下穿鐵路雙層框架橋設(shè)計與頂進施工

王思偉 宋曉東 屈波

1.湖南中大設(shè)計院有限公司，長沙410075；2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都610031

地方道路一般采用框架橋頂進［1-2］下穿鐵路既有線。下穿公路、下穿鐵路道岔區(qū)和高覆土框架橋也有使用管幕-箱涵頂進［3］施工和橋式盾構(gòu)頂進［4-5］施工的成功案例，但存在土體變形過大而影響路基穩(wěn)定和軌道變形的風(fēng)險。使用D型便梁和縱橫梁體系架空線路［6-7］后再頂進框架橋的方案施工安全性高，是目前地方道路下穿鐵路既有線較常用的施工方法。但框架橋頂部覆土厚度越大，結(jié)構(gòu)自重和頂推力就會越大，易出現(xiàn)框架橋扎頭［8-9］、路基坍塌等事故。

框架橋頂板頂路基土壓力對框架橋結(jié)構(gòu)受力影響最大，且隨覆土厚度的增加呈線性增長。一些學(xué)者主要從減輕結(jié)構(gòu)自重的角度考慮，研究空心框架橋［10-12］的力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)覆土較厚時，采用空心框架結(jié)構(gòu)可以減輕結(jié)構(gòu)自重但不能減輕板頂覆土壓力。為充分減小頂板頂路基土壓力，可在軌道下方路基范圍采用雙層框架橋結(jié)構(gòu)。

本文采用單層框架橋和雙層框架橋相結(jié)合的設(shè)計和頂進施工方案，將高覆土頂進變?yōu)榈透餐另斶M，使用D型便梁架空線路再頂進框架橋。通過對該框架橋的設(shè)計和施工進行技術(shù)總結(jié)，為類似頂進框架橋設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 白合大道與鐵路相對位置

湘潭市白合大道自西向東依次下穿長沙至湘潭城際鐵路橋、京廣鐵路高路堤、長沙至株洲城際鐵路橋。因長沙至湘潭、株洲城際鐵路橋已經(jīng)建成，為充分減小白合大道建設(shè)對既有城際鐵路橋梁的影響，白合大道分兩幅從城際鐵路橋兩孔橋下通過，縱斷面上白合大道設(shè)計高程與城際鐵路橋承臺高程基本相當(dāng)。白合大道采用2×16.5 m大跨徑框架橋下穿京廣鐵路，設(shè)計路面與京廣鐵路軌頂高差約13.7 m。白合大道與鐵路相對位置見圖1。

圖1 白合大道與鐵路相對位置（單位：m）

1.2 白合大道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級：城市主干路，雙向六車道。

下穿京廣鐵路段道路橫斷面：2.5 m（人行道）+2.5 m（非機動車道）+11.5 m（行車道）+12 m（中央分隔帶）+11.5 m（行車道）+2.5 m（非機動車道）+2.5 m（人行道），路幅寬45 m。

機動車道設(shè)計車速：50 km∕h。

設(shè)計荷載：城-A級，人群荷載3.5 kN∕m2。

交叉角度:與長潭城際鐵路、京廣鐵路、長株城際鐵路交叉角度分別為66°、80°、91°。

1.3 京廣鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級：國鐵Ⅰ級。

荷載標(biāo)準(zhǔn)：中-活載。

股道數(shù)目：雙線。

牽引種類：電力牽引。

橋址處鐵路線路位于直線上，線間距4.10 m，采用P60軌，混凝土枕。路基頂寬15.80 m，路基填方高約21 m，屬于典型的高填方路堤。

2 地質(zhì)條件

場地地層分布從上至下依次為雜填土①（Q4ml）、粉質(zhì)黏土②（Q3al）、強風(fēng)化泥灰?guī)r③（D2）、弱風(fēng)化泥灰?guī)r④（D2）。雜填土呈灰褐色，以黏土為主，含部分碎石、磚塊等雜質(zhì)，人工填積，結(jié)構(gòu)松散，呈稍濕～濕狀態(tài)。層厚2.70～14.60 m，層底高程26.60～33.80 m。框架橋基底雜填土厚度大，承載力不足，施工期間易造成框架橋扎頭，須進行地基處理。

