雙孔框構橋下穿重載鐵路頂進施工條件下線路加固技術研究

尚培培

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北滄州 062350）

下穿鐵路頂進施工是公路或城市道路穿越鐵路的常見形式。頂進法可以在不中斷鐵路運營的情況下將預制結構頂進，與既有鐵路形成立體交通模式。頂進法施工工藝成熟，安全性高，已得到了廣泛應用［1-6]。朔黃鐵路屬國家Ⅰ級干線、雙線、電氣化重載鐵路，是我國西煤東運的第二大運輸通道，年運量已經突破3 億t。隨著朔黃鐵路1 萬t、2 萬t 列車的規模化開行以及30 t 軸重列車的試驗開行，對全線橋梁結構安全提出了更高的要求［7]。重載鐵路上部列車荷載作用明顯，對線路和下部基礎要求嚴格。因此，如何在保證施工安全和重載鐵路運營安全的條件下，減少頂進施工對線路結構的不利影響，已經成為亟待解決的問題。

本文以新建2×17 m框構橋下穿朔黃鐵路施工為工程背景，開展大跨度框構橋頂進施工過程中重載鐵路限速運營下線路穩定性分析和加固技術研究，提出合理的加固方案和措施，制定關鍵施工工藝和操作流程，以保障頂進施工安全順利進行。

1 工程概況

河北省平山縣鋼城路下穿朔黃鐵路立交橋工程，位于鋼城路與朔黃鐵路交匯處。在朔黃鐵路重車線里程K248+184 處有一座既有蓋板涵，鋼筋混凝土蓋板涵凈寬5 m，凈高4 m，邊墻為漿砌片石。既有蓋板涵已不能滿足新建道路通行要求，需拆除并在此涵小里程方向8.38 m 處新建2 × 17 m 框構橋。在不中斷鐵路行車的條件下，一邊拆除既有涵洞，一邊頂進新建框構橋。

朔黃鐵路為雙線電氣化鐵路，通行5000 t、1 萬t、2萬t列車。橋位處雙線均為直線，線間距4 m，路基填方高度約7 ～8 m。軌道類型為有砟軌道，面向黃驊港方向，左線為上行重車線，鋼軌型號為75 kg/m，軌枕為Ⅲ型枕；右線為下行空車線，鋼軌型號為60 kg/m，軌枕為Ⅱ型枕。新建框構橋中心線與朔黃鐵路重車中心線的法線夾角為18.1°。結構設計為：頂板厚1.2 m，底板厚1.3 m，邊墻厚1.2 m，中墻厚1.1 m，刃角長4.5 m，平衡重長4 m，凈高7.6 m，框構主體垂直鐵路寬度為19.5 m。框構橋頂進施工期間，線路限速45 km/h。根據現場地質鉆探勘查資料，框構橋及其擋墻基底位于粉土層上，地基基本承載力為130 kPa。

污水、雨水、天然氣管道防護涵采用頂管施工，在框構橋兩側頂進。框構橋小里程端為雨水、天然氣管道防護涵，大里程端為污水管防護涵。根據《鐵路頂管通用圖》（京橋通-5002），天然氣管道防護涵采用φ1550 T12-S型混凝土管；雨水、污水管道防護涵采用φ2150 T12-S型混凝土管，管口形式均為雙插式。

2 加固方案設計

在橋涵頂進既有線施工過程中，首先保證既有線的列車運營安全，其次保證頂進結構安全。線路不變形、不沉降、不滑移是保障列車運營安全的首要前提，頂進施工時必須提前對線路進行加固。

