大跨度下穿頂進(jìn)框架橋線路加固設(shè)計(jì)

王 兵,王德華

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院,濟(jì)南 250022； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)院,北京 100055)

1 工程概況

臨清市為了進(jìn)一步改善交通環(huán)境,完善臨清市的路網(wǎng)結(jié)構(gòu),促進(jìn)臨清市與周圍城市交流和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,臨清市政府?dāng)M在315省道臨清段(臨清南外環(huán))建設(shè)一座穿越京九鐵路的公鐵立交橋。

立交橋規(guī)模為1-(8.0+16.0+8.0) m,快車道通行凈高≥5.2 m,慢車道通行凈高≥3.7 m,橋址處鐵路里程為京九線K384+116.38,鐵路上、下行線間距為4.04 m,擬建路道路中心線與京九鐵路夾角為90°34′,框架橋快車道采用U形槽封地下水。

立交橋位于臨清市東南部,橋址處地勢平坦,兩側(cè)現(xiàn)為農(nóng)田,既有京九鐵路軌面比自然地面高2.0 m左右。經(jīng)勘探揭示,橋址區(qū)地表局部分布人工填筑(Q4ml)土,天然地面以下為第四系全新統(tǒng)沖積(Q4al)粉土、粉質(zhì)黏土、黏土和粉砂,基底基本承載力120 kPa。地下水位于地表下2.0 m左右,類型為第四系壤中潛水,主要受大氣降水補(bǔ)給。

根據(jù)鐵道部《不中斷鐵路運(yùn)行施工方法及施工對鐵路限速的規(guī)定》,立交橋施工期間列車運(yùn)行速度不能小于45 km/h,且施工期間橋址處線路將通行Ⅰ級超重、超限重載列車,為確保京九鐵路列車運(yùn)行安全,既有線路加固方法是本次設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

2 框架橋主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

框架橋主體結(jié)構(gòu)采用(8.0+16.0+8.0)m連體式結(jié)構(gòu),機(jī)動車道布置于中孔16.0 m框架內(nèi),慢車道及人行道布置于兩個(gè)邊孔8.0 m框架內(nèi),具體布置見框架出入口立面(圖1)。框架橋主體采用先預(yù)制后頂進(jìn)的施工方法。由于地質(zhì)揭示橋址處地下水位較高,豐水期地下水位高出設(shè)計(jì)快車道路面1.05 m,故采用鋼筋混凝土U形槽封閉快車道地下水。框架橋主體設(shè)計(jì)采用“彈性地基上平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算通用程序”并增加大型框架橋因頂進(jìn)變形引起的附加內(nèi)力計(jì)算,框架橋箱身混凝土最大剪應(yīng)力按τ≤0.90 MPa控制,框架橋基底置于粉質(zhì)黏土上,箱身設(shè)計(jì)基底應(yīng)力σ=120 kPa,地基允許承載力[σ]=120 kPa。

圖1 框架出入口立面(單位：cm)

3 加固方案的確定

D24型便梁架空線路加固是應(yīng)用較為廣泛,且相對安全的一種加固方法,列車運(yùn)行速度可達(dá)45 km/h,但由于本橋順線路方向跨度達(dá)35.0 m,D24便梁架空跨度不足,方案期間曾考慮將連體框架分為3個(gè)箱體,以便于線路加固,確保行車安全。但考慮到地方政府的要求及橋址處線間距只有4.04 m,不滿足D24便梁架設(shè)的最小線間距要求,如果采用D24便梁將對既有京九正線進(jìn)行部分改線,將影響既有京九鐵路的正常運(yùn)營,成本較大。

橫抬梁加固線路的方法,線路加固跨度大,但頂進(jìn)期間線路橫向位移不好控制,且該橋位于京九鐵路干線上,通行I級超重、超限重載列車,按照鐵道部《不中斷鐵路運(yùn)行施工方法及施工對鐵路限速的規(guī)定》,立交橋施工期間列車運(yùn)行速度不能小于45 km/h,故橫抬梁加固方法不能滿足要求。

