框架涵頂進施工過程中力學及安全性檢算探析★

王新選

(中鐵二十一局集團第二工程有限公司,甘肅 蘭州 730030)

1 概述

隨著工程技術的進步與發展，下穿鐵路框架涵頂進技術被廣泛應用。該技術在不影響鐵路原線通車的情況下，既能加強其安全性又能新建道路。國內外的學者和相關技術人員對頂進施工技術進行了較多的研究，王斌[1]根據具體工程所遇到的問題，提出了解決方案并對該技術的應用前景進行了展望。左登宏[2]對頂進過程中頂力進行計算分析。林宇、代江紅等[3-7]探討了框架涵施工過程中的方案和施工工藝以及所應用到的技術。陳相文[8]介紹了中繼間法頂進和便梁加固的施工技術。本文結合某下穿鐵路框架涵頂進施工的具體情況，對框架涵頂進過程中力學和安全性能等進行了檢算。

2 工程概況

某鐵路框架涵為新建鐵路下穿既有鐵路的通道，新建鐵路與既有線斜交，交角為40°。既有鐵路為雙線鐵路，時速為160 km/h，線間距為4.4 m。涵孔跨式樣為1-10.0 m鋼筋混凝土框架涵(框架涵外徑寬度12 m)，框架涵主體約2 600 t，箱身結構高9 m，頂板厚0.9 m,底板厚1 m，邊墻寬1 m，涵橫向長度為28.4 m,框架涵出入口與路基擋墻工程順接，框架涵頂板頂面至鋼軌軌底的距離為110 cm。

此次施工方法采用頂推法，框架涵預制在下行線側，頂程為22 m。線路加固采用便梁加固，主支撐樁采用φ1.5 m圓形鋼筋混凝土孔樁，樁長20 m，共計8根；輔支撐樁用φ1.5 m孔樁，樁長13 m，共計8根。為保證既有線的運營安全，施工前采用(直徑1.25 m)鋼筋混凝土圓形護樁，鋼筋混凝土圓形防護樁對既有路基進行防護(每處6根)，共計24根。

3 檢算內容

本次施工先開挖框架涵工作坑，接著施工后背梁，同時對底板澆筑和鋪設滑板。并且需要及時加固處理鐵路線路，進行便梁的架設，此后在工作坑中預制箱體。接著對箱涵下地基進行加固處理，最后框架涵頂進。框架涵竣工后，鐵路需要進行一系列的鋪設，包括一級道砟和軌道。本次檢算的部分包括頂進過程中的便梁和樁柱的力學及安全性能，框架涵頂進過程中的頂推力以及頂進過程中框架涵的內力，后背梁與整個滑板在頂力作用下的強度。

3.1 便梁和樁柱安全檢算

3.1.1施工布置

此段加固采用D型便梁，不必進行檢算。線路加固布置圖如圖1所示。

D梁主支撐樁采用直徑1.5 m鋼筋混凝土圓形孔樁深度為20 m，共8根；輔支撐樁為直徑1.5 m鋼筋混凝土圓形孔樁，深度為13 m，共8根；護樁為直徑1.25 m鋼筋混凝土圓形孔樁，深度為16 m，每個邊墻6根，共計24根。

3.1.2荷載工況

作用在樁柱上的荷載主要有：列車活載、便梁自重、鋼軌及軌道自重。

1)列車活載。

根據線路加固布置圖紙，便梁最大跨跨度為24 m,邊跨跨度為16 m，選取最不利位置，按照TB 10002—2017鐵路橋涵設計規范相應的列車荷載圖示進行最不利位置加載，如圖2，圖3所示。

邊跨簡支墩上所受的力即為16 m跨便梁加載圖的支反力，為680 kN；24 m跨便梁加載圖的支反力，為1 248 kN；而最大系梁上的支反力分為兩部分，提取計算結果，可得孔樁上的支反力為：

