下穿铁路双层框架桥设计与顶进施工

王思伟 宋晓东 屈波

1.湖南中大设计院有限公司，长沙410075；2.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031

地方道路一般采用框架桥顶进［1-2］下穿铁路既有线。下穿公路、下穿铁路道岔区和高覆土框架桥也有使用管幕-箱涵顶进［3］施工和桥式盾构顶进［4-5］施工的成功案例，但存在土体变形过大而影响路基稳定和轨道变形的风险。使用D型便梁和纵横梁体系架空线路［6-7］后再顶进框架桥的方案施工安全性高，是目前地方道路下穿铁路既有线较常用的施工方法。但框架桥顶部覆土厚度越大，结构自重和顶推力就会越大，易出现框架桥扎头［8-9］、路基坍塌等事故。

框架桥顶板顶路基土压力对框架桥结构受力影响最大，且随覆土厚度的增加呈线性增长。一些学者主要从减轻结构自重的角度考虑，研究空心框架桥［10-12］的力学性质。当覆土较厚时，采用空心框架结构可以减轻结构自重但不能减轻板顶覆土压力。为充分减小顶板顶路基土压力，可在轨道下方路基范围采用双层框架桥结构。

本文采用单层框架桥和双层框架桥相结合的设计和顶进施工方案，将高覆土顶进变为低覆土顶进，使用D型便梁架空线路再顶进框架桥。通过对该框架桥的设计和施工进行技术总结，为类似顶进框架桥设计和施工提供参考。

1 工程概况

1.1 白合大道与铁路相对位置

湘潭市白合大道自西向东依次下穿长沙至湘潭城际铁路桥、京广铁路高路堤、长沙至株洲城际铁路桥。因长沙至湘潭、株洲城际铁路桥已经建成，为充分减小白合大道建设对既有城际铁路桥梁的影响，白合大道分两幅从城际铁路桥两孔桥下通过，纵断面上白合大道设计高程与城际铁路桥承台高程基本相当。白合大道采用2×16.5 m大跨径框架桥下穿京广铁路，设计路面与京广铁路轨顶高差约13.7 m。白合大道与铁路相对位置见图1。

图1 白合大道与铁路相对位置（单位：m）

1.2 白合大道主要技术标准

道路等级：城市主干路，双向六车道。

下穿京广铁路段道路横断面：2.5 m（人行道）+2.5 m（非机动车道）+11.5 m（行车道）+12 m（中央分隔带）+11.5 m（行车道）+2.5 m（非机动车道）+2.5 m（人行道），路幅宽45 m。

机动车道设计车速：50 km∕h。

设计荷载：城-A级，人群荷载3.5 kN∕m2。

交叉角度:与长潭城际铁路、京广铁路、长株城际铁路交叉角度分别为66°、80°、91°。

1.3 京广铁路主要技术标准

铁路等级：国铁Ⅰ级。

荷载标准：中-活载。

股道数目：双线。

牵引种类：电力牵引。

桥址处铁路线路位于直线上，线间距4.10 m，采用P60轨，混凝土枕。路基顶宽15.80 m，路基填方高约21 m，属于典型的高填方路堤。

2 地质条件

场地地层分布从上至下依次为杂填土①（Q4ml）、粉质黏土②（Q3al）、强风化泥灰岩③（D2）、弱风化泥灰岩④（D2）。杂填土呈灰褐色，以黏土为主，含部分碎石、砖块等杂质，人工填积，结构松散，呈稍湿～湿状态。层厚2.70～14.60 m，层底高程26.60～33.80 m。框架桥基底杂填土厚度大，承载力不足，施工期间易造成框架桥扎头，须进行地基处理。

3 框架桥结构方案优化

顶进框架桥结构一般按平坡进行设计，再在框架桥底板上回填路基材料调整道路纵坡，其净空高度主要受道路建筑限界和道路纵坡调坡的影响。一般结构净高取7 m。当净高大于7 m时进出口八字墙洞口施工较困难。

