墨玉連接線下穿鐵路頂進式框架橋設計

馬 超

中鐵第五勘察設計院集團有限公司 新疆 烏魯木齊 830000

由于結構簡單，施工方便，框架橋在實際中得到了廣泛的應用。為了不中斷鐵路運營，采用限速行車，直接頂進的橋涵稱頂進式框架橋。采用頂進式具體的操作方式是，在確保鐵路的安全運營的基礎上，在鐵路路基的側面，將鋼筋混凝土箱形框架結構進行裝配，使用高壓油泵來驅動油壓千斤頂，并借助事先修復好的后背支撐，將該框架結構推到了已有線路路基中，從而形成了一座頂進式立交橋。隨著我國經濟的快速發展，鐵路的建設也得到了空前的發展。在工程實踐中，采用了更先進、更科學的設計思想，促進了我國鐵路建設的快速發展。下穿鐵路頂進式框架橋的設計對項目的施工極為重要。頂進法施工是一種非明挖技術方法，是在不影響地面正常交通通行的情況下，橫向下穿立交構筑物的施工方法。頂進法施工的優點就在于保證鐵路安全運行的前提下完成整個施工過程。本文以墨玉連接線K1914+050新建2-16.0框架橋為例淺談下穿鐵路框架橋的設計。

1 工程概況

本項目位于新疆維吾爾自治區和田地區墨玉縣境內，為國道315線墨玉連接線南延聯通道路基礎設施建設項目穿越南疆鐵路而設。前期經與當地相關部門溝通對接，本項目推薦采用頂進框架橋下穿的方式穿越鐵路。

擬建道路于南疆鐵路K1914+050處下穿鐵路，穿越處路線與鐵路交角為90°，本次設計框架橋按正交設置。擬建道路路基標準橫斷面寬度18m，按雙向四車道設計。考慮到遠期規劃及預留，經與當地相關部門溝通，本次下穿鐵路框架橋按2-16.0m設計，頂進施工，施工時對既有鐵路采用組合工便梁法進行防護。

南疆鐵路喀什至和田段為單線鐵路（預留雙線條件），無縫線路，P60鋼軌，新Ⅲ型混凝土枕，內燃牽引（預留電氣化）。穿越處線路位于R=3000m的曲線上，縱坡-1‰，線路兩側均設置防護柵欄，路基高度5m左右，無路基防護。在南疆線K1914+582處，設置有一座24-32.0m特大橋，本項目距既有橋橋臺80m，施工時對既有結構無影響。

在南疆線K1914+050處，面向大里程左側防護柵欄內直埋敷設有兩根信號電纜有，電纜型號為SPTYWPL 12A芯兩根，貫通地線一根，本次設計對既有信號電纜進行移設防護處理。

在南疆線K1914+050處，鐵路通信光、電纜在既有鐵路線左側（面向大里程）防護柵欄內線路路肩上直埋敷設，通信光、電纜為：一條20芯光纜和一條7*4對稱電纜同溝敷設（敷設于距防護柵欄約11m的鐵路路肩上）。本次設計對既有通信光、電纜進行防護設計。

2 工程地質及水文地質情況

2.1 地形地貌

該項目橋址位于和田地區墨玉縣，為國道315線墨玉連接線聯通道路基礎設施建設項目下穿南疆鐵路。

2.2 地質特征

在本次勘察的深度范圍內，地基土共分為兩個工程地質單元層，現自上而下分層描述如下：

（1）素填土（Qme）：雜色，松散，稍濕，主要由粉土組成，局部含少量生活垃圾和建筑垃圾。該地層層底深度1.5m，層厚1.5m，平均層厚1.5m。

（2）卵石（Q2al+pl）：灰褐色，稍濕～飽和，稍密～密實，一般粒徑為20.0～40.0mm，最大可見粒徑80mm，磨圓度較好，以圓狀、亞圓狀為主。成份以硬質巖為主，充填物為中粗砂，骨架顆粒交錯排列，大部分接觸。顆粒級配良好，分選性差。地下水位隨喀拉喀什河季節性變化而變化。該地層層底深度33.5～35m，層厚33～35m，平均厚度34m，承載力基本容許值300kPa。

