顶进多孔框构桥铁路线路架空加固方案设计

黄永辉

（中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院,河南 郑州 450000）

引言

目前我国铁路网络纵横交错,特别是中原地区,在公路、市政公路新建或改建过程中,不可避免的与铁路交叉,根据《铁路安全管理条例》要求,应优先选择下穿铁路方式通过铁路,为了不影响铁路正常运输,一般采用架空顶进法施工,多个框构桥或者大跨径多孔框构桥下穿铁路时,铁路线路架空加固方案尤为重要,本研究以工程实例论述多孔框构桥与铁路交叉时铁路线路架空加固方案的研究与拟定。

1 工程概况

该工程为S317 线郑州境新郑机场至新密段改建工程机场高速互通立交与京广铁路交叉工程,由于京广铁路距离机场高速较近,铁路处于S317 与机场高速之间的互通立交内,如何在不影响铁路运输安全的前提下,布置合理的方案是本项目的一个重难点。

综合考虑线路走向、铁路状况、地形、地物、地质和施工等条件,S317 线郑州境新郑机场至新密段改建工程机场互通R、L、M、P 匝道采用框架桥形式下穿京广铁路[1]；根据现场情况及各匝道与铁路交叉情况,铁路东侧不具备顶进施工条件,顶进工作坑需设置在铁路西侧,具体方案布置如下：

立交桥采用（14 m+18.7 m+10 m+（17.0+5.5+16.0））m 框构桥结构。框构桥中心线与京广铁路下行线交角90°,交叉点处铁路下行线里程：K703+531.150；框构桥斜交正做,框架桥顺铁路路基方向长度为97.45 m,垂直铁路长度为25.0 m,顶板顶距离铁路轨底最小距离1.20 m,线路中心线距离框架桥边缘的最小距离6.722 m。为适应道路平面布置,R、L和M、P 匝道框架之间的净距分别为20 cm,30 cm 和45.5 cm,框架顶进就位后采用C15 混凝土填缝。其中1～10 m框构桥为避免短路基段及两侧框构桥之间出现软硬不均而设置。拟建框构桥结构断面见图1、图2。

图1 框构桥平面布置图

图2 框构桥立面图

2 铁路现状

桥址处京广铁路为双线电气化铁路,由西向东依次为京广铁路上行线、京广铁路下行线,上、下行线间距10.3～12.1 m,钢筋混凝土轨枕,两线钢轨型号均为60 kg/m。穿越处铁路平面位于曲线段,曲线中心里程为K703+500 ,曲线长1 218.68 m,缓和曲线长140 m,曲线半径为1 900 m,超高11 cm。铁路纵坡向广州方向为下坡,最大纵坡为5.4‰,路基高度约为0.6 m。

铁路西侧为农田,地势较为平坦,铁路东侧有既有边沟,边沟为铁路取土坑,紧邻既有谢新线及机场高速出口立交。

3 线路架空方案

为保证铁路运营,项目实施时需对铁路线路进行架空加固,框构桥采用顶进法施工。本项目框构桥总宽度97.45 m,其中连体框构桥总宽度48 m,且铁路线路处于曲线段,D 型便梁加固法不适于本项目,考虑采用纵横梁加固法对铁路线路进行架空加固,架空系统布置图见图3。

图3 纵横梁架空加固平面示意图

本次线路架空加固采用一次架空,分次顶进,线路架空顺铁路方向按照43 m+40 m+48 m 布置,架空期间铁路限速45 km/h。

3.1 线路架空加固采用纵横梁加固法

普通横梁为I45 号工字钢,间距0.6 m,作为纵梁支点的横梁组由5 根I45 号的工字钢组成。普通横梁和横梁组从铁路轨底穿过,横梁与钢轨间必须可靠绝缘。纵梁采用I100 工字钢,分别置于上行线和下行线外侧不小于2.1 m的位置处。为限制纵梁横向位移,帽梁对应纵梁两侧预埋短钢轨,钢轨与纵梁腹板间隙采用硬木填塞。纵横梁在装卸、安装、使用期间必须满足限界要求。

3.2 线路架空系统支点桩设置

为确保线路架空加固安全稳定、使纵、横梁的强度、变形满足要求,在线路两侧对应纵梁与横梁组交点位置设置直径1.2 m（不含护壁）的C30 钢筋混凝土支点桩,支点桩的设置满足接触网的安全距离,设置在线路外侧不小于2.1 m的位置。为防止线路横移,在框架桥前进方向,距京广铁路下行线东侧对应支点桩位置设直径1.2 m的C30 钢筋混凝土抗横移桩。

框架桥顶进过程中,当顶板一端伸入横梁组时应在顶板顶搭设枕木垛作为横梁组支点。当支点桩影响框架桥继续顶进时,拆除支点桩,并在横梁组与框架桥之间设置可靠的滑动支座,框架桥内设置钢支撑。

