下穿鐵路編組站大跨度架空頂進地道橋關鍵技術研究

倪偉偉，張俊岱，黃　偉

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津　300133)

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下穿鐵路編組站大跨度架空頂進地道橋關鍵技術研究

倪偉偉，張俊岱，黃偉

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津300133)

摘要：鄭州北站是亞洲最大的列車編組站，鄭州北站下發場南咽喉區下架空頂進地道橋施工時面臨以下難題：多重道岔區下地道橋箱體斷面大、頂進距離長、架空區域大、咽喉區線路固定困難、架空支點位置和架空縱梁高度受限、結構體系轉換復雜等，為解決這些難題，結合以往設計施工經驗，通過對整個頂進過程的分析和頂力、架空體系的計算，首次采用分區域架空、線路兩側分節對向頂進的施工方法，在極為困難的條件下，工程順利付諸實施。

關鍵詞：下穿編組站；頂推施工；架空頂進；地道橋；既有線施工

0引言

下穿鐵路既有線施工，受接觸網、電力、通信、信號、鐵路路基防護和沉降控制諸因素的影響，一般采用架空頂進施工。對于大跨度、下穿多股道鐵路的頂進施工，為了保證頂進施工中線路的穩定和行車安全，設計往往面臨鐵路路基防護、既有線運營防護、頂進后背設置、滑板設計、線路穩定保護、沉降控制和頂進精度控制等一系列復雜問題。

王勝祖[1]通過兗礦集團鐵路專用線工程，對頂進過程中的施工計算和施工工藝進行了總結；馮衛星等[2]通過征儀路下穿哈爾濱南站鐵路編組站工程，介紹了超長地道橋施工方案；李欣等[3]總結了道岔下面斜交大跨度框架橋頂進施工技術；張群勝[4]通過改建既有線和增建第二線鐵路橋涵基礎及頂進橋涵施工，總結了鐵路行車和施工安全的關鍵技術；金繼偉[5]通過理論分析和工程實例，解決了上覆填土低的大跨度頂推箱涵關鍵技術；韓立峰等[6]結合工程實例對頂進施工常見的后背變形大、滑板斷裂和箱涵扎頭等質量通病進行研究，解決了鄭州隴海鐵路立交橋11-17-17-11 m四孔分離箱涵頂進施工問題；劉英文[7]通過下穿隴海鐵路復線橋施工案例總結大型框架橋下穿既有鐵路頂進施工技術；李九超[8]總結了分離式4孔框架橋下穿既有鐵路立交工程施工技術；王立新[9]通過采用2孔24 m D型梁及中支點采用工字鋼橫抬梁架空方案，較好地解決了大孔徑框構橋鐵路頂進施工線路架空問題；郭國棉[10]總結了框架橋頂進施工時既有鐵路架空加固技術等。

通過文獻資料對比，下穿鐵路架空頂進工程因鐵路情況、周邊環境和工程規模等條件差異較大，設計施工方案重難點及應對措施差異也較大。下穿既有鐵路線架空頂進施工，因鐵路線路的復雜性和運營要求，需要根據工程實際情況解決一系列工程難題，才能保證工程的順利實施。

鄭州北站是亞洲最大的列車編組站，本工程架空鐵路咽喉區跨度達60 m，總長81.86 m，是亞洲下穿鐵路項目中施工規模及跨度最大的工程，設計首次采用分區域架空、線路兩側分節對向頂進的施工方法，以保障施工的順利進行和鐵路運營安全。

1工程簡介

鄭州北站是亞洲最大的鐵路編組站，位于京廣、隴海兩大干線的交會點，素有關內“鐵路心臟”之稱，共有148股道，鋪軌總長近210 km；總辦理能力達27 365輛/d，解體能力為24 000輛/d，實際辦理車數曾達到26 136輛/d，其規模、能力和作業量當下均居中國和亞洲之最。

鄭州市黃河路下穿北編組站隧道工程是既有城市主干路黃河路的西延段，位于鄭州中心城區西北部，嵩山北路以東、沙口路以西、二環支路以北、農業路以南，工程起點位于嵩山北路，下穿鐵路鄭州北編組站，終點止于沙口路，全長867.813 m。黃河路自西向東依次穿越鄭州鐵路北站編組場的上到場南咽喉、鄭機北西三角線、鄭機北東三角線和下發場南咽喉，共4次下穿鐵路。黃河路下穿北編組站隧道工程平面如圖1所示，規劃道路斷面如圖2所示。

