下穿铁路大跨度框架桥采用D型便梁进行线路加固的技术

摘要：铁路既有线下修建各种构筑物，需要解决施工与列车运行间的矛盾，特别对于线下大跨度构筑物的修建，采用何种施工方法及线路加固方案，以确保铁路正常及安全的运营为施工中的难题，本文详述了大跨度框架桥施工方法的选择，及采用D型便梁进行线路加固的结构设计及承载验算，以与同行共勉。

关键词：既有线框架顶进D24便梁线路架空承载验算

中图分类号：K826文献标识码： A

1工程简介

本立交桥为取消来宾市南一路与湘桂铁路相交处原有道口，而新建的下穿铁路立交桥。立交桥为1-16.5m钢筋砼单孔框架，沿铁路方向长19.35m，横桥向宽度为20.4m，全桥框架建筑顶面积为377.4。

立交桥采用道路下穿式，共穿越湘桂铁路下行线、上行线和来宾站牵出线等三股道，框架上覆土厚约2.5m；立交桥中心线与铁路中心线交叉角为72°57′42″，立交中心铁路里程为湘桂线K603+503.33。

湘桂双线及来宾站牵出线均为砼枕，60kg/m钢轨，无缝线路，位于直线上。

2施工的难点分析及总体施工方案的选定

设计采用覆土顶进法施工，工字钢梁及吊轨加固线路。但经对现场条件进行了仔细调查，并结合工程地质勘察资料。发现如果采用设计的施工方法，存在如下风险。

地质勘察资料及该段路基竣工资料显示框架底部存在深约3m承载力极低的软弱土层，因以往路基填筑对基底要求较低，没进行软基处理。如果框架采用覆土顶进法施工，容易产生栽头现象，导致纠正困难、工期延误、施工成本大幅上升的情况。

覆土顶进需较大顶力，要求有更大、更稳固后背墙，因地势及地质原因，修建满足要求的后背墙，不仅难度大，且成本较高。

覆土顶进的顶力容易使线路产生横移现象；另外土层较为松散，在列车荷载的扰动下，顶进开挖面易出现滑动面，引起塌方。线路横移及路基塌方均严重危及铁路行车安全，且施工期跨越春运，一旦发生安全事故，将产生巨大的社会影响及经济损失。

而采用架空线路明挖法则能够避免上述风险。经对覆土顶进法与架空线路明挖法的优、缺点进行分析、比较，从技术、工期、效益、安全等方面进行研究及评估，结果表明架空线路，进行明挖施工是最佳方案。

3线路加固方案的设计研究

框架沿铁路方向长19.35m，考虑施工工作面，线路加固主跨跨度需超过22m。经结构受力验算，在现有条件下采用工字钢梁及吊轨进行加固无法达到22m的架空跨度，如增设中间支墩，则影响框架施工。因此需考虑其它线路加固方法，经项目部及专家对各种可能的施工方案进行对比及优化，决定采用D24型施工便梁作为线路加固的主跨。其技术成熟，技术参数适合本项目的施工要求，且在以往使用过程中积累了宝贵施工经验，这一切能够确保顺利完成本项目施工。具体施工方案如下：

框架顺线路方向长19.35m，主跨采用D24施工便梁进行架空，因线路位于直线上，线间距为4.6m，加固线路为3股，便梁选用适合本项目的丁式布置形式。两侧副跨采用纵挑横抬法，加固长度为10m，副跨每侧纵梁采用4片I56c工字钢，横抬梁采用单片I36c工字钢，按0.6m/根的间距布置。施工便梁采用φ1.5m的C30砼挖孔桩作支墩，长度20.6m，伸入框架底部土层9m，副跨采用φ1.25m挖孔桩作支墩，长度15m，。