3.1 总体布置

受东西两侧城际铁路桥梁承台高程的影响，道路设计路面与京广铁路轨顶高差约13.7 m，属于典型的高路堤顶进框架桥。

为充分减小顶板顶路基土压力，在进出口路基边坡段采用单层框架桥结构，在轨道下方路基范围采用双层框架桥结构，见图2。

图2 框架桥立面布置（单位：cm）

双层框架桥下层结构尺寸与进出口边坡段单层框架桥一致，上层采用镂空结构充分减小顶部土压力。

3.2 有限元分析计算

框架桥顶板主要承受覆土压力和列车荷载，侧墙主要承受土压力和列车荷载产生的附加压力，底板主要承受框架内路面结构自重、汽车荷载和地基反力。

为便于分析双层框架桥的减载效果和上层框架桥的合理结构形式，按单层高覆土框架桥、上层两孔双层框架桥、上层三孔双层框架桥、上层四孔双层框架桥四种结构形式进行对比计算。各方案主要结构尺寸见图3。

图3 各方案主要结构尺寸（单位：cm）

采用MIADS∕Civil建立板单元实体分析模型，框架结构采用C40混凝土，弹性模量为3.40×104MPa，泊松比为0.2，重度为25 kN∕m3。土压力及列车荷载按面荷载进行加载，列车荷载产生的竖向土压力按TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》中公式4.3.4-1计算，框架桥内城-A级汽车荷载及人群荷载按车道面进行自动加载。单层和双层框架桥荷载图式见图4。

图4 框架桥荷载图式

对模型约束横桥向和顺桥向最外侧节点水平向位移，底板竖向按弹性地基梁进行模拟，地基刚度为239 550 kN∕m3。

经计算分析，上层框架的跨度较小，其顶板、中墙、侧墙内力均较小，但双层框架桥各结构方案对下层框架桥的顶板、底板和侧墙受力影响显著，与单层高覆土框架桥的顶板、底板和侧墙内力差别较大。各方案最大弯矩及混凝土最大压应力、顶推力及顶板最大挠度分别见表1和表2。

表1 各方案最大弯矩 kN·m

表2 各方案混凝土最大压应力、顶推力及顶板最大挠度

由表1可知，采用双层框架桥减载效果非常明显。当上层框架采用三孔结构时，各部位内力明显优于两孔和四孔结构，与单层高覆土框架桥相比，顶板最大正、负弯矩分别减小了59.3%、42.6%，侧墙最大正、负弯矩分别减小了50.7%、53.4%，底板最大正、负弯矩分别减小了40.7%、57.6%。

由表2可知：①当采用双层框架桥时，各部位混凝土压应力均有所减小。与单层高覆土框架桥相比，上层框架采用三孔结构时顶板、侧墙、底板混凝土压应力分别减小了42.0%、61.0%、52.0%。②当采用双层框架桥时顶推力也大幅减小，上层框架采用三孔结构时顶推力最小，比单层高覆土框架桥减小了35.6%。③采用三孔双层框架桥结构时顶板跨中最大挠度最小，比单层高覆土框架桥减小了47.0%。大跨径框架桥顶板刚度越小，在列车动荷载作用下轨道平顺性越差。因此，框架桥最终采用上层三孔双层框架桥的结构形式。

3.3 地基处理

框架桥基底位于杂填土层，最大厚度8 m，填土层承载力低，不能满足基底应力要求。目前对于框架桥地基处理常用方法有静压注浆、旋喷桩加固、静压混凝土预制桩等。静压混凝土预制桩对框架桥地基处理的适应性比较好，可以边顶进挖土边静压预制桩，具有施工速度快、对铁路运输影响小的特点。因此，框架桥基底采用静压混凝土方桩（桩间距100 cm×100 cm）来处理地基，方桩长度为6～9 m。6 m长方桩用于处理进出口翼墙的地基，桩端进入粉质黏土；9 m长混凝土方桩用于处理框架底的地基，桩端进入强风化泥灰岩。预制混凝土桩取3.0 m或4.5 m为一节，节段桩身需预留接头，方桩节段之间采用焊接钢板套连接。顶进前端框架底板预留压桩孔，两侧侧墙安装工字钢压桩架。

4 施工方案

该桥采用在路基外设置预制基坑，将线路架空后再顶进框架桥的施工方案，以确保京广铁路正常运营。

4.1 线路架空

轨底覆土厚度为1.83 m，结合框架桥结构尺寸及布置特点，为尽可能减小框架桥顶进施工时对京广铁路的限速时间，线路架空一次完成。采用D16+D24特制便梁（超低位架设，桥梁厂特制）架空框架桥上方线路。两框架桥之间5 m长的过渡段采用工字钢纵横梁架空。线路架空立面见图5。