黃河路下穿北站施工，距離接線道路長度較短，繞行咽喉區道路交通功能較差，且增加大片住宅區和北站廠房拆遷，工程投資和征遷難度不可估量，因此通過比選采取線路較為順直的下穿方案，其中下發場地道橋從19股道下穿鄭州北站，成為當下亞洲下穿鐵路項目中施工規模及跨度最大的工程。

圖1　黃河路下穿北編組站隧道工程平面圖

Fig.1Plan showing tunnel on Huanghe Road crossing underneath marshalling station

圖2　規劃道路斷面圖(單位：mm)

下發場南咽喉處，地道橋斜穿19股道，場地范圍有5組道岔，信號設備70余處，接觸網及拉線縱橫交錯，場地如圖3所示。

圖3　下發場平面圖

由于鄭州北站的特殊地位，工法選擇首先排除影響鐵路運營的明挖施工方法，對暗挖法與架空頂進工法進行了比選。由于受東側接線道路沙口路路面高度控制，在引坡段坡度按鄭州本地極限坡度4%設計情況下，地道橋頂距離距離軌面僅1.2 m，礦山法、矩形頂管和盾構等暗挖工法均不適用，需采用架空頂進工法，整體架空咽喉區鐵路股道19條，覆蓋面積約5 000 m2，橫向寬度約60 m，縱向長度約82 m，架空頂進期間，需保持下發場高密度的正常調度及發車。

2工程地質與水文地質

擬建場地地貌單元屬黃河一級階地。擬建場地地形較平緩，高差變化不大。場地地層主要為粉土和粉質黏土，分布較為規律，其縱橫向分布較均勻，起伏變化不大。地層情況詳見圖4。

巖土力學參數建議值詳見表1。

工程勘察期間勘探深度20 m內未見地下水。

場地工程地質條件較好，架空頂進施工不需采取降水、特殊地基處理或邊坡防護措施。

圖4　地質縱斷面圖

地層地層巖性重度γ/(kN/m3)剪切試驗c/kPaφ/(°)人工挖孔樁極限側阻力標準值qsik/kPa極限端阻力標準值qpk/kPa<2-1>粉質黏土18.512.115.760<2>粉土17.713.823.650<3-1>粉質黏土17.3221860<3>粉土1815.622.362<4>粉土17.914.619.4651500<5>粉砂夾粉土17.411.124.5601100

3工程重難點分析及應對措施

3.1工法簡介

縱橫梁架空頂進工法主要工藝流程：

1)基坑開挖，施作滑板、導向墩及反力后背，預制地道橋；

2)架空支點樁、反力支點樁施工；

3)縱橫梁固定、架空線路；

4)按“開挖土體—頂進地道橋—支點轉換”順序循環進行頂進施工；

5)地道橋就位后，回填道砟，拆除架空縱橫梁，恢復線路及信號設備。

3.2重難點分析及應對措施

架空頂進工程的重難點是伴隨工藝流程中為保證頂進施工安全、線路穩定及行車安全控制而產生的，主要為頂力計算、反后背設計、架空支點布置、架空縱橫梁設計、頂進時線路控制及支點轉換，本工程重難點及應對措施分析如下：

1)箱體大、頂進距離長、頂力大、頂進施工困難。下發場隧道結構全長81.86 m、寬37 m、高10 m，每延米地道橋受力約2 460 kN，外加施工期間架空體系及股道每延米受力約600 kN，長距離頂進不僅要求頂力大，而且頂進精度難以保證。

頂進阻力主要來源于頂管管節表面摩阻力，包含上部滑鐵與橫梁摩阻力、側壁摩阻力和底板滑動摩阻力，此外還包括鋼切刃端阻力。頂進阻力計算公式

式中：p為最大頂力設計值，kN；K為安全系數，取1.2；Ni為地道橋體表面壓力，kN；fi為接觸面摩擦因數，頂部滑鐵與橫抬梁摩擦因數取0.1,側面、地面摩擦因數取0.7；R為鋼刃角正面阻力特征值，kN/m2；A為鋼刃角端面積，m2。

