复杂条件下架空法修建铁路立交桥的方案设计与应用

■覃海源 ■中铁二十五局集团第六工程有限公司，广西 柳州 530000

1 工程概况及施工条件

柳州鹧鸪江铁路立交桥为2－8.0m分离式框架桥，其里程为LD1K0+331.6，下穿青鹧联络线、柳钢专用线两条铁路，为改造鹧鸪江平交道口设置。跨径为(8+8)m，孔内净高为6m，设机动车道及非机动车道。框架桥沿线路方向总宽约27.48m，纵长43.58m。桥上柳钢专线、青鹧联络线铁路，曲线半径最小为400m，钢轨类型为60kg/m钢轨，钢筋混凝土轨枕，普通石渣道床。

框架桥位于线路曲线地段，框架箱身轴线与联络线、柳钢专线中线斜交 45°。

新建框架桥所处地段，原平交道口道路两侧居民房屋密集(最近处离引道路边2.5m)，附近有菜市场及学校，人流交通密集。框架下穿的两条铁路为电气化及内燃牵引，行车密度大道口交通繁忙。施工场地上有高压电网，高空作业很困难，下有各种管线、设备，基坑开挖前必须迁改及保护。场地狭窄施工条件复杂，整个改造施工临近年末工期要求紧，既要保证既有铁路的正常运营，又不能影响周边居民生活，安全、工期等各方面压力巨大。

限于上述复杂条件，设计采用现浇法施工。为保证框架现浇施工，经过反复研究比较，我们提出了挖孔桩便梁支撑体系，架空既有线路，腾出下部空间，进行基坑开挖、现浇框架施工。

2 架空方案设计

2.1 方案设计原则

现场施工可行、安装拆除线路封锁时间短、载荷时变形小安全可靠性高。由此选定在线路两侧用人工挖孔桩作支点、支点上架设铁路便梁，形成牢固的线路支撑结构。

2.2 便梁选型和布置

(1)便梁选型:宝桥厂生产的铁路D型便梁是一种定型设计的整体钢梁，加固线路封锁时间短，对线路扰动小，安全可靠性高，是支撑线路最适宜的材料。

根据框架结构及沿线路方向的纵向长度，在湘桂联络线及柳钢专用线两侧，距线路中线2.35m距离，各施工1.5*1.8m方形挖孔桩4根，组成D16m+D24m+D16m三孔便梁跨度，架空线路56m，两个框架同时施工。

(2)布置方式:布置方式要复核曲线半径(R≥400m)、钢轨类型、曲线超高(≤100mm)、两线间距(≥便梁宽度)、建筑限界(满足铁路建限－1规定)等计算出的结果。

该工程青鹧联络线曲线半径R=450m，钢轨类型为60kg/m钢轨，曲线超高为80mm。柳钢专用线曲线半径R=400m，钢轨类型为60kg/m钢轨，曲线超高为40mm两线间距9.5m，大于便梁宽度。为此，D24型便梁布置采用R≥400丁式，D16型便梁布置采用R≥400A式，具体结构尺寸见下表及示意图1。

便梁定位线至便梁类型便梁布置形 式 纵梁位置轨底至梁 底梁顶至轨 面 纵梁中线距H(mm)h(mm)b(mm)c(mm)D24型 R≥400丁式 最低位 825 299 2230 2230 D16型 R≥400A式 高 位 449 299 2230 2170

图1

便梁安装后，线路要点封锁，开始掏空线路石渣，最后使线路荷载完全落在便梁上，便可以放坡开挖框架基础。限于便梁跨度，在施工①框架时，孔桩支点要落在框架内，处理办法是在底板和顶板预留天窗孔(1.5×1.8m)，待框架施工完成强度达到设计强度后，通过支点转换，拆除孔桩支点，用钢筋混凝土将天窗孔封闭。最后将石渣回填到框架顶板与线路之间捣固密实，将线路上部荷载转至框架，即可分步拆除便梁，恢复原线路速度。具体见下平面布置图、立面图(图2)。

图2 平面布置图、立面图

2.3 结构检算

(1)便梁强度及刚度检算。D16和D24便梁是宝桥厂按铁道部钢桥规范、铁路标准荷载即“中－活载”设计生产的，纵梁材料均为16Mnq钢，容许应力为240MPa，设计挠跨比为1/800，D16跨中竖向位移为20mm，D24跨中竖向位移为30mm。实际应用中与设计荷载一致，且为临时结构，限速45km/h，在《铁路工务安全规则》中规定，纵梁挠跨比不超过1/400，D16跨中竖向位移容许值为40mm，D24跨中竖向位移为60mm。使用条件和竖向位移容许值均优于设计条件，不需再检算，强度及刚度满足要求。