1 248+680=1 928 kN。

考慮到施工安全進行，需要對火車限速，要考慮沖擊系數，取1.2的動力安全系數，則得便梁上列車荷載為：

1.2×1 928=2 314 kN。

2)便梁自重。

取D24便梁自重為469 kN，則簡算16 m便梁自重為312 kN；則可得孔樁所需要承受的便梁自重為：

G2=(469+312)÷2=390 kN。

3)鋼軌及軌道自重。

鋼軌及軌道自重按照8 kN/m，則有：

G2=8×(24+16)÷2=160 kN。

最后鋼便梁將總的荷載傳遞到孔樁上，計算為：

P+G1+G2=2 314+390+160=2 864 kN。

3.1.3人工挖孔樁承載能力檢算

計算的便梁梁端的支反力如圖4所示。

便梁梁端下與人工挖孔樁連接，且每端有4根20 m人工孔樁，參照規范中鉆(挖)孔灌注樁的容許承載力計算，確定單樁豎向極限承載力標準值宜按式(1)估算：

(1)

其中，[P]為樁的容許承載力,kN；U為樁身截面周長,m；fi為各土層的極限摩阻力,kPa;li為各土層的厚度,m；A為樁底支承面積，m2；[σ]為樁底地基土的容許承載力,kPa。

U=πd=3.14×1.5=4.71 m，

因此，單樁承載力為：

20+1.766×160=2 874 kN。

4根20 m鉆孔樁所能提供的支反力達到2 874×4=11 496 kN>2 864 kN,因此人工挖孔樁承載能力滿足要求。

3.2 框架橋頂力檢算

根據規范TB 10002—2017鐵路橋涵設計規范5.6.6中有關頂進橋涵的檢算內容包括：1)頂進部位的局部壓力，即為避免結構局部受壓過大而損壞，一般在千斤頂與箱底板接觸面布置一塊厚度適宜的鋼板，使得頂力均勻分布。2)施力點一般在底板處，傳力過程中，邊墻承受的剪應力最大，需檢算其強度和穩定性，本次預制框架橋長24.8 m，頂進過程中無扭轉，且箱涵頂部無摩擦力，因此本次檢算可略去。3)頂進部位地基承載能力，明確地基承載能力，防止頂進過程中地基不均勻沉降。4)本次頂進采用挖土頂進，且上部無摩擦力，因此，所有頂進摩阻力均來自箱涵與底部滑板的接觸面，而所有的頂推力由與滑板整體澆筑的后背梁來提供。若將滑板與后背梁看成一個整體去處理，那理論上并無產生任何外力。因此，本次需檢算后背梁與滑板在頂進過程中抗拉整體性能。

3.2.1框架橋頂力計算

根據框架橋的截面大小，可計算框架橋的自重力，橋體主體約2 600 t，重力計算結果如下：

2 600 t×9.8 m/s2=25 480 kN

根據規范頂進過程中，頂力的計算可按照下式進行：

P=K[N1μ1+(N1+N2)μ2+2Eμ3+RA]

(2)

其中，P為最大頂力,kN；N1為橋涵頂上荷重,kN；μ1為橋涵頂與頂上荷載間的摩阻系數；N2為橋涵自重，按24.8 m長計算，取值橋涵自重25 480 kN；μ2為橋涵地板在滑板上頂進，潤滑層是在滑板上涂刷3 mm厚的石蠟摻25%機油+1 mm厚的滑石粉，本次根據實際情況取0.3；μ3為側面摩阻系數，一般可采用0.7～0.8，本次由于頂進前將側邊土清理干凈，因此取0 kN；R取0；A為鋼刃角的正面面積,m2；K為安全系數，本次工程取1.2。

經過計算可分別得出頂力為：

P=1.2×25 480×0.3=9 173 kN。

本工程采用D型便梁架空線路頂進的施工方法，跨架橋24.8 m箱身最大頂力9 173 kN，需要配備320 t千斤頂數量為：

N=P/(320×0.7×9.8)=4.18。

擬配置5臺320 t千斤頂；現場千斤頂布置在框架橋的底板處，除腹板下各設一個千斤頂之外，其余均勻分布。此外，為防止頂進中設備發生故障，現場另備1臺備用千斤頂。因此需配備6臺320 t千斤頂。

3.2.2局部壓應力檢算

框架橋頂進工程中，千斤頂安置在后背梁上，前方著力點是框架橋橫截面的底板，由于頂進過程中所需要的頂力過大，為防止框架橋底板與千斤頂接觸面的局部壓應力過大，從而使箱身破壞，現在框架橋底板與千斤頂接觸面處放置一塊2 cm厚的鋼板，初步擬定尺寸為每個千斤頂前使用的鋼板大小為0.7 m×1 m。由于鋼板對于壓力的分散傳遞效果比較好，因此本次計算使用鋼板面積作為承壓面積。

