大型火车站内顶进框架桥的设计

梁红燕

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

1 工程概况

1.1 既有铁路情况

北京大兴区黄村火车站为京沪铁路和京九铁路的交汇站,京沪铁路和京九铁路均为全国六大繁忙干线铁路之一。兴华大街南延下穿京沪铁路立交桥桥址位于京沪铁路、京九铁路黄村火车站内,桥址处既有铁路共计12股道。其中4股为京沪铁路正线,分别为京沪铁路上、下行线和京沪铁路三、四线,股道编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ道；2股为京九铁路正线,分别为京九铁路上、下行线,股道编号为Ⅴ、Ⅵ道；1股为黄良铁路正线,股道编号为Ⅷ道；5股为黄村站站线,股道编号为7、9、10、12、14道。各股道线间距从北往南依次为5、5、5.3、5.3、5、5.3、13.2、4.9、5、5.1、4.9 m。所有股道均为电气化铁路,无缝线路,60 kg/m钢轨,钢筋混凝土枕。股道轨面高差较大,最大高差值(Ⅱ道和14道)为48 cm。

桥址处既有铁路旅客站台2座,两站台间有旅客地道1座,其中一站台宽约10.2 m,二站台宽约9.5 m,站台上设有风雨棚。桥址处既有电气化设备为钢立柱、软横跨,电气化立柱分别位于一站台、二站台和14道外侧。既有铁路股道间及铁路两侧有铁路电源线和通信信号光、电缆等设施。

1.2 桥位处构筑物情况

1.2.1 地铁大兴线

桥址西侧为在建地铁大兴线。地铁左线、右线分别位于京沪铁路下行线K35+211.6、K35+194.0处。地铁横断面为圆形,半径为2.7 m,壁厚0.3 m。下穿铁路处地铁为曲线,曲线半径R=300 m,洞顶至轨面高差约14.5 m。与新建框架桥最近处为框架桥北侧尾墙处,净距为6.32 m,地铁洞顶与框架桥底板底面的高差为2.48 m。

1.2.2 京沪高速铁路

桥址南侧为在建京沪高速铁路。京沪高速铁路为双线,左、右线线间距为5.0 m,与既有铁路基本平行走向,与最外侧股道线间距约为45 m。京沪高速铁路在车站附近以大跨度桥的形式上跨设计道路。

1.2.3 其他

桥址西北角有一座铁塔及黄村火车站站房；东南角有一座水塔及北京供电段黄村电力综合工区房屋。以上建筑物位于框架桥工作坑开挖边坡上,框架桥工作坑开挖前须对上述建筑物进行防护。

1.3 地质情况

该场地地质情况自上而下依次为第①层杂填土,土层厚度1.3～1.7 m。第②层细砂,层厚1.1～1.8 m,地基基本承载力为210 kPa。第③层粉质黏土,土层厚度1.2～3.4 m,地基基本承载力为150 kPa。第④层粉土,土层厚度0.8～2.8 m,地基基本承载力为150 kPa。第⑤层粉质黏土,该层厚度1.4～2.3 m,地基基本承载力为150 kPa。第⑥层粉砂,土层厚度2.2～3.8 m,地基基本承载力为150 kPa。第⑦层粉质黏土,土层厚度1.4～6.6 m,地基基本承载力为150 kPa。第⑦-1层黏土,土层厚度0～1.4 m,地基基本承载力为150 kPa。第⑧层粉土,土层厚度大于1.0 m,地基基本承载力为150 kPa。

1.4 立交桥设计

根据该桥位处的既有铁路情况,拟采用下穿框架立交桥的形式通过黄村火车站。下穿框架桥采用顶进法施工,即在保证铁路安全运行的前提下,将在铁路路基一侧预制好的钢筋混凝土箱形框架,采用高压油泵带动油压千斤顶,并借助于预先修好的后背支撑,顶入铁路路基内,成为一座铁路立交桥。这种施工方法的特点是不中断铁路运营,同时也能在运营铁路下形成立交。

2 立交桥主体结构设计

受现场外部条件的影响,道路在车站附近以S形曲线穿过车站,框架桥布置在S形线中间不足50 m的直线上,框架中心线与铁路中心线的斜交角度为75°。从箱体的结构设计[1]及道路的使用要求[2]来考虑,该桥结构采用4孔连体式框架结构,孔跨布置为6.5 m-13.5 m-13.5 m-6.5 m,框架桥结构总高度8.1 m,结构净高6.2 m(图1)。

图1 框架桥横向正截面(单位：cm)

框架桥的结构底板底高程29.85 m,基底压应力为100 kPa。结构基底位于第⑤层粉质黏土上,地基基本承载力为150 kPa,满足基底压应力的要求。

3 顶进方案的选择[3]

