有高差的鐵路下穿框架橋對頂施工技術

王朝騰

(中鐵六局華東指揮部，上海 201102)

1 工程概況

豐潤動車城外環公路下穿京哈鐵路地道橋工程，位于河北省唐山市豐潤區小營村。地道橋為8 m-13.5 m-13.5 m-8 m四孔框架地道橋，與京哈鐵路交點里程為K162+91.76 m。本工程設兩座橋，對頂施工，其中京哈下行線北側設置1#基坑，預制1#箱體，由北向南頂進，頂程33.6 m。京哈上行線南側設置2#基坑，預制2#箱體，由南向北頂進，頂程39 m。地道橋總長為45.824 m，其中1#箱體長21.018 m，高8.9 m。2#箱體長24.776 m，高12.15 m。框構底板、中墻、側墻厚1.1 m，頂板厚1 m，加腋尺寸1.8 m×0.6 m，橋寬均為48.5 m。頂進結構位置關系如圖1、圖2所示。

圖1 頂進施工平面布置

圖2 頂進施工立面布置(單位：cm)

本工程穿越京哈鐵路。既有京哈鐵路為雙線電氣化鐵路，兩股鐵軌中間距19.844 m，鐵路位于直線段上，橋位處路基填高約3 m。此處京哈下行線低、上行線高，上、下行高差3.25 m，上、下行分別位于8.5‰和4‰的縱坡上。

線路加固采用扣軌縱橫工字鋼梁加固體系，單股線路加固長度87.5 m，寬度25 m。扣軌采用50 kg/m鋼軌，組裝方式3-5-3扣軌。橫梁采用I40b工字鋼，間距0.9 m。橫梁的一端支撐在框構橋頂板上，另一端支撐在抗移樁上的冠梁上。縱梁采用I45b工字鋼，沿線路方向在線路兩側布置，縱梁工字鋼與橫梁工字鋼用直徑22 mm U型螺栓連接在一起，兩端置于枕木垛基座或護坡樁樁頂冠梁。

本工程是豐潤動車城外環的重要節點，也是G102國道改線之后的重要節點，建成后能大幅緩解豐潤區的貨車通行壓力。

2 工程難點及針對性措施

2.1 線間地形條件復雜

2.1.1 施工難點

本工程位于鐵路的線路區間地段，鐵路線路為封閉線路，施工機械不能跨越鐵路，所有施工只能依靠人工進行。橋位處鐵路線路有3.25 m高差，兩鐵路線間距19.844 m，既有地面為路基、邊坡、排水溝、邊坡、路基斷面形式。整體地形比較復雜，期間還有排水管涵，均不利于施工。

2.1.2 設置線間通道

借助施工區域外的橋梁通道進入鐵路線間，沿鐵路線路設置人行通道并設置硬隔離設施，確保施工人員和列車運行的安全。利用施工區域的排水管涵接通水、電和混凝土地泵，為現場施工提供必須的保障。如圖1所示。

因線間施工，無論鉆孔樁還是挖孔樁均需將土方或泥漿進行外運，鐵路樁基數目多，將產生的土方向兩側施工區域內倒運，形成土平臺，保證線間內施工，同時倒運的土方高度不會對鐵路行駛造成影響。

2.2 箱體超高

2.2.1 施工難點

以往地道橋的外高一般為8 m，而本工程2#橋外高12.15 m，是一般地道橋的1.5倍還多，且橋寬為48.5 m，長24.776 m。長高比為2∶1，長寬比為1∶2。地道橋的底面受力面積小，側墻摩阻力較常規地道橋靠上。頂進受力位于底板，橋體所受抬升的扭矩增大，頂進就位精度不易控制。兩座橋梁需要對頂合攏，對頂進施工的精度要求非常高。

2.2.2 減小側面摩阻力、降低正面阻力

針對2#箱體結構重心上移，摩阻力受力較高的情況進行箱體受力分析。根據分析，頂進過程中側面摩阻力與底板所受的頂力形成的抬頭力矩將會增大，將不利于箱體的姿態控制，需降低正面阻力及側面阻力。