框架橋基礎位于該層，承載力能夠滿足要求。

2.3 地下水位及埋深

擬建橋位處的地下水類型含水層的埋藏條件及地下水的水力特征，主要為層間孔隙水。豐水期地下水埋深1.5m；枯水期地下水埋深7.0m。

2.4 抗震設防烈度

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18036-2015）的劃分，工程建設場地設計基本地震加速度值為0.15g，抗震設防烈度為Ⅶ度。

2.5 凍結深度

標準凍結深度0.7m。

對于冰點試驗的重復性好壞我們采用GB/T 2430-2008《航空燃料冰點測定法》的重復性標準進行判定[8]，從表9看出，長嶺噴氣燃料的4次冰點試驗結果的均值為-53.8℃，極差為0.6℃；根據GB/T 2430-2008的重復性要求，對同一試樣的兩次試驗結果之差不應大于1.5℃，所以冰點的重復性同樣滿足要求。

2.6 不良地質與特殊巖土

根據工程地質調查和勘探揭露情況，擬建橋址區內未發現不良地質作用。

3 設計中的技術難點的思考

3.1 合理的孔跨布置，滿足結構安全要求

框架橋設計應該考慮合理的孔跨比。孔跨比過大或過小既會對結構的安全性產生隱患，又容易造成材料浪費[1]。

3.2 工作坑的防護設計

工作坑是一個臨時的支承構件，它能為頂進式框架橋提供最大的頂升壓力。工作坑位于軌道基床一側，采取1:1的斜率，噴漿進行補強，并對其背面回填土進行嚴密的壓實。在框架橋式滑道上，必須在其上表面涂上一層絕緣油，以提高其防滑性能。同時，在頂升時，為防止工作坑滑塊在框架橋上產生的強大頂載力作用下發生無序運動，需要在工作坑滑塊底部布置一根錨桿，并在工作坑滑塊的兩頭布置一根導軌，導軌與框架橋側面相隔5-10cm布置。采用該方法可以對懸索橋的施工進行合理設計，使懸索橋施工過程中的施工走向得到了有效的控制。

3.3 鐵路的防護措施設計，保證鐵路在施工過程中的安全

施工期間采用組合工便梁對既有線路進行防護，縱梁采用I115型工便梁，梁高1150mm，翼緣寬380mm，節長為8、10、12m不等，根據加固長度需要組合，采取等強聯結，本設計采用8根10m縱梁拼接成型計列連接部位相關工程數量；橫抬梁組采用H70梁2根，每根長12m，采用等強拼接，橫抬梁與縱梁采用Φ22U型螺栓聯結。

4 墨玉連接線下穿鐵路頂進式框架橋設計

4.1 主體結構

綜合考慮橋址處地形、地物、地質、道路設計情況、既有鐵路狀況以及方案設計評審意見等情況，本次設計采用如下形式。

下穿立交采用2-16m框架結構，于南疆鐵路K1914+050處穿越。框架橋中心線與南疆鐵路下行線交角90°，軌底至頂板頂高度不小于1.2m。

框架橋單孔凈寬16m，結構凈高5.5m，頂板厚1.0m，底板厚1.15m，邊墻厚1.3m，頂板倒角0.9*1.6m，底板倒角0.2*0.2m；框架橋順鐵路方向長度為35.5m，垂直鐵路方向長度為16.0m。出入口設置擋土墻。頂進到位后橋下最小凈空為4.8m。框架橋施工完畢后在出入口設置限高架，高度4.5m。

