有高差的铁路下穿框架桥对顶施工技术

王朝腾

(中铁六局华东指挥部，上海 201102)

1 工程概况

丰润动车城外环公路下穿京哈铁路地道桥工程，位于河北省唐山市丰润区小营村。地道桥为8 m-13.5 m-13.5 m-8 m四孔框架地道桥，与京哈铁路交点里程为K162+91.76 m。本工程设两座桥，对顶施工，其中京哈下行线北侧设置1#基坑，预制1#箱体，由北向南顶进，顶程33.6 m。京哈上行线南侧设置2#基坑，预制2#箱体，由南向北顶进，顶程39 m。地道桥总长为45.824 m，其中1#箱体长21.018 m，高8.9 m。2#箱体长24.776 m，高12.15 m。框构底板、中墙、侧墙厚1.1 m，顶板厚1 m，加腋尺寸1.8 m×0.6 m，桥宽均为48.5 m。顶进结构位置关系如图1、图2所示。

图1 顶进施工平面布置

图2 顶进施工立面布置(单位：cm)

本工程穿越京哈铁路。既有京哈铁路为双线电气化铁路，两股铁轨中间距19.844 m，铁路位于直线段上，桥位处路基填高约3 m。此处京哈下行线低、上行线高，上、下行高差3.25 m，上、下行分别位于8.5‰和4‰的纵坡上。

线路加固采用扣轨纵横工字钢梁加固体系，单股线路加固长度87.5 m，宽度25 m。扣轨采用50 kg/m钢轨，组装方式3-5-3扣轨。横梁采用I40b工字钢，间距0.9 m。横梁的一端支撑在框构桥顶板上，另一端支撑在抗移桩上的冠梁上。纵梁采用I45b工字钢，沿线路方向在线路两侧布置，纵梁工字钢与横梁工字钢用直径22 mm U型螺栓连接在一起，两端置于枕木垛基座或护坡桩桩顶冠梁。

本工程是丰润动车城外环的重要节点，也是G102国道改线之后的重要节点，建成后能大幅缓解丰润区的货车通行压力。

2 工程难点及针对性措施

2.1 线间地形条件复杂

2.1.1 施工难点

本工程位于铁路的线路区间地段，铁路线路为封闭线路，施工机械不能跨越铁路，所有施工只能依靠人工进行。桥位处铁路线路有3.25 m高差，两铁路线间距19.844 m，既有地面为路基、边坡、排水沟、边坡、路基断面形式。整体地形比较复杂，期间还有排水管涵，均不利于施工。

2.1.2 设置线间通道

借助施工区域外的桥梁通道进入铁路线间，沿铁路线路设置人行通道并设置硬隔离设施，确保施工人员和列车运行的安全。利用施工区域的排水管涵接通水、电和混凝土地泵，为现场施工提供必须的保障。如图1所示。

因线间施工，无论钻孔桩还是挖孔桩均需将土方或泥浆进行外运，铁路桩基数目多，将产生的土方向两侧施工区域内倒运，形成土平台，保证线间内施工，同时倒运的土方高度不会对铁路行驶造成影响。

2.2 箱体超高

2.2.1 施工难点

以往地道桥的外高一般为8 m，而本工程2#桥外高12.15 m，是一般地道桥的1.5倍还多，且桥宽为48.5 m，长24.776 m。长高比为2∶1，长宽比为1∶2。地道桥的底面受力面积小，侧墙摩阻力较常规地道桥靠上。顶进受力位于底板，桥体所受抬升的扭矩增大，顶进就位精度不易控制。两座桥梁需要对顶合拢，对顶进施工的精度要求非常高。

2.2.2 减小侧面摩阻力、降低正面阻力

针对2#箱体结构重心上移，摩阻力受力较高的情况进行箱体受力分析。根据分析，顶进过程中侧面摩阻力与底板所受的顶力形成的抬头力矩将会增大，将不利于箱体的姿态控制，需降低正面阻力及侧面阻力。