(1)減少側面阻力：邊墻土壓力的大小及其分布規律受到墻體可能的移動方向、墻后填土的種類、填土面的形式、墻的截面剛度和地基的變形等一系列因素的影響。邊墻完全沒有側向位移、偏轉和自身彎曲變形時，作用在其上的土壓力即為靜止土壓力，此時墻后土體處于側限應力狀態(彈性平衡狀態)，與土的自重應力狀態相同。

根據計算最終得E為14 165.05 kN。土壓力的著力點至計算土層底面的距離C=H/3,為底板頂向上3.67 m。

將箱體兩側注入觸變泥漿減少側面土體對箱體的阻力[1]。通過試驗獲取觸變泥漿配比為：膨潤土∶CMC∶純堿∶PHP∶水=6%∶0.1%∶0.3%∶0.2%∶93.4%，注入觸變泥漿同時邊墻外面涂蠟，使石蠟附著于混凝土防水卷材表面，形成一層蠟膜，從而能夠進一步減小頂進施工中結構與外側土體之間的摩阻力，減少50%～70%的摩阻力，最終外側土壓力減少至7 082.5 kN。

(2)減少正面壓力：將箱體前方刃角的土及兩側邊墻的土全部清理，使箱體正前方沒有阻力，減少正面阻力對箱體的干擾。頂進時，前刃角處要本著“非必要，不吃土”的原則，即箱體不扎頭就不吃土頂進，將側方土體清至邊墻外面以內10 cm左右，在保證路基土體不塌方的情況下，減弱前段的抬升力矩。

2.3 土質復雜

2.3.1 施工難點

工程地點地形復雜、水位較高。勘察報告顯示，2#基坑區域地層較為平緩，不同地層成上下分層狀態。1#基坑區域位于不同地層的縱向變化地帶，僅在1#基坑區域內，坑底就呈現出4種不同的地質狀態，其土質分布、性質如圖3、表1所示。地下水的區域分布也很明顯，東側1/3區域有地下水，較豐富，中西2/3區域無地下水。土質條件的復雜性給頂進施工精度控制增加了難度。

圖3 1#箱體土質斷面

表1 土體特征

2.3.2 通過土工試驗確定留土高度

基坑開挖后，對底板前方的粉質黏土進行土工試驗模擬、對土方的壓實度進行檢測，控制底板前方土的預留高度。線間施工路基防護樁及支撐樁時，將地質變化的位置深度及地質層的厚度進行記錄，并繪制成簡易地質圖。同時通過對補充勘探的地質報告及地質圖共同研究，分析出抗移樁及箱體位置的大致地形地質，對可能遇到的施工問題進行提前分析模擬并提出可行的有效措施。

既有框構橋底板土進行取樣，做壓實度試驗，求得頂進前方土壤壓實度，采用灌砂法測取壓實度，壓實度為干密度/最大干密度。

現場實際采集土方，通過灌砂法檢測壓實度：經過實際測量灌砂桶與原有砂重質量為4 000 g，圓錐體內砂重質量為270 g，灌砂筒與剩砂質量2 720 g，砂密度P砂為1.4 g/cm3。試樣m為1 460 g；稱取30 g試樣，用酒精加熱后稱重質量為25.9 g，則最大干密度P大為1.89 g/cm3。土體總質量M=(4 000-270-2 720)g=1 010 g,土體總體積V=M/P砂=721.4 cm3，濕土密度P土濕=m/V=2.02 g/cm3，含水量W水=(30-25.9)g/25.9 g=15.8%，干土密度P干=P土濕/(1+W水) =1.74 g/cm3。獲得壓實度K=P干×100%/P大=92.06%。

先根據以往鋪筑假定一個松鋪系數，以該松鋪系數作為試驗段的參考值，然后測得原有土的高程h1，之后預留土方測得松鋪高程h2，最后測得壓實后的高程h3，壓實系數為K=(h3-h1)/(h2-h1)。則松鋪系數X=(h2-h1)/(h3-h1)，計算值為1.08。

通過土體壓實度及松鋪系數計算，當頂進前方土達到試驗要求的壓實度時，壓實后的高程h3一定時，h2與h1成正比關系，如果箱體頂進趨勢向下沉、則將h2預留土厚度變大，反之，控制h2預留土厚度變小。

