徐大平

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300222）

穿越高路基鐵路框構(gòu)涵便橋施工技術(shù)

徐大平

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300222）

我國(guó)城鄉(xiāng)基礎(chǔ)建設(shè)中，受規(guī)劃建設(shè)、路線走向等影響，管道涵洞鋪設(shè)不可避免地受到既有線路制約。目前我國(guó)穿越鐵路的框構(gòu)涵施工，通常采用工字鋼縱橫抬梁或D梁加固線路頂進(jìn)法、便線法、橋式盾構(gòu)法。針對(duì)穿越高路基鐵路大跨度框構(gòu)涵施工，為提高效率，降低造價(jià)、縮短工期，確保鐵路行車(chē)安全，滿足確保構(gòu)筑物的質(zhì)量和性能要求，需要采用更加合理優(yōu)化的施工方法。本施工技術(shù)通過(guò)遼寧省某供水工程供水管線穿越遼開(kāi)線鐵路防護(hù)涵施工，確定了高路基鐵路框構(gòu)涵便橋施工工藝，使用計(jì)算結(jié)果可靠的商業(yè)軟件，采用有限元數(shù)值建模，分析施工過(guò)程中各種工況，進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)施工，在實(shí)際施工中便橋法方案取得了很好的效果。

鐵路框構(gòu)涵便橋 高路基 施工技術(shù)

1 工程概況

遼寧省某供水工程穿越遼開(kāi)線鐵路工程為2～9.4 m防護(hù)涵，既有鐵路為單線，曲線地段，曲線半徑為395 m，線路為5.5 ‰下坡，路基高度約為7.5 m，防護(hù)涵頂覆土厚度9.5 m，框構(gòu)與線路交角為79.73°。該橋于2014年8月15日開(kāi)工，2014年11月竣工。臨時(shí)支撐體系采用鉆孔樁加冠梁組合方案，線路加固采用3-5-3吊軌梁加55c工字鋼橫抬梁方案，橫抬梁間距50 cm。框構(gòu)橋施工完成后鐵路路基采用A類(lèi)土回填，由于沉降非短期效果，線路恢復(fù)后的一段時(shí)間內(nèi)，加強(qiáng)該處的振搗作業(yè)及監(jiān)控等，觀察該處線路的沉降變化情況，以確保列車(chē)的運(yùn)行安全。

與以往頂進(jìn)框構(gòu)涵施工工藝相比，本技術(shù)研究對(duì)施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，具有以下特點(diǎn)：對(duì)框構(gòu)涵便橋施工進(jìn)行了理論模型計(jì)算，分析了各種施工工況下的結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力水平，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了高路基鐵路框構(gòu)涵便橋的最不利工況情況；框構(gòu)涵施工可不中斷鐵路運(yùn)營(yíng)，在列車(chē)慢行條件下，利用列車(chē)間隙連續(xù)進(jìn)行。該施工工藝減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾時(shí)間，基本不影響線路正常運(yùn)營(yíng)，相對(duì)安全，且縮短工期。 采用此方法，勞動(dòng)力優(yōu)化、機(jī)械設(shè)備組織、施工效率明顯提高，節(jié)約了時(shí)間成本、降低了造價(jià)成本。

2 工藝原理

高路基鐵路框構(gòu)涵便橋施工的核心內(nèi)容在于保證列車(chē)行駛過(guò)程中，鐵路線路滿足線形要求，同時(shí)便橋的各個(gè)構(gòu)件應(yīng)力及位移水平處于彈性范圍，不得進(jìn)入塑性狀態(tài)，構(gòu)件之間可靠連接，與理論分析時(shí)候的假設(shè)前提相符合，并采用有限元分析程序全程施工仿真分析進(jìn)行控制，工藝原理主要如下：

（1）在線路兩側(cè)施工鉆孔樁作為臨時(shí)橋墩，樁底支撐在可靠基礎(chǔ)上，樁頂采用冠梁連接，形成臨時(shí)橋梁（見(jiàn)圖1）。

圖1 臨時(shí)橋梁示意圖

（2）線路采用3-5-3吊軌梁與55C工字鋼橫抬梁方案，橫抬梁支點(diǎn)放在冠梁頂面，用U型鋼扣件錨住，防止橫抬梁竄動(dòng)引起線路變形。

（3）垂直線路的臨時(shí)橋墩之間采用55C工字鋼連接，增大整臨時(shí)橋梁體系的整體穩(wěn)定性。

（4）利用建模后有限元分析的結(jié)果分別研究各種施工工況線路和構(gòu)件在水平、垂直三維空間影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及滿足線路位移控制。