(1)减少侧面阻力：边墙土压力的大小及其分布规律受到墙体可能的移动方向、墙后填土的种类、填土面的形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素的影响。边墙完全没有侧向位移、偏转和自身弯曲变形时，作用在其上的土压力即为静止土压力，此时墙后土体处于侧限应力状态(弹性平衡状态)，与土的自重应力状态相同。

根据计算最终得E为14 165.05 kN。土压力的着力点至计算土层底面的距离C=H/3,为底板顶向上3.67 m。

将箱体两侧注入触变泥浆减少侧面土体对箱体的阻力[1]。通过试验获取触变泥浆配比为：膨润土∶CMC∶纯碱∶PHP∶水=6%∶0.1%∶0.3%∶0.2%∶93.4%，注入触变泥浆同时边墙外面涂蜡，使石蜡附着于混凝土防水卷材表面，形成一层蜡膜，从而能够进一步减小顶进施工中结构与外侧土体之间的摩阻力，减少50%～70%的摩阻力，最终外侧土压力减少至7 082.5 kN。

(2)减少正面压力：将箱体前方刃角的土及两侧边墙的土全部清理，使箱体正前方没有阻力，减少正面阻力对箱体的干扰。顶进时，前刃角处要本着“非必要，不吃土”的原则，即箱体不扎头就不吃土顶进，将侧方土体清至边墙外面以内10 cm左右，在保证路基土体不塌方的情况下，减弱前段的抬升力矩。

2.3 土质复杂

2.3.1 施工难点

工程地点地形复杂、水位较高。勘察报告显示，2#基坑区域地层较为平缓，不同地层成上下分层状态。1#基坑区域位于不同地层的纵向变化地带，仅在1#基坑区域内，坑底就呈现出4种不同的地质状态，其土质分布、性质如图3、表1所示。地下水的区域分布也很明显，东侧1/3区域有地下水，较丰富，中西2/3区域无地下水。土质条件的复杂性给顶进施工精度控制增加了难度。

图3 1#箱体土质断面

表1 土体特征

2.3.2 通过土工试验确定留土高度

基坑开挖后，对底板前方的粉质黏土进行土工试验模拟、对土方的压实度进行检测，控制底板前方土的预留高度。线间施工路基防护桩及支撑桩时，将地质变化的位置深度及地质层的厚度进行记录，并绘制成简易地质图。同时通过对补充勘探的地质报告及地质图共同研究，分析出抗移桩及箱体位置的大致地形地质，对可能遇到的施工问题进行提前分析模拟并提出可行的有效措施。

既有框构桥底板土进行取样，做压实度试验，求得顶进前方土壤压实度，采用灌砂法测取压实度，压实度为干密度/最大干密度。

现场实际采集土方，通过灌砂法检测压实度：经过实际测量灌砂桶与原有砂重质量为4 000 g，圆锥体内砂重质量为270 g，灌砂筒与剩砂质量2 720 g，砂密度P砂为1.4 g/cm3。试样m为1 460 g；称取30 g试样，用酒精加热后称重质量为25.9 g，则最大干密度P大为1.89 g/cm3。土体总质量M=(4 000-270-2 720)g=1 010 g,土体总体积V=M/P砂=721.4 cm3，湿土密度P土湿=m/V=2.02 g/cm3，含水量W水=(30-25.9)g/25.9 g=15.8%，干土密度P干=P土湿/(1+W水) =1.74 g/cm3。获得压实度K=P干×100%/P大=92.06%。

先根据以往铺筑假定一个松铺系数，以该松铺系数作为试验段的参考值，然后测得原有土的高程h1，之后预留土方测得松铺高程h2，最后测得压实后的高程h3，压实系数为K=(h3-h1)/(h2-h1)。则松铺系数X=(h2-h1)/(h3-h1)，计算值为1.08。

通过土体压实度及松铺系数计算，当顶进前方土达到试验要求的压实度时，压实后的高程h3一定时，h2与h1成正比关系，如果箱体顶进趋势向下沉、则将h2预留土厚度变大，反之，控制h2预留土厚度变小。