設計為線路架空頂進施工，結合地勢及交通條件，將工作坑設置在線路左側（面向鐵路大里程方向）。頂進方向：由左向右。

4.2 結構計算

本項目擬在前期研究的基礎上，利用我國北方交通大學自主研發的鐵路和公路框架橋梁（框架橋梁）結構有限元模型，利用 MIDAS模型對其進行校核。

4.3 框架橋附屬結構及輔助工程

（1）框架橋頂出入口處設欄桿，欄桿內側設擋碴網和電纜槽。電纜槽為三室，分別盛裝通信、信號光、電纜及電力電纜并考慮預留，每個電纜槽凈空為30cm*30cm。電纜槽盛裝電纜后應填滿防火、防鼠材料。（2）為防止框架橋頂積水浸泡鐵路路基，在橋頂用C30細石混凝土做好流水坡，將水集中后用PVC管道引入橋下排水系統，并在橋頂兩端設小擋水墻（與主體一起澆筑）。（3）橋下道路設置縱坡，縱坡最低點位于鐵路保護區外側。（4）框架橋頂進到位后，沿道路方向設置重力式混凝土擋墻。（5）施工前需將受影響鐵路柵欄進行拆除，施工完畢后將柵欄恢復。臨時圍欄需與既有柵欄相接，并不得侵入鐵路限界。（6）在框架橋梁頂部設置了一層含氯的聚乙烯醇防水帶，在框架橋梁頂部的防水層上設置了6cm厚度的C40細砂-聚乙烯醇纖維砼防護層。框架橋邊墻外壁均涂抹聚氨酯防水涂料。

4.4 線路加固

線路加固采用目前最常用的方式：對框架橋須下穿的鐵路采用組合工便梁法加固。框架橋整體預制，一次頂進，隨挖隨頂。線路架空加固為：一次架空，一次頂進。在框架橋的前部，確保了軌道補強系統具有足夠的強度、剛度及穩定性。在框架橋的頂板上，用 TQF—1型防水涂料和C40鋼纖維砼防護涂料覆蓋；在墻體兩側的外面，分別涂上兩層聚亞安酯防水漆。框架橋的頂板就位后，在頂板的兩側置擋水坡，并頂板的防水層保護層上設置斜坡，使水流匯集后再導入橋面。

在此基礎上，利用 FEM進行了框架橋的內力計算，并對其進行了校核；刃角度的確定，是根據頂進時所能承受的列車暫時性載荷來確定的；頂力既要考慮刃的前部阻力，也要考慮不同的摩擦。

框架橋主體部位使用C40混凝土，其抗滲性不低于P8，其骨料的選用和堿度必須滿足《鐵路混凝土工程預防堿–骨料技術反應條件》（TB/T 3054）的要求；工作坑的滑動板、錨桿和導墩均為C30混凝土；后梁為C30混凝土；進、出口的護壁為C30混凝土；

帽石采用C30混凝土；防水層保護層采用C40鋼纖維混凝土；護坡樁、抗橫移樁、后背樁、支撐樁及頂梁采用C30混凝土。

一般鋼筋建議選用HPB300及HRB400型鋼筋，該鋼筋的技術參數必須滿足GB1499.1 《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》及GB1499.2 《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》的要求。

框架橋的橋面和兩側路基，在頂板施工之前，應先對其進行灌漿，以避免在頂板施工時出現塌方；在框架橋施工過程中，在邊墻兩側設置管道，施工完畢后，對框架橋兩側的路基、橋梁過渡段進行灌漿加固，并用級配砂石回填，對邊坡進行灌漿加固，以確保施工過程中路基的緊實度和穩定。并采用雷達物探檢測。為保證頂進方向的準確，在框架橋兩側滑板上設置導向墩，工作坑鐵路路基側，采用1:1放坡，噴射混凝土加固，后背填土應嚴格夯實[2]。