綜合考慮各種制約因素,本橋線路加固采用上部架設(shè)D12鋼便梁,用H型鋼替代普通工字鋼做橫抬梁,下部用φ1.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)做支撐的加固方案。

4 線路加固設(shè)計(jì)

(1)線路加固計(jì)算

計(jì)算荷載:中-活載；計(jì)算行車速度V=45 km/h。

①橫梁強(qiáng)度的計(jì)算

便梁的重力G便梁=160.98 kN,線路設(shè)備重q線路=1.64 kN/m；橫梁沖擊系數(shù)а=1+μ×μ1=1.29(其中，μ為沖擊系數(shù)；μ1為列車速度45 km/h時(shí)折減系數(shù))；作用于便梁下每根橫梁上的靜活載F靜活=237.6 kN。由于橋址處線間距只有4.04 m,D12鋼便梁(乙式)架設(shè)時(shí)與線路中心不重合,偏心距E=0.48 m,需要計(jì)算出偏心架設(shè)后D12鋼便梁傳遞到橫梁上的力的大小。檢算橫梁強(qiáng)度時(shí)F=329.2 kN,其計(jì)算圖示見圖2。

圖2 便梁支點(diǎn)反力計(jì)算圖示(單位：cm)

橫梁按14.0 m跨簡支梁檢算,其計(jì)算圖示見圖3。

圖3 橫梁計(jì)算圖示(單位：cm)

強(qiáng)度檢算結(jié)果見表1。

表1 橫梁跨中截面法向正應(yīng)力及支座截面處剪應(yīng)力計(jì)算成果

由表1可以看出，橫梁跨中最大應(yīng)力σmax=95.2 MPa<[σ允]=140 MPa；支座附近最大剪應(yīng)力τmax=13.0 MPa<[τ允]=80 MPa。

②橫梁撓度的計(jì)算

撓度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 橫梁擾度計(jì)算成果

由表2可以看出，在跨中部位位移最大δmax=2.32 cm<[δ]=L/500=2.80 cm。

③縱梁強(qiáng)度計(jì)算

縱梁檢算按12.40 m連續(xù)梁計(jì)算,計(jì)算圖示見圖4。

圖4 縱梁計(jì)算圖示(單位：cm)

縱梁沖擊系數(shù)a=1+μ×μ1=1.33(其中，μ為沖擊系數(shù)；μ1為列車速度45 km/h時(shí)的折減系數(shù))。

縱梁上恒載重

G縱恒=G便梁+G線路+G橫梁=906.12 kN

表3 縱梁跨中截面法向正應(yīng)力及支座截面處剪應(yīng)力計(jì)算成果 MPa

由表3可以看出，縱梁跨中最大應(yīng)力σmax=63.2 MPa<[σ允]=140 MPa；支座附近最大剪應(yīng)力τmax=49.4 MPa<[τ允]=80 MPa。

④縱梁撓度計(jì)算

縱梁撓度的計(jì)算考慮其靜活載作用在縱梁上,按影響線加載,縱梁撓度計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 縱梁撓度計(jì)算成果

由表4可以看出，縱梁最大豎向撓度δmax=0.85 cm<[δ允]=L/500=1.30 cm。

⑤基礎(chǔ)的計(jì)算

(2)線路加固布置

①總體布置。順線路方向架設(shè)5孔D12(乙式)鋼便梁,每孔鋼便梁下設(shè)8組橫抬梁,橫抬梁下設(shè)2組縱梁,每組縱梁下設(shè)3根C25鋼筋混凝土鉆孔樁支撐,具體布置見圖5～圖7。

圖5 線路加固立面(單位：cm)

圖6 線路加固平面(單位：cm)

圖7 線路加固側(cè)面(單位：cm)

