下穿铁路顶进与现浇相结合斜交框架桥设计特点

张威振，李丽娜

（湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075）

下穿铁路顶进与现浇相结合斜交框架桥设计特点

张威振，李丽娜

（湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075）

本框架桥位于圆曲线上且斜交角度大，桥址处布设管线密集且类型复杂，施工期间要求既不中断既有道路交通又要确保老桥拆除和新桥顶进期间的铁路运输安全，为此在常规顶进施工经验的基础上结合本工程的特点对顶进方案进行了改进与创新，采用边孔顶进与中孔现浇相结合的施工工艺降低施工安全风险，通过增设抗横移桩等措施增强了架空便梁的横向稳定性，并采取措施实现施工期间及正常运营期间的电气化柱的安全过渡。实践证明，该施工工艺操作简单，适用性强。

斜交；顶进；现浇；抗横移；安全过渡

0 引言

框架桥下穿铁路时多采用顶进施工工艺，其工法相对比较成熟[1]。本工程由于位于圆曲线上且斜交角度大、桥址处布设管线密集且类型多样化、结构受力复杂且施工期间要求既不中断既有道路交通又要确保老桥拆除和新桥顶进期间的铁路运输安全[2]，受上述诸多因素的制约最终采用边孔顶进与中孔现浇相结合的施工方案，其工法与常规的顶进施工相比具有自身的特点。本文通过对该桥设计特点的总结力争为今后类似工程的设计提供借鉴与参考。

1 工程概况

书院路铁路立交桥距长沙市南二环线约260 m，共有3座桥梁，分别为京广铁路上行线桥、京广铁路下行线桥、火车南站与新开铺站联络线桥，其中京广铁路上行线桥、京广铁路下行线桥平行、线间距5.0 m、错台布置，道路与京广铁路交叉角为48°；联络线桥单独设置，与书院路交叉角为51°。既有桥均为2孔16 m钢筋混凝土梁桥（其中京广线为π型梁，联络线为T型梁），圆形桥墩、T型桥台，桥下限高4.5 m。既有桥现状见图1所示。鉴于长沙火车南站已拆除且火车南站与新开铺站联络线已部分拆除（已拆除至联络线火车南站方向一侧桥台外40 m处），因此书院路拓宽改造时暂考虑拆除既有联络线桥、改建京广铁路立交桥。根据收集到的部分竣工资料及1977年7月15日新开铺桥墩墩台加固竣工图中显示：左线桥已运营多年，1959年右线墩台与左线同时修建。既有桥下空间拥挤，交通组织非常混乱，需将此既有立交桥拓宽改造为（6+2×15.5+6）m四孔框架桥。

图1 既有铁路桥现状Fig.1 Current situation of existing railway bridge

2 主要技术标准

2.1书院路

道路等级：城市主干路。

设计时速：40 km/h。

桥址处路基横断面：2×[3.5 m（人行道）+11.5 m（2个下层行车道+非机动车道）+2.5 m（绿化带）+ 16.0/2 m（4个高架上层直行行车道）]=51.0 m。

汽车荷载：城-A级；人群-3.5 kPa。

路面：沥青路面。

2.2 京广铁路

铁路等级：国铁I级。

荷载标准：中-活载。

股道数目：双线。

牵引种类：电力牵引。

桥址处京广铁路为圆曲线，R=1 010 m。

3 结构体系简介

书院路中心线和铁路中心线斜交，交叉角约为47.4°，在京广上（下）行桥址处分别新建（6+2× 15.5+6）m四孔框架桥，其中6 m框架桥顶进，15.5 m框架桥现浇，按斜交47°设计，斜交斜布，两6 m边孔框架顶底板厚度均为70 cm，侧墙厚度60 cm；两15.5 m中孔框架顶底板厚度均为125 cm，侧墙厚度120 cm。机动车道内净高不小于5.0 m，人行道内净高不小于3.5 m，框架桥顶板至轨底覆土厚度不小于1.2 m。边孔6.0 m框架通行人行、非机动车。中孔15.5 m框架通行2个下层的机动车道及2个高架上层的机动车道。

