双孔框构桥下穿重载铁路顶进施工条件下线路加固技术研究

尚培培

（国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北沧州 062350）

下穿铁路顶进施工是公路或城市道路穿越铁路的常见形式。顶进法可以在不中断铁路运营的情况下将预制结构顶进，与既有铁路形成立体交通模式。顶进法施工工艺成熟，安全性高，已得到了广泛应用［1-6]。朔黄铁路属国家Ⅰ级干线、双线、电气化重载铁路，是我国西煤东运的第二大运输通道，年运量已经突破3 亿t。随着朔黄铁路1 万t、2 万t 列车的规模化开行以及30 t 轴重列车的试验开行，对全线桥梁结构安全提出了更高的要求［7]。重载铁路上部列车荷载作用明显，对线路和下部基础要求严格。因此，如何在保证施工安全和重载铁路运营安全的条件下，减少顶进施工对线路结构的不利影响，已经成为亟待解决的问题。

本文以新建2×17 m框构桥下穿朔黄铁路施工为工程背景，开展大跨度框构桥顶进施工过程中重载铁路限速运营下线路稳定性分析和加固技术研究，提出合理的加固方案和措施，制定关键施工工艺和操作流程，以保障顶进施工安全顺利进行。

1 工程概况

河北省平山县钢城路下穿朔黄铁路立交桥工程，位于钢城路与朔黄铁路交汇处。在朔黄铁路重车线里程K248+184 处有一座既有盖板涵，钢筋混凝土盖板涵净宽5 m，净高4 m，边墙为浆砌片石。既有盖板涵已不能满足新建道路通行要求，需拆除并在此涵小里程方向8.38 m 处新建2 × 17 m 框构桥。在不中断铁路行车的条件下，一边拆除既有涵洞，一边顶进新建框构桥。

朔黄铁路为双线电气化铁路，通行5000 t、1 万t、2万t列车。桥位处双线均为直线，线间距4 m，路基填方高度约7 ～8 m。轨道类型为有砟轨道，面向黄骅港方向，左线为上行重车线，钢轨型号为75 kg/m，轨枕为Ⅲ型枕；右线为下行空车线，钢轨型号为60 kg/m，轨枕为Ⅱ型枕。新建框构桥中心线与朔黄铁路重车中心线的法线夹角为18.1°。结构设计为：顶板厚1.2 m，底板厚1.3 m，边墙厚1.2 m，中墙厚1.1 m，刃角长4.5 m，平衡重长4 m，净高7.6 m，框构主体垂直铁路宽度为19.5 m。框构桥顶进施工期间，线路限速45 km/h。根据现场地质钻探勘查资料，框构桥及其挡墙基底位于粉土层上，地基基本承载力为130 kPa。

污水、雨水、天然气管道防护涵采用顶管施工，在框构桥两侧顶进。框构桥小里程端为雨水、天然气管道防护涵，大里程端为污水管防护涵。根据《铁路顶管通用图》（京桥通-5002），天然气管道防护涵采用φ1550 T12-S型混凝土管；雨水、污水管道防护涵采用φ2150 T12-S型混凝土管，管口形式均为双插式。

2 加固方案设计

在桥涵顶进既有线施工过程中，首先保证既有线的列车运营安全，其次保证顶进结构安全。线路不变形、不沉降、不滑移是保障列车运营安全的首要前提，顶进施工时必须提前对线路进行加固。

