高地下水位道岔區頂進框架線路加固設計

李文浩

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 工程概況

商丘市梁園路由南向北依次下穿隴海鐵路路基、鄭徐高鐵橋梁，根據平面圖顯示，道路與隴海線4條股道(2條隴海正線和2條到發線)存在交叉；自南向北各線線間距分別為5.0 m、5.5 m、5.6 m。交叉處道岔型號為9號道岔，下穿鐵路路基采用6 m+11.5 m頂進框架穿越既有正線及道岔區，由于道岔區鐵路線間距受限，接觸網及信號設備十分復雜，頂進難度較大，需合理采取縱橫抬梁架空方案，保證架空體系安全。

橋址處位于黃淮沖積平原區，地勢平坦、開闊，地面高程50.00～50.90 m，相對高差0.90 m，地層以第四系全新統沖洪積層為主，該處地下水位較高，測時地下水埋深5.1 m，標高45.56 m，根據計算結果顯示，線路加固支點樁長度需18 m，若采取人工挖孔方式，受地水位限制，施工條件不足，需進行降水；而框架橋距離鄭徐高速鐵路橋梁較近，《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》(TB 10182-2017)[1]規定：高鐵影響范圍內禁止抽降水，因此，該處框架橋支點樁施工方案需進行特殊設計。

2 道岔區線路加固設計

2.1 道岔區線路加固特點

框架橋頂進過程中，需保證既有線路正常運營，道岔為機車由一股道進入另一股道的連接設備，道岔區軌道結構及設備復雜[2]，對變形要求較高，線路加固必須保證道岔的所有設備與縱橫抬梁體系形成可靠連接，滿足平順性要求，保證設備正常使用。

本工程道岔轉轍機的終端電纜盒無法固定，須遷移、防護并完成部分電纜更換工作，無法固定的道岔轉轍機可加固至線路架空橫抬梁上[3]。縱橫抬梁線路加固方式相對靈活，道岔區架空支點樁可根據線路走向進行異型布置，保證縱橫梁結構體系安全。

2.2 道岔區線路加固設計

圖1 縱橫抬梁平面布置

橫抬梁在枕木底部穿越，橫抬梁間距0.6 m。橫抬梁與枕木底用木板填塞，保證橫抬梁與枕木連接緊密。為了保證道岔整體性受力，在道岔區枕木下鋪墊20 mm厚鋼板，鋼板與橫抬梁間用木板填塞。施工期間應派專人對線路架空進行監護，每次列車通過后必須及時檢查，做到及時發現問題隨時解決，保證線路標高、各構件連接可靠。

2.3 縱橫梁數值模擬

采用Midas/Civil 2017有限元程序對架空體系進行空間分析，分別對結構整體強度與剛度進行檢算。由于加固范圍共計4股道，分別為隴海上、下行線、四線、八線，部分區段存在道岔，計算時按不同的車道加載計算，架空系統沿線路方向最大間隔11m設置一道橫抬梁組，設計荷載傳力途徑為：鋼軌→橫梁→縱梁→支撐和鋼軌→橫抬梁組→支撐[5]。為了解該橋架空結構的受力性能，精確定位支點樁的位置，設定合適邊界條件，對整個架空體系上部結構進行三維分析。縱橫抬梁均采用Q235的鋼材，結構有限元模型如圖2所示。

圖2 縱橫抬梁有限元模型

2.4 數值模擬結果及監測結果對比

經計算可知，道岔位置跨中橫梁在荷載組合主+附(有車橫風)下，出現最大拉應力，同時，結構豎向位移最大值也出現在跨中橫梁處，該不利工況下模型位移及應力結果如圖3至圖5所示。

(1)強度檢算。計算結果顯示縱梁最大應力為127.1 MPa，材料的容許應力值為185 MPa，滿足規范要求，普通橫梁45a最大應力為130.3 MPa，橫梁組45a最大應力為163.2 MPa，均未超過材料容許應力值，滿足規范要求。

(3)差異變形值。對單波長范圍內縱、橫梁相對變形情況進行分析[7]，縱梁最大差異變形值為8.4 mm，滿足道岔有砟軌道動態平順度11 mm的要求；橫梁最大差異變形值為4.13 mm，滿足《鐵路信號維護規則技術標準Ⅰ》中道岔的拉桿及外鎖閉裝置水平方向的高低容許偏差不大于5 mm的要求。