(2)孔桩支点承载力检算(以跨度最大L=24m检算)。支撑桩位于D型施工便梁的纵梁下方，承受D型便梁及以上结构所传受的力。跨度L=24m;桩为C30砼材料，其特性查《混凝土结构设计规范》GB50010－2002得，fc=15N/mm2。惯性矩 Ix=πD4/64=3.14×1.54/64=0.248m4;弹性模量E=3×1010Pa。

①荷载计算

a.列车竖向活载。列车竖向静活载按中—活载计算，换算成均布荷载，按《铁路桥涵设计规范》TB 10002.1－2005 查表L=24m时，q活=123.7KN/m。

列车竖向活载=列车竖向静活载*(1+μ)(1+μ)－动力系数=123.7×24×［1+28/(40+24)］=4267.65KN

b.离心力。因本框架位于线路的曲线地段，离心力按《铁路桥涵设计规范》TB10002.1－2005中的公式计算为:

F－离心力KN;υ－行车速度KM/h，这里取45KM/h;f－竖向活载折减系数，这里υ≤120KM/h，取值为1;q－换算均布荷载KN/m，每线。

c.桥上制动力或牵引力。《铁路桥涵设计规范》TB 10002.1－2005中规定:制动力或牵引力按列车竖向静活载的10%计算。但当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，制动力或牵引力应按列车竖向静活载的7%计算，即:

制动力(或牵引力)=123.7×24×7%=207.816KN

d.风荷载

式中:F风－孔桩所受风力KN;W－风荷载强度Pa;

K1－风载体型系数，取0.8;K2－风压高度变化系数，取值为1;

K3－地形、地理条件系数，取0.85;W0－基本风压值Pa，柳州取400Pa;A－受风面积m2。

e.恒载

D24型便梁自重:P=48903.5×9.8=479.25KN

既有线钢轨自重:P=60×24×9.8×2=28.2KN

轨枕自重:P=251×36×9.8=88.55KN

P恒=479.25+18.82+88.55=596KN

支座反力RA=RB=(列车竖向活载+恒载)/2=(4267.65+596)/2=2431.825KN

②受力检算:受力简图如右图所示

其检算过程如下:

a.强度验算:

桩顶压应力σ为:

σ=P/A=2431.825/(1.8*1.5)×103=0.9×106Pa＜15×106Pa强度符合要求。

b.稳定性验算:

用欧拉公式计算临界力Pcr:

计算临界应力σcr:

Kw安全系数取10，即10倍安全系数

桩顶压应力σ=0.9×106Pa＜σcr/10=4.72×106Pa远小于临界应力，稳定性符合要求。

c.地基容许承载力验算:

根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5－2005中的柱桩轴向受压的容许承载力公式计算:支承于岩层上与嵌入岩层内的桩容许承载力为:

承载力符合要求

d.水平荷载产生的弯矩验算:

锚固深度h锚，根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5－2005中6.2.3条要求，桩下端锚固在岩石内时，可假定弯矩由锚固侧壁岩石承受，锚固需要深度可不考虑水平剪力影响，并按以下公式近似计算:

弯矩对钢筋砼桩身作用的检算:

参照《结构设计原理》人民交通出版社(第二版)中截面受弯构件进行检算:砼设计强度fc=15N/mm2，ft=1.5N/mm2，钢筋设计强度

最小配筋率计算:

ρmin=45(ft/fy)=45(1.5/310)=0.217，书中规定且不应小于0.2，故取 ρmin=0.22%

砼保护层计算:

C=a－0.5d=120－0.5×25=107.5mm，大于钢筋公称直径d=25mm。钢筋间净距Sn=140mm，符合Sn≥30mm及d=25mm的要求。

实际配筋率ρ

ρ=As/A=18163.3/(1.8*1.5)=0.67% ＞ρmin=0.22%。实际配筋率大于最小配筋率要求，符合要求。

受压区高度χ

χ=fyAs/(fcd)=310×18163.3/(15×1500)=250.25mm＜ξbh0=0.56×1500=840mm不会发生超筋梁情况。

抗弯承载力Mμ

经复核该孔桩截面可以承受水平荷载所产生的弯矩作用。

3 过程监控及数据分析

为检验便梁的挠度和线路的变形情况，确保行车安全，线路架空后，我们对孔桩支点、便梁跨中、线路轨距、水平、轨向、高低、超高及轨温等进行了监控，并根据监控结果维护保养线路，主要数据如下:(1)孔桩支点沉降:2～4.5mm之间，说明基础沉降稳定、支撑牢固;(2)D16跨中竖向挠度:19～24.5mm之间，小于1/400跨度=40mm，满足刚度要求;(3)D24跨中竖向挠度:27～34.5mm之间，小于1/400跨度 =60mm，满足刚度要求;(4)线路左右高差:2～3.5mm之间，满足正常行车要求。监控数据说明，便梁架空体系支撑牢固、变形满足45km/h行车要求。