2.1 加固方案

既有线桥涵顶进前，应根据线路情况（如直线、曲线、无缝线路、普通线路、轨枕类型、单线、多线、电气化、高程等）、桥涵跨径、运输要求、地质水文气象条件、路基土质、覆土厚度、施工季节等因素，确定线路加固方案。目前，有吊轨、钢便梁、吊轨纵横梁3 种加固方法。①吊轨法一般用于直线地段且孔径小于3 m的桥涵，要求路基土质较好。②钢便梁法将铁路抢修器材B 型或D 型钢便梁沿线路方向布置于两侧，利用钢便梁的横梁将线路抬起，框架涵（桥）顶进时活载全部由钢便梁承担。受钢便梁跨度的限制，该方法一般用于跨度（斜跨）小于24 m 的桥涵。③吊轨纵横梁法是在吊轨法的基础上发展而成，横梁垂直于线路方向放置于枕木下方，纵梁放置于横梁上。将线路抬起，横梁一端支撑在框架涵（桥）的前端，一端支撑在线路另一侧的支撑桩上，然后将纵梁和横梁固定，顶进时框架涵（桥）相对横梁移动。该方法适用于桥涵孔径较大，箱顶无覆盖土的线路加固，线路与桥涵正交、斜交均可使用。综合参考以往实践经验并结合工程现场实际，本次新建2×17 m 框构桥顶进施工采用吊轨纵横梁法加固线路。

线路加固方案［8]中将3-5-3扣轨作为吊轨梁，采用横抬纵挑法布置工字钢纵横梁的加固体系，主要包括路基注浆，安装3-5-3 扣轨，设置路基防护桩、支撑桩、抗横移桩，铺设纵横梁等内容。线路加固方案初步设计如下：加固总长度为91.12 m，顶进方向由南向北。施工时先对既有路基进行注浆加固，再对无缝线路进行应力放散，将加固段混凝土枕全部抽换成长木枕，然后采用3-5-3 扣轨作为吊轨梁对线路进行加固，扣轨钢轨型号选用50 kg/m 轨。三桩设置：框构桥四角路基设路基防护桩，框构桥刃角侧设支撑桩和抗横移桩。横梁、纵梁均采用I50c 工字钢，横梁间距0.9 m。横梁要垂直于线路穿入，纵梁与横梁工字钢用φ22-U形螺栓联结在一起，纵梁两端支撑于旧枕木垛基座上。初步设计线路加固方案布置见图1。

图1 初步设计线路加固方案（单位：cm）

在施工过程中，若施工工序、施工工艺、现场情况等发生变化，应根据现场情况及顶进方案对初步方案进行多方面优化。

2.2 顶管线路加固方案优化

圆管防护涵原设计采用人工开挖顶进，线路加固体系与框构桥顶进统筹考虑并整体设计。采用吊轨纵横梁法，施工时先顶进框构主体，再顶进两侧圆管防护涵。但调查现场发现既有接触网支柱不影响框构桥两侧的顶管作业，为加快施工进度，可先进行顶管作业。圆管涵顶进采用泥水平衡顶管机（即采用旋挖钻盾构顶进法），顶进方案更加安全可靠。同时对圆管涵顶进范围内线路加固方案进行单独设计和优化，采用3-5-3 吊轨加固法，污水管防护涵加固长度为12.50 m，天然气、雨水防护管涵加固长度为18.75 m。

2.3 框构顶进方向优化

原设计框构主体预制在朔黄铁路南侧，顶进方向由南向北，但在实施过程中发现顶进基坑后背距离铁路南侧既有排水渠较近，排水渠常年积水，且后背夯填范围内高压线暂时无法改移，而铁路北侧路基基础稳定，无施工障碍，框构预制场地宽阔，施工进场方便。因此决定在铁路北侧进行框构预制，顶进方向改为由北向南顶进，线路加固方案也作了相应优化调整，根据顶进方向调整了防护桩、支撑桩及抗横移桩桩位布置。

2.4 框构顶进线路加固方案优化

1）吊轨及纵横梁加固体系优化。①由于防护涵已顶进完成，因此线路加固总长度由91.12 m调整为70 m；②为进一步强化加固体系，横梁及纵梁I50c工字钢改为I56c工字钢；③加固段混凝土枕不再抽换成长木枕，既有钢筋混凝土枕间直接穿入长木枕进行3-5-3扣轨，横梁铺设间距由0.9 m 调整为（0.6+1.2）m；④取消了抗横移桩顶工字钢纵梁及焊于横梁上的7.5号角钢。