3 框架橋結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

頂進框架橋結(jié)構(gòu)一般按平坡進行設(shè)計，再在框架橋底板上回填路基材料調(diào)整道路縱坡，其凈空高度主要受道路建筑限界和道路縱坡調(diào)坡的影響。一般結(jié)構(gòu)凈高取7 m。當(dāng)凈高大于7 m時進出口八字墻洞口施工較困難。

3.1 總體布置

受東西兩側(cè)城際鐵路橋梁承臺高程的影響，道路設(shè)計路面與京廣鐵路軌頂高差約13.7 m，屬于典型的高路堤頂進框架橋。

為充分減小頂板頂路基土壓力，在進出口路基邊坡段采用單層框架橋結(jié)構(gòu)，在軌道下方路基范圍采用雙層框架橋結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 框架橋立面布置（單位：cm）

雙層框架橋下層結(jié)構(gòu)尺寸與進出口邊坡段單層框架橋一致，上層采用鏤空結(jié)構(gòu)充分減小頂部土壓力。

3.2 有限元分析計算

框架橋頂板主要承受覆土壓力和列車荷載，側(cè)墻主要承受土壓力和列車荷載產(chǎn)生的附加壓力，底板主要承受框架內(nèi)路面結(jié)構(gòu)自重、汽車荷載和地基反力。

為便于分析雙層框架橋的減載效果和上層框架橋的合理結(jié)構(gòu)形式，按單層高覆土框架橋、上層兩孔雙層框架橋、上層三孔雙層框架橋、上層四孔雙層框架橋四種結(jié)構(gòu)形式進行對比計算。各方案主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖3。

圖3 各方案主要結(jié)構(gòu)尺寸（單位：cm）

采用MIADS∕Civil建立板單元實體分析模型，框架結(jié)構(gòu)采用C40混凝土，彈性模量為3.40×104MPa，泊松比為0.2，重度為25 kN∕m3。土壓力及列車荷載按面荷載進行加載，列車荷載產(chǎn)生的豎向土壓力按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》中公式4.3.4-1計算，框架橋內(nèi)城-A級汽車荷載及人群荷載按車道面進行自動加載。單層和雙層框架橋荷載圖式見圖4。

圖4 框架橋荷載圖式

對模型約束橫橋向和順橋向最外側(cè)節(jié)點水平向位移，底板豎向按彈性地基梁進行模擬，地基剛度為239 550 kN∕m3。

經(jīng)計算分析，上層框架的跨度較小，其頂板、中墻、側(cè)墻內(nèi)力均較小，但雙層框架橋各結(jié)構(gòu)方案對下層框架橋的頂板、底板和側(cè)墻受力影響顯著，與單層高覆土框架橋的頂板、底板和側(cè)墻內(nèi)力差別較大。各方案最大彎矩及混凝土最大壓應(yīng)力、頂推力及頂板最大撓度分別見表1和表2。

表1 各方案最大彎矩 kN·m

表2 各方案混凝土最大壓應(yīng)力、頂推力及頂板最大撓度

由表1可知，采用雙層框架橋減載效果非常明顯。當(dāng)上層框架采用三孔結(jié)構(gòu)時，各部位內(nèi)力明顯優(yōu)于兩孔和四孔結(jié)構(gòu)，與單層高覆土框架橋相比，頂板最大正、負彎矩分別減小了59.3%、42.6%，側(cè)墻最大正、負彎矩分別減小了50.7%、53.4%，底板最大正、負彎矩分別減小了40.7%、57.6%。