2.1 加固方案

既有線橋涵頂進前，應根據線路情況（如直線、曲線、無縫線路、普通線路、軌枕類型、單線、多線、電氣化、高程等）、橋涵跨徑、運輸要求、地質水文氣象條件、路基土質、覆土厚度、施工季節等因素，確定線路加固方案。目前，有吊軌、鋼便梁、吊軌縱橫梁3 種加固方法。①吊軌法一般用于直線地段且孔徑小于3 m的橋涵，要求路基土質較好。②鋼便梁法將鐵路搶修器材B 型或D 型鋼便梁沿線路方向布置于兩側，利用鋼便梁的橫梁將線路抬起，框架涵（橋）頂進時活載全部由鋼便梁承擔。受鋼便梁跨度的限制，該方法一般用于跨度（斜跨）小于24 m 的橋涵。③吊軌縱橫梁法是在吊軌法的基礎上發展而成，橫梁垂直于線路方向放置于枕木下方，縱梁放置于橫梁上。將線路抬起，橫梁一端支撐在框架涵（橋）的前端，一端支撐在線路另一側的支撐樁上，然后將縱梁和橫梁固定，頂進時框架涵（橋）相對橫梁移動。該方法適用于橋涵孔徑較大，箱頂無覆蓋土的線路加固，線路與橋涵正交、斜交均可使用。綜合參考以往實踐經驗并結合工程現場實際，本次新建2×17 m 框構橋頂進施工采用吊軌縱橫梁法加固線路。

線路加固方案［8]中將3-5-3扣軌作為吊軌梁，采用橫抬縱挑法布置工字鋼縱橫梁的加固體系，主要包括路基注漿，安裝3-5-3 扣軌，設置路基防護樁、支撐樁、抗橫移樁，鋪設縱橫梁等內容。線路加固方案初步設計如下：加固總長度為91.12 m，頂進方向由南向北。施工時先對既有路基進行注漿加固，再對無縫線路進行應力放散，將加固段混凝土枕全部抽換成長木枕，然后采用3-5-3 扣軌作為吊軌梁對線路進行加固，扣軌鋼軌型號選用50 kg/m 軌。三樁設置：框構橋四角路基設路基防護樁，框構橋刃角側設支撐樁和抗橫移樁。橫梁、縱梁均采用I50c 工字鋼，橫梁間距0.9 m。橫梁要垂直于線路穿入，縱梁與橫梁工字鋼用φ22-U形螺栓聯結在一起，縱梁兩端支撐于舊枕木垛基座上。初步設計線路加固方案布置見圖1。

圖1 初步設計線路加固方案（單位：cm）

在施工過程中，若施工工序、施工工藝、現場情況等發生變化，應根據現場情況及頂進方案對初步方案進行多方面優化。

2.2 頂管線路加固方案優化

圓管防護涵原設計采用人工開挖頂進，線路加固體系與框構橋頂進統籌考慮并整體設計。采用吊軌縱橫梁法，施工時先頂進框構主體，再頂進兩側圓管防護涵。但調查現場發現既有接觸網支柱不影響框構橋兩側的頂管作業，為加快施工進度，可先進行頂管作業。圓管涵頂進采用泥水平衡頂管機（即采用旋挖鉆盾構頂進法），頂進方案更加安全可靠。同時對圓管涵頂進范圍內線路加固方案進行單獨設計和優化，采用3-5-3 吊軌加固法，污水管防護涵加固長度為12.50 m，天然氣、雨水防護管涵加固長度為18.75 m。

2.3 框構頂進方向優化

原設計框構主體預制在朔黃鐵路南側，頂進方向由南向北，但在實施過程中發現頂進基坑后背距離鐵路南側既有排水渠較近，排水渠常年積水，且后背夯填范圍內高壓線暫時無法改移，而鐵路北側路基基礎穩定，無施工障礙，框構預制場地寬闊，施工進場方便。因此決定在鐵路北側進行框構預制，頂進方向改為由北向南頂進，線路加固方案也作了相應優化調整，根據頂進方向調整了防護樁、支撐樁及抗橫移樁樁位布置。

2.4 框構頂進線路加固方案優化

1）吊軌及縱橫梁加固體系優化。①由于防護涵已頂進完成，因此線路加固總長度由91.12 m調整為70 m；②為進一步強化加固體系，橫梁及縱梁I50c工字鋼改為I56c工字鋼；③加固段混凝土枕不再抽換成長木枕，既有鋼筋混凝土枕間直接穿入長木枕進行3-5-3扣軌，橫梁鋪設間距由0.9 m 調整為（0.6+1.2）m；④取消了抗橫移樁頂工字鋼縱梁及焊于橫梁上的7.5號角鋼。