2）三桩设置优化。根据现场实际情况及相关施工经验，对三桩设置进行了优化调整：①四角路基防护桩最外侧各有1 根防护桩取消设置，沿线路方向排列的防护桩与框构两侧防护顶管位置重合的部分取消设置，防护桩共取消14 根；西北角最外侧1 根及西南角最外侧1 根防护桩向外平移至防护涵外侧；抗横移桩两侧及中间部分取消设置，共取消6 根。②在东南角未设置的2根抗横移桩对应位置的支撑桩冠梁顶竖向插入P60钢轨，东南角插入5根，西南角插入3根，每隔2 m设置1根，钢轨插入冠梁内1.0 m，外露0.5 m；横向设置I56c工字钢代替抗横移桩。同时在抗横移桩对侧的防护桩冠梁上钻孔植入钢筋、设置地锚，采用10 t倒链牵制横向工字钢，防止线路横移。

优化调整后的线路加固方案见图2。

图2 优化调整后的线路加固方案（单位：cm）

3 线路加固检算

采用MIDAS/Civil 有限元软件建立吊轨纵横梁线路加固体系模型［9]（图3）。采用梁单元进行模拟，横梁按简支梁计算，共分为880个节点，1183个单元。

图3 线路加固计算模型

3.1 设计荷载

考虑线路加固为临时性的组合体系，按主力最不利组合情况进行计算。

1）恒载。结构自重，按设计选取。

2）列车活载。朔黄铁路为重载铁路，列车竖向活载采用ZH 活载，重载等级系数Z=1.2。列车竖向活载包括列车竖向动力作用，按照换算荷载简化为均布荷载作用于横梁上，该列车竖向活载等于列车竖向活载乘以动力系数（1+μ），μ为冲击系数。列车通过速度为45 km/h。根据TB 10000.2—2017《铁路桥涵设计规范》［10]，刚架桥顶上填土厚度h≥1 m（从轨底算起）时不计列车竖向动力作用。当h ＜1 m时，则有

式中：L为线路加固计算长度，m；α为影响系数。

3.2 计算内容

1）荷载组合

主力：恒载+活载；各项指标按可能的最不利组合情况进行计算［11]。

2）结构内力计算和各项指标

线路加固横梁按受弯构件进行强度、挠度计算。Q235钢材力学控制指标见表1［12]。

表1 Q235钢材力学控制指标

3.3 计算结果

结构受力及变形结果见图4，提取各关键参数进行分析。可知，加固过程中结构最大应力为45.27 MPa，远小于规范容许应力140 MPa，横梁最大挠度为4.063 mm，也小于规范规定的挠度容许值4000/600=6.67 mm。可以认为，线路加固中结构强度、挠度等各项关键指标均满足规范要求，横梁最大悬空长度应不大于4 m。

图4 各关键参数计算结果

4 施工工艺及过程监控

4.1 施工工艺

施工工艺流程见图5。

图5 施工工艺流程

关键工序操作要点如下：

1）既有路基注浆加固。顶进前对土体进行压密渗透注浆，以提高其承载力及稳定性，防止顶进过程中路基塌方。注浆范围为顺铁路方向长度不小于67.5 m（框构桥两侧边墙外不小于15 m）；横桥向为两侧路基坡脚，即朔黄铁路重车线北侧不小于14 m，朔黄铁路空车线南侧不小于16 m。注浆采用水泥浆，注浆孔间距为1 m，呈梅花形布置，框构底板以下不小于3 m。

2）安装3-5-3 扣轨。注浆加固完成后，对线路采用3-5-3 扣轨加固，钢轨接头错开间距大于1 m，朔州方向伸出边墙不小于55 m，黄骅港方向伸出边墙不小于50 m。扣轨与其下的枕木用φ22-U 形螺栓联结在一起，扣轨钢轨类型为50 kg/m。待扣轨加固完毕后进行路基防护桩、抗横移桩、支撑桩的开挖浇筑及桩顶冠梁的浇筑。