由表2可知：①當(dāng)采用雙層框架橋時，各部位混凝土壓應(yīng)力均有所減小。與單層高覆土框架橋相比，上層框架采用三孔結(jié)構(gòu)時頂板、側(cè)墻、底板混凝土壓應(yīng)力分別減小了42.0%、61.0%、52.0%。②當(dāng)采用雙層框架橋時頂推力也大幅減小，上層框架采用三孔結(jié)構(gòu)時頂推力最小，比單層高覆土框架橋減小了35.6%。③采用三孔雙層框架橋結(jié)構(gòu)時頂板跨中最大撓度最小，比單層高覆土框架橋減小了47.0%。大跨徑框架橋頂板剛度越小，在列車動荷載作用下軌道平順性越差。因此，框架橋最終采用上層三孔雙層框架橋的結(jié)構(gòu)形式。

3.3 地基處理

框架橋基底位于雜填土層，最大厚度8 m，填土層承載力低，不能滿足基底應(yīng)力要求。目前對于框架橋地基處理常用方法有靜壓注漿、旋噴樁加固、靜壓混凝土預(yù)制樁等。靜壓混凝土預(yù)制樁對框架橋地基處理的適應(yīng)性比較好，可以邊頂進挖土邊靜壓預(yù)制樁，具有施工速度快、對鐵路運輸影響小的特點。因此，框架橋基底采用靜壓混凝土方樁（樁間距100 cm×100 cm）來處理地基，方樁長度為6～9 m。6 m長方樁用于處理進出口翼墻的地基，樁端進入粉質(zhì)黏土；9 m長混凝土方樁用于處理框架底的地基，樁端進入強風(fēng)化泥灰?guī)r。預(yù)制混凝土樁取3.0 m或4.5 m為一節(jié)，節(jié)段樁身需預(yù)留接頭，方樁節(jié)段之間采用焊接鋼板套連接。頂進前端框架底板預(yù)留壓樁孔，兩側(cè)側(cè)墻安裝工字鋼壓樁架。

4 施工方案

該橋采用在路基外設(shè)置預(yù)制基坑，將線路架空后再頂進框架橋的施工方案，以確保京廣鐵路正常運營。

4.1 線路架空

軌底覆土厚度為1.83 m，結(jié)合框架橋結(jié)構(gòu)尺寸及布置特點，為盡可能減小框架橋頂進施工時對京廣鐵路的限速時間，線路架空一次完成。采用D16+D24特制便梁（超低位架設(shè)，橋梁廠特制）架空框架橋上方線路。兩框架橋之間5 m長的過渡段采用工字鋼縱橫梁架空。線路架空立面見圖5。

圖5 線路架空立面（單位：cm）

由于頂進開挖較深，為保證架空樁縱向穩(wěn)定性，在D24便梁架空樁靠近D16便梁一側(cè)設(shè)置一根縱向抗拉樁，架空樁與抗拉樁之間的樁頂設(shè)置一根鋼筋混凝土聯(lián)系梁，D24便梁與鋼縱橫梁架空樁之間也設(shè)置一根鋼筋混凝土聯(lián)系梁，以減少線路架空樁樁頂?shù)目v向位移。

在京廣鐵路高路堤上進行挖孔樁施工時，為防止塌孔，采用護筒跟進的方式進行支護?？蚣軜虻装逡陨细叨确秶鷥?nèi)采用鋼護筒（采用厚度為8 mm的鋼板卷制而成）。為增加鋼護筒環(huán)向剛度，在鋼護筒外側(cè)焊?20鋼筋豎條，環(huán)向間距40 cm?？蚣軜虻装逡韵碌耐诳讟恫捎娩摻罨炷磷o壁。為盡可能減小樁長，在鋼護筒和鋼筋混凝土護壁上開孔，孔眼直徑5 cm，間距50 cm。通過注漿管向護壁周圍土體注入水泥漿，將鋼護筒周邊和底部的松散土層固結(jié)以增加摩擦力和端阻力，同時對路堤內(nèi)的上層滯水進行止水。挖孔樁護壁處理方案見圖6。