3 施工要點(diǎn)

3.1 電纜排遷

施工前將涉及到的鐵路通信、信號(hào)、電力等部門(mén)的設(shè)備進(jìn)行排遷，先與涉及到的鐵路部門(mén)簽訂施工安全協(xié)議，在下發(fā)施工許可證后開(kāi)始施工。施工時(shí)與鐵路局各設(shè)備產(chǎn)權(quán)單位協(xié)商配合施工，共同確認(rèn)地下管線、電纜埋設(shè)情況，明確電纜路徑和電纜存在的準(zhǔn)確區(qū)域，并采用人工挖探溝，確認(rèn)電纜具體位置后，進(jìn)行排遷。

3.2 鉆孔樁筑島

施工前在鐵路兩側(cè)填筑施工平臺(tái)，為確保施工機(jī)械（鉆機(jī)、吊車(chē)、挖掘機(jī)、混凝土罐車(chē)）在施工平臺(tái)上安全作業(yè)，地基不產(chǎn)生不均勻沉降，填料采用碎石土，30 cm一層分層填筑，分層碾壓夯實(shí)，平臺(tái)頂部50 cm填筑拆房土作為施工機(jī)械應(yīng)急路面。鉆孔樁樁位專(zhuān)門(mén)回填粘土，保證鉆進(jìn)過(guò)程不塌孔。填筑平臺(tái)剖面如圖2。

圖2 鉆孔樁填筑平臺(tái)剖面（單位m）

3.3 鉆孔樁及冠梁施工

（1）鉆孔樁施工。沿鐵路方向在線路兩側(cè)5.2 m處按扇形布置（見(jiàn)圖3），施工鉆孔樁，鉆孔樁樁徑1.5 m，樁長(zhǎng)28 m，鉆孔樁橫向間距10.4 m，縱向間距6 m，為確保鐵路線安全，采用設(shè)備高度小、施工振動(dòng)小的反循環(huán)鉆機(jī)施工。

圖3 鉆孔樁布置圖

（2）冠梁施工。冠梁寬1.7 m、高1.2 m，鋼筋綁扎完成后立模板，模板采用竹膠板，模板加固用拉絲套塑料管對(duì)拉，混凝土保護(hù)層用混凝土墊塊保證，澆筑混凝土前預(yù)埋固定橫向工字鋼用?20U型螺栓。

3.4 線路加固

線路加固采用3-5-3吊軌梁加55C工字鋼橫抬梁方案，橫抬梁間距50 cm，將加固范圍內(nèi)線路全部更換為250*16*20 cm新Ⅰ類(lèi)油枕，橫抬梁支點(diǎn)放在冠梁頂面，用U型螺栓錨?。ㄒ?jiàn)圖4），防止橫梁竄動(dòng)引起線路變形。

線路穿工字鋼施工期間，列車(chē)慢行40 km/h通過(guò)施工地段。施工方法步驟如下：

（1）線路加固范圍內(nèi)更換60 kg鋼軌。

（2）砼軌枕更換木枕及方正軌枕。利用線路封鎖時(shí)間更換線路既有的混凝土枕為木枕，木枕間距為500 mm，同時(shí)預(yù)埋好U型螺栓，換完枕木要對(duì)線路進(jìn)行沉落整修，保證行車(chē)安全。

（3）按3-5-3型式安裝吊軌梁。要將吊軌梁所用的鋼軌提前選好，對(duì)鋼軌整修、量好鋼軌尺寸，編排好扣軌順序（扣軌接頭要相錯(cuò)1 m以上）利用封鎖時(shí)間進(jìn)行扣軌。每個(gè)加固地段的組拼順序?yàn)橄葍蓚?cè)的3根組后中心的5根組（見(jiàn)圖5）。上緊非橫抬梁位置處的扣板，施工過(guò)程中注意防止連電。