圖3 縱梁應力計算結果

圖4 橫梁應力計算結果

圖5 位移計算結果

(4)根據施工單位提供的有效位移觀測數據及應力監測數據，與上述監測位置的理論計算結果進行對比分析，比較結果如表1、表2所示。

表1 橫梁跨中變形結果對比

表2 橫梁應力結果對比

實測結果與計算結果變形、應力變化趨勢吻合良好，本次線路加固體系鋼結構強度及剛度均滿足設計要求。

3 基于高地下水位架空方案優化

3.1 地下水對頂進施工的影響

線路加固中最常用的支點樁施工方法便是人工挖孔法，由于鐵路線路下方施工空間受限，而該工法不需要使用大型機械設備，快捷、方便，是一種實用可靠的成孔施工工藝，適用于地下水位以上的粉土、粉質黏土、中等密實以上的砂土層[8]；但如果施工深度范圍存在潛水或承壓水的土層，人工挖孔灌注樁施工時井下作業條件差，存在塌方風險[9]，安全及施工質量堪憂。若遇到本工程中臨近高鐵的情況，無法進行降水作業，則必須對架空體系方案進行優化，以滿足線路加固需要。

3.2 支點轉換架空方式

以梁園路頂進施工過程為例，提出一種新型支點樁施工方案：支點過渡轉換法。

(1)首先施工7 m人工挖孔樁，人工開挖至地下水位線以下0.5 m后成孔并灌注成樁，安裝全部縱梁和橫梁完成第一次線路架空，滿足45 km/h的列車慢行要求，并在既有箱身上放置枕木垛與橫梁相接，加固鐵路。完成臨時支點過渡樁后，按以下方法施工設計支點樁(樁長L＝18 m)：設計支點樁采用間隔開挖施工，分兩輪完成，隔一挖一，先開挖支點樁鉆孔作業平臺，作業平臺形成后，采用小型回旋鉆完成下部樁基施工，架空立面如圖6所示。

圖6 支點樁局部架空立面示意

(2)除兩端支點樁外，其余支點樁鉆孔平臺以下14 m采用混凝土灌注樁，樁頂以上安裝直徑1.2 m鋼結構樁，上方穿設橫抬梁組，橫梁與樁頂之間采用枕木與硬雜木板填塞密實并打緊，兩端支點樁上部4 m立模澆筑混凝土。首輪支點完成后，回填鉆樁平臺路基缺口并夯實，按同樣方法施工第二輪剩余支點樁，施工完成后回填夯實鉆樁平臺路基缺口，完成過渡支點與設計支點的轉換，轉換過渡過程如圖7所示。

圖7 支點樁過渡方案立面布置

3.3 頂進施工時序分析

線路架空完成后，邊頂進新建箱身A，邊鑿除新建箱身A處拼裝鋼結構支點樁，待箱身頂進至原拼裝鋼結構支點樁位置后，在箱頂該位置設置滑動支座，安裝滑道，直至頂進至設計位置。在滑動支座下安裝鋼支撐[10]，防止應力過大。

邊頂進新建箱身B，邊鑿除新建箱身B處拼裝鋼結構支點樁，待箱身頂進至原拼裝鋼結構支點樁位置后，在箱頂該位置設置滑動支座，安裝滑道，直至頂進設計位置，滑動支座下同樣安裝鋼支撐，防止應力過大。

頂進就位后，新建箱身左右側路基回填砂夾碎石加5%水泥，箱身間距采用M10砂漿填充，箱頂回填道砟，頂進施工過程如圖8所示。

圖8 頂進施工過程

3.4 工藝優勢及難點

(1)采取支點轉換過渡方式能夠有效解決地下水位過高，人工挖孔樁實施困難的問題，既可避免大范圍降水，又能有效保證架空體系的穩定性。

(2)人工開挖面以上部分采取拼裝鋼結構樁，在頂進過程中，拆除方便，避免人工鑿樁對縱橫梁體系及既有線的擾動。

(3)因線路加固是在道岔上進行，加固設備與普通線路不同，需要專門加工制作，為保證線路的穩定性，防止結構出現橫向位移及平面扭轉，縱橫梁間需加設剪刀撐[11]。

(4)商丘站西咽喉區實施頂進框架，涉及轉轍機及信號機遷改，要點時間長，對鐵路行車存在一定的干擾，需協調鐵路信號、通信部門[12]，盡量縮短工期，減少對鐵路運營影響。

4 結束語

本工程結合鐵路線路特點、地下水位情況等因素，針對性地采用了異型縱橫抬梁、過渡支點樁、臨時鋼支撐等組成的線路加固系統。通過結構計算與實測數據對比分析，驗證了采取分次架空進行線路加固是安全可靠的，既解決了地下水位過高無法完全采用人工挖孔樁的局限性，又能有效保證鐵路道岔區的線路平順性；施工過程中拼裝式鋼結構樁拆除方便，無需進行大范圍支點樁鑿除，能有效避免結構失穩等不利情況，很好地解決了高地下水位區域道岔區頂進框架線路加固困難的問題，能對同類型既有線框架橋設計提供參考。