經九路下穿隴海鐵路箱型橋有限元分析及施工技術

李 青 （中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

1 概述

本橋為五孔箱型橋（孔跨布置根據經九路現有道路布置），孔跨布置為：（4.5+15+15.5+5+4.5）m。與隴海線斜交角度為26.55。，為經九路下穿隴海鐵路而設，南北兩側出入口與公路箱型橋相接。建設期間橋上通行既有線3條，分別為：隴海下行線、牽出線、隴海上行線。配合西安站改建工程，拆除全部既有線，重新布設鐵路線路，本工程施工完畢后，橋上通行共8條線路：改建隴海上下行線，增建隴海三四線、增建兩條機車走行線及2條車底走行線，橋內（15+15.5）m為車行道，東側4.5m孔和西側5m孔為非機動車道和人行道，蓋板下及最西側4.5m孔為市政管線預留廊道。箱型橋共分9個節(jié)段，西側總長109.241m，東側總長84.007m，1～5節(jié)段為斜交節(jié)段，第6、7節(jié)段為漸變節(jié)段，8、9號節(jié)段為正交段（見圖1）。

2 有限元分析

本箱型橋總節(jié)長較長且分段施工，在有限元分析中選取受力最不利的節(jié)段即4號節(jié)段采用Midas Civil進行精細分析。本節(jié)段為斜交箱型橋，斜交角26.55。，箱型橋箱身采用C40混凝土，高10.3m，頂板厚1.1m，底板厚1.2m，側墻厚度1m。基礎采用1.0m厚C35混凝土，斷面尺寸如圖2所示。

主要材料：箱型橋采用C40混凝土，彈性模量E=3.40×104MPa，泊松比 ν=0.2，混凝土 γ=26kN/m3；基礎采用C35混凝土。

圖1 箱型橋總布置圖

圖2 4號節(jié)段斷面尺寸示意圖

主要荷載：

①恒載：框架自重、線路設備重、道路鋪裝等。

②二期恒載：鐵路二期恒載取101.26 kN/m；車行道二期恒載取5 kN/m2，非機動車道和人行道二期恒載取13.6 kN/m2，市政管線預留廊道二期恒載取16.75 kN/m2。

③土壓力荷載：

頂板上路基填方的豎向壓力和水平壓力：按照《鐵路橋涵設計規(guī)范》[1]第4.2.3條規(guī)定計算，填土容重按18kN/m3計算。

路基填方引起土壓力：豎向土壓力P=KγH=44.6kPa；水平土壓力：頂板 e1=ζγH1=14.7kPa；底板e2=ζγH2=83.2KPa

活載引起的土壓力：豎向土壓標準值qh=38.8kPa；頂板水平土壓力值e=ζqh=13.58 kPa

④箱型橋頂部鐵路列車設計活載按照“ZKH活載”考慮。

⑤公路荷載按照“城-A”考慮。

箱型橋采用板單元建立模型，彈性地基的計算采用共同變形理論[2]。曲面彈簧單元模擬地基土與箱型橋地面的相互作用，地基基床反力系數k=5×104kN/m3，箱型橋計算模型如圖3所示。

圖3 箱型橋有限元模型

結構計算荷載工況考慮結構自重、二期恒載及土壓力，列車荷載和車道荷載，按照《鐵路橋涵設計規(guī)范》來進行荷載組合計算，并按照《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》[3]中鋼筋混凝土構件裂縫寬度要求控制結構的主筋配筋數量。

通過對結構計算，結構分析，結構最大位移發(fā)生在頂板跨中，位移值Uy=10.2mm,小于構件計算跨徑的L/1200=14mm，結構變形滿足規(guī)范要求。結構變形云圖如圖4所示。

圖4 箱型橋變形云圖

提取結構內力結果可得，箱型橋頂板、底板軸力很小；側墻為彎壓構件，軸力較大。結構彎矩云圖如圖5所示，頂板、底板最大正負彎矩值分別出現于跨中及豎墻處，且豎墻處負彎矩值較大。本斜交箱型橋與斜交梁橋有相似的受力特征，跨中彎矩峰值向鈍角方向靠攏。

圖5 箱型橋彎矩云圖

根據受力分析及構件裂縫控制計算，頂板與豎墻相接處配筋按兩根一束28號鋼筋，間距10cm進行配筋設計，鋼筋應力最大為189.9MPa，裂縫寬度ωf=0.156mm，均滿足規(guī)范要求。

3 主要施工技術措施

本箱型橋斷面大，斷面尺寸達50.5m，縱向共分9個節(jié)段，第4、5、6節(jié)位于F3地裂縫段，對地裂縫的活動性進行評價，采用未來50年內最大垂直位移按照150mm設防[4]。如果采用傳統(tǒng)的頂推施工，各個節(jié)段只能相繼頂推施工而引起工期長，部分節(jié)段需頂推穿過兩條鐵路，頂推距離長，且與既有線路的干擾較大。

