雙孔框構(gòu)橋下穿重載鐵路頂進(jìn)施工條件下線路加固技術(shù)研究

尚培培

（國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北滄州 062350）

下穿鐵路頂進(jìn)施工是公路或城市道路穿越鐵路的常見(jiàn)形式。頂進(jìn)法可以在不中斷鐵路運(yùn)營(yíng)的情況下將預(yù)制結(jié)構(gòu)頂進(jìn)，與既有鐵路形成立體交通模式。頂進(jìn)法施工工藝成熟，安全性高，已得到了廣泛應(yīng)用［1-6]。朔黃鐵路屬國(guó)家Ⅰ級(jí)干線、雙線、電氣化重載鐵路，是我國(guó)西煤東運(yùn)的第二大運(yùn)輸通道，年運(yùn)量已經(jīng)突破3 億t。隨著朔黃鐵路1 萬(wàn)t、2 萬(wàn)t 列車的規(guī)模化開(kāi)行以及30 t 軸重列車的試驗(yàn)開(kāi)行，對(duì)全線橋梁結(jié)構(gòu)安全提出了更高的要求［7]。重載鐵路上部列車荷載作用明顯，對(duì)線路和下部基礎(chǔ)要求嚴(yán)格。因此，如何在保證施工安全和重載鐵路運(yùn)營(yíng)安全的條件下，減少頂進(jìn)施工對(duì)線路結(jié)構(gòu)的不利影響，已經(jīng)成為亟待解決的問(wèn)題。

本文以新建2×17 m框構(gòu)橋下穿朔黃鐵路施工為工程背景，開(kāi)展大跨度框構(gòu)橋頂進(jìn)施工過(guò)程中重載鐵路限速運(yùn)營(yíng)下線路穩(wěn)定性分析和加固技術(shù)研究，提出合理的加固方案和措施，制定關(guān)鍵施工工藝和操作流程，以保障頂進(jìn)施工安全順利進(jìn)行。

1 工程概況

河北省平山縣鋼城路下穿朔黃鐵路立交橋工程，位于鋼城路與朔黃鐵路交匯處。在朔黃鐵路重車線里程K248+184 處有一座既有蓋板涵，鋼筋混凝土蓋板涵凈寬5 m，凈高4 m，邊墻為漿砌片石。既有蓋板涵已不能滿足新建道路通行要求，需拆除并在此涵小里程方向8.38 m 處新建2 × 17 m 框構(gòu)橋。在不中斷鐵路行車的條件下，一邊拆除既有涵洞，一邊頂進(jìn)新建框構(gòu)橋。

朔黃鐵路為雙線電氣化鐵路，通行5000 t、1 萬(wàn)t、2萬(wàn)t列車。橋位處雙線均為直線，線間距4 m，路基填方高度約7 ～8 m。軌道類型為有砟軌道，面向黃驊港方向，左線為上行重車線，鋼軌型號(hào)為75 kg/m，軌枕為Ⅲ型枕；右線為下行空車線，鋼軌型號(hào)為60 kg/m，軌枕為Ⅱ型枕。新建框構(gòu)橋中心線與朔黃鐵路重車中心線的法線夾角為18.1°。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：頂板厚1.2 m，底板厚1.3 m，邊墻厚1.2 m，中墻厚1.1 m，刃角長(zhǎng)4.5 m，平衡重長(zhǎng)4 m，凈高7.6 m，框構(gòu)主體垂直鐵路寬度為19.5 m。框構(gòu)橋頂進(jìn)施工期間，線路限速45 km/h。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆探勘查資料，框構(gòu)橋及其擋墻基底位于粉土層上，地基基本承載力為130 kPa。

污水、雨水、天然氣管道防護(hù)涵采用頂管施工，在框構(gòu)橋兩側(cè)頂進(jìn)?？驑?gòu)橋小里程端為雨水、天然氣管道防護(hù)涵，大里程端為污水管防護(hù)涵。根據(jù)《鐵路頂管通用圖》（京橋通-5002），天然氣管道防護(hù)涵采用φ1550 T12-S型混凝土管；雨水、污水管道防護(hù)涵采用φ2150 T12-S型混凝土管，管口形式均為雙插式。

2 加固方案設(shè)計(jì)

