公路下穿鐵路架空頂進施工中的體系轉(zhuǎn)換及變形監(jiān)控

陳武林，杜昊，賀煒

(1.中交第四公路工程局有限公司,北京市 10022；2.長沙理工大學 土木工程學院)

1 前言

隨著中國城市建設的不斷發(fā)展，交通主干道常常難以滿足通行量增長要求，亟待拓寬。既有道路拓寬不僅需要在施工過程中保通，還必須確保交叉鐵路或道路的運營。位于陜西省西咸豐新區(qū)灃東新城的灃涇大道K3+400處與西戶鐵路K19+077處相交，并下穿西戶鐵路，設計采用2×20.75 m+2×20.75 m兩座框架橋，加墻厚后共計93.6 m，是目前中國寬度最大的下穿鐵路線頂進工程，因此，有必要結合工程實踐開展研究。

目前，中國公路下穿鐵路框架橋頂進施工已有一些成功的案例，如2004年北京市南中軸路下穿的京山鐵路四孔地道橋(總寬83 m)是當時亞洲單體最大的頂進框架橋。工程技術人員在道路下穿鐵路頂進施工過程中進行了多方面探討。李士中等對車站咽喉區(qū)框架橋下穿鐵路的設計與施工技術進行了全面的總結，提出可根據(jù)周邊環(huán)境因素和地層變化情況分別采用不同的圍護方案，以取得較好經(jīng)濟效益；劉洪亮、張苒對頂進框架橋縱橫梁加固體系進行了計算與設計分析，認為縱梁及鐵路股道所在的具體位置對橫梁的受力影響較大；李家穩(wěn)等對頂進框架橋的位移變化采用現(xiàn)場監(jiān)控與數(shù)值模擬相結合的方法進行了研究，認為路基最大沉降位置在偏移軸線一定距離處，且水平位移在框架橋軸線位置最大;崔陸林、王興睿等對頂進施工技術進行了詳細探討，總結了頂進工作坑開挖、滑板及后背墻施工過程中的關鍵技術；李巖等分析了頂進法、中繼法、對頂法等不同的頂進施工方式；鄭文豪等對挖孔樁防護技術、防護樁、支撐樁以及抗衡移樁技術等進行了探討；謝慶仕指出頂管施工過程中存在管道軸線偏差過大，頂力突然增大等常見問題，提出了開頂前設置測力裝置并在頂進過程中隨時繪制頂進曲線以指導頂進糾偏等相應措施；陳彬科等提出了新建地鐵下穿既有軌道車站的施工方案和技術難點。

采用臨時架空方法在既有鐵路線下實施框架橋頂進的施工風險主要與架空總寬度相關，因此，該文依托現(xiàn)有中國總寬度最大的下穿鐵路頂進工程開展分析和施工監(jiān)測，有助于積累工程經(jīng)驗，為后續(xù)類似工程提供參考。

2 頂進施工前后受力體系分析

常用的頂進框架橋施工方式有便梁加固法和縱橫梁加固法兩種：便梁加固法是采用便梁將線路架起，便梁支座設置在支撐樁上，其僅適用于曲線半徑R≥400 m的單線或雙線，且跨度不能太大；縱橫梁加固法采用工字鋼在頂進橋位處沿平行、垂直線路方向橫抬縱挑、立體交叉布置，結合吊軌、支撐樁、抗橫移樁、防護樁等進行綜合加固，其適用于雙線及多線、跨度逐漸增大的框架橋。由于灃涇大道下穿西戶鐵路項目框架橋總跨度達到93.6 m，施工中選擇縱橫梁加固體系，施工場地整體布置如圖1所示?？蚣軜蚣芸枕斶M施工之前，在距離鐵路中心軸線約46.65 m處開挖工作基坑，預制框架橋。

灃涇大道為雙向八車道，可采取兩次架空，兩次頂進的方案，先架空頂進道路左側(cè)框架橋，然后再架空頂進道路右側(cè)框架橋，兩階段線路架空體系如圖2所示。

圖1 下穿鐵路框架橋頂進施工整體場地布置圖(單位：m)

圖2 頂進施工線路架空布置圖(單位：cm)

在施工過程中首先進行框架橋預制，同時在設計位置施工支撐樁，并架設縱橫梁，此時上方荷載仍由原路基承擔；然后開挖鐵路路基，此時上方荷載臨時由路基轉(zhuǎn)移至由縱橫梁承擔，確保下方具有足夠的施工空間；將預制框架橋頂進至設計位置后進行安裝，上方荷載最終由框架橋承擔。由于體系轉(zhuǎn)換過程有可能產(chǎn)生一定的變形，從而影響鐵路線運營效果，因此除了確保臨時結構強度和穩(wěn)定性外，變形量控制也是施工技術的關鍵。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結果，該段鐵路常速運行速度小于45 km/h，為防止施工體系轉(zhuǎn)換造成的位移影響永久結構，項目要求施工過程中水平、高低、軌向和三角坑產(chǎn)生的位移量控制在6 mm以內(nèi)。為此，該文對該臨時工程進行三維有限元建模分析，除常規(guī)強度驗算外，著重分析了結構變形及支撐樁的剛度，以確保頂進施工達到設計預期目標。