圖4 橫抬梁支點(diǎn)詳圖（單位：cm）

圖5 3-5-3式扣軌圖

（4）穿入橫抬梁。人工在軌枕下挖槽，深度0.6 m，挖掘機(jī)配合穿入工字鋼；每穿入一根立即用φ20 U型螺栓、扣板與軌枕及扣軌連接，上好扣件，開(kāi)通前30 min停止穿入工字鋼，檢查部件是否齊全、緊固，是否有超限、聯(lián)電部位，支點(diǎn)是否牢固；開(kāi)通前20 min工程車(chē)軋道、電務(wù)試驗(yàn)。

3.5 開(kāi)挖路基

路基開(kāi)挖采用挖掘機(jī)挖裝，自卸汽車(chē)運(yùn)輸，施工時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行“一機(jī)一人”監(jiān)護(hù)制度，防止設(shè)備施工時(shí)碰觸到鐵路、工字鋼加固體系以及鉆孔樁。土方開(kāi)挖應(yīng)自上而下進(jìn)行，不得亂挖超挖，嚴(yán)禁掏底開(kāi)挖。

經(jīng)常檢查邊坡開(kāi)挖坡度，糾正偏差，避免超挖、欠挖。用挖掘機(jī)將坡面整理平順，無(wú)明顯的局部高低差。 施工時(shí)遇列車(chē)通過(guò)，施工人員必須離開(kāi)線路，等列車(chē)經(jīng)過(guò)后方可繼續(xù)作業(yè)。施工時(shí)必須派駐站聯(lián)絡(luò)員和施工防護(hù)員做好施工防護(hù)，每天安排線路工對(duì)線路的軌距、水平、方向進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)變化或超限及時(shí)處理。路基開(kāi)挖效果。

按設(shè)計(jì)要求及時(shí)進(jìn)行邊坡防護(hù)與支護(hù)，不得長(zhǎng)期暴露，造成坡面坍塌。在挖方時(shí)先預(yù)留一定厚度的保護(hù)層，邊刷坡邊支護(hù)。開(kāi)挖至框構(gòu)涵以上2 m時(shí)，立即安裝樁間工字鋼支撐，保證整個(gè)支撐體系的整體穩(wěn)定性。

3.6 施工降水

在工作坑四周分別設(shè)置管徑600 mm的降水井，間距6 m，井深為18 m，施工期間安裝水泵降低工作坑區(qū)域水位至基坑底部1.0 m以下，降水井抽出的水集中排至東側(cè)河道內(nèi)。

（1）施工工藝。準(zhǔn)備工作→鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)→定位安裝→開(kāi)孔→下護(hù)口管→鉆進(jìn)→終孔后沖孔換漿→下井管→稀釋泥漿→填砂→止水封孔→洗井→下泵試抽→合理安排排水管路及電纜電路→試驗(yàn)→正式抽水→記錄。

（2）排水系統(tǒng)。在基坑外側(cè)布置排水系統(tǒng)，確?；娱_(kāi)挖過(guò)程中降水正常運(yùn)行。排水系統(tǒng)周邊鋪厚塑料布，防止水浸入基坑邊緣，造成邊坡失穩(wěn)。

（3）線路沉降觀測(cè)。由于地下水量較大，降水會(huì)給線路和行車(chē)造成一定的影響。為了確保列車(chē)正常運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)除堅(jiān)持檢查線路外，還必須配備足量道碴、人工及機(jī)具設(shè)備，以便隨時(shí)對(duì)線路進(jìn)行補(bǔ)碴整修。由于降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)造成施工現(xiàn)場(chǎng)前后一段線路的沉降，自降水開(kāi)始，施工影響范圍內(nèi)既有線路上設(shè)觀測(cè)點(diǎn)（間隔10 m），由測(cè)量人員及時(shí)觀測(cè)線路情況，加強(qiáng)對(duì)該段線路沉降的觀測(cè)和檢查，發(fā)現(xiàn)線路沉降，及時(shí)配合工務(wù)段整修。

3.7 開(kāi)挖基坑

根據(jù)線路兩側(cè)地形地貌、土質(zhì)情況及施工場(chǎng)地大小等綜合考慮，工作坑開(kāi)挖尺寸由預(yù)制框構(gòu)涵平面尺寸、操作空間、路基穩(wěn)定因素確定，框構(gòu)主體兩側(cè)邊坡按1︰1.5控制，坡腳堆碼草袋防護(hù)。基坑采用挖掘機(jī)、汽車(chē)和人工配合開(kāi)挖，棄土堆放到指定地點(diǎn)。基坑挖至離設(shè)計(jì)標(biāo)高0.2 m時(shí)，采用人工開(kāi)挖，以免地基土撓動(dòng)?；娱_(kāi)挖完成后，在基坑內(nèi)南北兩側(cè)按4 ‰的坡度設(shè)置0.5×0.3 m的排水溝，基坑?xùn)|、西側(cè)設(shè)置兩個(gè)集水井，安放水泵及時(shí)抽水，保持基坑干燥，不被浸泡。當(dāng)工作坑需要渡汛時(shí)，路基邊坡應(yīng)防護(hù)加固，或放緩邊坡。