方案一(推荐方案)：从一侧顶进。

垂直铁路方向主体长度为83.44 m,沿框架桥轴向分为4节,其中有10 m现浇段,由北向南依次编号为现浇段、A节、B节、C节,每节长度分别为10、22.5、23.04、27.9 m。

框架桥采用中继间法施工,A节、B节、C节由南向北顶进,然后在C节北侧现浇10 m框架。

框架桥顶进到位后,每两节之间设置3 cm宽沉降缝,3道沉降缝分别位于9道以北(一站台下)和Ⅰ、Ⅲ道之间以及Ⅳ、Ⅵ道之间(二站台下),沉降缝须进行防水处理。

方案二：采用对顶方式顶进。

垂直铁路方向主体长度约为83.5 m,沿框架桥轴向分为3节,由北向南依次编号为A、B、C节,每节长度分别为27、21.75、34.75 m。

框架桥采用顶进法施工,A节、B节由北向南顶进,C节由南向北顶进。

框架桥顶进到位后,每两节之间设置3 cm宽沉降缝,两道沉降缝分别位于Ⅲ、Ⅴ道之间和Ⅳ、Ⅵ道之间(二站台下),沉降缝须进行防水处理。

从以下几个方面对两个方案进行比较：

(1)投资估算(表1)

方案一投资总额较小,方案二投资总额较大。

(2)铁路干扰

表1 框架桥投资估算

方案一：顶进时共计穿越12股道,对铁路运营影响时间较长。

方案二：采用对顶法顶进,两部分框架桥分别穿越7股道和5股道,顶进就位后,可分别恢复铁路正常运营,对铁路运营干扰时间较短。

(3)顶进施工难度

方案二采用对顶,对顶接头部位在二站台位置处,顶进到位前须对两处框架桥刃角等进行切割作业,在二站台处须对站台和附近线路进行可靠防护,施工难度较大。

(4)顶进精度

方案一：采用中继间法从一侧顶进,每两节框架桥之间顶进精度较容易控制。

方案二：采用对顶法从两侧顶进,对顶接头处偏差较难控制。

经过综合比选,方案一顶进方法较好。

4 线路加固设计

为了不中断铁路运营,框架桥顶进前需对铁路线路进行加固。根据铁路运营单位的要求,框架桥顶进时施工限制速度不应低于45 km/h。为了满足列车慢行45 km/h的要求,采用3—5—3扣吊轨梁和横抬纵挑的工字钢与防护桩、支撑桩、抗横移桩组成线路加固系统。纵梁搭在横梁上,横梁一端支撑在路基防护桩上,另一端支撑在顶进前端的抗横移桩顶梁上。线路加固范围：超出框架桥两侧不小于框架桥高并留不小于3 m的富余量,该框架桥定为12 m,线路加固全长92.3 m。线路加固横梁采用I40b型钢,每隔一根木枕穿一根横梁,横梁间距0.9 m。线路加固纵梁采用I45b型钢,双根一束布置,位于线路两侧2.1 m处,置于横梁上,用U形螺栓与横梁连接。

5 全封闭防水止水设计

考虑到桥位处历史水位较高,约在地表以下1 m左右,高出基底面7 m,引道设计为全封闭止水,使得框架桥与引道U形槽连接处防水止水成为设计中的重点。

引道U形槽设计时,为了抗浮,将U形槽高度加高,在U形槽内铺设2.5 m厚的土层,以增加U形槽本身的自重,来平衡水浮力。这样就使得U形槽基底面低于框架桥基底面2.5 m,无论是刃角侧底板还是尾墙侧底板都与引道U形槽底板不在一个平面上,设计时考虑在与U形槽相接处框架桥底板下设置一个直角梯形的钢筋混凝土块,高度为2.5 m,上宽3.6 m，下宽1.1 m,贯穿框架桥整个横截面,并在U形槽底和梯形块底设置梯形混凝土枕梁,上宽2.2 m，下宽1.0 m，高0.6 m,以接缝处对称布置,保证U形槽和框架桥共同沉降变形。

刃角端防水设计,在刃角侧预埋止水带,框架桥顶进到位后,刃角补齐施工时,将接触面凿毛,与刃角底板一并浇筑。尾墙端防水设计,框架桥顶进后端三角顶块和尾墙上预埋止水带,U形槽底板设计成与三角顶块相对应的形式,待框架桥顶进就位后,再浇筑U形槽。为了保证三角顶块与U形槽的紧密连接,在三角顶块上采用植筋工艺,将钢筋锚入三角顶块,然后再与U形槽钢筋焊接在一起。

各个构筑物之间的变形缝也要预埋中埋式橡胶止水带,以达到全封闭止水的目的。

各个分节框架桥之间的中继间处,由于布设顶镐,结构局部可能产生裂缝,设计时考虑加设钢板,以防止局部裂缝的产生[4]。当框架桥顶进就位后,接缝处布设橡胶止水带,然后现浇镐窝内混凝土(图2)[5]。