架空后的线路图

4 若干关键问题的处理

4.1 预留天窗及工况分析

最初的方案是不考虑预留天窗，计划是施工完①#框架，将便梁拆除移至②孔位置，再施工②框架，这样做工期长、线路封锁时间长，尤其是春运前线路不能恢复速度对运输限制太大。经各种比较后，最终的方案还是采用三跨结构，两个框架同时施工。由于地形、便梁跨度限制，框架施工过程中，孔桩支点要落在①#框架范围内，底板、顶板要预留“天窗”让支柱穿过托住便梁，“天窗”大小为2.2m*1.9m、孔内设置钢筋留茬，为下小上大，二级台阶，利于后续天窗封闭。

预留“天窗”对框架顶板受力的影响:预留“天窗”时，顶板尚在脚手架上没有受力，框架完成孔桩支点拆除前，用钢柱支撑“天窗”四周使之不受力，“天窗”封闭达到强度后才拆除钢柱，“天窗”面积占顶板面积很小，封闭时钢筋又做特别加强，对框架顶板受力影响不大。

4.2 支点转换

框架现浇完成达到设计强度后，在底板上用顶铁在孔桩支柱旁临时支撑顶板，在框架顶板与便梁的纵梁间穿入两组工字钢，用油顶将纵梁顶起，拆除挖孔桩顶的垫板，油顶落下后，就将受力转到工字钢，工字钢将力传至框架顶板，顶板通过顶铁柱将力传至底板，孔桩不受力，就可拆除了。

4.3 沉降缝的设置

为将“天窗”放在一个比较合适的位置，不影响原受力状况，将原设计沉降缝节段由原(13+15.5+15)m调整为(18+25.5)m。

4.4 便梁的横向稳定

由于便梁位于线路曲线上，完全架空后车辆通过时，因离心力的作用，会引起线路及车辆的横向摆动，超过时会影响行车的安全。为此我们在垂直线路的两侧设置了约束装置，限制便梁的横向摆动。

5 方案实施效果及体会

(1)方案确定后，经报请设计、监理、建设指挥部审核批准后进行实施。施工工程和步骤如下:①支撑孔桩施工(开挖、护壁、扎钢筋、浇筑砼);②开挖D便梁纵梁槽;③调整既有轨道砼轨枕间距，符合安装横梁要求，穿横梁;④支撑孔桩顶部支座安装并固定，封锁线路吊装纵梁，安在支座上;⑤纵横梁连接;⑥轨道调平、固定;⑦D便梁安装完成，安设防坠板，安全网;⑧列车慢行通行检验;⑨线路日常检查保养。

(2)实施效果及体会。工程于2014年7月20开工，10月21日开始加固线路，2015年1月15日两个框架现浇完成，2月1日便梁拆除完毕提前7天恢复线路，没有发生任何安全和质量事故，也没有发生影响周围居民生活的事件，得到当地政府部门、建设指挥部、设备单位、监理单位、公司的一致认可和赞扬。

为推广经验，公司组织全公司项目部在现场召开了D型便梁加固线路标准工艺展示会，得到好评。

建设指挥部对我部主体的提前完成高度评价，于2月7日颁发嘉奖令，给予全线通报表扬和奖励。效益上由于方案的优化、工期的缩短节约成本近300万，在南宁局和柳州地方市场树立了良好形象，现有两个地方下穿铁路立交桥项目找我们洽谈当中，安全和效益取得较好效果。

通过该项目施工，我们认识到在某些复杂条件下，对跨度较大的铁路下穿框架桥，使用便梁架空线路现浇施工，适应性强安全可靠性高，有其独特的优势，值得我们进行认真总结研究。

［1］结构设计原理.人民交通出版社(第二版).

［2］铁路桥涵地基和基础设计规范 TB 10002.5－2005.铁道出版社.

［3］铁路桥涵设计规范 TB 10002.1－2005.铁道出版社.

［4］混凝土结构设计规范 GB50010－2002.中国建筑工业出版社.