鐵路頂進(jìn)框架式橋涵鋼軌樁后背設(shè)計及計算探析

劉云龍

摘 ?要：在鐵路新建或改建工程中，涵洞以及框構(gòu)橋頂進(jìn)施工頗為多見。大量工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，要確?？驑?gòu)橋頂進(jìn)施工質(zhì)量，首先要抓好后背設(shè)計。后背作業(yè)是框架式橋涵頂進(jìn)施工過程中的臨時性措施，其設(shè)計情況是否科學(xué)合理，質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，直接和整個框架橋頂進(jìn)工程建設(shè)情況密切相關(guān)，對于工程總投資和施工進(jìn)度、工期等指標(biāo)有著極為重要的影響。如果后背設(shè)計超量，就會導(dǎo)致不必要的成本支出，投資超標(biāo)。如果后背設(shè)計不足，則又有可能給頂進(jìn)施工帶來不可預(yù)估安全隱患，比如產(chǎn)生開裂和偏移等質(zhì)量問題，降低工程質(zhì)量和施工速度，嚴(yán)重時甚至?xí)o鐵路工程的正常使用帶來威脅。

關(guān)鍵詞：鐵路工程框架;涵頂進(jìn)設(shè)計;計算鋼軌樁后背

引言

我國幅員遼闊，國土面積廣大，鐵路運(yùn)輸需求很高。同時，復(fù)雜多變的地理、地質(zhì)條件也給鐵路工程施工帶來許多困難。在鐵路工程建設(shè)過程中，經(jīng)常遇到需要修建、改造涵洞的情況。框架涵頂進(jìn)設(shè)計是其中的重要環(huán)節(jié)，而工作坑后背墻的選擇計算又成為重中之重，由于涉及內(nèi)容廣泛，計算難度較大。加強(qiáng)框架涵頂進(jìn)后背設(shè)計及相關(guān)配套計算研究，對于提高涵洞改造工程設(shè)計水平，保障涵洞改造工程質(zhì)量，維護(hù)我國鐵路運(yùn)輸安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)具有十分重要的意義。作者結(jié)合某項工程實(shí)例，試對鐵路框架涵頂進(jìn)后背設(shè)計計算進(jìn)行分析、探討，希望可以對廣大設(shè)計同行開展鐵路設(shè)計工作有所幫助。

1 后背的主要類型以及對應(yīng)用途

現(xiàn)階段，我國鐵路框架式頂進(jìn)施工常用的后背種類主要重力式后背、鋼筋砼拼裝式后背、板樁式后背三種情況：其中，重力式后背又稱之為漿砌片石后背，該種后背形式主要用于小規(guī)模的工程施工，具有工藝簡單、方便易行，對施工設(shè)備需求不高等特點(diǎn)，尤其對大型起吊、打樁設(shè)備及運(yùn)輸工具沒有需求，施工成本相對低廉，但由于該后背形式在最大頂力和穩(wěn)定可靠性方面缺乏足夠優(yōu)勢，所以不能用于大型工程施工之中。鋼筋砼拼裝式后背，顧名思義，該后背由多種鋼筋混凝土預(yù)制件構(gòu)成，相對于重力式后背，提供的頂力更大，相對于下文要介紹的板樁式后背，施工用料，主要是鋼質(zhì)材料更少，組裝工藝較為簡單，鋼料可以循環(huán)重復(fù)使用，造價較易受控制，同時，鋼筋砼拼裝式后背由于預(yù)制件質(zhì)量沉重，施工時對于運(yùn)輸條件和吊裝設(shè)備具有一定要求，主要應(yīng)用于對于頂力需求較大，工點(diǎn)相對集中的工程環(huán)境。板樁式后背是目前大型鐵路施工中最為常見的后背設(shè)計形式。該種形式后背由組成較為復(fù)雜，涉及多種型鋼、后背粱和后背填土，綜合性能水平較好。具體特點(diǎn)如下：一是該種形式的后背可以通過先打人板狀再進(jìn)行工作坑施工的方式，降低后背填土用量，并使得樁后土質(zhì)更為緊密結(jié)實(shí)。二是材料重復(fù)循環(huán)利用水平高，總體成本較易控制，對于需求大頂力的施工場合，相對重力式后背、鋼筋砼拼裝式后背在施工成本上更具優(yōu)勢。三是在使用鋼軌后背樁的前提下，可以大量使用鐵路正線上替換下來的舊軌料，不但節(jié)約了資源，提高了環(huán)保水平，對于降低工程造價也是一個重要的支持與促進(jìn)。正是因?yàn)檫@個原因，現(xiàn)階段大型頂進(jìn)施工多數(shù)采用鋼軌樁后背的設(shè)計形式。