线路加固见图1、2、3所示。

图1线路加固立面图

图2线路加固主跨横断面图

图3线路加固副跨横断面图

4施工技术及关键措施

4.1 D24施工便梁架设

加固前要点对无缝线路进行应力放散，在慢行≤45km/h条件下进行项目的施工。逐一要点封锁牵出线、湘桂线上行线、湘桂线下行线路安装施工便梁和工字钢纵横梁。

施工便梁采用轨汽运输到位，因吊机作业平台离路线路较远，且便梁长度达24.5m，采用2台100t伸臂汽吊进行配合安装。

便梁使用前进行技术检查，主要检查钢梁各部位的焊缝及相邻的母材，观察其焊缝处有无细微裂纹或流锈现象及其它质量问题，无病害方可上道使用。

纵梁就位：用汽吊把纵梁吊装至计划位置，先就位一侧纵梁，在支墩上搭设枕木垛，将另一侧纵梁垫高，纵梁底高过枕木面20cm左右，为抽换枕木留出空间，纵梁支垫稳固后安装联结板和下牛腿。在支墩孔桩顶部预埋4根φ28圆钢，待纵梁安装就位后及时与纵梁连接限制纵梁的纵向移动。

抽换枕木：换枕前清平道碴至轨枕底，根据横梁安装位置进行轨枕间距调整，随后用横梁依工务规则“六抽一”的规定进行枕木替换。由纵梁两端向中间逐一进行，每抽出一根枕木，立即穿装一条横梁，穿装的横梁对准主梁联结板，定位后安装扣件。在钢轨下垫大块绝缘胶垫，防止短路，影响信号和行车。

抽换完横梁后，将垫高的纵梁降下至安装位置，并联结横梁。组装过程中联结板和牛腿上的φ23孔眼上满螺栓，不得漏装弹簧垫圈。

调整便梁水平、纵横向位置，垫实支座。全面检查线路方向、水平、轨距、各类螺栓和扣件，分段清出道碴，安装斜杆和其它连接构件。

4.2附跨线路加固施工

附跨每侧纵梁采用4片I56c工字钢，采用40t汽吊吊装，纵梁每隔2m设置一道U型螺栓及扣板联结，以形成整体，同样也在近挖孔桩支墩上预埋φ28圆钢限位。

吊轨为P50旧轨，按3-3-3-3方式组合。线路加固前利用列车间隙按“隔六抽一”规定将砼枕换成木枕，在轨底放置绝缘橡胶垫板，防止短路，影响信号和行车。抽换后立即回补道碴并捣固密实。随后将扣好的吊轨梁吊放至轨道上的设计位置，在吊轨两侧的枕木上打设道钉，防止吊轨侵限。

横抬梁采用单根I36c工字钢，设置间距为60cm。横抬梁与轨道之间放置绝缘胶垫，以保持绝缘，避免出现“红光带”。用U型螺栓及扣板将横抬梁与吊轨及工字钢纵梁联结牢固。在线路外侧的横抬梁间安置方木支撑以保持横抬梁间距。

线路加固地段每间隔一根枕木设置一根绝缘轨距杆以保持轨距。

4.3道岔处线路加固

由于立交桥开挖范围涉及湘桂线上行线8#道岔和牵出线10#道岔，施工时不能挪动既有线轨枕，道岔轨枕超长，且道岔的动态尺寸要严格控制在＋/－1mm。为了保证道岔正常使用，须对道岔进行加强加固处理。道岔横抬梁采用单根I36c工字钢，间距按道岔的轨枕间距进行布置，每孔布设1根，并利用特制的钢板U型扣加木板垫将每一根岔枕两端牢牢扣结到相应横抬梁上。

部分挖孔桩支墩根据加固的需要进行适当扩孔。

4.4安全控制措施

配备专职人员专门负责线路加固的养护，每趟车过后都要检查一次，检查线路几何状态是否良好，水平、方向都要符合规范。如螺栓、扣件有松动时即时拧紧，绝缘胶垫随时都要保持准确位置，以防连电影响行车安全。

4.5线路恢复

待框架顶进到设计强度后，回填道碴，逐一要点封锁线路，先拆除工字钢横抬梁，再拆除工字钢纵抬梁，后拆除D24施工便梁，最后整修线路，恢复原速。

5线路加固受力验算

对线路加固的关键及薄弱结构进行承载验算，以确保铁路行车及施工安全。经分析线路加固方案，主要对主跨支墩承载力及稳定性、副跨纵梁及横抬梁承载力进行验算。

5.1荷载取值

1）列车竖向活载

列车竖向静活载按中―活载计算，并换算成均布荷载，按《铁路桥涵设计基本规范》查表得跨度L=10m时，q活=159.8kN/m；L=24m时，q活=123.7kN/m。