橋下主路道路路面采用12cm瀝青混凝土+1cm乳化瀝青透層和SBS改性瀝青防水層+36cm水泥穩定碎石+20cm石灰粉煤灰綜合穩定土。

（1）本設計適應列車慢行45km/h的要求。架空加固長度為80m；挖支點樁前應對無縫線路進行應力放散，線路架空后應對線路進行應力回放。（2）施工期間采用組合工便梁對既有線路進行防護，縱梁采用I115型工便梁，梁高1150mm，翼緣寬380mm，節長為8、10、12m不等，根據加固長度需要組合，采取等強聯結，本設計采用8根10m縱梁拼接成型計列連接部位相關工程數量；橫抬梁組采用H70梁2根，每根長12m，采用等強拼接，橫抬梁與縱梁采用Φ22U型螺栓聯結。（3）為確保線路架空加固安全穩定、使縱橫梁的強度、變形滿足要求，在鐵路線路兩側對應縱橫梁交叉位置處設置直徑1.5m（不含護壁）的C30鋼筋混凝土支點樁。（4）在框架頂進方向，南疆鐵路下行線中心6.87m處對應支點樁的位置上設置鋼筋混凝土抗橫移樁，樁頂設抗橫移托梁。托梁及支撐樁在框架橋頂進到位后拆除。（5）支承樁的樁頂標高可視具體條件而定，在支承樁的頂部設置蓋梁，蓋梁的高度略低于基床表面標高。枕木在帽梁頂部和橫梁之間必須鋪上足夠厚的墊層。（6）頂進橋梁時，隨頂進逐漸清除橋頂以上全部填土及道砟，使線路完全架空。當橫抬梁進入框架上后，在橫抬梁下設置萬向滑車。頂進時按頂鎬行程，每次頂進不大于0.5m，在箱身前進后頂鎬活塞回復原位，在空檔處加入頂鐵，以待下次開鎬，如此循環往復，直到箱身就位。在頂進到挖孔樁時，要把箱體上方的支點墊緊，確保電線全部在平穩可靠后才能拆卸挖孔樁，但拆卸之前要把支點上的墊木拆下來。挖孔樁的下部拆除至比箱形橋底板底面低0.5m，然后采用碎石土填料進行回填夯實。（7）在施工過程中，要安排專門的人員對線路的跨越情況進行監控，并在車輛通過后，對出現的問題進行快速處理，確保線路的標高和各個部件的連接是安全的。（8）線路加固系統共計使用各種挖孔樁43根，其中直徑1.5m（不含護壁）長12m的縱梁支點樁10根；直徑1.5m（不含護壁）長8.0m的縱梁支點樁4根；直徑1.5m（不含護壁）長12m的縱梁抗側移樁5根；直徑1.2m（不含護壁）長12m的防護樁24根[3]。

5 結論

框架橋由于自身的優勢，在實際應用中得到廣泛的使用。頂進式框架橋在設計中應注意以下幾點：1）下穿框架橋結構的設計需要正確設置頂底板的尺寸，并使孔跨比在合理的設計范圍之內，保障橋體結構的安全經濟。2）框架橋頂板頂距軌底距離在滿足線路加固要求的基礎上可以降低橋頂道砟厚度，并且可以抬高道路縱斷，減小挖深，縮短下挖段引道長度，同時減少線路加固的難度。3）框架橋的橋面和兩邊的路基，在頂板施工之前，應先對其進行灌漿，以避免在頂板施工中出現垮塌現象；框架橋在頂板施工過程中，在邊壁兩邊設置管道，在頂板到位后，對框架橋兩邊的路橋轉換處進行灌漿處理，對兩邊坍塌處進行級配砂壓實處理，并對邊壁進行補強處理，以確保頂板施工后的地基壓實及穩定，同時利用雷達物探技術對其進行探測。4）工作坑背板的設計應達到構筑物頂入最大頂入壓力，避免在構筑物頂入時出現開裂或傾覆現象，造成工程進度延遲。