本工程箱體斷面較大，考慮鋼切刃作用效果、頂進線路精度控制要求和減小糾偏難度需要，本工程采用挖土頂進，不設置鋼切刃，側面導向留土高度按2 m計。頂進阻力隨地道橋頂入股道下方長度增加而增加，頂進施工結束前頂進阻力達到最大，最大頂進阻力p=1.2×[600×81.84×0.1+2×(1.8×10×0.45×2×81.84×0.7)+(2 460+600)×81.84×0.7+0]=238 530 kN。

估算最大頂推力為238 530 kN。

頂力較大，在實施過程中，反后背及千斤頂支點設計將難以實現，擬采取結構分節、增設中繼間頂進實施。同時，考慮箱體大、頂進精度控制困難和場地受限等因素，采取分兩側對向頂進方案，以減小頂進距離，提高精度控制。

2)架空區域大，咽喉區線路固定困難。地道橋埋深約10 m，寬度37 m，需要架空的線路跨度達60 m，除地道橋兩側邊坡不穩定部分架空區域外，正上方架空跨度約40 m，需增設臨時支點以減小架空跨度，架空頂進期間，臨時支點需要鑿除，臨時支點上方的架空體系需要通過臨時支點轉換至地道橋頂部，實現結構體系轉換，才能保證線路的穩定。咽喉區股道除西側5條正線外，其余股道均為通過道岔與正線連接過渡的編組線，因此各個股道間存在大小不一的夾角。編組場跨度大、道岔多，股道采用的鋼軌、枕木不一，不同股道的枕木相互錯位，且經多年運營及維修調整，軌面標高、軌底標高、枕底標高均有較大差異，因而施工期間保持架空范圍內的線路穩定十分困難。

經過現場實地量測，本工程結合縱橫梁布置空間，除地道橋兩側的直徑1.5 m主支點和直徑1.2 m端支點外，擬在頂進前方設置4根直徑1.2 m臨時支點，減小架空主縱梁及轉換支點過程中滑動支點橫抬梁跨度。

3)架空支點受限多。股道間架空支點根據場地要求只能采用人工挖孔樁基礎，常用的挖孔樁孔徑為1.2、1.5 m，咽喉區股道多且相互交織，信號設備多且占用一定的空間，架空支點的位置空間及開挖作業空間十分有限，局部缺少支點會造成架空結構跨度大，軌道變形控制難度加大。

因道岔較多，在主縱梁跨度較大且難以布置架空支點區域，通過增設多處臨時枕木垛臨時支點，以控制架空期間線路變形。

4)架空縱梁高度受限。下發場各股道間距約 5 m，根據建筑限界空間，僅軌面以上1.1 m空間可供布設架空縱梁，并同時兼顧信號設備的遷改空間，可以采用的架空縱梁高度有限?？紤]設置多排主縱梁的空間有限，本工程采取規格較大的I100梁作為架空主縱梁。

5)結構體系轉換難度大。滑動支點是架空頂進施工的關鍵，常規設計地道橋頂滿鋪鋼板，橫抬梁作為滑動支點，架空頂進期間，利用橫抬梁整體受力及依靠反力支點保持線路穩定。下發場咽喉區股道多、標高差別較大，頂進過程中難免會產生施工誤差造成前后標高差異，因而頂進期間需不停監測軌面標高，并及時通過千斤頂調整滑動支點下方鋼板厚度，以免引起線路變形過大。地道橋橫向寬度37 m，如采取常規設計布設滑動支點，施工過程中作業量巨大，勢必投入大量人力、物力，而股道間空間有限，在不影響鐵路安全運營情況下進行頂進施工將變得非常困難。

針對滑動支點多且調整困難問題，本工程采用平置工字鋼代替鋼板，頂進過程中通過調整工字鋼墊塊厚度控制線路標高，大大節省了支點轉換工作量。

4設計方案介紹

4.1地道橋結構設計

地道橋斷面為單體兩跨矩形箱體結構，結構設計的重點在于施工階段和運營階段的受力狀態分析，經比較，箱體施工期間承受的荷載遠小于運營階段，因此結構設計中列車荷載按“中-活載”取值，并考慮列車動力作用，擬定的結構橫斷面及尺寸如圖5所示。

