高低箱框架桥顶进工程的研究

刘建齐

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

随着城市交通的需求增大，现在越来越多的道路需下穿通过既有运营铁路，从而多股道大高差既有铁路的下穿顶进工程随之而来。在框架桥顶进施工中如何保证铁路运营安全是需要解决的重点问题。

文章结合“邯郸市国道G106 馆陶绕城改建段下穿邯济铁路立交桥工程”，分析了高低箱顶进框架桥下穿不等高线路的方案，详细考虑了不等高线路加固措施以及高低箱顶进体系的方案。

1 工程概况及重难点分析

1.1 工程概况

邯郸市国道G106 馆陶绕城改建段下穿邯济铁路立交桥工程位于河北省邯郸市东南部。新建公路设计路线与邯济铁路下行线交叉处铁路里程:K78+310.023，交角为75.8°。

新建公路下穿既有铁路采用顶进框架桥形式，框架桥孔径为2～16.0 m 两孔连体式结构，顶板和中墙厚度为1.0 m，边墙和底板厚度为1.2 m，框架顺公路方向为31.765 m，顺铁路方向为36.441 m。高低两座框架桥高差为2.03 m，在铁路北侧设置顶进工作坑，框架桥由北向南顶进施工，顶进行程53.812 m。

1.2 工程重难点分析

本工程高低两座框架桥均设置在铁路北侧进行顶进施工。且穿越位置邯济铁路上行线和下行线高差较大，相对高差为2.03 m，因此框架采用高低箱设计，施工风险极大，设计方案重难点如下：

（1）邯济铁路为邯郸至济南的一条重要客货两用国铁一级电气化铁路，线路运营繁忙，承担运营任务众多，设计方案务必保证线路的稳定及列车运营安全。

（2）穿越位置既有邯济铁路为位于大名站～馆陶站之间的区间线路上，既有路基填方高，约为4.9 m，设计方案需保证顶进过程中路基的稳定与安全。

（3）桥址处邯济铁路上行线和下行线高差为2.03 m，上下行铁路线路加固体需分区设置，为保证线路的稳定安全，设计方案需保证上下行铁路加固体系的完整与牢固。

（4）高低两座框架桥均设置在铁路北侧进行顶进施工，中间采用中继间连接，框架桥本体较大，顶进过程中施工精度务必需满足相关行业要求。

（5）高低两座框架桥均设置在铁路北侧进行顶进施工，中间采用中继间连接，框架桥顶进就位后在桥间进行防水处理，以保证日后运营安全及便于养护。

（6）桥址处邯济铁路上行线和下行线高差为2.03 m，低箱框架桥顶在顶进过程是需设置临时加固加高结构与高箱框架保持等高，顶进过程中随顶随拆，拆除以及运输方案务必需保证铁路运营及线上相关设备的使用安全。

2 不等高铁路线路加固体系

线路加固系统：3-5-3 扣吊轨梁和横抬纵挑法布置的工字钢纵横梁以及路基防护桩、支撑桩、抗横移桩及顶梁组成线路加固系统（满足列车慢行45 Km/h 的要求）。铁路两侧路基防护桩、支撑桩、抗横移桩均采用钻孔桩施工，线间路基防护桩及支撑桩采用人工挖孔桩施工。桩间空隙及防护桩和框架间均采用C20 混凝土封堵，防止流塌。线路加固时安装与拆除吊轨梁需在封锁点内施工，框架桥顶进期间必须满足列车慢行45 km/h 的要求，施工结束后，第一列限速45 km/h 不少于12 h，后限速60 km/h、80 km/h 各不少于24 h、后120 km/h 2h 后恢复常速。

线路防横移措施：框架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联系在一起，随顶进随拉紧倒链，桥外部分设地锚拉紧线路；路基对侧设抗横移桩。

3 线路加固抗横移措施

桥址处邯济铁路上行线和下行线高差为2.03 m，上下行铁路线路加固体需分区设置，工字钢横梁也存在高差。因此上下行铁路线路加固工字钢横梁通过焊接钢柱连接固定，连接立柱采用工40 b 工字钢，每道立柱设一处斜撑，斜撑采用∠100x10 角钢，立柱与加固横梁采用焊接法连接。

3.1 荷载检算

横梁采用I40b 工字钢，横梁间距以0.6 m、1.2 m循环穿插于既有轨枕间，横梁平均间距0.9 m。横梁的一端支撑在框架顶板顶上，另一端支撑在挖孔桩上。在路基两侧横梁下设枕木垛支撑，采用^22 U 型螺栓将横梁与吊枕联接牢固。

（1）连接构造自重：钢材容重78.5 kN/m3，考虑1.1 倍的构造放大系数。

（2）顶进摩阻力：框架顶进范围摩阻力合计763.3 kN，总共42 根横梁，隔两根布置一处，即由22 根横梁分摊水平摩阻力，每根受力34.7 kN。计算考虑1.3 倍的安全储备系数，即45.1 kN/根。