图5 线路架空立面（单位：cm）

由于顶进开挖较深，为保证架空桩纵向稳定性，在D24便梁架空桩靠近D16便梁一侧设置一根纵向抗拉桩，架空桩与抗拉桩之间的桩顶设置一根钢筋混凝土联系梁，D24便梁与钢纵横梁架空桩之间也设置一根钢筋混凝土联系梁，以减少线路架空桩桩顶的纵向位移。

在京广铁路高路堤上进行挖孔桩施工时，为防止塌孔，采用护筒跟进的方式进行支护。框架桥底板以上高度范围内采用钢护筒（采用厚度为8 mm的钢板卷制而成）。为增加钢护筒环向刚度，在钢护筒外侧焊ϕ20钢筋竖条，环向间距40 cm。框架桥底板以下的挖孔桩采用钢筋混凝土护壁。为尽可能减小桩长，在钢护筒和钢筋混凝土护壁上开孔，孔眼直径5 cm，间距50 cm。通过注浆管向护壁周围土体注入水泥浆，将钢护筒周边和底部的松散土层固结以增加摩擦力和端阻力，同时对路堤内的上层滞水进行止水。挖孔桩护壁处理方案见图6。

图6 挖孔桩护壁处理方案（单位：cm）

每节钢护筒高度不大于0.5 m。开孔前，靠铁路路肩枕木一侧用钢轨及C15混凝土砌成一个三面弧形基座，基座的顶部和枕木顶齐平或略低。基座高度大于0.6 m，保证每节钢护筒从路肩外侧推入时不侵占铁路限界。两线之间可采用拼装式钢护筒，保证组装钢护筒时不侵入铁路限界。

施工期间列车限速45 km∕h，跳槽施工所有挖孔支承桩。在天窗点内穿D型便梁的横梁及工字钢横梁，采用汽车吊和其他设施吊装D型便梁纵梁及工字钢纵梁。

4.2 临时框架设计

沿线路方向，由于中间和两侧框架结构高度不一致，考虑采用设置临时框架桥将框架桥入土端结构进行补齐，补齐后再设置钢刃角顶进切土。

为方便临时框架桥的安装和拆除，补齐段考虑采用3个单独的临时框架结构，与主体结构双层框架桥的上层结构一一对应。临时框架之间采用高强对拉螺栓连接，临时框架的底板与主体单层框架采用高强螺栓锚固，整个临时框架外顶面和侧面设置1 cm厚钢板。钢板与临时框架顶采用高强对拉螺栓连接，将临时框架桥和单层框架桥连接成一个临时整体结构。临时框架桥平面和横断面见图7。

图7 临时框架平面和横断面（单位：cm）

4.3 施工步骤

采用D型便梁和工字钢纵横梁将线路架空后，同时开挖顶进基坑，预制框架桥主体结构。考虑框架桥结构轴向长度达45 m，顶推力达97 490 kN，将框架桥分两节进行预制，结构分缝设置在京广铁路两股道中心位置。两节框架桥之间设置中继间，采用中继间法顶进施工，如图8所示。

图8 顶进施工示意（单位：cm）

待框架桥顶进就位后，拆除临时框架桥，采用渗水土对进出口单层框架桥上方边坡三角形区域路基进行回填，并采用拱形骨架加固回填边坡。框架桥顶进就位后，在其框架外边墙与铁路路基土体之间的空隙处填充6%的水泥稳定碎石，插打钢花管并注入水泥浆。同时对两侧路桥过渡段的表面基床进行注浆使其密实，逐步实现框架刚体到路基弹性土体之间的平顺过渡，以减少后期过渡段路基土体范围内的病害，如雨水沿边墙往下渗，在列车动荷载反复作用下土体差异沉降过大，出现掉砟、悬枕等。框架桥顶进施工后对铁路路基和线路进行养护，监测达标后恢复京广铁路正常运营速度。

5 结语

湘潭市白合大道下穿京广铁路高路堤采用了单层框架桥和双层框架桥相结合的顶进设计方案，将高覆土顶进框架桥转化为低覆土顶进框架桥，减轻了顶推重量和板顶覆土压力荷载，减载效果非常明显，有效减小了高覆土顶进施工时框架桥易扎头、路基易坍塌的不利风险。实践证明，双层框架桥设计和施工工艺安全可靠，可为类似下穿铁路高路堤框架桥设计和顶进施工提供参考。