鐵路下有限空間內現澆箱涵支架搭設及預壓施工技術

閆學沖，王樹峰，龔 政，周鐵剛，周 越，劉鑫章

（中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 十堰 442000）

0 引言

隨著城市發展水平的不斷提升，市政道路工程的建設規模日益增大，難免會有越來越多的市政道路與既有鐵路之間相互縱橫交錯，通常在交錯位置采用現澆箱涵下穿鐵路的建設方案以盡量減少對鐵路正常運營的干擾。

在現澆箱涵主體結構施工前，需開挖基坑、支架搭設以確保主體結構的安全施工和減少對運營鐵路的影響［1］。特別是在鐵路下支架搭設及預壓受空間有限、鐵路限界等影響更容易發生垮塌風險，同時會延緩施工進度，從而導致施工成本的劇增［2］。

本文介紹了十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風鐵路現澆箱涵結構施工過程中支架搭設、監測及預壓所采用的計算方法、施工工藝及采取的一系列解決措施，為后續類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風鐵路通道工程位于十堰市武當路美地天城小區旁，是林蔭大道 3 號線道路工程的控制性工程，其貫通可有效打通武當路到重慶路的交通壁壘，對完善十堰市城區路網建設具有十分重要的意義。通道位置如圖 1 所示。

圖1 通道位置示意圖

下穿通道主體結構縱向全長 21.6 m，橫向由 2 個獨立的、平行的鋼筋混凝土閉合式框架結構組成，兩箱凈距為 0.04 m，每個箱涵寬 14.75 m，頂底板厚 1.0 m，側墻厚 0.9 m，框架凈高 10 m，通道頂部覆土約 1～2 m，鐵路位于覆土層上。通道標準斷面如圖 2 所示。

圖2 通道標準斷面圖（單位：cm）

1.2 工程周邊環境及實施難點

下穿鐵路工程位于 3# 線 K0+155（中心樁號）位置處，工程下穿正運營的東風鐵路。起點武當路至東風鐵路處兩側均為高層建筑及幼兒園，可操作空間比較狹窄，環境比較復雜，大樁號側為張家溝溝谷。東風鐵路位于 K0+155 山坡坡頂處，與坡腳高差約為 20 m（開挖高度約為 15 m），高差較大，不具備修筑便道及操作平臺的條件。主體結構施工主要面臨以下難題。

1）模板支架及主體結構頂板施工位于正在運營的東風鐵路正下方，且存在大量管線等構造物，實施前需做好保護工作，同時需對支架基礎全面積采用混凝土硬化處理以達到設計承載力要求。

2）基坑放坡開挖施工，主體結構側壁支架搭設及施工場地空間受限，模板支架施工容易發生支架垮塌和脹模風險。施工前施工單位應編制專項施工方案，并進行專家論證，后期施工過程中安排專職安全人員現場實施監督。

3）施工機械作業或傾覆、施工材料、機具等侵入支架搭設、鐵路限界，影響主體施工及鐵路運輸安全。

4）主體結構施工對支架搭設、鐵路路基的影響是個動態過程，施工過程中由于監測不及時到位，容易發生重大安全事故。施工前施工單位編制施工動態監測方案和施工應急預案，并進行專家論證。

5）通道頂距鐵軌底及相應管線僅 1.5 m 左右，上部空間有限，材料吊運多數要跨過鐵路。

6）通道南側為橋梁施工區域，場地有限，所有通道用材料堆放、設備占位場地僅限于北側。

主體結構現場施工如圖 3 所示。

圖3 主體結構現場施工圖

2 盤扣式支架在鐵路下有限空間內搭設中的應用

在進行方案設計時通過對各種支架形式對比分析，并綜合結合鐵路下有限空間、施工進度、成本等各方面的影響因素，最終確定為盤扣支架作為現澆箱梁的支架。

2.1 支架形式說明及對比

在道路橋梁設計中，因地形所限、跨線交通或路線圓曲半徑過小等原因導致主體結構設計為現澆箱涵時，往往采用支架現澆法進行現澆箱梁施工。支架現澆法中支架的形式又存在多種方式，具體如下所述。

碗口鋼管支架為直徑φ=48 mm、壁厚為 3 mm 的鋼管立桿和橫桿組成，立桿與橫桿均為裝配式定型構件，采用直徑φ=48 mm 的鋼管通過螺旋扣件設置斜撐。碗扣支架采用無螺栓連接，安裝拆除速度快，但支架穩定性較低，單桿受力較小，且無法在地形高差較大，較復雜地質情況下使用。

重力式門式架由一片一片門式架組成，單片門架和剪刀斜撐均為主要受力立桿為直徑φ=60 mm 鋼管，采用直徑為φ=30 mm 的鋼管剪刀撐進行連接，同時采用直徑φ=48 mm 的鋼管通過螺旋扣件設置水平連接桿、斜撐、掃地桿。重力式門式架安拆速度較快，成本較低，但穩定性較低，交叉支撐桿易在交叉點處斷裂，且安裝質量把控難度高。