圖5　地道橋橫斷面圖(單位：cm)

地道橋的結構長度設計主要考慮了鐵路路基防護、過路線纜及設備的空間需求，按枕木外緣外放5 m作為結構的邊界，下發場地道橋結構總長81.86 m。

4.2結構分段及中繼頂

下發場地道橋結構總長81.86 m，結合本工程特點，擬定了雙側對向頂進的方案，為了確保雙側頂進切實可行，通過多次方案的設計和踏勘驗證，確定將道岔較為密集的11-12股道中間作為雙側頂進的中心點，同時為了減小頂進難度，中繼頂合攏處分別位于4-5、15-16股道中間，箱體自西向東分為4節，長度分別為23.8、14、15.1、28.9 m，接縫間距0.02 m，中繼間寬度2 m。分節后，第4節箱體即將就位時頂進阻力最大，計算值為84 230 kN。

箱體結構分節如圖6所示。

(a)

(b)

4.3架空體系

根據股道、道岔分布情況及鐵路建筑限界要求，為避免局部縱梁不連續引起的橫抬梁跨度過大、變形難以控制問題，經過比選，采用高度較低的I100型鋼梁。受路面標高控制，軌面距離箱體頂部最小處約0.9 m，橫抬梁選用I45c型鋼梁，以確保架空體系下方滑動支點的操作空間。

下發場發車密度較大，咽喉區機車調頭頻繁，相鄰股道同時行車多有發生，因此架空縱梁根據股道間的空間，采取雙道縱梁布置，局部因信號設備或道岔影響，部分縱梁不連續，采用單片縱梁或其他縱梁替代。

支點樁根據縱梁布置，同時考慮挖孔樁施工避讓信號設備設置，股道間支點間距9 m。受股道間距和道岔影響，支點樁局部調整設置。

橫抬梁設置方式為抬枕木底設計，以保持橫抬梁與頂進方向一致，局部縱橫梁跨度較大區域橫抬梁加密設置，以控制架空體系變形。

架空體系如圖7和圖8所示。

圖7　架空體系平面圖

圖8　架空體系斷面圖

采用sap2000有限元計算軟件對架空體系進行模擬分析，模型中，支點樁處主縱梁與橫抬梁節點按剛性連接考慮；其余橫抬梁與主縱梁相交處節點按簡支考慮，驗算結果如圖9—12所示。

經驗算，整個架空體系主縱梁豎向位移最大值為14.0 mm，橫抬梁豎向位移最大值為24 mm，均滿足L/400撓度控制要求；經核算，架空主縱梁、橫抬梁強度及穩定性均滿足規范要求。

圖9　架空體系豎向位移圖

圖10　架空體系彎矩圖

圖11　架空體系轉換支點豎向位移圖

Fig.11Vertical displacement diagram of supporting point conversion of overhead system

圖12　架空體系轉換支點豎向彎矩圖

Fig.12Bending moment diagram of supporting point conversion of overhead system

4.4滑動支點

滑動支點是結構體系轉換的關鍵，臨時支點鑿除后，箱體頂進前方滑動支點代替鑿除的臨時支點樁發揮作用，保持線路的穩定。

根據架空體系特點，下發場地道橋架空頂進設計，選擇位于支點樁和主縱梁跨中位置的橫抬梁作為滑動支點，大幅減少了滑動支點的數量，支點布置橫向間距4.5 m，縱向間距2 m，單個支點設計承載力150 kN。滑動支點摩阻力在頂進過程中帶動線路的不利荷載，支點設計需盡量減小摩阻力，現場采用實心滾軸小車作為滑動支點，效果較好，如圖13所示。

圖13　滑動支點

設置滑動支點的橫抬梁，每個支點由3根I45共同作用，橫抬梁采用U型吊絲與主縱梁固定。在頂進施工過程中，因各股道與箱體頂進方向均存在不同程度的夾角，為保證滑動支點的可靠性和線路穩定，對各個支點進行專人盯防，發現問題及時作出調整。