在橋涵頂進(jìn)既有線施工過(guò)程中，首先保證既有線的列車運(yùn)營(yíng)安全，其次保證頂進(jìn)結(jié)構(gòu)安全。線路不變形、不沉降、不滑移是保障列車運(yùn)營(yíng)安全的首要前提，頂進(jìn)施工時(shí)必須提前對(duì)線路進(jìn)行加固。

2.1 加固方案

既有線橋涵頂進(jìn)前，應(yīng)根據(jù)線路情況（如直線、曲線、無(wú)縫線路、普通線路、軌枕類型、單線、多線、電氣化、高程等）、橋涵跨徑、運(yùn)輸要求、地質(zhì)水文氣象條件、路基土質(zhì)、覆土厚度、施工季節(jié)等因素，確定線路加固方案。目前，有吊軌、鋼便梁、吊軌縱橫梁3 種加固方法。①吊軌法一般用于直線地段且孔徑小于3 m的橋涵，要求路基土質(zhì)較好。②鋼便梁法將鐵路搶修器材B 型或D 型鋼便梁沿線路方向布置于兩側(cè)，利用鋼便梁的橫梁將線路抬起，框架涵（橋）頂進(jìn)時(shí)活載全部由鋼便梁承擔(dān)。受鋼便梁跨度的限制，該方法一般用于跨度（斜跨）小于24 m 的橋涵。③吊軌縱橫梁法是在吊軌法的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，橫梁垂直于線路方向放置于枕木下方，縱梁放置于橫梁上。將線路抬起，橫梁一端支撐在框架涵（橋）的前端，一端支撐在線路另一側(cè)的支撐樁上，然后將縱梁和橫梁固定，頂進(jìn)時(shí)框架涵（橋）相對(duì)橫梁移動(dòng)。該方法適用于橋涵孔徑較大，箱頂無(wú)覆蓋土的線路加固，線路與橋涵正交、斜交均可使用。綜合參考以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，本次新建2×17 m 框構(gòu)橋頂進(jìn)施工采用吊軌縱橫梁法加固線路。

線路加固方案［8]中將3-5-3扣軌作為吊軌梁，采用橫抬縱挑法布置工字鋼縱橫梁的加固體系，主要包括路基注漿，安裝3-5-3 扣軌，設(shè)置路基防護(hù)樁、支撐樁、抗橫移樁，鋪設(shè)縱橫梁等內(nèi)容。線路加固方案初步設(shè)計(jì)如下：加固總長(zhǎng)度為91.12 m，頂進(jìn)方向由南向北。施工時(shí)先對(duì)既有路基進(jìn)行注漿加固，再對(duì)無(wú)縫線路進(jìn)行應(yīng)力放散，將加固段混凝土枕全部抽換成長(zhǎng)木枕，然后采用3-5-3 扣軌作為吊軌梁對(duì)線路進(jìn)行加固，扣軌鋼軌型號(hào)選用50 kg/m 軌。三樁設(shè)置：框構(gòu)橋四角路基設(shè)路基防護(hù)樁，框構(gòu)橋刃角側(cè)設(shè)支撐樁和抗橫移樁。橫梁、縱梁均采用I50c 工字鋼，橫梁間距0.9 m。橫梁要垂直于線路穿入，縱梁與橫梁工字鋼用φ22-U形螺栓聯(lián)結(jié)在一起，縱梁兩端支撐于舊枕木垛基座上。初步設(shè)計(jì)線路加固方案布置見(jiàn)圖1。

圖1 初步設(shè)計(jì)線路加固方案（單位：cm）

在施工過(guò)程中，若施工工序、施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)情況等發(fā)生變化，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及頂進(jìn)方案對(duì)初步方案進(jìn)行多方面優(yōu)化。

2.2 頂管線路加固方案優(yōu)化

圓管防護(hù)涵原設(shè)計(jì)采用人工開(kāi)挖頂進(jìn)，線路加固體系與框構(gòu)橋頂進(jìn)統(tǒng)籌考慮并整體設(shè)計(jì)。采用吊軌縱橫梁法，施工時(shí)先頂進(jìn)框構(gòu)主體，再頂進(jìn)兩側(cè)圓管防護(hù)涵。但調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)既有接觸網(wǎng)支柱不影響框構(gòu)橋兩側(cè)的頂管作業(yè)，為加快施工進(jìn)度，可先進(jìn)行頂管作業(yè)。圓管涵頂進(jìn)采用泥水平衡頂管機(jī)（即采用旋挖鉆盾構(gòu)頂進(jìn)法），頂進(jìn)方案更加安全可靠。同時(shí)對(duì)圓管涵頂進(jìn)范圍內(nèi)線路加固方案進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用3-5-3 吊軌加固法，污水管防護(hù)涵加固長(zhǎng)度為12.50 m，天然氣、雨水防護(hù)管涵加固長(zhǎng)度為18.75 m。

