高低箱框架橋頂進工程的研究

劉建齊

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

隨著城市交通的需求增大，現在越來越多的道路需下穿通過既有運營鐵路，從而多股道大高差既有鐵路的下穿頂進工程隨之而來。在框架橋頂進施工中如何保證鐵路運營安全是需要解決的重點問題。

文章結合“邯鄲市國道G106 館陶繞城改建段下穿邯濟鐵路立交橋工程”，分析了高低箱頂進框架橋下穿不等高線路的方案，詳細考慮了不等高線路加固措施以及高低箱頂進體系的方案。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

邯鄲市國道G106 館陶繞城改建段下穿邯濟鐵路立交橋工程位于河北省邯鄲市東南部。新建公路設計路線與邯濟鐵路下行線交叉處鐵路里程:K78+310.023，交角為75.8°。

新建公路下穿既有鐵路采用頂進框架橋形式，框架橋孔徑為2～16.0 m 兩孔連體式結構，頂板和中墻厚度為1.0 m，邊墻和底板厚度為1.2 m，框架順公路方向為31.765 m，順鐵路方向為36.441 m。高低兩座框架橋高差為2.03 m，在鐵路北側設置頂進工作坑，框架橋由北向南頂進施工，頂進行程53.812 m。

1.2 工程重難點分析

本工程高低兩座框架橋均設置在鐵路北側進行頂進施工。且穿越位置邯濟鐵路上行線和下行線高差較大，相對高差為2.03 m，因此框架采用高低箱設計，施工風險極大，設計方案重難點如下：

（1）邯濟鐵路為邯鄲至濟南的一條重要客貨兩用國鐵一級電氣化鐵路，線路運營繁忙，承擔運營任務眾多，設計方案務必保證線路的穩定及列車運營安全。

（2）穿越位置既有邯濟鐵路為位于大名站～館陶站之間的區間線路上，既有路基填方高，約為4.9 m，設計方案需保證頂進過程中路基的穩定與安全。

（3）橋址處邯濟鐵路上行線和下行線高差為2.03 m，上下行鐵路線路加固體需分區設置，為保證線路的穩定安全，設計方案需保證上下行鐵路加固體系的完整與牢固。

（4）高低兩座框架橋均設置在鐵路北側進行頂進施工，中間采用中繼間連接，框架橋本體較大，頂進過程中施工精度務必需滿足相關行業要求。

（5）高低兩座框架橋均設置在鐵路北側進行頂進施工，中間采用中繼間連接，框架橋頂進就位后在橋間進行防水處理，以保證日后運營安全及便于養護。

（6）橋址處邯濟鐵路上行線和下行線高差為2.03 m，低箱框架橋頂在頂進過程是需設置臨時加固加高結構與高箱框架保持等高，頂進過程中隨頂隨拆，拆除以及運輸方案務必需保證鐵路運營及線上相關設備的使用安全。

2 不等高鐵路線路加固體系

線路加固系統：3-5-3 扣吊軌梁和橫抬縱挑法布置的工字鋼縱橫梁以及路基防護樁、支撐樁、抗橫移樁及頂梁組成線路加固系統（滿足列車慢行45 Km/h 的要求）。鐵路兩側路基防護樁、支撐樁、抗橫移樁均采用鉆孔樁施工，線間路基防護樁及支撐樁采用人工挖孔樁施工。樁間空隙及防護樁和框架間均采用C20 混凝土封堵，防止流塌。線路加固時安裝與拆除吊軌梁需在封鎖點內施工，框架橋頂進期間必須滿足列車慢行45 km/h 的要求，施工結束后，第一列限速45 km/h 不少于12 h，后限速60 km/h、80 km/h 各不少于24 h、后120 km/h 2h 后恢復常速。

線路防橫移措施：框架頂板預制時在尾部每隔3 m 設置拉環，采用倒鏈與線路加固系統聯系在一起，隨頂進隨拉緊倒鏈，橋外部分設地錨拉緊線路；路基對側設抗橫移樁。

3 線路加固抗橫移措施

橋址處邯濟鐵路上行線和下行線高差為2.03 m，上下行鐵路線路加固體需分區設置，工字鋼橫梁也存在高差。因此上下行鐵路線路加固工字鋼橫梁通過焊接鋼柱連接固定，連接立柱采用工40 b 工字鋼，每道立柱設一處斜撐，斜撐采用∠100x10 角鋼，立柱與加固橫梁采用焊接法連接。

3.1 荷載檢算

橫梁采用I40b 工字鋼，橫梁間距以0.6 m、1.2 m循環穿插于既有軌枕間，橫梁平均間距0.9 m。橫梁的一端支撐在框架頂板頂上，另一端支撐在挖孔樁上。在路基兩側橫梁下設枕木垛支撐，采用^22 U 型螺栓將橫梁與吊枕聯接牢固。

（1）連接構造自重：鋼材容重78.5 kN/m3，考慮1.1 倍的構造放大系數。

（2）頂進摩阻力：框架頂進范圍摩阻力合計763.3 kN，總共42 根橫梁，隔兩根布置一處，即由22 根橫梁分攤水平摩阻力，每根受力34.7 kN。計算考慮1.3 倍的安全儲備系數，即45.1 kN/根。

