穿越高路基铁路框构涵便桥施工技术

徐大平

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300222）

穿越高路基铁路框构涵便桥施工技术

徐大平

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300222）

我国城乡基础建设中，受规划建设、路线走向等影响，管道涵洞铺设不可避免地受到既有线路制约。目前我国穿越铁路的框构涵施工，通常采用工字钢纵横抬梁或D梁加固线路顶进法、便线法、桥式盾构法。针对穿越高路基铁路大跨度框构涵施工，为提高效率，降低造价、缩短工期，确保铁路行车安全，满足确保构筑物的质量和性能要求，需要采用更加合理优化的施工方法。本施工技术通过辽宁省某供水工程供水管线穿越辽开线铁路防护涵施工，确定了高路基铁路框构涵便桥施工工艺，使用计算结果可靠的商业软件，采用有限元数值建模，分析施工过程中各种工况，进而优化结构施工，在实际施工中便桥法方案取得了很好的效果。

铁路框构涵便桥 高路基 施工技术

1 工程概况

辽宁省某供水工程穿越辽开线铁路工程为2～9.4 m防护涵，既有铁路为单线，曲线地段，曲线半径为395 m，线路为5.5 ‰下坡，路基高度约为7.5 m，防护涵顶覆土厚度9.5 m，框构与线路交角为79.73°。该桥于2014年8月15日开工，2014年11月竣工。临时支撑体系采用钻孔桩加冠梁组合方案，线路加固采用3-5-3吊轨梁加55c工字钢横抬梁方案，横抬梁间距50 cm。框构桥施工完成后铁路路基采用A类土回填，由于沉降非短期效果，线路恢复后的一段时间内，加强该处的振捣作业及监控等，观察该处线路的沉降变化情况，以确保列车的运行安全。

与以往顶进框构涵施工工艺相比，本技术研究对施工工艺进行了改进，具有以下特点：对框构涵便桥施工进行了理论模型计算，分析了各种施工工况下的结构位移及应力水平，并结合现场实时动态数据，分析总结了高路基铁路框构涵便桥的最不利工况情况；框构涵施工可不中断铁路运营，在列车慢行条件下，利用列车间隙连续进行。该施工工艺减少对运营的干扰时间，基本不影响线路正常运营，相对安全，且缩短工期。 采用此方法，劳动力优化、机械设备组织、施工效率明显提高，节约了时间成本、降低了造价成本。

2 工艺原理

高路基铁路框构涵便桥施工的核心内容在于保证列车行驶过程中，铁路线路满足线形要求，同时便桥的各个构件应力及位移水平处于弹性范围，不得进入塑性状态，构件之间可靠连接，与理论分析时候的假设前提相符合，并采用有限元分析程序全程施工仿真分析进行控制，工艺原理主要如下：

（1）在线路两侧施工钻孔桩作为临时桥墩，桩底支撑在可靠基础上，桩顶采用冠梁连接，形成临时桥梁（见图1）。

图1 临时桥梁示意图

（2）线路采用3-5-3吊轨梁与55C工字钢横抬梁方案，横抬梁支点放在冠梁顶面，用U型钢扣件锚住，防止横抬梁窜动引起线路变形。

（3）垂直线路的临时桥墩之间采用55C工字钢连接，增大整临时桥梁体系的整体稳定性。

（4）利用建模后有限元分析的结果分别研究各种施工工况线路和构件在水平、垂直三维空间影响规律，进而优化结构，改变结构设计及满足线路位移控制。

3 施工要点

3.1 电缆排迁

施工前将涉及到的铁路通信、信号、电力等部门的设备进行排迁，先与涉及到的铁路部门签订施工安全协议，在下发施工许可证后开始施工。施工时与铁路局各设备产权单位协商配合施工，共同确认地下管线、电缆埋设情况，明确电缆路径和电缆存在的准确区域，并采用人工挖探沟，确认电缆具体位置后，进行排迁。

3.2 钻孔桩筑岛

施工前在铁路两侧填筑施工平台，为确保施工机械（钻机、吊车、挖掘机、混凝土罐车）在施工平台上安全作业，地基不产生不均匀沉降，填料采用碎石土，30 cm一层分层填筑，分层碾压夯实，平台顶部50 cm填筑拆房土作为施工机械应急路面。钻孔桩桩位专门回填粘土，保证钻进过程不塌孔。填筑平台剖面如图2。

图2 钻孔桩填筑平台剖面（单位m）

3.3 钻孔桩及冠梁施工

（1）钻孔桩施工。沿铁路方向在线路两侧5.2 m处按扇形布置（见图3），施工钻孔桩，钻孔桩桩径1.5 m，桩长28 m，钻孔桩横向间距10.4 m，纵向间距6 m，为确保铁路线安全，采用设备高度小、施工振动小的反循环钻机施工。

