下穿铁路框构桥沉降研究

陈天福

摘要：下穿铁路桥梁的施工往往会对既有铁路线产生较大的影响，容易产生较大的沉降和变形。如何减少现有铁路线由于施工引起的附加影响，确保施工及铁路的安全运营非常重要。本文对下穿铁路框构桥的防护加固设计进行研究，分析轨道沉降量验证加固设计的合理性。

关键词：框构桥；加固；沉降

1引言

目前，随着我国经济的快速发展，城市规模的不断扩大，铁路的分割作用日渐显著，随着速度的不断提高，铁路桥涵、路基和轨道等工程结构对沉降的要求变得更加严格，铁路的沉降问题受到了密切关注。临近现有的铁路修建新的建筑物，新建建筑物基础会对周围土层产生压应力。极易造成原有建筑物沉降变形。目前虽有一些此方面的研究和探讨，但相对较少。

本文结合某省火车站下穿铁路框构桥顶进工程实例，对临近普速场的线路加固设计，分析沉降量，验证其技术的合理性，为以后类似工程提供借鉴作用。

2主体设计

该桥为下穿某火车站站场铁路框构桥，与火车站站场XII道正交，轴长为142.5m，高10.5m。机动车道为双向四车道，两侧各设3.0m人行道。框构桥主体采用C35钢筋混凝土结构，抗渗等级P8。其主体结构如图1所示

该桥址所处地层基本可分四层，从上到下依次为杂填土、粉土、粗圆砾土、细圆砾土。该桥的框构基底坐落于a0=500kPa的细圆砾土层上。所处于地下水埋深3.5-4.0m处，属潜水型地下水，水的补给来源为大气降水，水位的季节变化幅度1-2m。

3普速场加固设计

为确保铁路运输的安全运行，必须进行现有铁路线普速场的加固。选择的加固形式应本要着对运输干扰较小，确保铁路运输正常安全，同时方便施工的原则，并结合路基土质、顶进框构结构尺寸、框构顶以上覆土厚度以及施工季节和地下水位变化情况等因素综合决定，本次普速场加固方案采用纵横抬梁加固、路基旋喷加固、顶进框构地基加固及两侧路基加固、路桥过渡段加固等。

3.1纵横梁加固

框构桥顶进期间，铁路1-5道线路采用155C横抬梁进行加固（图2），横梁间距0.8m，纵梁支墩采用C20混凝土结构，纵梁下设50×50cm混凝土支点带，顶进前端以5道东侧设置的钻孔桩为支顶桩，加固期间列车限速45km/h。

3.2路基旋喷桩加固

为防止框构桥顶进期间普速场侧天窗过大，对普速场框构桥两侧既有铁路路基进行旋喷桩固化。为便于施工，工作坑滑板底到距离既有线10.6m范围采用直径60cm间距0.4m高压旋喷桩对地基进行加固，高压旋喷桩除加固地基外，还兼有工作坑封底的作用，以防止基坑开挖隆起变形对铁路产生影响。

3.3顶进框构地基加固及两侧路基加固

在顶进框构下及框构两侧各15m范围内采用压浆固化对地基进行加固，压浆固化深度需穿透土层至框构底板底以下9.0m。框构顶进就位后，框构边墙与路基间坍塌的部分采用级配碎石填充后，再用钢花管进行注浆处理。并在框构两侧路基各20m范围内，路基面以下0.5m做C15素混凝土块处理。

3.4路桥过渡段加固

框架桥顶进过程中以及施工完成后，均应及时对框架桥两侧的路桥过渡段进行跟踪补充注浆，以填充加固框架桥顶进过程中在路桥过渡段形成的松弛区域，防止路桥过渡段出现较大的不均匀沉降。

4沉降分析

4.1计算模型

通过有限差分软件FLAC建立三维模型进行计算，假定土层、框架桥、纵横梁体系均为连续介质。模型以框架桥纵轴线方向为y轴，垂直框架桥纵轴线为x轴，竖直方向为z轴。根据框架桥和铁路路基的空间位置关系，建立三维计算模型如下图3所示。模型中设置了框架橋、土层、纵梁、横梁以及铁路线共计五个模块。土层在顶进过程中考虑其塑性变形，采用Mohr-Coulomb准则，而框架桥及纵横梁仅考虑其弹性变形，采用线弹性本构关系。

模型的计算工况主要有：

工况1：框架桥顶进前的初始状态模拟；

工况2：路基旋喷加固措施下框架桥的顶进模拟；

工况3：框架桥桥身段注浆加固后的顶进模拟。

4.2结果分析

4.2.1工况1

初始状态土层的竖向变形指土层在自重作用下的初始沉降，用于验证模型的正确性，在框架桥顶进模拟之前，这部分初始沉降将清空为零。框架桥顶进前土层的初始位移场如图4所示。

4.2.2工况2

计算时假设框架桥顶进至0+90m位置，即顶进掌子面位于普速场3道下方。仅在路基旋喷加固措施下，计算结果表明，无列车荷载作用下的铁路轨道静态最大沉降变形为14.0mm，有列车荷载作用下的动态最大沉降为26.3mm（图5）。

4.2.3工况3

计算时假设框架桥顶进至0+90m位置，即顶进掌子面位于普速场3道下方。

计算结果表明，框架桥桥身段土层注浆加固后，无列车荷载作用下的铁路轨道静态最大沉降变形为6.1 mm，有列车荷载作用下的动态最大沉降为18.3mm。

计算结果表明，在现有加固措施下，无列车荷载作用下的铁路轨道静态最大沉降变形为14.0mm，有列车荷载作用下的动态最大沉降为26.3mm。根据《铁路线路修理规则》（铁运[2006]146号）对线路轨道几何尺寸容许偏差值的规定，临时修补静态高低容许偏差为10mm，动态容许偏差为24mm。现有加固措施只对框架桥两侧的路桥过渡段进行了旋喷桩加固，而框架桥桥身段的土层未进行注浆处理，因此导致框架桥顶进过程中，掌子面前方坍塌范围较大，横梁悬空距离较长，铁路轨道静态和动态沉降变形较大，超过了线路轨道的容许偏差值。框架桥桥身段土层注浆加固后，铁路轨道静态最大沉降变形为6.1mm，动态最大沉降为18.3mm，满足线路轨道的容许偏差值（图6）。

5结论

通过有限差分程序FLAC计算对框构桥施工进行沉降分析，列车荷载引起的路基沉降变形小于轨道动态几何尺寸容许偏差值，框构桥运营阶段变形对铁路运营影响较小。框架桥施工引起的路基沉降变形是顶进桥涵所需控制的重点，待路基沉降稳定后再进行下一步工序。此外要严格控制框构桥两侧旋喷桩及注浆施工质量，使框架桥两侧与路基过渡段刚度不连续引起的不均匀沉降变形满足规范要求。本框构桥的设计及分析希望能为以后类似工程提供可借鉴经验。