盤扣支架分為立桿、橫桿、斜桿，市面上立桿普遍為φ=60 mm 鋼管，橫桿普遍為直徑φ=48 mm 的鋼管，斜桿普遍為直徑φ=33 mm 的鋼管。所有桿件均為裝配式定型桿件，尺寸統一，安拆速度快，主要受力桿件為直徑φ=60 mm 的鋼管，單桿最大承載力可達 8 t，搭設模式基本固定，且檢查簡單，可調節一定的平曲線，對場地范圍要求低，支架頂部橫縱坡及豎曲線調節范圍廣，支架損耗小，所有桿件連接均有保險，桿件連接點可形成近似固結狀態，大大提升了支架的整體穩定性［3，4］。

2.2 預壓荷載計算及預壓方案選擇

根據圖紙可計算現澆通道頂板混凝土總計 669.6 m3，鋼筋 134 t，按照最大預壓荷載為梁體自重的 1.2 倍進行時，最大壓載重量為 2 008.8 t，整幅進行預壓。每個沙袋尺寸為 1 m×1 m×1 m，重量以 1.4 t 計（實際根據現場稱重并標記為準），堆碼高度根據現場情況調整。

計算后得各單位面積梁重及預壓重量如表 1 所示。

表1 單位面積梁重及預壓重量表

采用模擬壓重方法，經過比選，租用混凝土塊壓重費用較高，用碎石易對袋子及底模造成損壞，水袋預壓因上部為鐵路，空間有限，水袋安放高度不夠，故采用沙袋預壓方法進行壓重，全部預壓完后可繼續拉回混凝土廠重復使用。

3 下穿通道主體結構頂板支撐體系計算

本項目支架采用盤扣式支架搭設，在方案設計時需對主體結構頂板支撐體系進行驗算，根據 JGJ 231－2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》中的相關規定，對立桿長細比、立桿穩定性及立桿支撐面承載力進行驗算［5］，具體如表 2 所示。

表2 荷載設計驗算參數表

其中，主梁的計算簡圖如圖 4 所示。計算可得，支座反力依次為R1=19.381kN，

圖4 主梁計算簡圖（單位：cm）

R2=34.115 kN，R3=34.394 kN，R4=18.305 kN。

3.1 立桿長細比驗算

l01=h′+2×k×a=500+2×0.7×450=1 130 m

l0=η×h=1.2×1 000=1 200m

長細比λ=max［l01，l0］/i=1 200/20.1=59.7≤［λ］=150；滿足要求。

式中：l0，l01為桿件的計算長度，為安全計，取二者的最大值。

3.2 立桿穩定性驗算

1）頂部立桿段。

λ1=l01/i=1 130/20.1=56.219；

查表得：φ=0.8；

不考慮風荷載，可調托座反力：N1=max［R1，R2，R3，R4］=max［19.381，34.115，34.394，18.305］=34.394 kN；

f=N1/（φ A）=34.394/（0.8×571）

=75.293 N/mm2≤［σ］=400 N/mm2，滿足要求。式中：φ為軸心受壓立桿的穩定系數；f為鋼管立桿抗壓強度計算值。

2）非頂部立桿段。

λ1=l01/i=1 200/20.1=59.701；

查表得：φ=0.783；

不考慮風荷載，可調托座反力：N1=max［R1，R2，R3，R4］+rG×q×H=max［19.381，34.115，34.394，18.305］=36.394kN；

f=N1/（φA）=36.394/（0.783×571）

=80.951 N/mm2≤［σ］=400N/mm2，滿足要求。式中：φ為軸心受壓立桿的穩定系數；f為鋼管立桿抗壓強度計算值。

3.3 立桿支承面承載力驗算

根據 GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》第6.5.1 條規定，參數剖析如表 3 所示。

表3 參數剖析表

βh=0.992，ft=0.992N/mm2，η=1，h0=h-20=880 mm；

Um=2×［（a+h0）+（b+h0）］=4 120 mm；

F=（0.7βhft+0.25σpc，m）ηUmh0=（0.7×0.992×0.992+0.25×0）×1×4 120×880/1 000=2 496.62 7 kN≥F1=36.194 kN；受沖切承載力滿足要求。

根據 GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》第6.6.1 條規定：

fc=11.078 N/mm2，βc=1；

βl=（Ab/Al）1/2=［（a+2b）×3b/（ab）］1/2=［400×300/（200×100）］1/2=2.449；Aln=ab=20 000 mm2；

F=1.3βcβlfcAln=1.35×1×2.449×11.078×20 000/1 000=732.657 kN≥F1=36.194 kN，局部受壓承載力滿足要求。

4 關鍵施工技術

4.1 側墻操作架搭設

墻體施工操作外架搭設采用φ60.3×3.2 盤扣式鋼管搭設，搭設步距采用 1.5 m，采取雙排架，立桿縱向間距為 1.5 m，立桿橫向間距為 1.2 m。在腳手架上搭設通道，以方便人員的上下。通道采用盤扣架配套定制鋼跳板及鋼爬梯。同時設置 1.2 m 的防護欄桿，并安置安全網。