2）三樁設置優化。根據現場實際情況及相關施工經驗，對三樁設置進行了優化調整：①四角路基防護樁最外側各有1 根防護樁取消設置，沿線路方向排列的防護樁與框構兩側防護頂管位置重合的部分取消設置，防護樁共取消14 根；西北角最外側1 根及西南角最外側1 根防護樁向外平移至防護涵外側；抗橫移樁兩側及中間部分取消設置，共取消6 根。②在東南角未設置的2根抗橫移樁對應位置的支撐樁冠梁頂豎向插入P60鋼軌，東南角插入5根，西南角插入3根，每隔2 m設置1根，鋼軌插入冠梁內1.0 m，外露0.5 m；橫向設置I56c工字鋼代替抗橫移樁。同時在抗橫移樁對側的防護樁冠梁上鉆孔植入鋼筋、設置地錨，采用10 t倒鏈牽制橫向工字鋼，防止線路橫移。

優化調整后的線路加固方案見圖2。

圖2 優化調整后的線路加固方案（單位：cm）

3 線路加固檢算

采用MIDAS/Civil 有限元軟件建立吊軌縱橫梁線路加固體系模型［9]（圖3）。采用梁單元進行模擬，橫梁按簡支梁計算，共分為880個節點，1183個單元。

圖3 線路加固計算模型

3.1 設計荷載

考慮線路加固為臨時性的組合體系，按主力最不利組合情況進行計算。

1）恒載。結構自重，按設計選取。

2）列車活載。朔黃鐵路為重載鐵路，列車豎向活載采用ZH 活載，重載等級系數Z=1.2。列車豎向活載包括列車豎向動力作用，按照換算荷載簡化為均布荷載作用于橫梁上，該列車豎向活載等于列車豎向活載乘以動力系數（1+μ），μ為沖擊系數。列車通過速度為45 km/h。根據TB 10000.2—2017《鐵路橋涵設計規范》［10]，剛架橋頂上填土厚度h≥1 m（從軌底算起）時不計列車豎向動力作用。當h ＜1 m時，則有

式中：L為線路加固計算長度，m；α為影響系數。

3.2 計算內容

1）荷載組合

主力：恒載+活載；各項指標按可能的最不利組合情況進行計算［11]。

2）結構內力計算和各項指標

線路加固橫梁按受彎構件進行強度、撓度計算。Q235鋼材力學控制指標見表1［12]。

表1 Q235鋼材力學控制指標

3.3 計算結果

結構受力及變形結果見圖4，提取各關鍵參數進行分析。可知，加固過程中結構最大應力為45.27 MPa，遠小于規范容許應力140 MPa，橫梁最大撓度為4.063 mm，也小于規范規定的撓度容許值4000/600=6.67 mm。可以認為，線路加固中結構強度、撓度等各項關鍵指標均滿足規范要求，橫梁最大懸空長度應不大于4 m。

圖4 各關鍵參數計算結果

4 施工工藝及過程監控

4.1 施工工藝

施工工藝流程見圖5。

圖5 施工工藝流程

關鍵工序操作要點如下：

1）既有路基注漿加固。頂進前對土體進行壓密滲透注漿，以提高其承載力及穩定性，防止頂進過程中路基塌方。注漿范圍為順鐵路方向長度不小于67.5 m（框構橋兩側邊墻外不小于15 m）；橫橋向為兩側路基坡腳，即朔黃鐵路重車線北側不小于14 m，朔黃鐵路空車線南側不小于16 m。注漿采用水泥漿，注漿孔間距為1 m，呈梅花形布置，框構底板以下不小于3 m。

2）安裝3-5-3 扣軌。注漿加固完成后，對線路采用3-5-3 扣軌加固，鋼軌接頭錯開間距大于1 m，朔州方向伸出邊墻不小于55 m，黃驊港方向伸出邊墻不小于50 m。扣軌與其下的枕木用φ22-U 形螺栓聯結在一起，扣軌鋼軌類型為50 kg/m。待扣軌加固完畢后進行路基防護樁、抗橫移樁、支撐樁的開挖澆筑及樁頂冠梁的澆筑。