新建框架桥平面布置示意见图2所示。

图2 框架桥平面布置示意图（单位：cm）Fig.2 Schematic diagram offrame bridge layout（cm）

框架桥轴向长度按既有路肩宽度及预留时速200 km/h时对路肩宽度的要求等综合确定。

4 设计主要控制因素

1）老桥采用2孔16 mπ型梁，墩台均采用浆砌片石材料，与书院路斜交47°，如何拆除老桥是本项目的难点，下部构造采用浆砌片石材料，施工期间墩（台）的拆除风险极大。书院路是长沙市南北向的一条主干道，施工期间正逢南北向的芙蓉路进行地铁施工，其南北向的交通压力非常大。

2）老桥全长约50 m，老桥桥墩墩帽处设有1组钢制电气化柱，桥上搭载有10 kV自闭（贯通）高压电缆以及通信和信号电（光）缆等铁路运输设备，拆除老桥期间，桥上的电气柱需进行过渡迁改，其它铁路通信（信号）、电（光缆）等相关设备需进行防护。

3）书院路通过铁路的管线（电力管，截污干管等），桥下既有老管线，又有新增管线，老桥拆除施工，新桥顶进施工等多项工作，在空间高度重叠，如何合理安排施工工序，是保证项目顺利实施的前提条件。

4）主跨15.5 m框架桥斜交47°，结构受力极其复杂，在铁路二期恒载和中活载作用下，对其结构刚度要求高，如何精确分析框架桥的受力特性是保证后期铁路安全运营的基础。

5）设计方案既要保证施工期间书院路交通不中断，又要保证京广线正常运行，桥梁施工及老桥拆除期间均不能影响铁路及道路的正常运营。

6）不同于以往在铁路路基土体中的框架带土顶进，老桥拆除后，整个铁路架空钢梁的横向刚度非常弱，在列车离心力作用下，确保整个架空体系的横向稳定是线路架空设计的一大难点。

受上述条件的制约，本桥在方案设计阶段从安全性、施工方便性、对铁路运营的干扰性最小的角度出发，研究切实可行的技术方案保证铁路运营安全，同时考虑为铁路的发展预留条件，并根据桥位附近的地形、交通规划、地质、地貌等自然条件、施工难易程度及建设单位意见，充分考虑交通规划、特别是施工期间对京广铁路的运输干扰等因素，本着“安全、适用、经济、美观、有利于环保，以及地方和铁路共同协调发展”的原则[3]，最终确定采用边孔顶进及中孔现浇相结合的施工方案，尽量减少体系转换的次数，降低施工安全风险。

5 设计主要特点

由于本桥在施工期间既要保通道路又要顾及工期的合理安排，采用预制顶进边孔将既有桥下交通逐步过渡到边孔，然后再拆除既有桥施工中间两孔框架桥的施工步骤，期间分阶段施工既有管线保护涵。与常规的顶进设计相比本桥具有如下创新点：

1）采用（6+2×15.5+6）m四孔框架桥，其中6 m边孔框架桥顶进，15.5 m中孔框架现浇。此方案不同于其它全部顶进的框架桥，该方法巧妙的利用了既有铁路桥π型梁梁底下的空间，最大限度地避免了中孔框架在顶进过程中进行线路架空多次“体系转换”的巨大风险，在项目审批、工程投资等方面更加有利，其综合效益更好。先施工边孔框架再施工中孔框架的施工工序合理的解决了新增管线顶进与老桥拆除施工、新桥顶进施工等多项工作的有序衔接问题。同时线路架空桩布置有效的避开了既有桥台、桥墩、管线的位置，为拆除老桥创造了成熟的条件。同时也预留出框架底下各种管线的穿越空间。由于受到铁路限界及既有墩台位置、下设管线等的限制，最终采用D12型便梁，便梁之间的接头采用钢板按简单连续处理，其目的是加强前后孔D便梁之间的连接，以增强整个架空体系的横向稳定性[4]。

2）框架设计施工过程考虑了铁路电气化柱等相关的临时迁改和永久性迁改，其迁改过程复杂分两次过渡。接触网支柱N078、N083在老桥拆除前，临时过渡至线路架空桩M1、L4的桩基顶部牛腿上，框架就位后在框架侧墙上恢复。框架侧墙上的预埋螺栓等具体措施以电力部门的迁改方案为准。电化柱临时过渡期间，列车限速45 km/h，在列车恢复正常车速以后，电化柱应永久过渡到框架的顶板侧墙上。临时过渡布置见图3。

