下穿鐵路框構橋沉降研究

陳天福

摘要：下穿鐵路橋梁的施工往往會對既有鐵路線產生較大的影響，容易產生較大的沉降和變形。如何減少現有鐵路線由于施工引起的附加影響，確保施工及鐵路的安全運營非常重要。本文對下穿鐵路框構橋的防護加固設計進行研究，分析軌道沉降量驗證加固設計的合理性。

關鍵詞：框構橋；加固；沉降

1引言

目前，隨著我國經濟的快速發展，城市規模的不斷擴大，鐵路的分割作用日漸顯著，隨著速度的不斷提高，鐵路橋涵、路基和軌道等工程結構對沉降的要求變得更加嚴格，鐵路的沉降問題受到了密切關注。臨近現有的鐵路修建新的建筑物，新建建筑物基礎會對周圍土層產生壓應力。極易造成原有建筑物沉降變形。目前雖有一些此方面的研究和探討，但相對較少。

本文結合某省火車站下穿鐵路框構橋頂進工程實例，對臨近普速場的線路加固設計，分析沉降量，驗證其技術的合理性，為以后類似工程提供借鑒作用。

2主體設計

該橋為下穿某火車站站場鐵路框構橋，與火車站站場XII道正交，軸長為142.5m，高10.5m。機動車道為雙向四車道，兩側各設3.0m人行道。框構橋主體采用C35鋼筋混凝土結構，抗滲等級P8。其主體結構如圖1所示

該橋址所處地層基本可分四層，從上到下依次為雜填土、粉土、粗圓礫土、細圓礫土。該橋的框構基底坐落于a0=500kPa的細圓礫土層上。所處于地下水埋深3.5-4.0m處，屬潛水型地下水，水的補給來源為大氣降水，水位的季節變化幅度1-2m。

3普速場加固設計

為確保鐵路運輸的安全運行，必須進行現有鐵路線普速場的加固。選擇的加固形式應本要著對運輸干擾較小，確保鐵路運輸正常安全，同時方便施工的原則，并結合路基土質、頂進框構結構尺寸、框構頂以上覆土厚度以及施工季節和地下水位變化情況等因素綜合決定，本次普速場加固方案采用縱橫抬梁加固、路基旋噴加固、頂進框構地基加固及兩側路基加固、路橋過渡段加固等。

3.1縱橫梁加固

框構橋頂進期間，鐵路1-5道線路采用155C橫抬梁進行加固（圖2），橫梁間距0.8m，縱梁支墩采用C20混凝土結構，縱梁下設50×50cm混凝土支點帶，頂進前端以5道東側設置的鉆孔樁為支頂樁，加固期間列車限速45km/h。

3.2路基旋噴樁加固

為防止框構橋頂進期間普速場側天窗過大，對普速場框構橋兩側既有鐵路路基進行旋噴樁固化。為便于施工，工作坑滑板底到距離既有線10.6m范圍采用直徑60cm間距0.4m高壓旋噴樁對地基進行加固，高壓旋噴樁除加固地基外，還兼有工作坑封底的作用，以防止基坑開挖隆起變形對鐵路產生影響。

3.3頂進框構地基加固及兩側路基加固

在頂進框構下及框構兩側各15m范圍內采用壓漿固化對地基進行加固，壓漿固化深度需穿透土層至框構底板底以下9.0m。框構頂進就位后，框構邊墻與路基間坍塌的部分采用級配碎石填充后，再用鋼花管進行注漿處理。并在框構兩側路基各20m范圍內，路基面以下0.5m做C15素混凝土塊處理。

3.4路橋過渡段加固

框架橋頂進過程中以及施工完成后，均應及時對框架橋兩側的路橋過渡段進行跟蹤補充注漿，以填充加固框架橋頂進過程中在路橋過渡段形成的松弛區域，防止路橋過渡段出現較大的不均勻沉降。

4沉降分析

4.1計算模型

通過有限差分軟件FLAC建立三維模型進行計算，假定土層、框架橋、縱橫梁體系均為連續介質。模型以框架橋縱軸線方向為y軸，垂直框架橋縱軸線為x軸，豎直方向為z軸。根據框架橋和鐵路路基的空間位置關系，建立三維計算模型如下圖3所示。模型中設置了框架橋、土層、縱梁、橫梁以及鐵路線共計五個模塊。土層在頂進過程中考慮其塑性變形，采用Mohr-Coulomb準則，而框架橋及縱橫梁僅考慮其彈性變形，采用線彈性本構關系。

模型的計算工況主要有：

工況1：框架橋頂進前的初始狀態模擬；

工況2：路基旋噴加固措施下框架橋的頂進模擬；

工況3：框架橋橋身段注漿加固后的頂進模擬。

4.2結果分析

4.2.1工況1

初始狀態土層的豎向變形指土層在自重作用下的初始沉降，用于驗證模型的正確性，在框架橋頂進模擬之前，這部分初始沉降將清空為零。框架橋頂進前土層的初始位移場如圖4所示。

4.2.2工況2

計算時假設框架橋頂進至0+90m位置，即頂進掌子面位于普速場3道下方。僅在路基旋噴加固措施下，計算結果表明，無列車荷載作用下的鐵路軌道靜態最大沉降變形為14.0mm，有列車荷載作用下的動態最大沉降為26.3mm（圖5）。

4.2.3工況3

計算時假設框架橋頂進至0+90m位置，即頂進掌子面位于普速場3道下方。

計算結果表明，框架橋橋身段土層注漿加固后，無列車荷載作用下的鐵路軌道靜態最大沉降變形為6.1 mm，有列車荷載作用下的動態最大沉降為18.3mm。

計算結果表明，在現有加固措施下，無列車荷載作用下的鐵路軌道靜態最大沉降變形為14.0mm，有列車荷載作用下的動態最大沉降為26.3mm。根據《鐵路線路修理規則》（鐵運[2006]146號）對線路軌道幾何尺寸容許偏差值的規定，臨時修補靜態高低容許偏差為10mm，動態容許偏差為24mm。現有加固措施只對框架橋兩側的路橋過渡段進行了旋噴樁加固，而框架橋橋身段的土層未進行注漿處理，因此導致框架橋頂進過程中，掌子面前方坍塌范圍較大，橫梁懸空距離較長，鐵路軌道靜態和動態沉降變形較大，超過了線路軌道的容許偏差值。框架橋橋身段土層注漿加固后，鐵路軌道靜態最大沉降變形為6.1mm，動態最大沉降為18.3mm，滿足線路軌道的容許偏差值（圖6）。

5結論

通過有限差分程序FLAC計算對框構橋施工進行沉降分析，列車荷載引起的路基沉降變形小于軌道動態幾何尺寸容許偏差值，框構橋運營階段變形對鐵路運營影響較小。框架橋施工引起的路基沉降變形是頂進橋涵所需控制的重點，待路基沉降穩定后再進行下一步工序。此外要嚴格控制框構橋兩側旋噴樁及注漿施工質量，使框架橋兩側與路基過渡段剛度不連續引起的不均勻沉降變形滿足規范要求。本框構橋的設計及分析希望能為以后類似工程提供可借鑒經驗。