3）設置三樁。三樁總體設置情況如下：①框構橋四角路基設置的防護樁樁中心距為2.5 m，直徑1.5 m，樁長16 m，樁頂無冠梁。四角離鐵路最遠的一根防護樁未設置，此樁位于鐵路既有路基坡腳處，不影響頂進過程中和頂進就位后刃角補齊時防止路基坍塌的功能，但起到出入口擋墻施工時防護路基的作用。因此頂進就位后施工出入口擋墻時，在此樁位打入I40b工字鋼樁替代此樁，布設在已施工防護樁外側3 m 范圍內，每米設置5根，每根工字鋼長15 m。②順鐵路方向排列的防護樁樁中心距為2.5 m，直徑1.5 m，樁長19 m，樁頂設冠梁，梁與樁頂一次整體澆筑。順鐵路方向排列的防護樁，其主要功能為防止頂進過程中路基坍塌（主要是緊挨框構橋兩側的樁）并作為線路加固橫向工字鋼的支點，增強橫向工字鋼的剛度，與框構兩側防護頂管位置重合時可不設置。當作為線路加固橫向工字鋼支點使用時，需在未施工的樁位設置冠梁，并與已經施工的樁頂冠梁連成一整體，恢復作為橫向工字鋼支點的作用。③支撐樁樁中心距為4 m，直徑為1.25 m，樁長18 m，樁頂設冠梁；④抗橫移樁樁中心距為3 m，直徑1.25 m，樁長18 m，梁與樁頂一次整體澆筑。

圖6 防橫移結構（單位：cm）

4）鋪設縱橫梁。橫梁采用I56c工字鋼，鋪設間距為（0.6+1.2）m，接頭錯開間距不小于1.5 m，橫梁按照先中間后兩側的順序垂直穿入于線路。為了減少箱涵頂進時的阻力，并使橫梁牢固聯結在一起，橫梁梁端在冠梁上焊接三角形小鋼板以增加強度。沿線路方向在線路兩側設置I56c工字鋼縱梁，縱梁接頭錯開間距1.5 m。縱梁與橫梁工字鋼用φ22-U 形螺栓聯結在一起，縱梁與橫梁之間加設絕緣膠墊，以減少對電氣信號的干擾，縱梁兩端支撐于舊枕木垛基座上。枕木垛基底夯填碎石墊層150 mm，干砌片石300 mm，根據枕木垛沉降程度適當加高枕木垛。施工時應盡量減少拼接接頭數量，并避免在軌下拼接。線路加固還需布設防止線路橫移的設施（圖6）：箱體頂板預制時在尾部每隔3 m 設置拉環，采用倒鏈與線路加固系統連接在一起，隨頂進隨拉緊倒鏈；冠梁頂設地錨用來拉緊線路。橫梁工字鋼下與箱體頂板之間來車時用50 mm 墊板打緊，頂進時松開。為了防止橫梁沿線路方向移動，在橫梁之間縫隙處用木塊頂緊。

4.2 過程監控

框構橋下穿過程中對路基沉降變形和軌道沉降變形進行實時監控。監控范圍為框構橋上方及左右各10.0 m 內，測點布置在線路上下行兩側，每2.0 m設一個測點。監控時間貫穿路基加固、頂進施工和工后觀測整個階段。

頂進施工前路基加固期間，路基及鋼軌未發生任何沉降變形；框構橋頂進期間，橋體左右兩側路基沉降約2.0 mm，鋼軌沉降略小于路基沉降，最大值約1.0 mm；頂進施工結束后，路基和鋼軌未發生任何沉降變形。

5 結論

1）結合施工工藝和現場情況，取消了部分抗橫移樁和防護樁，并采取相應的加固補強措施，保證了加固體系的整體性和穩定性。

2）在鋼筋混凝土枕間隙穿入長木枕，不再抽換成長木枕，拆除方便，線路恢復時間短，質量高。

3）優化后的線路加固體系安全、穩定、可靠，強度、穩定性指標均滿足相關規范要求。整個施工期間，路基及軌道沒有出現任何沉降過大等異常情況，線路始終處于相對穩定和安全的狀態。

4）橋涵頂進施工時線路加固方案應根據現場情況充分考慮各種不利因素的影響，并經過相關檢算才能確保線路加固方案的可靠性。