框構橋頂進施工下既有鐵路加固方案分析

摘" 要：在復雜城市環境的情況下，框構橋的頂進施工能有效減少施工過程對城市交通的影響，但是也需要考慮施工對已有管線和橋路的影響。該文根據某工程實例，基于Midas Civil有限元軟件，在城市管線復雜下穿鐵路的情況下提出一種頂進施工前已有線路加固的方案，為復雜城市環境下頂進施工方案的設計提供參考。有限元計算結果表明走行軌為不同工況下最危險的構件，其最大彎曲應力和最大剪切應力分別為37.4 N/mm2lt;[σ]=140 N/mm2和43.6 N/mm2lt;[τ]=80 N/mm2，滿足相關規范要求。同時各桿件的撓度均未超過1 cm，故不會出現危險變形的情況。基于有限元的計算結果，可以判斷線路加固結構能夠保證施工的順利進行。

關鍵詞：頂進施工;線路加固;工程實例;有限元計算;安全評估

中圖分類號：U449.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0139-04

Abstract： In the complex urban environment， the jacking construction of frame bridge can effectively reduce the impact of the construction process on urban traffic， but also need to consider the impact of construction on existing pipelines and bridges. Based on a project example and Midas Civil finite element software， this paper puts forward a reinforcement scheme for existing lines before jacking construction in the case of complex urban pipelines running through railway， it provides reference for design of jacking construction scheme in complex urban environment. The results of finite element calculation show that the track is the most dangerous component under different working conditions， and its maximum bending stress and maximum shear stress are 37.4 N/mm2lt; [σ] = 140 N/mm2 and 43.6 N/mm2lt; [τ] = 80 N/mm2 respectively， which meet the requirements of relevant codes. At the same time， the deflection of each member is less than 1 cm， so there is no dangerous deformation. Based on the results of finite element analysis， it can be concluded that the reinforcement structure can guarantee the smooth construction.

Keywords： jacking construction; line reinforcement; engineering example; finite element calculation; safety evaluation

隨著城市的發展，城市道路和立交越來越密集，市政道橋建設環境復雜、施工困難、耦合因素多的特點日漸突出。頂進施工是一種緩解地表交通壓力的交通設施施工方式，主要利用地表以下的空間。頂進施工主要是地下作業，所以考慮施工過程中對已有建筑設施地基基礎承載力的影響和其他市政道路運營的影響是十分必要的。

崔梓祺等[1]以某輸水工程為研究對象，研究了頂進施工中減少摩擦阻力的方法，能有效提高弱風化巖層頂進施工的效率;談軍等[2]以某地道橋為工程背景，采用有限元分析方法，將既有高速公路沉降數值分析結果與監測結果進行對比，研究了頂進長度與路面沉降的關系;高晨輝[3]對框架涵點內橫越既有線側位頂進施工技術進行了研究，解決了既有線下穿鐵路框架涵接長對運輸影響大的問題;彭紅益等[4]對特淺覆土下穿高速公路框架橋頂進施工路面沉降進行了分析，基于Midas/GTS數值模擬框架橋頂進施工過程，分析了框架橋頂進施工過程中上方路面變形規律。已有研究[5-8]對頂進施工應對不同工況下的技術難題做了闡述并且提出了應對策略。

已有文獻對頂進施工的施工方案進行了研究，頂進施工在工藝和施工流程上的研究已經較為成熟，但是較少考慮頂進施工過程對周圍環境的影響，也沒有形成一套完整的、多維度考慮頂進施工安全性的設計方法。本文根據某工程實例，考慮頂進施工對周圍土體環境的影響，基于Midas Civil提出了一種頂進施工上方交通鐵路的加固方案，可以為復雜城市環境下頂進施工方案的設計提供參考。

1" 頂進施工概況

某工程位于哈爾濱市香坊區電碳路，電碳路為哈爾濱市城市主干道。基坑位于既有電碳路人行道邊坡上，經過邊坡土方撤除后，基坑開挖深度為3～7 m。新建框構橋下穿中心里程分別為濱綏線K11+425.058、濱綏線K11+462.942，均為1～15 m框構橋，與濱綏線交角為83°。新建框構橋頂板厚0.9 m，邊墻厚0.9 m，底板厚1 m，既有橋下凈空大于等于5.0 m。框構橋均設計為一節預制，每座框構橋長度設計為25 m，寬16.8 m，重2 887 t。

項目周邊存在既有框構橋和4條鐵路，既有電碳路兩側人行道下設有2道雨水排水管線，道路中間地下存在既有供暖管線2道、供水管線2道。道路邊坡上現有一道燃氣管線、移動和軍隊等光電纜數根。要確保施工過程的安全性及盡量減小對市政交通的影響，重點在于對已有線路的加固和安全性評估，而此工程項目有著環境復雜、荷載復雜、線路重要的特點，所以頂進施工過程中加固方案設計是項目的難點。