框架橋底板承壓力：

25 480÷5÷(0.7×1)=7.28 MPa<20.5 MPa。

20.5 MPa為混凝土軸心抗壓設計值。

因此，局部承壓檢算滿足要求，但在頂進過程中需保持各千斤頂共同工作，防止出現操作不當導致某一頂力忽然增大。

3.3 頂進過程中框架橋內力檢算

3.3.1模型的建立

框架涵采用midas civil進行模型的建立，采用板單元類型進行建模，模型見圖5，一共有1 600個單元，1 680個節點，板單元底部采用面彈性支撐的節點彈性支撐，基床系數Kx=1e4 kN/m3，Ky=1e4 kN/m3，Kz=0 kN/m3。采用5個千斤頂，在底板一側均勻施加外部荷載，所加荷載為P=9 173÷5=1 834.6 kN。

3.3.2頂進橋涵最大頂力下檢算

頂進涵應按最大頂力進行下列檢算：

1)頂進部位局部壓應力檢算。

頂力作用下壓應力圖見圖6。

框架橋在頂進時，千斤頂均勻布置在框架橋的底板橫截面處，因此外部荷載直接作用底板處的壓應力最大，需要進行局部壓應力檢算。由圖6可以看出，局部最大壓應力為11.38 MPa<20.5 MPa。

根據規范,配置間接鋼筋的混凝土結構構件，其局部受壓區的截面尺寸應符合下列要求：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(3)

(4)

其中，Fl為局部受壓面上作用的局部荷載或局部壓力設計值；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，fc=21.1 N/mm2；βc為混凝土強度影響系數，βc取1.0；βl為混凝土局部受壓提高系數；Aln為混凝土局部受壓面積；Ab為局部受壓的計算底面積。

Fl=9 172.5 kN<1.35×1×1×21.1×0.7×1 000=19 939.5 kN。

在使用千斤頂頂進框架涵時，施加在底板處的5個千斤頂，底板施加荷載處的局部壓應力符合要求。

框架橋在頂力作用下的位移見圖7。

由圖7可知，在頂力作用下框架涵的自身最大位移為0.27 mm,符合要求。

2)視橋涵頂面潤滑處理，則側墻根部剪應力無需檢算。

3.3.3滑板及后背梁檢算

為了保證框架涵的順利施工，對滑板具有一定的質量要求，包括剛度和強度。滑板采用C25混凝土，厚度為30 cm，要求滑板表面光滑平整，高程誤差不宜超過±3 mm。滑板下方填10 cm的碎石墊層，滑板表面用M10砂漿抹平，厚度2 cm，保持最大的平整。為了使頂進順利進行，滑板表面還需涂石蠟，使表面平滑。為了不使框架涵底板和滑板表面粘結導致摩擦力增大，從而使框架涵無法頂動，所以在滑板上還需鋪設一層塑料布隔離層。

后背梁采用高度2.5 m、寬度1.5 m，長度14 m的C25混凝土，在鋼筋混凝土后背梁后用回填土夯實充當后背，后背橫向長度13 m，寬度為2.65 m。后背后土方夯實系數應達到0.95。

本次頂進工程的頂力理論上主要由滑板和后背梁整體的內力提供，后背梁后鉆孔樁以及地基土所承受的壓力都較小。因此本次主要檢算集中在后背梁與滑板的連接部位其配筋是否滿足抗拉要求。對其影響區域進行配筋檢算，按照混凝土以45°的擴散角進行傳力擴散，將滑板的受力面分別向兩邊擴大3.14 m。按照布置間距為15 cm直徑取22 mm的HRB400鋼筋進行橫向配筋，抗拉強度設計值取360 MPa，則箱涵所有鋼筋的最大抗拉力計算為：

F總=[(13.1+3.14×2)÷0.15×2]×380.1×360÷1 000=35 358 kN>25 480 kN。

因此，經過檢算，滑板與后背梁的配筋滿足要求，頂進過程中可保證滑板與后背梁的整體完整性。

4 結語

通過對框架涵頂進過程中便梁和樁柱的力學及安全性能檢算，以及頂進過程中框架涵的應力和變形的檢算，確保了框架涵頂進施工過程中的力學性能及安全性滿足要求。在框架涵頂進的整個過程中，各個結構及構件的變形及應力均未超出規范規定的限值，確保了工程施工的順利進行。