移至框架頂上，然后進行東側支墩孔樁的破除。此時，橫抬梁最大跨度為10m，當框架向前繼續(xù)頂進時，橫抬梁的跨度是逐漸減小的，故破除東側支墩孔樁后，橫抬梁為最不利工況。這時橫抬梁承載檢算如圖4所示。

4.5.1 強度計算 ?通過承載檢算圖（圖4）可以知道，橫抬梁最大彎矩出現(xiàn)在外側3.5m處的受力點。

支座反力：RA=136.8kN，RB=167.2kN;Mmax=3.5RA=3.5×136.8=478.8kN·m;應力：σ=Mmax/W=478.8/0.003442=139105kPa=139.1MPa<170MPa。

4.5.2 撓度計算 ?fmax=21.1mm<[f]=10000/400=25mm。

故橫抬梁能夠滿足承載要求。

4.6 支墩孔樁檢算

4.6.1 線路各荷載的確定 ?根據(jù)線路加固方案設計圖，可得支墩孔樁最大間距10.5m;樁徑1.5m;樁長為15m。

線路活荷載q=143.8kN/m，列車活載總重：143.8×10.5=1509.9kN;跨度10.5m范圍內的縱梁、橫抬梁及線路設備等靜荷載經計算得：324.5kN;孔樁自重為：0.752×3.14×15×2.5×9.8=649kN;單根支墩孔樁承受的總荷載：F=324.5+1509.9+649=2483.4kN。

4.6.2 磨擦樁軸向受壓的容許承載力 ?按《橋涵基礎設計規(guī)范》，摩擦樁軸向受壓的容許承載力：

=0.5×（3.14×1.5×（0.7×40×4+0.9×40×11）+1×0.752×3.14×1600）=2609kN

上式中各符號含義見《橋涵基礎設計規(guī)范》，各參數(shù)取值來源于加固設計方案及地質勘察報告。

4.6.3 樁結構的確定 ?F=2483.4kN<[P]=2609kN，故支墩孔樁承載力滿足要求。

樁頂應力：σ=2483.4/（0.752×3.14）=1406kPa=1.406MPa。

C30砼：[σ]=30MPa，故支墩孔樁采用C30砼滿足要求。

5 ?結束語

在本項目大跨度框架頂進法施工時采用I100大工字鋼作為線路加固的縱梁，[3703]組合構件作橫抬梁，以上兩種施工器材均承載能力強，使用靈活，構建的線路加固體系穩(wěn)固安全，克服了型鋼、D型施工便梁進行線路加固的局限性，解決了線路縱、橫向大跨度的加固難題，對類似項目頂進施工的線路加固方案設計有較強的借鑒意義。

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