3.8 開(kāi)挖后列車(chē)行進(jìn)引起的線形變化及結(jié)構(gòu)內(nèi)力規(guī)律

穿越高路基框構(gòu)涵施工過(guò)程引起的線路線形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力具有時(shí)間和空間規(guī)律。在其開(kāi)挖過(guò)程中，鉆孔樁的側(cè)摩阻力逐步消失，變?yōu)槁?lián)合支撐的橋墩形式，結(jié)構(gòu)受力趨于不利。列車(chē)行進(jìn)過(guò)程中，橋墩及冠梁的內(nèi)力及變形增大，工字鋼橫梁及軌道位移結(jié)構(gòu)位移應(yīng)保持在合理范圍。針對(duì)各種不同工況，確定最不利情況下結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)而調(diào)整工字鋼橫梁的尺寸選擇及間距布設(shè)。

（1）結(jié)構(gòu)有限元建模。需要根據(jù)各結(jié)構(gòu)傳力途徑，采用合理的邊界條件進(jìn)行仿真分析

（2）施加邊界條件，且施加列車(chē)通過(guò)結(jié)構(gòu)時(shí)各種工況下的受力條件。其中列車(chē)荷載取值鐵路規(guī)范中為中-活載數(shù)值，即5個(gè)間距為1.5 m的220 kN的軸力（2×110 kN）、30 m長(zhǎng)的92 kN/m的均布荷載（2×46 kN/m）、無(wú)線長(zhǎng)的80 kN/m的均布荷載（2×40 kN/m）。

（3）列車(chē)以較低速度通過(guò)便橋跨中時(shí)，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)為線路最不利狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件及最大位移響應(yīng)如圖6所示。

圖6 鐵路活荷載通過(guò)時(shí)位移分布云圖（單位m）

圖7 冠梁及橋墩最大主應(yīng)力分布云圖（單位Pa）

從圖6中可以看出，在列車(chē)低速（40 km/h）作用下，火車(chē)荷載（列車(chē)）行進(jìn)過(guò)程中，5個(gè)220 kN集中力作用下跨中的位置工字梁的位移最大，為4 mm，此數(shù)值可以保證列車(chē)順利安全通行，符合規(guī)范要求，且說(shuō)明按照0.5 m間距布置的55C工字鋼橫梁可以滿足線性要求。橋墩（樁）的位移很小。樁間支撐工字梁對(duì)限制樁的變形、提高樁的穩(wěn)定性起到了重要作用。

（4）最不利工況作用下，混凝土結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力響應(yīng)如圖7所示。

從圖7中可以看出，混凝土構(gòu)件的冠梁及橋墩的最大主應(yīng)力為1.79 MPa，小于結(jié)構(gòu)采用的混凝土C30的受拉及受壓極限強(qiáng)度，混凝土尚未開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

同時(shí)在此最不利工況作用下，工字鋼橫抬梁應(yīng)力如圖8所示。

圖8 工字鋼橫抬梁最大主應(yīng)力分布云圖（單位Pa）

從圖8中可以看出，220 kN集中力作用下的工字鋼橫梁的最大主應(yīng)力為33.5 MPa，且為整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力數(shù)值，此數(shù)值小于鋼材的受拉及受壓極限強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)材料處于線彈性階段，遠(yuǎn)未進(jìn)入塑性階段，結(jié)構(gòu)安全。列車(chē)低速運(yùn)行下，結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行正常施工。