2.4 抗橫移系統的設置

2.4.1 施工難點

抗移樁是頂進地道橋施工必需的臨時樁基，其作用是在頂進過程中抵抗橋體對線路的摩擦力、支撐線路加固體系，以保證鐵路軌道的穩定，進而保證列車的行駛安全。

本工程為對頂施工，兩座橋需分別設置抗移樁，2#箱體抗移樁設置在1#箱體就位框構橋范圍內；1#箱體抗移樁設置在2#箱體就位框構橋的前懸臂板下。這種設置解決了兩個箱體的抗移樁問題，但是也限定了頂進施工的順序，頂進不能同時進行。需先進行2#箱體頂進施工，就位后再進行1#箱體的頂進，頂進至2#箱體抗移樁時先進行鑿除，鑿除完成后再繼續頂進，至頂進就位。整個施工需依次進行2#橋和1#橋的線路加固、頂進施工、鑿除抗移樁，整體頂進施工工期長，對鐵路運行影響時間長，同時安全壓力大。而且，鑿除2#箱體抗移樁時，高出1#橋體頂面的部分難以施工，鑿除過程風險較大。抗移樁設置如圖4所示。

圖4 線路加固體系

2.4.2 采用異型抗移樁系統

為了降低2#橋體抗移樁鑿除過程中的施工風險，縮短對鐵路運行的影響時間，經研究提出了一種能夠雙向使用的異型抗移樁頂進系統，變更原來兩排抗移樁為可雙向抗移的單排抗移樁。

將抗移樁設置在2#箱體框構橋前懸臂板下方。將常規的“L”型冠梁，調整為“ㄣ”型冠梁。下部“丨”區域冠梁與抗移樁相連，為1#箱體頂進提供抗移。中間的“一”位于兩橋體前懸臂板中，并伸出2#箱體框構橋前懸臂板。上部“丨”區域冠梁位于2#箱體前懸臂正前方，為2#箱體頂進提供抗移。通過此設置，解決了兩座框構橋無法同時頂進施工、施工工期長、鑿除風險高的難題，減少7 d頂進時間(鑿除2#橋體抗移樁2 d，1#橋體頂進時間5 d)。抗移樁冠梁結構如圖5所示。

圖5 單排抗移樁及冠梁形式

根據頂進距離及時間分析，下部線路加固體系先開始對冠梁產生作用，上部線路加固體系再對冠梁進行作用，如圖6所示。需檢算抗移樁冠梁厚度是否能在實際中抵消加固體系產生的水平橫向力。

圖6 抗移樁冠梁受力分析(單位：cm)

(1)橫向力計算：①既有上下行鋼軌60 kg/m、50 kg/m扣軌兩道、145b工字鋼縱梁，即每延米線路及加固體系質量為1 107.5 kg。②既有混凝土軌枕(間距0.6 m，單根250 kg)質量為417 kg。③橫梁(采用30 m I40b-10 m I40b-木枕形式，0.9 m 1個循環)質量為2 463 kg。④扣件、U形卡子、扣板等100 kg。合計質量為4 087.5 kg。橋長范圍內(50 m)線路及加固體系總重N:4 087.5 kg/m×50 m×g=2 002.875 kN。

通過試驗確定荷載與摩擦力關系式：F總=0.348N+4.82,則摩擦力F總=701.8 kN。

(2)冠梁強度計算：①抗移柱共10根，間距5 m，工字鋼冠梁總長45 m；該范圍內共有30 m工字鋼橫梁57根。一根工字鋼橫梁作用的橫向力P=F總/57=12.31 kN。②將兩根抗移樁之間的工字鋼冠梁視為簡支梁，最不利荷載為兩點受力：12.31 kN×3/2=18.465 kN,應力σ=1.465 MPa。抗移樁冠梁采用C25混凝土，混凝土強度為25 MPa，采用標準值的75%作為工作強度。冠梁應力1.465 MPa<18.75 MPa，滿足要求。

3 工程效果

以豐潤動車城外環公路下穿京哈鐵路地道橋工程為例，通過設置臨時通道、減弱四周土體壓力、施作土工試驗、設置異型抗移樁、合理組織施工等措施，使本工程對頂施工圓滿完成、接縫處誤差3 mm，精度符合要求。此施工有效減少了施工人員、縮短了工期，大幅節約成本，降低了對鐵路運營的影響時間，值得廣泛推廣使用。