3）设置三桩。三桩总体设置情况如下：①框构桥四角路基设置的防护桩桩中心距为2.5 m，直径1.5 m，桩长16 m，桩顶无冠梁。四角离铁路最远的一根防护桩未设置，此桩位于铁路既有路基坡脚处，不影响顶进过程中和顶进就位后刃角补齐时防止路基坍塌的功能，但起到出入口挡墙施工时防护路基的作用。因此顶进就位后施工出入口挡墙时，在此桩位打入I40b工字钢桩替代此桩，布设在已施工防护桩外侧3 m 范围内，每米设置5根，每根工字钢长15 m。②顺铁路方向排列的防护桩桩中心距为2.5 m，直径1.5 m，桩长19 m，桩顶设冠梁，梁与桩顶一次整体浇筑。顺铁路方向排列的防护桩，其主要功能为防止顶进过程中路基坍塌（主要是紧挨框构桥两侧的桩）并作为线路加固横向工字钢的支点，增强横向工字钢的刚度，与框构两侧防护顶管位置重合时可不设置。当作为线路加固横向工字钢支点使用时，需在未施工的桩位设置冠梁，并与已经施工的桩顶冠梁连成一整体，恢复作为横向工字钢支点的作用。③支撑桩桩中心距为4 m，直径为1.25 m，桩长18 m，桩顶设冠梁；④抗横移桩桩中心距为3 m，直径1.25 m，桩长18 m，梁与桩顶一次整体浇筑。

图6 防横移结构（单位：cm）

4）铺设纵横梁。横梁采用I56c工字钢，铺设间距为（0.6+1.2）m，接头错开间距不小于1.5 m，横梁按照先中间后两侧的顺序垂直穿入于线路。为了减少箱涵顶进时的阻力，并使横梁牢固联结在一起，横梁梁端在冠梁上焊接三角形小钢板以增加强度。沿线路方向在线路两侧设置I56c工字钢纵梁，纵梁接头错开间距1.5 m。纵梁与横梁工字钢用φ22-U 形螺栓联结在一起，纵梁与横梁之间加设绝缘胶垫，以减少对电气信号的干扰，纵梁两端支撑于旧枕木垛基座上。枕木垛基底夯填碎石垫层150 mm，干砌片石300 mm，根据枕木垛沉降程度适当加高枕木垛。施工时应尽量减少拼接接头数量，并避免在轨下拼接。线路加固还需布设防止线路横移的设施（图6）：箱体顶板预制时在尾部每隔3 m 设置拉环，采用倒链与线路加固系统连接在一起，随顶进随拉紧倒链；冠梁顶设地锚用来拉紧线路。横梁工字钢下与箱体顶板之间来车时用50 mm 垫板打紧，顶进时松开。为了防止横梁沿线路方向移动，在横梁之间缝隙处用木块顶紧。

4.2 过程监控

框构桥下穿过程中对路基沉降变形和轨道沉降变形进行实时监控。监控范围为框构桥上方及左右各10.0 m 内，测点布置在线路上下行两侧，每2.0 m设一个测点。监控时间贯穿路基加固、顶进施工和工后观测整个阶段。

顶进施工前路基加固期间，路基及钢轨未发生任何沉降变形；框构桥顶进期间，桥体左右两侧路基沉降约2.0 mm，钢轨沉降略小于路基沉降，最大值约1.0 mm；顶进施工结束后，路基和钢轨未发生任何沉降变形。

5 结论

1）结合施工工艺和现场情况，取消了部分抗横移桩和防护桩，并采取相应的加固补强措施，保证了加固体系的整体性和稳定性。

2）在钢筋混凝土枕间隙穿入长木枕，不再抽换成长木枕，拆除方便，线路恢复时间短，质量高。

3）优化后的线路加固体系安全、稳定、可靠，强度、稳定性指标均满足相关规范要求。整个施工期间，路基及轨道没有出现任何沉降过大等异常情况，线路始终处于相对稳定和安全的状态。

4）桥涵顶进施工时线路加固方案应根据现场情况充分考虑各种不利因素的影响，并经过相关检算才能确保线路加固方案的可靠性。