3.9 箱涵預(yù)制

箱涵身混凝土澆筑可分兩階段施工。先澆筑底板（包括下梗肋），當(dāng)?shù)装寤炷翉?qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50 %后，再澆筑中、邊墻及頂板混凝土，當(dāng)混凝土澆筑量較大或兩階段施工有困難時(shí)，也可分三階段施工，但中、邊墻的施工縫不應(yīng)設(shè)在同一水平面上。施工接縫必須按有關(guān)規(guī)定嚴(yán)格處理。模板施工設(shè)計(jì)應(yīng)考慮觀感效果，裝飾應(yīng)與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)。當(dāng)框架墻體較厚，澆筑振搗人員須進(jìn)入模內(nèi)時(shí)，應(yīng)將鋼筋與地線接通，模內(nèi)采用低壓照明。頂板底模拆除時(shí)，混凝土強(qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

3.10 回填基坑及路基土

待框構(gòu)涵強(qiáng)度滿足要求后進(jìn)行基坑及路基土回填。基坑回填時(shí)，對(duì)框構(gòu)橋兩側(cè)，在邊墻2 m范圍內(nèi)采用砂夾碎石回填，其余部分采用滲水土回填，并應(yīng)對(duì)稱(chēng)、分層夯填密實(shí)，保證不出現(xiàn)偏載。鐵路路基采用A類(lèi)土回填，并分層夯實(shí)，每層夯實(shí)厚度不大于0.25 m，且根據(jù)填料，參照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》確定壓實(shí)系數(shù)、地基系數(shù)、相對(duì)密度和孔隙率。對(duì)于邊墻兩側(cè)2 m范圍內(nèi)及路基頂部無(wú)法采用大型設(shè)備碾壓部位采用注水泥漿加固處理。由于路基沉降非短期效果，線路恢復(fù)后的一段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)加強(qiáng)該處的振搗作業(yè)及監(jiān)控等，觀察該處線路沉降變化情況，以確保列車(chē)的運(yùn)行安全。

3.11 拆除臨時(shí)橋梁恢復(fù)線路正常運(yùn)營(yíng)

路基回填后，盡快安排恢復(fù)線路。主要作業(yè)項(xiàng)目有：框構(gòu)涵側(cè)夯填、補(bǔ)碴、上枕、撤梁、整修線路。利用天窗點(diǎn)更換混凝土軌枕，補(bǔ)充道碴；抽撤工字鋼和木枕，按隔六抽一的原則，抽一根木枕?yè)Q一根混凝土枕，及時(shí)補(bǔ)充道碴并搗實(shí)。換枕后，要根據(jù)道床沉降情況，隨時(shí)補(bǔ)充道碴，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，確認(rèn)線路穩(wěn)定后，方可移交工務(wù)段。

4 效益分析

采用臨時(shí)便橋施工工法與同規(guī)模的橋式盾構(gòu)法相比，有較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，工期縮短了25 d，對(duì)環(huán)境影響小，適應(yīng)性強(qiáng)，造價(jià)節(jié)省300萬(wàn)元。該工程通過(guò)科學(xué)的施工工藝，嚴(yán)格的質(zhì)量安全控制措施，實(shí)現(xiàn)了安全、質(zhì)量、效益和工期總體目標(biāo)。

On Construction Technologies of Frame Culvert and Auxiliary Bridges for High Roadbed of Railway

XU Da-ping

（No.4 Engineering Corporation Limited of China Railway 18th Bureau Group Co. Ltd Tianjin 300222 China）

In the construction of infrastructures in towns or counties， influenced by construction layout or routing issues， the laying of pipeline culvert is incredibly restricted by the current routes. Nowadays， the construction of frame culvert for crossing railways normally adopts ways of jacking， line-changing or bridge type shield by using I-steel crossbar lifting beam or D-beam to reinforce the line. As for the construction of long span frame culvert crossing the high bed railway， in order to improve the efficiency，lower the construction cost， shorten the construction period， guarantee the traffic safety in railway， and meet requirements of quality and performance of constructed projects， it is necessary to adopt more reasonable and optimized construction technologies. Based on the construction project of protective culvert for the water supply pipeline in a water supply project crossing Liaoyuan-Kaiyuan railway in Liaoning Province， the construction technology for building frame culvert and auxiliary for high roadbed of railway is confirmed. The introduced technology uses more reliable commercial software and adopts finite element numerical modeling to analyze all operating conditions in construction， so as to optimize the construction technology. And in real constructions， the way of auxiliary bridge achieved excellent effects.

frame culvert and auxiliary bridges for railway； high road bed； construction technology

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-1816（2015）02-0042-07

2015-03-17

徐大平（1981），男，學(xué)士，工程師，研究方向土木工程。