盤扣式腳手架工藝流程：場地平整、夯實硬化→材料配備→畫立桿安裝點位線、定位設置通長墊板、可調底座→立桿→縱、橫向掃地桿→縱、橫向水平桿→立桿→縱、橫向水平桿→外豎向斜桿及水平斜桿→安掛扣式鋼腳手板→綁扎防護欄桿→綁扎阻燃密目安全網。墻體外架搭設正立面、側面如圖 5、圖 6 所示。

圖5 墻體外架搭設正立面圖（單位：m）

圖6 墻體外架搭設側面圖（單位：m）

搭設完成的支架需經項目專職安全人員檢驗并報安全監理檢核合格后方可進行側墻鋼筋的安裝施工。

4.2 頂板支撐體系及模板安裝

頂板模板支撐架采用φ60.3×3.2 的盤扣式滿堂架。盤扣支架縱向間距 90 cm，橫向間距除腋角漸變加厚區設置為 60 cm，其余均為 90 cm，所有步距 100 cm，并按規范要求設置斜撐及水平剪刀撐。

盤扣式支架工藝流程：調整座→標準基座→第一層橫桿→平主架→第二層橫桿→第一層斜桿→第三層橫桿→第二層斜桿→主架→第四層橫桿→第三層斜桿→U 型調整座。頂板模板支撐體系橫斷面如圖 7 所示。

圖7 頂板模板支撐體系橫斷面圖（單位：m）

箱涵頂板上部約 1.5～2 m 位置為架空鐵路，施工空間有限，鐵路運行期間，安全風險高，周圍場地局限，支架搭設、支架預壓及混凝土澆筑等受鐵路運行和周圍環境影響大，施工難度高。為解決施工中豎向空間受限的問題，項目上充分利用縱向空間，由中間往兩側逐步搭設，同時在大樁號側利用已經成型道路作為施工操作平臺，后期完成施工后再對其進行恢復清理。因此，在施工區域除鐵路通行寬度范圍內均設置封閉圍擋。

4.3 支架預壓

支架與模板安裝完成后在頂板鋼筋綁扎前，為確保支架施工使用安全，保證頂板結構施工線形，需對頂板支架進行壓載試驗。通過支架預壓可以檢驗支架及基礎是否滿足受力要求，同時消除支架的非彈性變形，且通過實測支架彈性變形，為后續設置施工預拱度提供依據。支架預壓如圖 8 所示。

圖8 支架預壓圖（單位：m）

本工程采用分級加載方式：0→60%→100%→120 %。預壓時將預壓區域截面分為 6 個區。當從縱向加載時，宜從混凝土結構跨中開始向支點處對稱布載；當橫向加載時，應從橋梁中心線向兩側進行對稱布載。預壓堆載的重量等于現澆頂板重量的 120 %，即按準備施工的梁體重量的 1.2 倍進行分級加載預壓。

本項目支架搭設位于正在運營的東風鐵路正下方，且距鐵軌底及相應管線僅 2 m 左右，所以現場鐵路下及南側部分無法進行預壓。實施中，支架采用北側預壓，測量出北側支架的彈性變形量及非彈性變形量；同時利用北側的預壓數據來反推算鐵路下及南側支架的變形量，進而對預拱度進行相應地調整。

4.4 支架監測

本項目采用盤扣式滿堂架支撐體系，在支撐架搭設和鋼筋模板安裝、混凝土澆筑前及混凝土終凝前后，必須隨時監測。

其中，滿堂架縱向 20 m 布置 4 個監測剖面，剖面橫向在L/4、L/2 及 3L/4 處各設置一點，監測基準點設置在已澆筑通道底板的固定位置設置，做好保護措施，防止破壞。采用全站儀、水準儀和激光反射儀等進行監測，在變形監測點處預埋反射片，并設變形監測報警值。通道支架縱向監測點布置如圖 9 所示。

圖9 通道支架縱向監測點布置示意圖（單位：m）

在澆筑混凝土前，監控量測人員先量測監測點的原始坐標及標高數據并做好記錄。在澆筑混凝土過程中監控量測人員應實施實時監測，隨時觀測支撐體系的變形情況，若發現滿堂架體系發生變形等異常時立刻停止混凝土澆筑施工，待查明原因并整改完善后方可繼續施工。

5 結論

1）本項目采用盤扣式滿堂架支撐體系，其具有搭設模式基本固定、對場地范圍要求低、支架頂部橫縱坡及豎曲線調節范圍廣等優點，更好地滿足了市政道路工程中安全、綠色、環保的建設理念。

2）下穿鐵路的現澆箱涵支架搭設施工風險較高，尤其是在施工場地受限、周圍環境復雜多變的情況下，需根據現場實際情況逐一出具施工對策，并同時綜合運用監測手段多方位布點以保障主體結構施工安全進行。

3）主體結構施工對支架搭設、鐵路路基的影響是動態過程，施工過程中由于監測不及時到位，容易發生重大安全事故，施工過程中必須做到隨時監測。Q