鐵路箱涵頂進后靠背設計及線路加固技術

李小亮 上海鐵路局上海鐵路軌道交通開發(fā)有限公司

1 工程概況

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市道路向外部延伸，道路與鐵路相交常常會碰到頂進涵施工。本文以江陰東外環(huán)路下穿新長鐵路立交工程鋼筋混凝土框架涵為例，介紹頂進涵后背設計及線路加固技術。本工程為江陰市東外環(huán)路下穿新長鐵路立交工程，新建道路設計起點里程為K0+085，設計終點里程為K0+365，共計280 m。新建橋址處位于新長線江陰北至江陰區(qū)間，道路中心線與新長鐵路交點的鐵路里程為新長線K419+547，與新長鐵路法線交角為32.702°。該地段鐵路為單線，直線地段，普通線路，填方路基，填筑高度為4.5 m～5 m。

本工程箱涵寬5 m，高4.2 m，全涵18 m設計為一次頂進。全涵涵身高為5.15 m，從框架涵頂?shù)郊扔芯€軌面僅有1.1 m，由于既有線已投入營運，頂入前需對既有線用D型便梁進行抬軌加固，保證鐵路正常營運。頂進時須將頂部填土及道碴全部開挖，軌道懸空。

通過對頂進時的頂力進行計算，頂進時最大頂力為844 t，每米的后背墻頂力為106 t/m，后背寬（B1）為8 m，通過后背受力計算，該涵采用鋼軌樁后背墻，鋼軌樁長為8.04 m，鋼軌樁入土深為2.74 m，鋼軌樁后背漿砌片石高為5 m，漿砌片石頂厚0.6 m，寬8 m，漿砌片石后背按1:0.3放坡填土，四周邊坡為1：1，鋼軌樁每米布置5根。在鋼軌樁處設鋼軌后背梁，斷面尺寸為50 cm×50 cm，長8 m。

因頂進涵最大頂力為844 t，千斤頂擬采用天津300 t共5臺。

2 地質條件

根據(jù)勘察報告，擬建場地內(nèi)地質條件如下：

1層素填土：灰黃色，含植物根莖，結構松散，以軟塑狀粉質粘土為主，該層全區(qū)分布，工程性能差；厚度為1.3 m。

2層粉質粘土：硬塑，σo=260 kPa，fi=65 kPa。該層土全區(qū)分布，工程性能較好，厚度為5 m，立交箱涵位于此層上。

3 后背設計

（1）本涵后背設計為鋼軌樁板墻，墻后填土及堆碼片石，鋼軌樁采用P50鋼軌樁；

（2）確定鋼軌樁入土深度D1及鋼軌樁總長H，如圖1所示。

圖1 后背鋼軌樁入土深度計算

①根據(jù)朗金理論土壓力計算墻后每延米的被動土壓力為：

式中：γ：土容重，取 1.8 t/m3；

H：鋼軌樁長（m）；

Φ：土的內(nèi)摩擦角，因地質為粘性土，取Φ=20°；

因根據(jù)千斤頂作用點與后背被動土壓力Ep重合的假定，而主動土壓力Ea遠小于Ep，Ea可忽略不計，則：

涵洞在頂進時需要的最大頂力為844 t，而后背墻B1為8 m，則每延米的頂力為：

則鋼軌樁總長H為：

而千斤頂?shù)酌嬷睆綖?0 cm,則半徑r=25 cm。

D1=D-r=2.53-0.25=2.28 m

為保證一定的安全度,實際施工時鋼軌樁入土深為1.2D1,則實際入土深度為:1.2×2.28=2.74 m，鋼軌樁總長為H+0.2D1=7.58+0.2×2.28=8.04 m

②確定后背土堆高h

h=H-D1=7.58-2.28=5.3 m

（3）鋼軌樁截面設計如圖2所示。

圖2 后背鋼軌樁截面計算

檢算后背土堆的穩(wěn)定，鋼軌樁僅抵抗滑板面以上后背土堆的主動土壓力為：

式中：

根據(jù)材料力學公式：

式中［σ］：鋼材的允許應力=170 MPa，因鋼軌采用P50軌，W=287.2 cm3,∑W=21.9×106/17000=1288 cm3,n=1288/287.2=4.5。