2.3 框構(gòu)頂進(jìn)方向優(yōu)化

原設(shè)計(jì)框構(gòu)主體預(yù)制在朔黃鐵路南側(cè)，頂進(jìn)方向由南向北，但在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)頂進(jìn)基坑后背距離鐵路南側(cè)既有排水渠較近，排水渠常年積水，且后背夯填范圍內(nèi)高壓線暫時(shí)無(wú)法改移，而鐵路北側(cè)路基基礎(chǔ)穩(wěn)定，無(wú)施工障礙，框構(gòu)預(yù)制場(chǎng)地寬闊，施工進(jìn)場(chǎng)方便。因此決定在鐵路北側(cè)進(jìn)行框構(gòu)預(yù)制，頂進(jìn)方向改為由北向南頂進(jìn)，線路加固方案也作了相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，根據(jù)頂進(jìn)方向調(diào)整了防護(hù)樁、支撐樁及抗橫移樁樁位布置。

2.4 框構(gòu)頂進(jìn)線路加固方案優(yōu)化

1）吊軌及縱橫梁加固體系優(yōu)化。①由于防護(hù)涵已頂進(jìn)完成，因此線路加固總長(zhǎng)度由91.12 m調(diào)整為70 m；②為進(jìn)一步強(qiáng)化加固體系，橫梁及縱梁I50c工字鋼改為I56c工字鋼；③加固段混凝土枕不再抽換成長(zhǎng)木枕，既有鋼筋混凝土枕間直接穿入長(zhǎng)木枕進(jìn)行3-5-3扣軌，橫梁鋪設(shè)間距由0.9 m 調(diào)整為（0.6+1.2）m；④取消了抗橫移樁頂工字鋼縱梁及焊于橫梁上的7.5號(hào)角鋼。

2）三樁設(shè)置優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)三樁設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整：①四角路基防護(hù)樁最外側(cè)各有1 根防護(hù)樁取消設(shè)置，沿線路方向排列的防護(hù)樁與框構(gòu)兩側(cè)防護(hù)頂管位置重合的部分取消設(shè)置，防護(hù)樁共取消14 根；西北角最外側(cè)1 根及西南角最外側(cè)1 根防護(hù)樁向外平移至防護(hù)涵外側(cè)；抗橫移樁兩側(cè)及中間部分取消設(shè)置，共取消6 根。②在東南角未設(shè)置的2根抗橫移樁對(duì)應(yīng)位置的支撐樁冠梁頂豎向插入P60鋼軌，東南角插入5根，西南角插入3根，每隔2 m設(shè)置1根，鋼軌插入冠梁內(nèi)1.0 m，外露0.5 m；橫向設(shè)置I56c工字鋼代替抗橫移樁。同時(shí)在抗橫移樁對(duì)側(cè)的防護(hù)樁冠梁上鉆孔植入鋼筋、設(shè)置地錨，采用10 t倒鏈牽制橫向工字鋼，防止線路橫移。

優(yōu)化調(diào)整后的線路加固方案見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化調(diào)整后的線路加固方案（單位：cm）

3 線路加固檢算

采用MIDAS/Civil 有限元軟件建立吊軌縱橫梁線路加固體系模型［9]（圖3）。采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，橫梁按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，共分為880個(gè)節(jié)點(diǎn)，1183個(gè)單元。

圖3 線路加固計(jì)算模型

3.1 設(shè)計(jì)荷載

考慮線路加固為臨時(shí)性的組合體系，按主力最不利組合情況進(jìn)行計(jì)算。

1）恒載。結(jié)構(gòu)自重，按設(shè)計(jì)選取。

2）列車活載。朔黃鐵路為重載鐵路，列車豎向活載采用ZH 活載，重載等級(jí)系數(shù)Z=1.2。列車豎向活載包括列車豎向動(dòng)力作用，按照換算荷載簡(jiǎn)化為均布荷載作用于橫梁上，該列車豎向活載等于列車豎向活載乘以動(dòng)力系數(shù)（1+μ），μ為沖擊系數(shù)。列車通過(guò)速度為45 km/h。根據(jù)TB 10000.2—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［10]，剛架橋頂上填土厚度h≥1 m（從軌底算起）時(shí)不計(jì)列車豎向動(dòng)力作用。當(dāng)h ＜1 m時(shí)，則有