3.2 计算软件及模型

（1）横梁连接构造检算采用空间模型，检算软件为Midas civil。

（2）计算模型：

图1 横梁连接构造模型

3.3 横梁连接构造杆件检算

（1）立柱杆件采用I40b 工字钢。

立柱最大应力为23.5 Mpa＜140 Mpa，满足要求。

（2）斜撑杆件采用∠100x10 角钢。

斜撑角钢最大应力为-38.2 Mpa＜140 Mpa，满足要求。

3.4 连接角钢焊缝强度检算

（1）横梁连接构造立柱根部所受最大剪力N=41.3 kN。

本设计采用的工字钢材料为Q235，各杆件间进行焊接时，焊缝高度为8 mm。，满足要求。

（2）横梁连接构造斜撑根部所受最大轴力N=60.6 kN，水平方向分力P=Nxsin45°=42.9 kN。

本设计采用的角钢材料为Q235，各杆件间进行焊接时，焊缝高度为8 mm。，满足要求。

综合现场建设条件和设计方案检算，最终采用工字钢和角撑配合，通过焊接方式连接邯济铁路上下行铁路线路加固体系的横梁。通过本线路加固体系可有效解决线路加固体系在顶进施工作业过程中的线路横移问题，保证了线路的稳定及列车运营安全。

4 低箱框架桥顶临时加固系统

桥址处邯济铁路上行线和下行线高差为2.03 m，框架桥采用高低箱顶进施工方案，为满足顶进工艺和线路加固方案要求，顶进作业前须在低箱框架桥顶设置与高箱框架桥等高的临时加高加固体系。

低箱框架桥顶临时加高加固体系采用现浇临时钢筋混凝土加固系统，加固系统板厚40 cm，内部设置空心混凝土砌块+木屑支撑，间距4.0 m。空心混凝土砌块尺寸为34 cm 长×25.8 cm 宽×25 cm 高，壁厚5 cm。

顶板上下缘及侧墙均采用直径12 mm 钢筋，间距10 cm。

4.1 计算荷载

自重：为框架自重，按结构实际截面尺寸计入，系数为1.04。

横梁：横梁为I40 b，按全长均匀分布于框架上，荷载为1.31 kN/m2。

纵梁：纵梁为I45 b，荷载为1.01 kN/m2。

扣轨：扣轨为3-5-3 型50 轨，荷载分别为2.39 N/m2、3.83N/m2。

铁轨：钢轨为60 轨，荷载为1.25 kN/m2。

轨枕：轨枕340 kg/个，荷载为3.79 kN/m2。

活载：采用ZKH 荷载；

汽 车 冲 击 系 数：1+μ=1+a×(6/(30+L))，a=0.32×(3-0.5)2=2，按0.35 考虑。

4.2 有限元模型及结果检算

（1）采用Midas civil 进行有限元模拟，模型如下：

图2 加固体系计算模型

（2）顶板计算结果：

铁路钢筋混凝土偏压构件。（单位 kN m MPa）

宽度b=1.000 m，高度h=0.400 m。

受拉区钢筋到边缘距离=0.045 m；受压区钢筋到边缘距离=0.045 m。

受拉区钢筋面积=0.001131 m2；受压区钢筋=0.001131 m2。

弹模比n 值=10.0；弯矩M=61.5 MPa；轴力N=11.8 kN。

偏心增大系数yita=1.00378。

大偏心。

受压区高度x=0.077 m。

混凝土应力sigc=4.493357 kN。

近力作用点钢筋应力sigs1=18.743439 kN。

远力作用点钢筋应力sigs2=-161.677462 kN。裂缝宽度(mm)=0.204 mm。

（3）边墙计算结果：

铁路钢筋混凝土偏压构件。（单位 kN m MPa）宽度b=1.000 m；高度h=1.000 m。

受拉区钢筋到边缘距离=0.045 m；受压区钢筋到边缘距离=0.045 m。

受拉区钢筋面积=0.001131 m2；受压区钢筋=0.001131 m2。

弹模比n 值=10.0；弯矩M=68.1 MPa；轴力N=153.1 kN。

偏心增大系数yita=1.00167。

大偏心。

受压区高度x=0.391 m。

混凝土应力sigc=0.809995 kN。

近力作用点钢筋应力sigs1=7.166980 kN。

远力作用点钢筋应力sigs2=-11.699767 kN。

裂缝宽度(mm)=0.015 mm。

根据Midas civil 计算结果可知，顶板上下缘及侧墙均采用直径12 mm 钢筋，间距10 cm 配筋满足规范要求。通过本加固体系可满足高低箱顶进方案的有效实施，并且保证了线路的稳定及列车运营安全。

5 结语

通过研究多股道大高差既有铁路的下穿顶进框架桥工程，对不等高线路加固措施以及高低箱顶进临时加固体系方案得出如下结论：

存在高差的多股道铁路线路加固工字钢横梁通过焊接钢柱连接固定，每道立柱设一处斜撑，立柱与加固横梁采用焊接法连接。通过本体系可有效解决线路加固体系在顶进施工作业过程中的横移问题，保证了线路的稳定及列车运营安全。

顶进作业前在低箱框架桥顶设置与高箱框架桥等高的临时加高加固体系，并配合不等高铁路线路加固体系，顶进作业中临时加固系统位于线间采用绳锯切割，并用卷扬机沿加固系统内部空间向顶进方向后端拉出施工作业面，可保证高低箱顶进方案的有效实施。

采用高低箱技术穿越不等高线路，有效解决了线路复杂条件下铁路加固体系的稳定和安全问题，确保了线路的稳定及列车运营安全。施工过程中以及竣工后线路的沉降、位移均控制在规范允许的范围内，铁路安全得到了有效保障。表明多股道大高差既有铁路的下穿顶进框架桥工程可以有效实施。