取5根，即每米布置5根鋼軌，間距為20 cm。

（4）后背土堆穩(wěn)定的檢算如圖3所示。

圖3 后背土堆穩(wěn)定計算簡

后背土堆穩(wěn)定的條件是鋼軌樁埋深必須滿足靜力平衡條件，即作用于結構上的全部水平方向作用力平衡條件（∑F=0）和結構繞根部自由端彎矩總和（∑M=0）為零。

①由∑F=0

則：Ep+ξ-Ea=0

式中：

ξ：滑板阻力。

U：滑板摩阻系數(shù)=0.4

μ：為每縱向m箱體重+每縱向m滑板重

μ=24.25+6.9×0.2×2.5=27.7 t

ξ=Uμ=0.4×27.7=11.08 t

則：

D1=2.28 m＜2.79 m,不能滿足水平方向的作用力為零，則需增加滑板重量。在鋼軌與地面處增設地錨梁，地錨梁尺寸為寬 2 m，深1 m，長8 m。

則地梁重為1×2×8×2.5=40 t

則ξ=υμ=0.4×（27.7+40）=27.08 t

再進行計算D1`，為不解,D1=2.28 m，水平方向不會移動。

②為保證鋼軌樁不繞根部（B）點轉動，計入滑板對后背樁的抵抗力所產(chǎn)生的力矩 ：

鋼軌樁是穩(wěn)定的。

（5）后背總體設計圖4所示。

圖4 后背總體設計圖

4 線路加固設計

（1）該段線路加固采用D型施工便梁，兩端支撐墩采用挖孔樁，兩側挖孔樁直徑為80 cm，中間挖孔樁直徑為125 cm，挖孔樁深為6.5 m。

（2）線路加固斷面如圖5所示。

圖5 線路加固斷面圖

（3）D形便梁已經(jīng)過鐵道部鑒定，不必檢算。

（4）檢算挖孔樁的樁身長度及樁徑。

①雙孔重載布置（跨度為8.85 m）如圖6所示。

圖6 “中-活載”圖

由∑MB=0

RA×8.85=（220×8.85+220×7.35+220×5.85+220×4.35+220×2.85+1.352×92/2）/2=368.3 kN

由豎向∑F=0，得RB=(220×5+1.35×92)/2-RA=243.8 kN

所以RA支座反力大，該處為最不利荷載。

D型便梁重計算：

Ⅰ型縱梁：2×429.1=858.2 kg

橫梁：13×345=4 485 kg

共重約：5.3 t，加上線路軌道重10 t，則共計153 kN，則每墩承重為N=368.3+153/2=444.8 kN

②樁長計算，樁位布置如圖7所示。

圖7 樁位布置圖圖

根據(jù)該涵的地質鉆探資料，從軌面下0 m-6.25 m為人工填筑土及粉質黏土，承載力為150 kPa，6.25 m以下為灰?guī)r、砂巖，承載力為350 kPa。將樁底置于灰?guī)r層，取樁長6.5 m。由于在頂進施工時土體開挖會使樁部分暴露，在計算樁承載力時，摩擦力部分按4 m長計算。按土的阻力確定單樁軸向容許承載力，共容許承載力為：

［N］=S∑（fi×Li）/2+mo×A×［σ］

S1=3.14×0.8=2.512 m，

S2=3.14×1.25=3.925 m

A1=π×Φ12/4=0.502 m2

A2=π×Φ22/4=1.227 m2

Mo=1，［σ］=350 kPa

樁身自重G1=A1×H×25=0.502×6.5×25=81.6 kN

G2=A2×H×25=1.227×6.5×25=199.4 kN

［N］Φ80=S1∑（fi×Li）/2+mo×A1×［σ］=2.512×(150×3.75+350×0.25)/2+1×0.502×350=992.1 kN

Φ80 cm的挖孔樁總重N+G1=444.8+81.6=526.4 kN

＜［N］Φ80=992.1 kN

［N］Φ125=S2∑（fi×Li)/2+mo×A2×［σ］=3.925×(150×3.75+350×0.25)/2+1.227×350=1705.1 kN。

如圖7，雙向重載時，Φ125 cm的挖孔樁承受的荷載可取444.8 kN×2=889.6 kN，則：N+G2=889.6+199.4=1089.0 kN＜［N］Φ125=1705.1 kN，均滿足支撐需要。

5 施工注意事項

滑板中心線應與橋涵設計中心線一致，后端與后背相連?；?含抗滑條)采用C20鋼筋砼，頂面要求平整，在滑板上鋪設潤滑隔離層，到減少阻力，使橋涵箱身順利啟動就位。在保證既有線行車安全的前提下，滑板盡量靠近路基。

后座鋼軌樁的打設必須在同一平面，鋼軌樁的入土長度不得少于2.74 m，鋼軌樁在打設后。在鋼軌樁后架一塊擋板，在擋板后砌筑漿砌片石，片石采用擠漿法，以便使后背墻鋼軌樁緊靠，形成一個受力整體。為了節(jié)約混凝土澆筑方量，可以采用扣軌梁代替地錨梁。

頂進作業(yè)在后背和箱體砼強度達到設計后進行，在頂進作業(yè)時做好對線路的防護，隨時檢查線路的狀況，絕對確保既有線行車安全。

箱體頂進時，將所有千斤頂均勻布置，千斤頂后座頂在后背鐵上。所有千斤頂?shù)挠凸芫噙B在一起，確保所有千斤頂供油一致。

頂進作業(yè)一旦開始要連續(xù)進行，保持箱體不斷頂進。為安全起見，每一循環(huán)進尺控制在30cm左右，并隨挖隨頂，挖好的掌子面不得長時間暴露，嚴禁超前挖土；涵身兩側的開挖面要拍夯加固，防止塌方，盡量避免支撐樁過多暴露。當列車經(jīng)過時應暫停挖土及頂進作業(yè)，人員撤離工作面。

安放頂柱必須保持與頂橋軸線順直一致，與橫架垂直，每行頂柱要與千斤頂成一直線，各行長度應力求一致。同時，做好觀察測量，及時糾正方向偏差、抬頭和扎頭現(xiàn)象。

為防止箱體重心離開滑板時出現(xiàn)扎頭現(xiàn)象，在離滑板前端約9 m（箱涵的半長）處先放置5根枕木過渡，枕木平行頂進方向，間距為1 m。或者在箱體前端底板處設置刃角。