3 體系轉(zhuǎn)換中結構的受力與變形分析

根據(jù)臨時架空工程初步設計方案，挑空縱梁采用I100工字鋼，兩片I100工字鋼間距4.4 m；支點橫梁及橫抬梁采用5片I56c工字鋼組拼，其中支點橫梁長6.4 m，橫抬梁長13 m；普通橫梁采用I45c工字鋼，長度5.4 m?？v梁跨度8 m，支點橫梁與普通橫梁跨度為4.4 m。在預制跨線橋頂進過程中，會在其上設置與橫抬梁之間的臨時支撐，故橫抬梁的跨度將相應減小，以利于結構受力?？v橫梁支點位置設置支點樁，樁徑1.25 m，樁長14 m。由計算分析結果可知：架空結構體系強度滿足要求，在此基礎上，該文進一步探討施工中的變形量及其對結構使用性能的影響。

3.1 支撐樁豎向沉降量分析

根據(jù)巖土工程勘察報告，施工場地各土層的層厚及物理力學特性如表1所示。各支撐樁樁底未嵌入巖層，有必要基于土層力學參數(shù)驗算支撐樁豎向剛度，以確保豎向沉降量滿足要求。

表1 施工場地各土層物理力學特性

為分析樁基豎向變形特性，該文采用美國聯(lián)邦交通部FHWA設計手冊規(guī)定的荷載傳遞法進行計算，其基于無量綱曲線估計樁側(cè)與樁端的荷載傳遞曲線。曲線中上極限側(cè)阻fs與極限端阻fb分別采用下列方法計算：

fs=αcu

(1)

式中：α為系數(shù)，當cu/pa≤1.5時α=0.55；當1.5 ≤cu/pa≤2.5時，α=0.55-0.1(cu/pa-1.5)；cu為土不排水抗剪強度。

fb=Nccu

(2)

對于無黏性土，荷載傳遞曲線的確定與上述較為類似，僅參數(shù)取值方法有一些區(qū)別，此處不贅述?；贔HWA方法確定的各土層荷載傳遞曲線如圖3所示。

圖3 各層土樁側(cè)荷載傳遞曲線

基于荷載傳遞法對支撐樁進行了計算，可得其荷載沉降曲線如圖4所示。由于樁底土層為密實砂土，其曲線形式為緩變形。根據(jù)設計計算可知，支撐樁樁頂所受最大豎向荷載為1 360.8 kN，對應的樁頂沉降量為1.8 mm，可滿足施工要求。

圖4 支撐樁荷載沉降曲線

3.2 兩階段架空體系受力變形分析

為確保下穿鐵路頂進施工過程穩(wěn)定安全，且不影響永久結構的使用性能，在架空臨時工程設計中采用Midas/Civil驗算各個部件的應力及變形，其整體結構模型圖如圖5所示。其中鐵軌與架空系統(tǒng)縱橫梁采用梁單元模擬，并在支承處采用彈性連接模擬橫梁與枕木垛之間的連接。為計入上下部結構共同作用，支撐樁剛度按3.1節(jié)計算結果確定。

圖5 框架橋頂進施工架空結構模型圖

由計算分析可知，下穿鐵路框架橋臨時架空結構各部件的變形量及容許值如表2所示。

表2 撓度計算結果

表2中，L為計算跨度，容許值采用《鐵路工務技術手冊》中對縱橫梁鋼材撓度所規(guī)定的L/400。通過對計算結果與容許值的比較可知，縱橫梁在該最不利工況條件下，位移滿足要求，因此在整個框架橋頂進過程中，縱橫梁的位移變形可滿足要求。普通橫梁在該最不利情形下豎向變形量最大，應在頂進施工中對其進行重點監(jiān)控。

4 施工變形監(jiān)測與控制

為控制縱橫梁與支撐樁等在頂進施工中的變形量，基于支撐樁剛度及三維有限元建模分析結果，對施工過程中結構的變形進行了監(jiān)測。該項目監(jiān)測范圍在框架橋兩側(cè)各50 m內(nèi)，監(jiān)測點布置在鋼軌上，間距5 m，共計50個觀測點。框架橋頂進施工中，也在基礎混凝土及框架橋底板設置觀測點。各變形觀測點上安裝沉降標點，并在施工過程中采用全站儀與高精度水準儀測量，監(jiān)測間隔為8 h。水平位移測量精度要求<1.5 mm，垂直位移測量精度要求<0.3 mm。監(jiān)測所采用的報警值如表3所示。

表3 鐵路軌道監(jiān)測報警值

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得出的沉降觀測記錄可知：在監(jiān)測的50個觀測點中，最大沉降量為2 mm，大部分觀測點未觀測到沉降量與變形，施工變形控制效果良好。目前，鐵路線運營已恢復正常。

5 結論

(1)由于施工過程的兩次受力體系轉(zhuǎn)換，下穿鐵路框架橋臨時架空結構除考慮施工過程中的強度和穩(wěn)定性外，還需分析施工變形量對永久結構功能的影響。

(2)采用荷載傳遞法計算得到該工程支撐樁在最大豎向荷載作用下沉降量為1.8 mm，在此基礎上建立三維有限元模型計算得到各部件的變形量均可滿足容許值要求。

(3)頂進施工過程中沿鐵路線布置了50個位移觀測點，觀測到的最大變形量為2 mm，驗證了頂進施工的變形控制效果，可供后續(xù)工程參考。