铁路顶进框架式桥涵钢轨桩后背设计及计算探析

刘云龙

摘  要：在铁路新建或改建工程中，涵洞以及框构桥顶进施工颇为多见。大量工程统计数据显示，要确保框构桥顶进施工质量，首先要抓好后背设计。后背作业是框架式桥涵顶进施工过程中的临时性措施，其设计情况是否科学合理，质量是否达标，直接和整个框架桥顶进工程建设情况密切相关，对于工程总投资和施工进度、工期等指标有着极为重要的影响。如果后背设计超量，就会导致不必要的成本支出，投资超标。如果后背设计不足，则又有可能给顶进施工带来不可预估安全隐患，比如产生开裂和偏移等质量问题，降低工程质量和施工速度，严重时甚至会给铁路工程的正常使用带来威胁。

关键词：铁路工程框架;涵顶进设计;计算钢轨桩后背

引言

我国幅员辽阔，国土面积广大，铁路运输需求很高。同时，复杂多变的地理、地质条件也给铁路工程施工带来许多困难。在铁路工程建设过程中，经常遇到需要修建、改造涵洞的情况。框架涵顶进设计是其中的重要环节，而工作坑后背墙的选择计算又成为重中之重，由于涉及内容广泛，计算难度较大。加强框架涵顶进后背设计及相关配套计算研究，对于提高涵洞改造工程设计水平，保障涵洞改造工程质量，维护我国铁路运输安全稳定运转具有十分重要的意义。作者结合某项工程實例，试对铁路框架涵顶进后背设计计算进行分析、探讨，希望可以对广大设计同行开展铁路设计工作有所帮助。

1 后背的主要类型以及对应用途

现阶段，我国铁路框架式顶进施工常用的后背种类主要重力式后背、钢筋砼拼装式后背、板桩式后背三种情况：其中，重力式后背又称之为浆砌片石后背，该种后背形式主要用于小规模的工程施工，具有工艺简单、方便易行，对施工设备需求不高等特点，尤其对大型起吊、打桩设备及运输工具没有需求，施工成本相对低廉，但由于该后背形式在最大顶力和稳定可靠性方面缺乏足够优势，所以不能用于大型工程施工之中。钢筋砼拼装式后背，顾名思义，该后背由多种钢筋混凝土预制件构成，相对于重力式后背，提供的顶力更大，相对于下文要介绍的板桩式后背，施工用料，主要是钢质材料更少，组装工艺较为简单，钢料可以循环重复使用，造价较易受控制，同时，钢筋砼拼装式后背由于预制件质量沉重，施工时对于运输条件和吊装设备具有一定要求，主要应用于对于顶力需求较大，工点相对集中的工程环境。板桩式后背是目前大型铁路施工中最为常见的后背设计形式。该种形式后背由组成较为复杂，涉及多种型钢、后背粱和后背填土，综合性能水平较好。具体特点如下：一是该种形式的后背可以通过先打人板状再进行工作坑施工的方式，降低后背填土用量，并使得桩后土质更为紧密结实。二是材料重复循环利用水平高，总体成本较易控制，对于需求大顶力的施工场合，相对重力式后背、钢筋砼拼装式后背在施工成本上更具优势。三是在使用钢轨后背桩的前提下，可以大量使用铁路正线上替换下来的旧轨料，不但节约了资源，提高了环保水平，对于降低工程造价也是一个重要的支持与促进。正是因为这个原因，现阶段大型顶进施工多数采用钢轨桩后背的设计形式。

2 工程概况

某下穿立交桥设计为1-7.0m框构桥，外轮廓全宽为8.3m，桥长19.07m，内摩擦角ψ=30°，土容重γ=18KN/m3，经计算最大顶力为942.4t，采用钢轨桩后背，后背宽度B=10.3m，以下对所采用钢轨桩后背进行设计计算。

3 钢轨桩后背设计计算

3.1 桩后土压力计算

桩长H=6.1m，h1=4.0m，h2=2.1m

计算如下：

（1）桩后土破裂角tgθ=tg（45°-ψ/2）=tg30°，θ=30°

（2）推力系数λ=tgθ/tg（θ+ψ）=1/3

（3）主动土压强度σh=γ·h1·λ=2.4t/m2

3.2 钢轨桩入土深度计算

（1）被动土压系数λp=tg2（45°+ψ/2）=3

（2）主动土压系数λa=tg2（45°-ψ/2）=0.333

（3）设基坑底面以下同一深度h0内主动土压强度为σa，被动土压强度为σp，基坑底面桩后产生主动土压力的土层深度为y，则有：

σp-σa=γ·h0（λp-λa），（σp-σa）/h0=γ（λp-λa）=4.8t/m

可得y=σh/4.8=0.5m

（4）所有外力对桩顶A点的力矩

P1=σh·h1/2=4.8t，P2=σh·y/2=0.6t，∑P=P1+P2=5.4t

M1=P1·2h1/3=12.8t-m，M2=P2·（h1+y/3）=2.5t-m

∑MA=M1+M2=15.3t-m

设D0为在深度y下所需的附加深度，则：

1/2·[γ（λp-λa）D0]·D0·[2D0/3+y+h]=∑MA

解得D0=1.103m

故钢轨桩需打入基坑底面以下总深度为：

h2=y+D0=1.603m

现采用h2=2.1m，则D0=h2-y=1.6m

（5）钢轨桩顶拉杆的拉力

设钢轨桩顶拉杆拉力为T

P3=σD0·D0/2=12.29t，T=∑P-P3=-6.89t

T为负值，即拉杆顶端A点没有承受拉力，故可不设拉杆。

（6）钢轨桩稳定检算

倾倒力矩为桩后主动土压力对A点的力矩总和∑MA，抵抗倾倒力矩后基坑底面以下桩前被动土压力P3对A点力矩∑M3。

∑M3=P3（2D0/3+y+h1）=68.41t-m

稳定系数K=∑M3/∑MA=4.47>1.3（可）

（7）钢轨桩截面计算

经计算每米后背需要截面模量W=2034.3cm3

采用P50kg钢轨，正倒扣布置，每根钢轨的平均截面模量w=263.3cm3。

若每米后背用P50kg钢轨9根正倒并列，可提供截面模量W'=9·w=2369.7>2034.3cm3（可）

每米后背提供最大顶力EP=γ/2·H2·λp=100.47t

本桥最大顶力为942.4t，后背宽度B=10.3m，每延米承受顶力：

E0=942.4/10.3=91.50t/m，EP>E0（可）

需钢轨桩总长度为L=10.3×9×6.1=565.47m

总重量为G=29.13t

4 结束语

随着我国铁路与社会经济的高速发展，新增道路穿越铁路以及既有平交道口改立交等工程将会大大增加，而其中大多要依靠顶进施工的方法。通过分析检算，利用既有资源，合理设置后背，能够确保施工以及铁路行车的安全，对铁路顶进桥涵后背施工设计具有一定指导意义。

参考文献

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