图3 钻孔桩布置图

（2）冠梁施工。冠梁宽1.7 m、高1.2 m，钢筋绑扎完成后立模板，模板采用竹胶板，模板加固用拉丝套塑料管对拉，混凝土保护层用混凝土垫块保证，浇筑混凝土前预埋固定横向工字钢用ø20U型螺栓。

3.4 线路加固

线路加固采用3-5-3吊轨梁加55C工字钢横抬梁方案，横抬梁间距50 cm，将加固范围内线路全部更换为250*16*20 cm新Ⅰ类油枕，横抬梁支点放在冠梁顶面，用U型螺栓锚住（见图4），防止横梁窜动引起线路变形。

线路穿工字钢施工期间，列车慢行40 km/h通过施工地段。施工方法步骤如下：

（1）线路加固范围内更换60 kg钢轨。

（2）砼轨枕更换木枕及方正轨枕。利用线路封锁时间更换线路既有的混凝土枕为木枕，木枕间距为500 mm，同时预埋好U型螺栓，换完枕木要对线路进行沉落整修，保证行车安全。

（3）按3-5-3型式安装吊轨梁。要将吊轨梁所用的钢轨提前选好，对钢轨整修、量好钢轨尺寸，编排好扣轨顺序（扣轨接头要相错1 m以上）利用封锁时间进行扣轨。每个加固地段的组拼顺序为先两侧的3根组后中心的5根组（见图5）。上紧非横抬梁位置处的扣板，施工过程中注意防止连电。

图4 横抬梁支点详图（单位：cm）

图5 3-5-3式扣轨图

（4）穿入横抬梁。人工在轨枕下挖槽，深度0.6 m，挖掘机配合穿入工字钢；每穿入一根立即用φ20 U型螺栓、扣板与轨枕及扣轨连接，上好扣件，开通前30 min停止穿入工字钢，检查部件是否齐全、紧固，是否有超限、联电部位，支点是否牢固；开通前20 min工程车轧道、电务试验。

3.5 开挖路基

路基开挖采用挖掘机挖装，自卸汽车运输，施工时，严格执行“一机一人”监护制度，防止设备施工时碰触到铁路、工字钢加固体系以及钻孔桩。土方开挖应自上而下进行，不得乱挖超挖，严禁掏底开挖。

经常检查边坡开挖坡度，纠正偏差，避免超挖、欠挖。用挖掘机将坡面整理平顺，无明显的局部高低差。 施工时遇列车通过，施工人员必须离开线路，等列车经过后方可继续作业。施工时必须派驻站联络员和施工防护员做好施工防护，每天安排线路工对线路的轨距、水平、方向进行检查，发现变化或超限及时处理。路基开挖效果。

按设计要求及时进行边坡防护与支护，不得长期暴露，造成坡面坍塌。在挖方时先预留一定厚度的保护层，边刷坡边支护。开挖至框构涵以上2 m时，立即安装桩间工字钢支撑，保证整个支撑体系的整体稳定性。

3.6 施工降水

在工作坑四周分别设置管径600 mm的降水井，间距6 m，井深为18 m，施工期间安装水泵降低工作坑区域水位至基坑底部1.0 m以下，降水井抽出的水集中排至东侧河道内。

（1）施工工艺。准备工作→钻机进场→定位安装→开孔→下护口管→钻进→终孔后冲孔换浆→下井管→稀释泥浆→填砂→止水封孔→洗井→下泵试抽→合理安排排水管路及电缆电路→试验→正式抽水→记录。

（2）排水系统。在基坑外侧布置排水系统，确保基坑开挖过程中降水正常运行。排水系统周边铺厚塑料布，防止水浸入基坑边缘，造成边坡失稳。

（3）线路沉降观测。由于地下水量较大，降水会给线路和行车造成一定的影响。为了确保列车正常运行，现场除坚持检查线路外，还必须配备足量道碴、人工及机具设备，以便随时对线路进行补碴整修。由于降水持续时间长，会造成施工现场前后一段线路的沉降，自降水开始，施工影响范围内既有线路上设观测点（间隔10 m），由测量人员及时观测线路情况，加强对该段线路沉降的观测和检查，发现线路沉降，及时配合工务段整修。

3.7 开挖基坑

根据线路两侧地形地貌、土质情况及施工场地大小等综合考虑，工作坑开挖尺寸由预制框构涵平面尺寸、操作空间、路基稳定因素确定，框构主体两侧边坡按1︰1.5控制，坡脚堆码草袋防护。基坑采用挖掘机、汽车和人工配合开挖，弃土堆放到指定地点。基坑挖至离设计标高0.2 m时，采用人工开挖，以免地基土挠动。基坑开挖完成后，在基坑内南北两侧按4 ‰的坡度设置0.5×0.3 m的排水沟，基坑东、西侧设置两个集水井，安放水泵及时抽水，保持基坑干燥，不被浸泡。当工作坑需要渡汛时，路基边坡应防护加固，或放缓边坡。