3.2 計算軟件及模型

（1）橫梁連接構造檢算采用空間模型，檢算軟件為Midas civil。

（2）計算模型：

圖1 橫梁連接構造模型

3.3 橫梁連接構造桿件檢算

（1）立柱桿件采用I40b 工字鋼。

立柱最大應力為23.5 Mpa＜140 Mpa，滿足要求。

（2）斜撐桿件采用∠100x10 角鋼。

斜撐角鋼最大應力為-38.2 Mpa＜140 Mpa，滿足要求。

3.4 連接角鋼焊縫強度檢算

（1）橫梁連接構造立柱根部所受最大剪力N=41.3 kN。

本設計采用的工字鋼材料為Q235，各桿件間進行焊接時，焊縫高度為8 mm。，滿足要求。

（2）橫梁連接構造斜撐根部所受最大軸力N=60.6 kN，水平方向分力P=Nxsin45°=42.9 kN。

本設計采用的角鋼材料為Q235，各桿件間進行焊接時，焊縫高度為8 mm。，滿足要求。

綜合現場建設條件和設計方案檢算，最終采用工字鋼和角撐配合，通過焊接方式連接邯濟鐵路上下行鐵路線路加固體系的橫梁。通過本線路加固體系可有效解決線路加固體系在頂進施工作業過程中的線路橫移問題，保證了線路的穩定及列車運營安全。

4 低箱框架橋頂臨時加固系統

橋址處邯濟鐵路上行線和下行線高差為2.03 m，框架橋采用高低箱頂進施工方案，為滿足頂進工藝和線路加固方案要求，頂進作業前須在低箱框架橋頂設置與高箱框架橋等高的臨時加高加固體系。

低箱框架橋頂臨時加高加固體系采用現澆臨時鋼筋混凝土加固系統，加固系統板厚40 cm，內部設置空心混凝土砌塊+木屑支撐，間距4.0 m。空心混凝土砌塊尺寸為34 cm 長×25.8 cm 寬×25 cm 高，壁厚5 cm。

頂板上下緣及側墻均采用直徑12 mm 鋼筋，間距10 cm。

4.1 計算荷載

自重：為框架自重，按結構實際截面尺寸計入，系數為1.04。

橫梁：橫梁為I40 b，按全長均勻分布于框架上，荷載為1.31 kN/m2。

縱梁：縱梁為I45 b，荷載為1.01 kN/m2。

扣軌：扣軌為3-5-3 型50 軌，荷載分別為2.39 N/m2、3.83N/m2。

鐵軌：鋼軌為60 軌，荷載為1.25 kN/m2。

軌枕：軌枕340 kg/個，荷載為3.79 kN/m2。

活載：采用ZKH 荷載；

汽 車 沖 擊 系 數：1+μ=1+a×(6/(30+L))，a=0.32×(3-0.5)2=2，按0.35 考慮。

4.2 有限元模型及結果檢算

（1）采用Midas civil 進行有限元模擬，模型如下：

圖2 加固體系計算模型

（2）頂板計算結果：

鐵路鋼筋混凝土偏壓構件。（單位 kN m MPa）

寬度b=1.000 m，高度h=0.400 m。

受拉區鋼筋到邊緣距離=0.045 m；受壓區鋼筋到邊緣距離=0.045 m。

受拉區鋼筋面積=0.001131 m2；受壓區鋼筋=0.001131 m2。

彈模比n 值=10.0；彎矩M=61.5 MPa；軸力N=11.8 kN。

偏心增大系數yita=1.00378。

大偏心。

受壓區高度x=0.077 m。

混凝土應力sigc=4.493357 kN。

近力作用點鋼筋應力sigs1=18.743439 kN。

遠力作用點鋼筋應力sigs2=-161.677462 kN。裂縫寬度(mm)=0.204 mm。

（3）邊墻計算結果：

鐵路鋼筋混凝土偏壓構件。（單位 kN m MPa）寬度b=1.000 m；高度h=1.000 m。

受拉區鋼筋到邊緣距離=0.045 m；受壓區鋼筋到邊緣距離=0.045 m。

受拉區鋼筋面積=0.001131 m2；受壓區鋼筋=0.001131 m2。

彈模比n 值=10.0；彎矩M=68.1 MPa；軸力N=153.1 kN。

偏心增大系數yita=1.00167。

大偏心。

受壓區高度x=0.391 m。

混凝土應力sigc=0.809995 kN。

近力作用點鋼筋應力sigs1=7.166980 kN。

遠力作用點鋼筋應力sigs2=-11.699767 kN。

裂縫寬度(mm)=0.015 mm。

根據Midas civil 計算結果可知，頂板上下緣及側墻均采用直徑12 mm 鋼筋，間距10 cm 配筋滿足規范要求。通過本加固體系可滿足高低箱頂進方案的有效實施，并且保證了線路的穩定及列車運營安全。

5 結語

通過研究多股道大高差既有鐵路的下穿頂進框架橋工程，對不等高線路加固措施以及高低箱頂進臨時加固體系方案得出如下結論：

存在高差的多股道鐵路線路加固工字鋼橫梁通過焊接鋼柱連接固定，每道立柱設一處斜撐，立柱與加固橫梁采用焊接法連接。通過本體系可有效解決線路加固體系在頂進施工作業過程中的橫移問題，保證了線路的穩定及列車運營安全。

頂進作業前在低箱框架橋頂設置與高箱框架橋等高的臨時加高加固體系，并配合不等高鐵路線路加固體系，頂進作業中臨時加固系統位于線間采用繩鋸切割，并用卷揚機沿加固系統內部空間向頂進方向后端拉出施工作業面，可保證高低箱頂進方案的有效實施。

采用高低箱技術穿越不等高線路，有效解決了線路復雜條件下鐵路加固體系的穩定和安全問題，確保了線路的穩定及列車運營安全。施工過程中以及竣工后線路的沉降、位移均控制在規范允許的范圍內，鐵路安全得到了有效保障。表明多股道大高差既有鐵路的下穿頂進框架橋工程可以有效實施。