4.5反力支點

頂進施工中進行結構體系轉換，臨時支點樁鑿除，頂進施工時滑動支點代替臨時支點樁作用，其摩阻力有帶動線路的趨勢，需在頂進前方設置反力支點。

下發場架空頂進施工，架空體系分為3個區域架空，兩側分別頂進。西側頂進時，僅架空西面2個區域，反力支點設置在未架空的第3區域15-16股道之間，利用已就位的主縱梁固定設置滑動支點的橫抬梁，通過主縱梁兩側股道間增設圓木撐保持主縱梁穩定。東側頂進時，西側第一區域線路恢復，設置滑動支點的橫抬梁及4-5股道中間的主縱梁保留，作為東側頂進施工時的反力支點。

4.6反后背

頂進箱體阻力主要來源于各接觸面摩阻力，包含上部滑鐵與滑動支點摩阻力、側壁摩阻力和箱底摩阻力，施工時頂進為千斤頂一個行程一進尺，設計頂力為最大靜摩阻力。箱體經分節后，設計頂力為長度28.9 m 箱體鄰近就位時的頂推力，設計值為 84 230 kN。

千斤頂數量

N=p/(f·T)。

式中：f為千斤頂效率系數，取0.7；T為千斤頂頂力值，選擇3 200 kN自動連續頂推式千斤頂。

計算所需要的千斤頂數量為38臺，設計40臺，2臺備用。為防止頂進時箱體扎頭，頂進位置為箱體底板。

本工程利用敞口段坑內原土作為頂進后背，預制鋼筋混凝土梁作為反力分配梁，梁頂堆載反壓。

4.7其他措施

本工程架空線路復雜，還采取了以下措施確保施工安全。

1)更換有傷損的鋼軌、枕木及道釘等，避免架空變形引起線路損壞。

2)在道岔密集區因無法布設臨時支點縱橫梁跨度較大處，增設臨時枕木垛支點，控制架空體系變形。

3)線路與縱梁之間打設木撐，穩固線路。

4)箱體姿態控制措施主要為：頂進前方底板設置輕微船頭坡，防止箱體載頭；側向留土高度不小于2 m，形成導向槽。

5架空頂進施工及實施效果

5.1下發場地道橋頂進主要施工步驟

1)人工挖孔樁施工，2人1個班組，輪流挖土(見圖14)。

圖14　挖孔樁施工

2)軌道車吊裝縱梁就位(見圖15)。

3)穿滑動支點橫抬梁，并與縱梁固定。

4)架空線路(見圖16)。

5)按“頂進—支點轉換—頂進”循環進行頂進施工，直至就位(見圖17和圖18)。

6)逐步拆除架空區域橫抬梁和縱梁，回填搗固道砟，恢復線路。道路鋪裝，竣工通車(見圖19)。

圖15　吊裝縱梁

圖16　線路架空

圖17　頂進施工

圖18　支點轉換

圖19　竣工通車

5.2實施效果

1)黃河路地道橋下穿鄭州北站下發場咽喉區架空頂進施工，限于場地條件不能采用分離式箱體設計，因頂力較大，箱體結構根據股道情況進行分節，采用分區域架空、雙向中繼間頂進方式。分節后的箱體頂進阻力大大減小，所需千斤頂數量減少，反后背需提供的頂力也相應降低，設計反后背變形控制在合理范圍內。采用分區域架空、分節雙向頂進方案，降低了工程難度，整個架空施工過程線路控制穩定，工程進展順利。

