钢刃角超前支护法在既有铁路防护中的应用
2011-05-30高雪瑞
高雪瑞
(中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，乌鲁木齐 830011)
1 概述
根据乌鲁木齐市城市总体规划，重点发展城北新区，但由于乌准铁路横穿城北新区，将建成区和城北新区进行分割，对铁路两侧地区交通联系影响较大。既有线标准低，平交道口数量多，公铁干扰严重，制约着区域经济发展，制约了既有铁路输送能力的提高，威胁铁路运输安全。
乌准线乌北至小黄山段平交道口改立交工程，是为解决制约城市发展、铁路运输安全和提高运输效率等问题而实施的。本工点为乌准线平改立工程中一处，平交道口位于乌鲁木齐市中亚北路68路车站终点站，为无人看守道口，道路与铁路夹角55°，横跨两股道，道口宽8 m。中亚北路为城市道路，起自喀什西路路口，终止于既有小黄山铁路，铁路道口段道路路宽9 m(沥青混凝土)，道路两侧为居民区，工点里程乌准铁路K9+881.7，新建1-16 m箱形桥，与公铁中心线成55°夹角，桥净高6.5 m。受各种条件限制，最终方案确定采用钢刃角超前支护顶进施工，如图1所示。
图1 平改立工程平面示意(单位:cm)
2 钢刃角超前支护的工作机理
本工程中，钢刃角超前支护由钢柱、钢梁、上刃角、液压推进系统、液压反拉系统5部分组成。该结构的横向截面成简支梁桥形，其外廓尺寸与箱形桥外廓尺寸相同，装配在预制好的箱形桥前端，作为顶进时掘进面与路基的施工支护，同时具有顶推导向作用，见图2。
图2 钢刃角超前支护结构示意(单位:mm)
上刃角顶进到位后，按1∶0.75坡比挖除箱形桥底板前方"桥形"梁跨中土体，主体随后进行顶进。一般掘进长度控制在20～30 cm，刃角随箱形桥同步推进时，上刃角伸出部分被掘进面土体反推并缩回去，完成一钢刃角超前支护掘进工作循环。
掘进面开挖分为3个部分。
(1)子刃角内开挖
钢刃角上部设有n个子刃角，将上部开挖面分成了n个等分。当子刃角向前顶进时，其上部土方由前端锯齿刃角切割下落，子刃角承担了上部荷载。视挖掘面土的自稳能力，子刃角作业分先顶后挖、边顶边挖和先挖后顶3种方式。上刃角顶进到位后，先挖除钢柱、底板前一定范围内土体(由上刃角切入土体长度决定开挖长度)，主体随后进行顶进，坡比由路基土质决定，一般可采用1∶0.75。刃角随箱形桥同步推进时，上刃角伸出部分被掘进面土体反推回去，完成一钢刃角超前支护掘进工作循环。
(2)墩柱开挖
每个墩柱分为4层，每层下部有一块支垫钢板，可将每层封闭成独立箱室。每次仅向前开挖20～30 cm，正立面设有1∶0.2的坡。一旦发现坍塌现象，可对这个独立箱室进行单独封闭，不会造成大面积塌方。
(3)中心土开挖
中心土采用机械开挖，一般情况下中心土滞后子刃角掘进面6 m左右。若中心土自稳能力不强时，可放缓开挖坡度。中心土支撑，有两个主要作用。
①承受上部荷载。上部荷载由覆盖层恒载、列车荷载组成。上部荷载直接作用在主梁和子刃角上，再由墩柱传递至基底。
②平衡侧向土压力。因框架桥侧墙是垂直的，顶进开挖时就形成了一个垂直的临空面。当框架桥高度比较高时，侧向土压力也会十分大，容易造成塌方。当刃角切入土体后，利用中心土的侧向压力平衡了盾构外侧的侧向压力。
3 线路简易加固及反拉系统设置
钢刃角超前支护顶进前对线路进行轨束梁加固并在箱形桥上设置反拉系统，见图3、图4。
图3 线路加固及反拉系统立面
图4 反拉系统平面
在线路两侧先安装43 kg/m 2+3扣纵向轨束，共2束。两侧轨束面应在基本轨底面以下20 cm，以确保横向轨束能顺利穿越基本轨底为准。
根据板顶填土高度、路基土质、密实度等情况来确定是否在线路防护范围内路肩以下箱形桥顶部及两侧路基内进行管棚支护;根据路基土质及密实情况来确定是否对路基进行注浆加固。