2.4 抗横移系统的设置

2.4.1 施工难点

抗移桩是顶进地道桥施工必需的临时桩基，其作用是在顶进过程中抵抗桥体对线路的摩擦力、支撑线路加固体系，以保证铁路轨道的稳定，进而保证列车的行驶安全。

本工程为对顶施工，两座桥需分别设置抗移桩，2#箱体抗移桩设置在1#箱体就位框构桥范围内；1#箱体抗移桩设置在2#箱体就位框构桥的前悬臂板下。这种设置解决了两个箱体的抗移桩问题，但是也限定了顶进施工的顺序，顶进不能同时进行。需先进行2#箱体顶进施工，就位后再进行1#箱体的顶进，顶进至2#箱体抗移桩时先进行凿除，凿除完成后再继续顶进，至顶进就位。整个施工需依次进行2#桥和1#桥的线路加固、顶进施工、凿除抗移桩，整体顶进施工工期长，对铁路运行影响时间长，同时安全压力大。而且，凿除2#箱体抗移桩时，高出1#桥体顶面的部分难以施工，凿除过程风险较大。抗移桩设置如图4所示。

图4 线路加固体系

2.4.2 采用异型抗移桩系统

为了降低2#桥体抗移桩凿除过程中的施工风险，缩短对铁路运行的影响时间，经研究提出了一种能够双向使用的异型抗移桩顶进系统，变更原来两排抗移桩为可双向抗移的单排抗移桩。

将抗移桩设置在2#箱体框构桥前悬臂板下方。将常规的“L”型冠梁，调整为“ㄣ”型冠梁。下部“丨”区域冠梁与抗移桩相连，为1#箱体顶进提供抗移。中间的“一”位于两桥体前悬臂板中，并伸出2#箱体框构桥前悬臂板。上部“丨”区域冠梁位于2#箱体前悬臂正前方，为2#箱体顶进提供抗移。通过此设置，解决了两座框构桥无法同时顶进施工、施工工期长、凿除风险高的难题，减少7 d顶进时间(凿除2#桥体抗移桩2 d，1#桥体顶进时间5 d)。抗移桩冠梁结构如图5所示。

图5 单排抗移桩及冠梁形式

根据顶进距离及时间分析，下部线路加固体系先开始对冠梁产生作用，上部线路加固体系再对冠梁进行作用，如图6所示。需检算抗移桩冠梁厚度是否能在实际中抵消加固体系产生的水平横向力。

图6 抗移桩冠梁受力分析(单位：cm)

(1)横向力计算：①既有上下行钢轨60 kg/m、50 kg/m扣轨两道、145b工字钢纵梁，即每延米线路及加固体系质量为1 107.5 kg。②既有混凝土轨枕(间距0.6 m，单根250 kg)质量为417 kg。③横梁(采用30 m I40b-10 m I40b-木枕形式，0.9 m 1个循环)质量为2 463 kg。④扣件、U形卡子、扣板等100 kg。合计质量为4 087.5 kg。桥长范围内(50 m)线路及加固体系总重N:4 087.5 kg/m×50 m×g=2 002.875 kN。

通过试验确定荷载与摩擦力关系式：F总=0.348N+4.82,则摩擦力F总=701.8 kN。

(2)冠梁强度计算：①抗移柱共10根，间距5 m，工字钢冠梁总长45 m；该范围内共有30 m工字钢横梁57根。一根工字钢横梁作用的横向力P=F总/57=12.31 kN。②将两根抗移桩之间的工字钢冠梁视为简支梁，最不利荷载为两点受力：12.31 kN×3/2=18.465 kN,应力σ=1.465 MPa。抗移桩冠梁采用C25混凝土，混凝土强度为25 MPa，采用标准值的75%作为工作强度。冠梁应力1.465 MPa<18.75 MPa，满足要求。

3 工程效果

以丰润动车城外环公路下穿京哈铁路地道桥工程为例，通过设置临时通道、减弱四周土体压力、施作土工试验、设置异型抗移桩、合理组织施工等措施，使本工程对顶施工圆满完成、接缝处误差3 mm，精度符合要求。此施工有效减少了施工人员、缩短了工期，大幅节约成本，降低了对铁路运营的影响时间，值得广泛推广使用。