②鉆孔樁基礎(chǔ)。縱梁下設(shè)置C25鋼筋混凝土φ1.5 m鉆孔樁基礎(chǔ),間距6.2 m,每根長度30 m,共22根。

③架設(shè)縱梁。鉆孔樁頂架設(shè)縱梁,縱梁中心線距線路上、下行分別為3.5 m和4.5 m。每根縱梁由一組H458×417型鋼組成,每2根1組,具體組拼形式見圖8。采用Q235鋼,每組縱梁間每隔2 m設(shè)φ22 mm螺栓,將型鋼連接成1束.增強(qiáng)其整體性。

④鋪設(shè)橫抬梁。每孔鋼便梁下共設(shè)8組橫抬梁,長度為15 m。橫抬梁每組采用H458×417型鋼,組拼形式見圖9。采用Q235鋼,每3根組成1組,間距不大于1.62 m。3根H458×417型鋼之間采用φ22 mm螺栓連接成1束,每隔2 m設(shè)置1處。

圖8 縱梁組拼(單位：mm)

圖9 橫抬梁組拼(單位：mm)

⑤架設(shè)D12鋼便梁。順京九上、下行線路各架設(shè)5孔D12鋼便梁(乙式),便梁依次放置,利用其支座錨栓孔用厚度為12 mm、長度為1.0 m鋼板連接。

(3)連接及防線路橫移措施

①連接：橫梁與縱梁間采用角鋼夾板與U形螺栓連接形成一個(gè)整體,橫梁頂進(jìn)前端和后端分別設(shè)一組連接系梁，也用角鋼夾板與U形螺栓連接，與橫梁形成整體。D12乙式施工便梁間利用其支座錨栓孔用厚度為12 mm鋼板連接。

②防止線路橫移措施：鉆孔樁頂設(shè)20 cm高鋼筋混凝土擋塊,防止縱梁橫移。D12施工便梁與橫抬梁連接系梁間每隔2 m用硬木支撐,防止便梁橫向移動。在框架橋頂進(jìn)前、后端埋設(shè)4處地龍,將橫抬梁錨固。設(shè)一組鋼絲繩(走4)滑輪組,用10 t手拉葫蘆拉緊鋼絲繩,滑輪組固定于聯(lián)結(jié)抬梁H200×200型鋼上,沿線路方向,每12.4 m設(shè)1個(gè)手拉葫蘆,將橫抬梁拉住,防止橫抬梁橫向移動。同時(shí)框架頂上鋪鋼板,寬50 cm,間距2.0 m一塊,鋼板上涂石蠟,以減少頂進(jìn)時(shí)摩擦力。

5 施工步驟及加固效果

(1)施工步驟

①開挖基坑、預(yù)制箱體、既有線路加固。

②箱體頂進(jìn)至第1排樁邊緣,拆除第1排樁中影響頂進(jìn)的樁,繼續(xù)頂進(jìn)。

③箱體頂進(jìn)就位后,施工翼墻與橋相鄰的引道外擋土墻,拆除框架箱體范圍內(nèi)第2排樁。

④拆除縱、橫抬梁及D12乙式施工便梁,施工框架頂進(jìn)前端懸臂板,補(bǔ)齊連接墻,施工橋內(nèi)外引道。

(2)加固效果

該橋現(xiàn)已施工完畢,施工期間可通行Ⅰ級超重、超限重載列車,經(jīng)觀測線路加固的強(qiáng)度、剛度、線路的橫向穩(wěn)定性,均滿足行車運(yùn)輸要求。

6 結(jié)語

“H型鋼橫抬D12鋼便梁”加固線路的方法,解決了大跨度下穿鐵路框架橋線路加固的難題,避免了因線路加固無法實(shí)施而改移線路的問題,減少了對既有線路運(yùn)營的影響。隨著我國城市化進(jìn)程步伐的加快,下穿鐵路立交橋跨度也越來越大,如何解決大跨度下穿框架橋頂進(jìn)施工期間,既要保證列車運(yùn)行安全,又不影響列車行車速度,成為了迫在眉睫的問題,在本工程設(shè)計(jì)中,采用“H型鋼橫抬D12鋼便梁”加固線路的方法,并采用一系列防線路橫移措施,確保了立交橋施工期間線路安全及行車速度,為以后類似工程設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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