由“列车竖向活载=列车竖向静活载×（1+μ）”计算出10m跨的列车竖向活载：

159.8×[1+28/(40+10)]=249.3KN/m

同理算得24m跨的列车竖向活载为：177.8KN/m

2）恒载

D24便梁自重：P=48.9×9.8=479.22KN

股道重量计算得6.7KN/m

副跨线路加固自重计算得15.3KN/m

5.2主跨处挖孔桩支墩验算

支墩C30砼材料特性：惯性矩I=πD4/64=3.14×1.54/64=0.248m4；弹性模量E=3×1010Pa。fc=14.3N/mm2。

每个支墩的支座反力：

R=[10×（249.3+6.7+15.3）+24×（177.8+6.7）+479.22]/2/2=1905.1KN

①强度验算

桩顶压应力σ为：σ=P/A=1905.1×103/(3.14×0.752)=1.08×106Pa＜14.3×106Pa

②稳定性验算

用欧拉公式计算临界力：

Pcr=π2EI/(μL)2=3.142×3×1010×0.248/（2×10）2=183.4×106N

计算临界应力：

σcr=Pcr/A=183.4×106/(3.14×0.752)=103.8×106Pa

Kw安全系数取10，则：

σ=1.08×106Pa＜σcr/10=10.38×106Pa。

③地基容许承载力验算:

由《铁路桥涵地基和基础设计规范》得摩擦桩容许承载力计算式为：

将本项目的实际参数代入式中得：

[P]=0.5×3.14×1.5×（18×2.9+120×6.1）+1×3.14×0.752×1320=4178KN

桩承受的荷载及自重=1905.1+20.6×25×3.14×0.752=2814.7KN＜[P]=4178KN

5.3副跨横抬梁I36c工字钢检算

I36c工字钢材料特性：W=962cm3，E=210GPa，I=17300cm4，[б]=170MPa，容许最大挠度fmax＜L/200。

横梁间距为60cm，当列车机车轮轴运行至副跨时，横抬梁承受最大荷载，此时按机车特种荷载单个轴重250KN由3根横抬梁来承载。

单根横抬梁承受的荷载：P={250×[1+28/(40+10)]}/3+（16.7+5.3）×0.6=143.2KN。横抬梁验算图式见图4。

图4横抬梁验算图

1）强度验算

Mmax=71.6×1.5m=1.074×105N・m

σmax=Mmax/W=1.074×105/(962×10-6)=111.6MPa＜[σ]=170MPa

2）挠度验算

f=[Pa/（6EIL）]×（3aL2-4a2L+a3-a2L）=1.7mm＜[f]=L/200=22.5mm

5.4副跨工字钢I56c纵梁检算

I56c工字钢材料特性：[σ]=180MPa，W=2550cm3，E=210GPa，I=71400cm4。

将纵梁所承受的荷载简化成均布线性荷载。则单根工字钢纵梁承受的荷载：

q={159.8×[1+28/(40+10)]+16.7+5.3}/8=33.9kN/m。

1）强度检算

Mmax=ql2/8=33.9×102/8=423.8kN・m

σ=Mmax/W=336.3×103/（2550×10-6）=166.2MPa＜[σ]=170MPa

2）挠度检算

f=5ql4/384EI=（5×33.9×103×104）/（384×210×109×71400×10-8）

=29.4mm＜[f]=L/300=33.3mm

从以上验算可得，结构承载能力满足要求。

6结束语

在施工过程中对便梁进行严密监视，精心养护，建立安全保障措施，确保了施工便梁的正常使用和既有线行车安全。

因施工便梁使用频率较高，且经常要装卸，长期使用后会出现一些问题，因此，在每次使用前除对便梁进行检查外，还应定期对其进行维修和鉴定，以确保便梁的安全使用。

参 考 文 献：

[1]《铁路桥涵设计基本规范》（TB10001 -2005）[S]・北京：中国铁道出版社，2005，06。

[2] 秦皇岛中科铁路钢结构有限公司・D型施工便梁使用说明书[M]，2008，02。