支点桩桩顶需预埋1.7 m 短钢轨,埋深1.2 m,分别置于横梁组两侧,单个帽梁上共预埋4 根钢轨。

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本架空成桩工艺均为挖孔施工,其中支点桩桩径1.2 m,护壁15 cm,共有18 m 长支点桩56 根,10 m 长支点桩8 根,5 m长支点桩8 根;防护桩桩径均为1.2 m,护壁15 cm,桩长19 m,共25 根,抗横移桩桩径1.2 m,护壁15 cm,桩长18 m,共12 根。

4 架空体系计算分析

线路架空加固设计采用纵横梁架空,纵梁采用I100大工字钢,支点桩间横抬梁采用I45 号工字钢[3],支点处采用I45 号5 片一组作为横抬梁组,在线路外侧路肩上采用直径1.2 m（不含护壁）挖孔桩作为架空硬支点,中支点桩长为18 m、边支点桩长为10 m、5 m。横梁与其所抬的钢轨、纵梁与其所挑的横梁使用专用配件可靠联接、固定。整个架空装置在安装、使用期间满足限界要求。

设计荷载传力路径为：钢轨→横梁→纵梁→横抬梁→支撑。为精确了解该桥架空结构的受力性能,建立空间有限元模型,对整个架空上部结构进行整体分析。

4.1 结构模型

本次主体复核计算采用通用有限元分析软件MIDAS civil 2019,单元类型采用一般梁单元。对架空完成后顶进状态进行架空检算,运营状态的支点反力验算桩长。纵梁、横梁、横抬梁束、钢轨均按照实际尺寸或等代截面进行建模,在各杆件交叉位置分割单元,模型见图4。

图4 架空结构离散图

4.2 边界条件

各支撑桩、滑动支点位置均为一般竖向支承,只约束其竖向位移,各方向转动完全放开。组成横抬梁束的I45 号工字钢端部采用竖向约束。

4.3 荷载

荷载分为架空设备恒载及铁路机车活载两部分[4]。使用ZKH中活载沿线路纵向进行动态加载,并考虑动载冲击作用,支点桩以竖向支撑来模拟。

4.4 支反力结果计算输出

最大支反力为1 097 kN,支反力结果图见图5。

图5 支反力计算

4.5 纵梁强度及剪力计算结果如下

计算纵梁的强度、剪力均满足规范要求。

4.6 横抬梁强度及剪力计算结果如下

计算横抬梁的强度、剪力均满足规范要求。

4.7 挠度计算输出

图6 位移计算

最大挠度产生在横向两支撑桩间横抬梁跨中处,为6.15 mm,支撑桩间横向支撑间距为4.546 m,满足位移限值为L/400=4.546/400=11 mm,挠度计算满足要求[5]。

支点桩计算按常规摩擦桩计算考虑即可,不再本文细述。综上计算,此架空加固方案可以满足铁路安全运输及框构桥顶进施工的要求。

5 架空方案施工及注意事项

5.1 封锁要点和限速慢行

线路架空施工部分工序需在铁路封锁点内实施,主要有：线路应力放散、纵横梁安装及拆除、线路应力回放。

线路架空施工期间火车限速45 km/h,施工结束后第一列火车45 km/h,不少于12 h,60 km/h、80 km/h 各不少于24 h,后120 km/h,2 h 恢复正常。

5.2 主要工序

准备工作→完成铁路设备的迁改防护→施工支点桩和防护桩→对线路进行应力放散→对线路架空加固→顶进框构桥→拆除线路架空加固→对线路进行应力回放→线路恢复。

5.3 注意事项

（1） 桩孔挖掘及支撑护壁两个工序,必须连续作业,不宜中途停顿,以防坍孔。

（2） 开挖过程中,应经常检测井内有无毒害气体及缺氧现象,如超过标准,应增设通风设备。

（3） 井下通讯联络要畅通,施工时保证井口有人,井下的工作人员必须经常注意观察、检察井下是否存在塌方、涌水和流砂现象以及空气和水的污染情况,如发现异常情况应停止作业并通知有关部门及时处理。

（4） 上线施工必须严格遵守铁路规则制度,防护人员必须按要求设置信号牌、响墩等防护设施,与驻站联络员沟通畅通[2]。

（5） 注意施工机械等与既有支柱的距离,避免损伤既有接触网和设备。

（6） 施工期间应派专人对线路架空进行监护,每次列车通过后必须及时检查,做到发现问题及时解决,保证线路标高、各构件连接可靠。

（7） 框构桥施工完毕后,需对线路、铁路路基、四电设备及其他附属设施进行全面检查,符合安全条件后方可拆除架空设备,逐步恢复线路。

6 结论

多孔框构桥顶进施工的架空方案没有固定的模式,每个项目都需因地制宜,根据项目现场具体情况,制定安全可靠、便于施工的架空加固方案；本实例中铁路线路平面处于曲线段,框构桥总宽度较宽,且包含了三孔连续的框构桥,采用的纵横梁加固方案,较好的解决了多孔框构桥顶进施工中线路架空加固的难题,保障了铁路运输安全,取得了较好的效果。