本工程采用現澆施工與頂進施工相結合的創(chuàng)新工法，第1節(jié)段與第6節(jié)段采用頂進施工，其余節(jié)段采用現澆施工。其中第6節(jié)段由北向南頂進施工，第1節(jié)段由南向北頂進施工。頂進施工的同時，同期開挖第3、4節(jié)段。在第4節(jié)現澆完成，第6節(jié)頂進到位后，再澆筑第5節(jié)，并將此三節(jié)連接為一體，第5節(jié)采用補償收縮混凝土澆筑。此時同期澆筑7～9節(jié)，根據施工進度擇期澆筑2、3節(jié)。箱型橋總施工工序流程圖如圖6所示。

圖6 箱型橋總施工工序流程圖

3.1 工作坑開挖

由于箱型橋下挖設置，開挖深度大，為減小開挖面，在開挖工作坑前，采用φ1.25m鉆孔樁防護基坑四周，既有線處采用φ1.25m挖孔樁防護。

工作坑是1、6節(jié)段預制和頂進的場地。施工前對既有線路基采用挖孔樁進行防護，1號節(jié)段南端和6號節(jié)段北端開挖工作坑，施工工作底板，工作坑的位置根據現場地形，土質情況及施工機具綜合考慮。工作坑需考慮必要的排水設施，以防基坑邊坡失穩(wěn)。

開挖工作坑后先修筑滑板，滑板表面應盡量光滑平整，高程誤差不宜超過±3mm，并噴涂潤滑劑。

3.2 箱型橋主體澆筑

可分為兩個階段施工，先澆筑框架底板混凝土，當其達到適宜強度后，在綁扎上部鋼筋，澆筑相應部分混凝土。澆筑底板混凝土時，保證其與滑板的有效隔離，防止粘接而發(fā)生啟動頂進困難。

為防止混凝土收縮開裂，要求混凝土有最大的密實度，夏季高溫施工時要盡量降低混凝土的入模溫度，嚴格控制混凝土水灰比，澆筑完成后精心養(yǎng)護。

3.3 既有線的加固

采用φ1.25m挖孔樁防護基坑及既有路基。隴海下行線由東向西采用(4×16+12)m工字鋼梁架空既有線，其余既有線均采用由東向西(5×16)m工字鋼梁架空，而鋼梁支點采用挖孔樁支墩，線路外側支墩利用慢行點施工，線間支墩施工需要封鎖線路施工。待箱型橋頂進至工字鋼的支墩處時，工字鋼支于箱型橋頂面并切除支墩繼續(xù)頂進。

3.4 后背工程

后背是承受頂進時水平頂力的反力的重要構筑物，本箱型橋噸位重，后背工程自頂進開始到結束應保持足夠的強度和穩(wěn)定性。本次后背工程設計采用后背墻加后背樁相結合的方式，后背墻為M10漿砌片石，后背樁采用C40混凝土。采用底板三角塊來協調斜交箱型橋節(jié)段與頂進方向之間的角度。

3.5 頂進施工

本箱型橋第1、6節(jié)段采用頂進施工，設計頂力F=μ×G（其中 μ=1.4，G 為箱身自重），為防止頂進時底板混凝土損壞，沿受頂面安裝10mm厚鋼板，并在板后設置三層鋼筋網綁扎于底板鋼筋上，保證保護層厚度不小于3cm。頂進原則為“短進尺、快開挖，勤頂進”，并嚴格控制一次土方開挖的數量。頂進過程中，應對地質情況進行記錄，將實際地質情況與地質資料進行比較，以做到在施工頂進中及時調整。頂進啟動時，需要克服與滑板的粘著力，啟動頂力較大；啟動后空頂階段頂力甚小；而箱型橋入土，頂力又逐漸增加；接近就位時候頂力最大。頂進就位后處理好沉降縫，回填路基土，注漿壓實，落下架空的線路。

4 結論

對混凝土箱型橋有限元分析，可得箱型橋中豎墻處及跨中處為彎矩控制截面，且斜交箱型橋與彎矩峰值向鈍角方向偏離。運用板單元建模計算結果與實際更加接近，從而可以更準確的進行結構配筋設計，保證結構計算可靠安全。

本箱型橋斷面尺寸大，部分節(jié)段為斜交箱型橋，受力復雜，與既有鐵路及規(guī)劃鐵路交叉復雜，節(jié)段劃分多，施工工藝復雜。結合現場實際特點，采用了頂進法和現澆法相結合的施工方法，節(jié)約了工期，是一種快速、安全的施工方案。