2" 線路加固方案設計

既有線路加固在框構橋頂進作業前完成，是保障行車安全的核心，是確保運營鐵路線行車、施工人員安全的前提。線路加固采用架設橫抬梁方式對線路進行加固，其施工工序如下：既有鐵路鋼軌應力放散→軌束梁扣軌施工→防護樁、支撐樁、抗移樁樁基礎施工→冠梁施工→安裝縱橫梁。

圖1為線路加固平面布置圖，其中各部分用料及尺寸如下：軌束梁采用50 kg/m鋼軌，以3-5-5-3形式布置，軌束梁施工時將橫抬梁線路加固范圍內既有混凝土枕木抽換為木枕，木枕間距0.6 m，抽換枕木612根。橫梁使用56B工字鋼，每個框構橋需橫梁加固防護寬度為47 m。縱梁使用雙拼56B工字鋼，每個框構橋縱梁5道，每道長52 m。連接用U型螺栓使用22圓鋼制成，兩端M22螺紋，配雙螺母。橫梁置于每根木枕下間距0.6 m，每根橫梁工字鋼橫穿東新下行線、濱綏線、孫新上行線和孫新下行線4條線路，橫梁保持水平安裝。

3" 加固方案檢算

3.1" 計算參數

1）材料參數。在施工過程中，軌束梁和橫抬梁主要受彎矩和剪力，故在檢算過程中主要對最不利作用截面進行彎曲強度的檢算和抗剪強度的檢算，軌束梁和橫抬梁各自的材料參數見表1。

2）荷載。結構自重由程序自動計算，考慮1.05的荷載擴大系數。采用ZKH（客貨共線鐵路）普通列車荷載，按靜力荷載施加于最不利位置，如圖2所示。列車通行加固線路時的最不利位置為ZKH列車荷載圖示中的集中荷載對稱布置于既有鐵路與新建框構橋中心線交點兩側。

3.2" 有限元模型建立

既有線路加固采用橫、縱工字鋼梁支撐既有線路走行軌及木枕，采用Midas Civil軟件進行整體建模計算，圖3為檢算模型示意圖。檢算模型包括P60走行軌、P50扣軌、橫截面為300 mm×220 mm的木枕、I56b橫梁和2×I56b縱梁。走行軌、扣軌梁、縱梁和下方的橫梁間均為豎向剛性連接，其余方向自由度釋放開;橫梁和冠梁、道砟間均為僅受壓的彈性支承，豎向剛度均為70 kN/mm;框構橋頂進范圍內的橫梁和框構頂間為僅受壓的彈性支撐，豎向剛度偏安全取70 kN/mm。

模型自上而下依次為東新下行線、濱綏線、孫新下行線和孫新上行線;單側新建框構橋線路加固總長度47 m，深入既有框構橋最小距離不小于5 m，兩框構橋加固型式及間距均相同，本文以小里程處框構橋加固為研究對象進行建模、檢算。

根據施工方案，本文按下述4個工況對既有線路加固結構的應力和變形進行檢算。①工況1。東新下行線荷載最不利位置加載。②工況2。濱綏線荷載最不利位置加載。③工況3。孫新下行線荷載最不利位置加載。④工況4。孫新上行線荷載最不利位置加載。最不利位置加載情況如圖2所示。

3.3" 有限元檢算結果

根據施工方案和檢算要求，線路加固需驗算4種工況，各個工況需驗算的構件為走行軌、扣軌梁、橫梁和縱梁，各個構件均需要驗算彎曲強度、剪切強度、撓度，提取所有的檢算結果，整理見表2。

由表2可知，走行軌、扣軌梁、橫梁和縱梁的彎曲應力與剪切應力的大小均在安全范圍之內，滿足相關規范要求。各桿件的撓度均未超過1 cm，未出現危險變形的情況。為研究不同工況對彎曲應力和剪切應力的影響，以應對施工過程中可能出現的突發情況，繪制了不同工況下彎曲應力和剪切應力的折線圖，如圖4所示。

圖4（a）為各工況下構件的彎曲應力折線圖，走行軌、扣軌梁、橫梁和縱梁的彎曲應力在各工況下變化幅度并不大，可以明顯看出走行軌是4種結構中應力最大的結構，但應力的大小均未超限;圖4（b）為不同工況下各構件的剪切應力折線圖，與彎曲應力相似，走行軌是4種結構中應力最大的結構，但不同的是，隨著工況的變化剪應力逐漸變大，應力的大小均未超限，綜合圖4的結果，可以判斷線路加固結構能夠保證施工的順利進行。

4" 結束語

在復雜的城市環境下，頂進施工勢必伴隨著對周圍環境的影響，合理地進行加固方案設計是確保施工安全性的必要前提。本文基于Midas Civil有限元軟件，提出了框構橋頂進施工下既有鐵路的加固方法，希望能為相關的加固方案設計提供參考。

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作者簡介：王振宇（1988-），男，工程師。研究方向為橋梁工程施工技術。