3.8 开挖后列车行进引起的线形变化及结构内力规律

穿越高路基框构涵施工过程引起的线路线形及结构内力具有时间和空间规律。在其开挖过程中，钻孔桩的侧摩阻力逐步消失，变为联合支撑的桥墩形式，结构受力趋于不利。列车行进过程中，桥墩及冠梁的内力及变形增大，工字钢横梁及轨道位移结构位移应保持在合理范围。针对各种不同工况，确定最不利情况下结构分析，进而调整工字钢横梁的尺寸选择及间距布设。

（1）结构有限元建模。需要根据各结构传力途径，采用合理的边界条件进行仿真分析

（2）施加边界条件，且施加列车通过结构时各种工况下的受力条件。其中列车荷载取值铁路规范中为中-活载数值，即5个间距为1.5 m的220 kN的轴力（2×110 kN）、30 m长的92 kN/m的均布荷载（2×46 kN/m）、无线长的80 kN/m的均布荷载（2×40 kN/m）。

（3）列车以较低速度通过便桥跨中时，对应的结构响应为线路最不利状态，此时结构各个构件及最大位移响应如图6所示。

图6 铁路活荷载通过时位移分布云图（单位m）

图7 冠梁及桥墩最大主应力分布云图（单位Pa）

从图6中可以看出，在列车低速（40 km/h）作用下，火车荷载（列车）行进过程中，5个220 kN集中力作用下跨中的位置工字梁的位移最大，为4 mm，此数值可以保证列车顺利安全通行，符合规范要求，且说明按照0.5 m间距布置的55C工字钢横梁可以满足线性要求。桥墩（桩）的位移很小。桩间支撑工字梁对限制桩的变形、提高桩的稳定性起到了重要作用。

（4）最不利工况作用下，混凝土结构各构件的应力响应如图7所示。

从图7中可以看出，混凝土构件的冠梁及桥墩的最大主应力为1.79 MPa，小于结构采用的混凝土C30的受拉及受压极限强度，混凝土尚未开裂，结构处于安全状态。

同时在此最不利工况作用下，工字钢横抬梁应力如图8所示。

图8 工字钢横抬梁最大主应力分布云图（单位Pa）

从图8中可以看出，220 kN集中力作用下的工字钢横梁的最大主应力为33.5 MPa，且为整个结构的最大应力数值，此数值小于钢材的受拉及受压极限强度，结构材料处于线弹性阶段，远未进入塑性阶段，结构安全。列车低速运行下，结构可以进行正常施工。

3.9 箱涵预制

箱涵身混凝土浇筑可分两阶段施工。先浇筑底板（包括下梗肋），当底板混凝土强度达到设计强度的50 %后，再浇筑中、边墙及顶板混凝土，当混凝土浇筑量较大或两阶段施工有困难时，也可分三阶段施工，但中、边墙的施工缝不应设在同一水平面上。施工接缝必须按有关规定严格处理。模板施工设计应考虑观感效果，装饰应与周围环境协调。当框架墙体较厚，浇筑振捣人员须进入模内时，应将钢筋与地线接通，模内采用低压照明。顶板底模拆除时，混凝土强度应符合设计要求。

3.10 回填基坑及路基土

待框构涵强度满足要求后进行基坑及路基土回填。基坑回填时，对框构桥两侧，在边墙2 m范围内采用砂夹碎石回填，其余部分采用渗水土回填，并应对称、分层夯填密实，保证不出现偏载。铁路路基采用A类土回填，并分层夯实，每层夯实厚度不大于0.25 m，且根据填料，参照《铁路路基设计规范》确定压实系数、地基系数、相对密度和孔隙率。对于边墙两侧2 m范围内及路基顶部无法采用大型设备碾压部位采用注水泥浆加固处理。由于路基沉降非短期效果，线路恢复后的一段时间内，应加强该处的振捣作业及监控等，观察该处线路沉降变化情况，以确保列车的运行安全。

3.11 拆除临时桥梁恢复线路正常运营

路基回填后，尽快安排恢复线路。主要作业项目有：框构涵侧夯填、补碴、上枕、撤梁、整修线路。利用天窗点更换混凝土轨枕，补充道碴；抽撤工字钢和木枕，按隔六抽一的原则，抽一根木枕换一根混凝土枕，及时补充道碴并捣实。换枕后，要根据道床沉降情况，随时补充道碴，加强养护，确认线路稳定后，方可移交工务段。

4 效益分析

采用临时便桥施工工法与同规模的桥式盾构法相比，有较大的社会经济效益，工期缩短了25 d，对环境影响小，适应性强，造价节省300万元。该工程通过科学的施工工艺，严格的质量安全控制措施，实现了安全、质量、效益和工期总体目标。

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

文献标识码：A 文章编号：1673-1816（2015）02-0042-07

2015-03-17

徐大平（1981），男，学士，工程师，研究方向土木工程。