圖6 挖孔樁護壁處理方案（單位：cm）

每節(jié)鋼護筒高度不大于0.5 m。開孔前，靠鐵路路肩枕木一側(cè)用鋼軌及C15混凝土砌成一個三面弧形基座，基座的頂部和枕木頂齊平或略低?；叨却笥?.6 m，保證每節(jié)鋼護筒從路肩外側(cè)推入時不侵占鐵路限界。兩線之間可采用拼裝式鋼護筒，保證組裝鋼護筒時不侵入鐵路限界。

施工期間列車限速45 km∕h，跳槽施工所有挖孔支承樁。在天窗點內(nèi)穿D型便梁的橫梁及工字鋼橫梁，采用汽車吊和其他設(shè)施吊裝D型便梁縱梁及工字鋼縱梁。

4.2 臨時框架設(shè)計

沿線路方向，由于中間和兩側(cè)框架結(jié)構(gòu)高度不一致，考慮采用設(shè)置臨時框架橋?qū)⒖蚣軜蛉胪炼私Y(jié)構(gòu)進行補齊，補齊后再設(shè)置鋼刃角頂進切土。

為方便臨時框架橋的安裝和拆除，補齊段考慮采用3個單獨的臨時框架結(jié)構(gòu)，與主體結(jié)構(gòu)雙層框架橋的上層結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)。臨時框架之間采用高強對拉螺栓連接，臨時框架的底板與主體單層框架采用高強螺栓錨固，整個臨時框架外頂面和側(cè)面設(shè)置1 cm厚鋼板。鋼板與臨時框架頂采用高強對拉螺栓連接，將臨時框架橋和單層框架橋連接成一個臨時整體結(jié)構(gòu)。臨時框架橋平面和橫斷面見圖7。

圖7 臨時框架平面和橫斷面（單位：cm）

4.3 施工步驟

采用D型便梁和工字鋼縱橫梁將線路架空后，同時開挖頂進基坑，預(yù)制框架橋主體結(jié)構(gòu)?？紤]框架橋結(jié)構(gòu)軸向長度達45 m，頂推力達97 490 kN，將框架橋分兩節(jié)進行預(yù)制，結(jié)構(gòu)分縫設(shè)置在京廣鐵路兩股道中心位置。兩節(jié)框架橋之間設(shè)置中繼間，采用中繼間法頂進施工，如圖8所示。

圖8 頂進施工示意（單位：cm）

待框架橋頂進就位后，拆除臨時框架橋，采用滲水土對進出口單層框架橋上方邊坡三角形區(qū)域路基進行回填，并采用拱形骨架加固回填邊坡?？蚣軜蝽斶M就位后，在其框架外邊墻與鐵路路基土體之間的空隙處填充6%的水泥穩(wěn)定碎石，插打鋼花管并注入水泥漿。同時對兩側(cè)路橋過渡段的表面基床進行注漿使其密實，逐步實現(xiàn)框架剛體到路基彈性土體之間的平順過渡，以減少后期過渡段路基土體范圍內(nèi)的病害，如雨水沿邊墻往下滲，在列車動荷載反復(fù)作用下土體差異沉降過大，出現(xiàn)掉砟、懸枕等?？蚣軜蝽斶M施工后對鐵路路基和線路進行養(yǎng)護，監(jiān)測達標(biāo)后恢復(fù)京廣鐵路正常運營速度。

5 結(jié)語

湘潭市白合大道下穿京廣鐵路高路堤采用了單層框架橋和雙層框架橋相結(jié)合的頂進設(shè)計方案，將高覆土頂進框架橋轉(zhuǎn)化為低覆土頂進框架橋，減輕了頂推重量和板頂覆土壓力荷載，減載效果非常明顯，有效減小了高覆土頂進施工時框架橋易扎頭、路基易坍塌的不利風(fēng)險。實踐證明，雙層框架橋設(shè)計和施工工藝安全可靠，可為類似下穿鐵路高路堤框架橋設(shè)計和頂進施工提供參考。