式中：L為線路加固計(jì)算長(zhǎng)度，m；α為影響系數(shù)。

3.2 計(jì)算內(nèi)容

1）荷載組合

主力：恒載+活載；各項(xiàng)指標(biāo)按可能的最不利組合情況進(jìn)行計(jì)算［11]。

2）結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算和各項(xiàng)指標(biāo)

線路加固橫梁按受彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度、撓度計(jì)算。Q235鋼材力學(xué)控制指標(biāo)見(jiàn)表1［12]。

表1 Q235鋼材力學(xué)控制指標(biāo)

3.3 計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)受力及變形結(jié)果見(jiàn)圖4，提取各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析?？芍?，加固過(guò)程中結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為45.27 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范容許應(yīng)力140 MPa，橫梁最大撓度為4.063 mm，也小于規(guī)范規(guī)定的撓度容許值4000/600=6.67 mm。可以認(rèn)為，線路加固中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、撓度等各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，橫梁最大懸空長(zhǎng)度應(yīng)不大于4 m。

圖4 各關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 施工工藝及過(guò)程監(jiān)控

4.1 施工工藝

施工工藝流程見(jiàn)圖5。

圖5 施工工藝流程

關(guān)鍵工序操作要點(diǎn)如下：

1）既有路基注漿加固。頂進(jìn)前對(duì)土體進(jìn)行壓密滲透注漿，以提高其承載力及穩(wěn)定性，防止頂進(jìn)過(guò)程中路基塌方。注漿范圍為順鐵路方向長(zhǎng)度不小于67.5 m（框構(gòu)橋兩側(cè)邊墻外不小于15 m）；橫橋向?yàn)閮蓚?cè)路基坡腳，即朔黃鐵路重車線北側(cè)不小于14 m，朔黃鐵路空車線南側(cè)不小于16 m。注漿采用水泥漿，注漿孔間距為1 m，呈梅花形布置，框構(gòu)底板以下不小于3 m。

2）安裝3-5-3 扣軌。注漿加固完成后，對(duì)線路采用3-5-3 扣軌加固，鋼軌接頭錯(cuò)開(kāi)間距大于1 m，朔州方向伸出邊墻不小于55 m，黃驊港方向伸出邊墻不小于50 m?？圮壟c其下的枕木用φ22-U 形螺栓聯(lián)結(jié)在一起，扣軌鋼軌類型為50 kg/m。待扣軌加固完畢后進(jìn)行路基防護(hù)樁、抗橫移樁、支撐樁的開(kāi)挖澆筑及樁頂冠梁的澆筑。

3）設(shè)置三樁。三樁總體設(shè)置情況如下：①框構(gòu)橋四角路基設(shè)置的防護(hù)樁樁中心距為2.5 m，直徑1.5 m，樁長(zhǎng)16 m，樁頂無(wú)冠梁。四角離鐵路最遠(yuǎn)的一根防護(hù)樁未設(shè)置，此樁位于鐵路既有路基坡腳處，不影響頂進(jìn)過(guò)程中和頂進(jìn)就位后刃角補(bǔ)齊時(shí)防止路基坍塌的功能，但起到出入口擋墻施工時(shí)防護(hù)路基的作用。因此頂進(jìn)就位后施工出入口擋墻時(shí)，在此樁位打入I40b工字鋼樁替代此樁，布設(shè)在已施工防護(hù)樁外側(cè)3 m 范圍內(nèi)，每米設(shè)置5根，每根工字鋼長(zhǎng)15 m。②順鐵路方向排列的防護(hù)樁樁中心距為2.5 m，直徑1.5 m，樁長(zhǎng)19 m，樁頂設(shè)冠梁，梁與樁頂一次整體澆筑。順鐵路方向排列的防護(hù)樁，其主要功能為防止頂進(jìn)過(guò)程中路基坍塌（主要是緊挨框構(gòu)橋兩側(cè)的樁）并作為線路加固橫向工字鋼的支點(diǎn)，增強(qiáng)橫向工字鋼的剛度，與框構(gòu)兩側(cè)防護(hù)頂管位置重合時(shí)可不設(shè)置。當(dāng)作為線路加固橫向工字鋼支點(diǎn)使用時(shí)，需在未施工的樁位設(shè)置冠梁，并與已經(jīng)施工的樁頂冠梁連成一整體，恢復(fù)作為橫向工字鋼支點(diǎn)的作用。③支撐樁樁中心距為4 m，直徑為1.25 m，樁長(zhǎng)18 m，樁頂設(shè)冠梁；④抗橫移樁樁中心距為3 m，直徑1.25 m，樁長(zhǎng)18 m，梁與樁頂一次整體澆筑。