反拉系统由后座、分配梁、减阻板、反拉扁铁和油顶构成，后座、分配梁及油顶安放于箱形桥的后端顶部，减阻板和反拉扁铁平铺于箱形桥顶部。当顶进过程中，减阻板与箱形桥顶面扁铁摩阻力大于减阻板上部线路基床阻力时，启动反拉系统，控制线路横向位移。
4 钢刃角超前支护的优缺点
(1)优点
①施工干扰小:“钢刃角超前支护”将明挖开槽改为钢刃角支护下暗挖，暗挖推进不影响轨道电路、信号自闭、线路封闭次数少，时间短。施工期间线路限速45 km/h。
②应用范围广泛:“钢刃角超前支护”特别适用于站场、站场岔区、电气化铁路、路基高的铁路。
③环保:采用“钢刃角超前支护”施工，产生的废弃钢材可以回收利用。
(2)缺点
①“钢刃角超前支护”需要的轨底至桥顶高度值＞1.8 m，造成引道长度较长，工作坑挖方量较多，所需投资也比纵横抬梁法防护方案大。
②钢刃角为刚性焊接体，工艺精密，焊接工作量大。
③在有地下水，地基承载力不足的情况下应用“钢刃角超前支护”顶进施工技术还有待进一步探索。
5 钢刃角超前支护的稳定性计算
控制变形是钢刃角超前支护顶进施工的关键;经工程实践验证并参考相关资料确定，影响线路变形主要为顶进施工时引起的竖、横向变形。
(1)线路竖向变形
①钢刃角超前支护中主梁在承受列车、线路等荷载时产生的挠度影响，按简支梁均布荷载作用下计算
式中 fc——跨中计算挠度;
q——均布荷载(活载+恒载)，148.5 kN/m;
lp——计算跨径，按单孔简支计算，4.452 m;
E——钢材弹性模板，2.1×105MPa;
I——惯性矩，665 084 cm4。
主梁强度满足行车要求，轨面不会出现三角坑现象。
②钢刃角超前支护中立柱按双孔连续梁计算垂直轴力，检算立柱稳定性
式中 N——计算轴力;
q——均布荷载(活载+恒载)，148.5 kN/m;
lp——计算跨径，4.452 m。
立柱压杆总体稳定临界值
式中 Fcr——压杆稳定临界值;
E——钢材弹性模板，2.1×105MPa;
I——惯性矩，268 187 cm4;
l——立柱计算长度，取值 7.764 m。
N＜Fcr，总体稳定。
③钢刃角超前支护中立柱基底压应力
式中 A——立柱底面积，取 1.06×7.424=7.87 m2;
N——底板上的垂直力，826.4 kN。
因此，钢刃角超前支护体系不会下沉。
(2)线路横向变形
箱形桥顶进时(钢刃角超前支护体系随箱形桥顶进)，通过设置减阻板将钢刃角、箱形桥顶面与线路基床相隔离。当减阻板与钢刃角顶面、箱形桥顶面扁铁摩阻力小于减阻板上部线路基床阻力时，减阻板、线路相对静止不动;当减阻板与钢刃角顶面、箱形桥顶面扁铁摩阻力大于减阻板上部线路基床阻力时，可通过箱形桥上设置的反拉系统稳定线路，根据本次施工过程记录数据以及以往内地大跨度立交桥施工资料，通过反拉系统调整，可以将线路横向位移控制在3 mm以内。
(3)线路加固
线路采用轨束梁进行简易加固。假设路基局部塌空跨度1.5 m考虑，计算43 kg/m(2+3)轨束梁的挠度，按简支梁集中荷载作用下计算
式中 fc——跨中计算挠度;
P——集中荷载，110 kN;
lp——计算跨径，1.5 m;
E——钢材弹性模板，2.1×105MPa;
I——惯性矩，5×1 489=7 445 cm4。
即使路基局部小塌方，轨面不会出现三角坑。
综上所述，顶进过程中，线路在动荷载作用下，竖向及横向变形极小，不会影响列车按45 km/h速度运行。
6 总结
“钢刃角超前支护”把顶进断面实施网格化，化整为零，从而达到既便于施工，又有利于行车安全的目的。它为既有线不断增加的大型立交项目得以实现提供了比较好的解决办法。目前疆内已完成1座并正在准备进行推广。
［1］铁运［2006］177号，铁路工务安全规则［S］.
［2］铁运［2006］146号，铁路线路修理规则［S］.
［3］乌铁总［2010］174号，乌鲁木齐铁路局铁路营业线施工安全管理实施细则［S］.
［4］中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.