图2 中继间防水处理(单位：mm)

6 框架桥设计中重点解决的技术问题

6.1 合理分节,解决桥体过长的问题[6]

因框架桥穿越股道较多,顶进轴向长度较长,框架桥横截面积较大。受目前顶进设备的影响,单节顶进框架桥的重量不宜过大。同时为了减少对既有铁路运营的干扰,将两节框架之间的接缝设在对铁路运营干扰较小的位置。根据现场的具体情况,将框架桥分为A、B、C三节,单节长度分别为22.5、23.04、27.9 m,后节顶进长度大于前节,可以用后节的重力推动前节前进,将三节框架之间的接缝分别设在Ⅰ、Ⅲ道之间以及Ⅳ、Ⅵ道之间(二站台下)。框架桥顶进就位后,切除顶进前端的刃角,在1站台下现浇10 m框架,减少顶进长度,同时也满足了使用要求。

6.2 合理确定轨底道砟层厚度,为线路加固的实施提供方便及保证

顶进框架桥共需穿越12股道,股道高差达48 cm。如果按常规的做法,顶进框架桥轨底道砟层最小厚度按80 cm考虑,那么京沪铁路四股正线的线路加固高度最小的为103 cm,最大的为128 cm,线路加固时就需要在工字钢的横梁下垫上木枕,以抬高横梁。京沪铁路为铁路运营干线,过往车辆多,如果采用该种加固方法,对京沪铁路运营的干扰较大,同时施工的难度也较大。为了解决这一问题,将顶进框架桥轨底道砟层的最小厚度(14道)降为60 cm[7],最大厚度可降为1.08 m,大大降低了线路加固的施工难度。

6.3 对邻近建筑物防护,保证铁路运营安全的措施

桥址位于大兴区黄村火车站内,周围既有建筑物较多,在建的大兴地铁和京沪高速铁路也在框架桥的影响范围内,所以对这些建筑物的防护也很重要。拟在土体开挖前,对有影响的建筑物进行挖孔桩防护,形成一种挡土的简易连续墙[8]。经过计算,确定防护桩的直径1.25 m、桩长19 m、间距1.8 m等参数,确保由于开挖引起的沉降在允许的范围之内。在挖孔桩顶设置冠梁,使之连为一体,更好地发挥其作用。同时在框架桥顶进前对桥区范围内的土体进行注浆加固,防止由于开挖造成土体大范围坍塌。通过采取这2种防护措施,将框架桥施工过程对邻近建筑物的影响减少到最低。对铁路线路也要进行防护,设计在箱体两侧和铁路线路两侧布置多根挖孔桩,挖孔桩顶设置冠梁。在每个股道间箱体两侧也各布置了一根挖孔桩,并在挖孔桩外侧设置拉锚桩,限制桩顶位移。通过采取这些安全措施,保证了框架桥的顺利顶进,也保证了铁路运营的安全[9]。

6.4 解决底板空洞的技术措施

由于框架桥轴向长度较长,顶进行程较长,为了避免框架桥底板产生空洞影响结构受力,框架桥底板预设注浆孔,框架桥顶进到位后对地基进行注浆加固,加固完毕后封闭注浆孔[10]。

7 结语

北京市大兴区兴华大街南延立交桥穿越股道多,股道轨面高差大,既有建筑物和在建建筑物多,地下水位高,框架顶进轴线长,设计时需考虑的因素多,设计技术难度大,设计上有较大创新。根据现场的具体实施情况来看,线路加固的实施和对既有建筑物的防护措施都取得了很好的效果,达到了预期的目的。本工程的成功实践为今后类似复杂的大型车站改造工程及京九、京沪等既有提速干线立交改造积累了经验[11]。

[1]TB10002.1—2005 J460—2005 铁路桥涵设计基本规范[S]．

[2]CJJ37—90 城市道路设计规范[S].

[3]铁道第四勘察设计院桥隧处.桥涵顶进设计与施工[M].北京：中国铁道出版社,1983：1-96.

[4]TB10002.3—2005 J462—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]．

[5]GB50108—2008 地下工程防水技术规范[S]．

[6]李 伟.北京市东五环路与铁路东北环线立交桥的设计研究[J].铁道标准设计,2003(10):22-24.

[7]CJJ74—1999 城镇地道桥顶进施工及验收规程[S].

[8]TB10002.5—2005 J464—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S]．

[9]铁办[2005]133号 铁路营业线施工和安全管理规定[S]．

[10]JGJ79—2002 建筑地基处理技术规范[S].

[11]刘映红.既有大型站场咽喉区下穿箱形桥设计[J].铁道标准设计,2006(6)：45-47.