圖6 防橫移結(jié)構(gòu)（單位：cm）

4）鋪設(shè)縱橫梁。橫梁采用I56c工字鋼，鋪設(shè)間距為（0.6+1.2）m，接頭錯(cuò)開(kāi)間距不小于1.5 m，橫梁按照先中間后兩側(cè)的順序垂直穿入于線路。為了減少箱涵頂進(jìn)時(shí)的阻力，并使橫梁牢固聯(lián)結(jié)在一起，橫梁梁端在冠梁上焊接三角形小鋼板以增加強(qiáng)度。沿線路方向在線路兩側(cè)設(shè)置I56c工字鋼縱梁，縱梁接頭錯(cuò)開(kāi)間距1.5 m。縱梁與橫梁工字鋼用φ22-U 形螺栓聯(lián)結(jié)在一起，縱梁與橫梁之間加設(shè)絕緣膠墊，以減少對(duì)電氣信號(hào)的干擾，縱梁兩端支撐于舊枕木垛基座上。枕木垛基底夯填碎石墊層150 mm，干砌片石300 mm，根據(jù)枕木垛沉降程度適當(dāng)加高枕木垛。施工時(shí)應(yīng)盡量減少拼接接頭數(shù)量，并避免在軌下拼接。線路加固還需布設(shè)防止線路橫移的設(shè)施（圖6）：箱體頂板預(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)連接在一起，隨頂進(jìn)隨拉緊倒鏈；冠梁頂設(shè)地錨用來(lái)拉緊線路。橫梁工字鋼下與箱體頂板之間來(lái)車時(shí)用50 mm 墊板打緊，頂進(jìn)時(shí)松開(kāi)。為了防止橫梁沿線路方向移動(dòng)，在橫梁之間縫隙處用木塊頂緊。

4.2 過(guò)程監(jiān)控

框構(gòu)橋下穿過(guò)程中對(duì)路基沉降變形和軌道沉降變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控范圍為框構(gòu)橋上方及左右各10.0 m 內(nèi)，測(cè)點(diǎn)布置在線路上下行兩側(cè)，每2.0 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)控時(shí)間貫穿路基加固、頂進(jìn)施工和工后觀測(cè)整個(gè)階段。

頂進(jìn)施工前路基加固期間，路基及鋼軌未發(fā)生任何沉降變形；框構(gòu)橋頂進(jìn)期間，橋體左右兩側(cè)路基沉降約2.0 mm，鋼軌沉降略小于路基沉降，最大值約1.0 mm；頂進(jìn)施工結(jié)束后，路基和鋼軌未發(fā)生任何沉降變形。

5 結(jié)論

1）結(jié)合施工工藝和現(xiàn)場(chǎng)情況，取消了部分抗橫移樁和防護(hù)樁，并采取相應(yīng)的加固補(bǔ)強(qiáng)措施，保證了加固體系的整體性和穩(wěn)定性。

2）在鋼筋混凝土枕間隙穿入長(zhǎng)木枕，不再抽換成長(zhǎng)木枕，拆除方便，線路恢復(fù)時(shí)間短，質(zhì)量高。

3）優(yōu)化后的線路加固體系安全、穩(wěn)定、可靠，強(qiáng)度、穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。整個(gè)施工期間，路基及軌道沒(méi)有出現(xiàn)任何沉降過(guò)大等異常情況，線路始終處于相對(duì)穩(wěn)定和安全的狀態(tài)。

4）橋涵頂進(jìn)施工時(shí)線路加固方案應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況充分考慮各種不利因素的影響，并經(jīng)過(guò)相關(guān)檢算才能確保線路加固方案的可靠性。