2)采用挖土雙向頂進施工，利用兩側土體作為頂進導向控制，中線精度控制較好。

3)地道橋結構自重過大，雖然進行了嚴格控制，兩側箱體均不同程度地出現了扎頭現象，在東側箱體就位前，預留2.5 m接口區域，現澆混凝土滑板，才使兩側箱體順利合攏，避免了錯臺的發生。分析認為，大斷面地道橋頂進施工時，頂進前方土體雖然預留了一定下沉量，但由于頂進時箱體與土體摩阻力較大，頂進過程中極易帶動土體，造成基底土體擾動，引起箱體扎頭。經調查，一些小斷面箱體通過打入型鋼導軌即可實現；也有采用開挖導洞預作鋼筋混凝土導梁，不僅造價高，且開挖導洞對鐵路路基有一定安全隱患，工期也較長。通過設置導軌方式，頂進過程中如導軌發生不平衡沉降，將影響整個頂進過程，造成結構偏斜，基底土為超壓縮土，承載力滿足要求，應采取措施保持基底土層的穩定，避免箱體頂進時帶動下方土體。建議采取的方式為超挖10 cm土體，澆筑快干混凝土，在面層鋪鋼筋網片抗裂，混凝土達到設計強度后涂潤滑劑減阻，可有效控制基底土穩定，并可大大減小頂進阻力，減少機械及能耗。

4)常規反后背設計采取插入型鋼，用后拔出回收方案，本工程頂力較大，設計之初為型鋼+工字鋼分配梁作為反后背方案，工程實施過程中，調整為鋼筋混凝土梁、反壓土體方案。施工過程中，由于場地需求大，反力傳力桿幾乎占用了所有作業面，施工單位填土平整作為施工操作場地，后建議其加高填土厚度，并反復碾壓密實，提供一定的摩阻力。最大頂力監測值為85 000 kN，頂進完成開挖后背梁，除有輕微的后移外，整個反后背無明顯裂縫，形狀完好。

6結論與討論

1)編組站咽喉區施工，工程條件較一般鐵路工程風險及難度更大，在斷面大、覆土小的鐵路隧道施工中，架空頂進仍為適用的施工方法。

2)大斷面地道橋采用箱體分節、中繼間頂進方式，頂進阻力大大減小，所需千斤頂數量少，反后背需提供的頂力也相應降低，反后背變形控制在合理范圍內，具有一定的經濟性和安全性。

3)長距離地道橋采用對向頂進施工、分區域架空線路，既減少了頂進的距離，又可借助滑動支點橫抬梁貫通整個股道，由未架空股道間主縱梁提供反力支點，頂進期間線路的穩定及施工精度均易控制。

4)大面積架空鐵路股道，在支點樁和主縱梁跨中設置滑動支點，一方面在節點轉換過程中，減小了架空縱橫梁的跨度，可有效控制股道變形；另一方面，滑動支點在有效的區域設置，減少了轉換支點的數量，相應降低了頂進過程中滑動支點與箱體的摩阻力，避免帶動線路，同時也降低了轉換工作量，在有限的作業時間內，施工可行性更高。

5)采用挖土雙向頂進施工，利用兩側土體控制箱體中線精度，實施效果較好，但由于箱體自重過大，兩側箱體均不同程度地出現了扎頭現象。作者分析認為，應采取措施保持基底土層的穩定，避免地道橋頂進時帶動下方土體。

6)在土質較好、地下水位較低的場地采取鋼筋混凝土梁、反壓土體的反后背設計方案是經濟可行的，且通過加高傳力梁上部填土厚度，碾壓密實，能提供一定的摩阻力，進一步增強反后背混凝土梁及土體穩定。

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Study of Key Construction Technologies for Large-span Overhead Jacking of Underpass Bridge Crossing underneath Railway Marshalling Station

NI Weiwei,ZHANG Jundai,HUANG Wei

(China Railway Tunnel Survey &Design Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300133,China)

Abstract:The North Zhengzhou Railway Station is the largest railway marshalling station in Asian areas.The overhead jacking of underpass bridge crossing underneath North Zhengzhou Railway Station has many difficulties,i.e.large cross-section of underpass bridge box,long jacking distance,large overhead area,hard line fixing,limited overhead point and overhead horizontal beam and complex structural system conversion,etc.The underpass bridge jacking is analyzed and the jacking force and overhead system are calculated.The sectional overhead and opposite jacking method is adopted in the end.

Keywords:crossing underneath railway marshalling station;jacking and thrusting;overhead jacking;underpass bridge;existing line construction

收稿日期：2016-03-17;修回日期:2016-05-11

第一作者簡介：倪偉偉(1982—)，男，河南周口人，2009年畢業于鄭州大學，巖土工程專業，碩士，工程師，現從事隧道及地下工程設計工作。 E-mail:61288889@qq.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.014

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)06-0740-08