2 工程概況

某下穿立交橋設(shè)計為1-7.0m框構(gòu)橋，外輪廓全寬為8.3m，橋長19.07m，內(nèi)摩擦角ψ=30°，土容重γ=18KN/m3，經(jīng)計算最大頂力為942.4t，采用鋼軌樁后背，后背寬度B=10.3m，以下對所采用鋼軌樁后背進(jìn)行設(shè)計計算。

3 鋼軌樁后背設(shè)計計算

3.1 樁后土壓力計算

樁長H=6.1m，h1=4.0m，h2=2.1m

計算如下：

（1）樁后土破裂角tgθ=tg（45°-ψ/2）=tg30°，θ=30°

（2）推力系數(shù)λ=tgθ/tg（θ+ψ）=1/3

（3）主動土壓強(qiáng)度σh=γ·h1·λ=2.4t/m2

3.2 鋼軌樁入土深度計算

（1）被動土壓系數(shù)λp=tg2（45°+ψ/2）=3

（2）主動土壓系數(shù)λa=tg2（45°-ψ/2）=0.333

（3）設(shè)基坑底面以下同一深度h0內(nèi)主動土壓強(qiáng)度為σa，被動土壓強(qiáng)度為σp，基坑底面樁后產(chǎn)生主動土壓力的土層深度為y，則有：

σp-σa=γ·h0（λp-λa），（σp-σa）/h0=γ（λp-λa）=4.8t/m

可得y=σh/4.8=0.5m

（4）所有外力對樁頂A點(diǎn)的力矩

P1=σh·h1/2=4.8t，P2=σh·y/2=0.6t，∑P=P1+P2=5.4t

M1=P1·2h1/3=12.8t-m，M2=P2·（h1+y/3）=2.5t-m

∑MA=M1+M2=15.3t-m

設(shè)D0為在深度y下所需的附加深度，則：

1/2·[γ（λp-λa）D0]·D0·[2D0/3+y+h]=∑MA

解得D0=1.103m

故鋼軌樁需打入基坑底面以下總深度為：

h2=y+D0=1.603m

現(xiàn)采用h2=2.1m，則D0=h2-y=1.6m

（5）鋼軌樁頂拉桿的拉力

設(shè)鋼軌樁頂拉桿拉力為T

P3=σD0·D0/2=12.29t，T=∑P-P3=-6.89t

T為負(fù)值，即拉桿頂端A點(diǎn)沒有承受拉力，故可不設(shè)拉桿。

（6）鋼軌樁穩(wěn)定檢算

傾倒力矩為樁后主動土壓力對A點(diǎn)的力矩總和∑MA，抵抗傾倒力矩后基坑底面以下樁前被動土壓力P3對A點(diǎn)力矩∑M3。

∑M3=P3（2D0/3+y+h1）=68.41t-m

穩(wěn)定系數(shù)K=∑M3/∑MA=4.47>1.3（可）

（7）鋼軌樁截面計算

經(jīng)計算每米后背需要截面模量W=2034.3cm3

采用P50kg鋼軌，正倒扣布置，每根鋼軌的平均截面模量w=263.3cm3。

若每米后背用P50kg鋼軌9根正倒并列，可提供截面模量W'=9·w=2369.7>2034.3cm3（可）

每米后背提供最大頂力EP=γ/2·H2·λp=100.47t

本橋最大頂力為942.4t，后背寬度B=10.3m，每延米承受頂力：

E0=942.4/10.3=91.50t/m，EP>E0（可）

需鋼軌樁總長度為L=10.3×9×6.1=565.47m

總重量為G=29.13t

4 結(jié)束語

隨著我國鐵路與社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，新增道路穿越鐵路以及既有平交道口改立交等工程將會大大增加，而其中大多要依靠頂進(jìn)施工的方法。通過分析檢算，利用既有資源，合理設(shè)置后背，能夠確保施工以及鐵路行車的安全，對鐵路頂進(jìn)橋涵后背施工設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。

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