图3 电气化柱临时过渡示意图Fig.3 Schematic diagram of temporary transition of electricalcolumn

3）Ⅰ、Ⅳ框架由于顶进过程中与既有桥台发生冲突，因此需要事先对既有桥台进行加固，凿除冲突部分后对其进行片石混凝土修补，见图4所示。经过对桥台的受力分析，需要对桥台前墙及基础加大截面，减小应力，每侧加厚1 mC25混凝土，通过植入钢筋与既有桥台连接，同时锥坡拆除后在桥台台身侧面用编织袋盛土码砌防止台后土垮塌及确保台身的横向稳定。

图4 桥台加固示意图Fig.4 Schematic diagram of reinforcement of bridge abutment

4）由于中孔框架现浇时，线路架空长度较长，且铁路线路位于R=1 010 m的圆曲线上，在离心力及列车摇摆力的作用下，架空便梁的横向稳定性较差，且架空桩由于出露地面高度在10 m左右，受力特点接近于纯弯构件，在水平力的作用下水平位移超限同时承载力也不满足规范要求。经过综合计算分析，为防止D型便梁的纵梁在离心力作用下往外横移，在D便梁纵梁的梁底下反扣2根I20a工字钢撑杆（或拉杆）并将其连接到对应相邻铁路线路的架空的挖孔桩墩柱上，使之成为一个整体，提高横向稳定性。

下行线便梁通过I20a钢撑杆（共计3道）与上行线对应的架空桩相连，架空桩之间设置型钢水平支撑，外侧桩与锚座通过I20a工字钢斜撑相连。

上行线便梁在边孔位置通过一道钢拉杆，和对应下行线的架空桩相连，在中孔位置设置2φ1.3 m抗横移桩HL，将纵梁底下的水平撑杆I20a直接和抗横移桩HL相连，防纵梁横移措施示意见图5所示。

图5 防纵梁横移措施示意图（单位：cm）Fig.5 Schematic diagram of measures to preventlongitudinalshifting（cm）

5）由于该框架斜交角度达47°，结构受力极其复杂，全桥按实际情况建立板单元模型计算分析，对边界条件、施加荷载、施工阶段等进行了详细模拟。中孔框架顶板主弯矩分布见图6所示，由主弯矩分布特点可以看出，荷载有沿最短距离向支承边传递分配的趋势，且钝角区域承受弯矩最大、受力复杂控制配筋（图中弯矩以顶板顶面受拉为正，受压为负），跨中和支承边主弯矩的最大偏角都为43°左右，与支承边近似垂直，最大负弯矩的大小和偏角在跨中最大，向自由边递减，最大正弯矩由钝角部位向锐角部位减小，偏角从43°减小到水平方向。钢筋布置时须在钝角靠近顶板上缘、底板下缘布置垂直于钝角平分线的加强钢筋，在靠近顶板下缘、底板上缘布置平行于钝角平分线的加强钢筋。

图6 框架顶板主弯矩向量分布示意图Fig.6 Sketch map ofthe main bending moment vector distribution ofthe frame roof

6）中孔框架现浇完毕后，按常规施工方式采用电动风镐凿除嵌固在框架顶板内的挖孔桩墩柱，凿除强度大，施工周期长，延长了铁路运营的慢行时间。本设计考虑在挖孔桩墩（柱）穿过框架顶板时采用型钢短支墩代替钢筋混凝土，大大提高了施工效率，具体构造见图7所示。中孔框架现浇完毕并达到设计强度后，在“封锁点”内，将桩柱顶部的型钢支墩吊离，在框架开洞的顶板上改用短工字钢纵梁来代替型钢支墩，D12便梁支点的位置不改变，仅是转换支承在短纵梁上，短纵梁下部支撑在框架顶板上，框架桥内对应位置采用钢管混凝土临时立柱支承。

图7 型钢短支墩构造图Fig.7 Structure diagram ofthe steelshortpier

7）桥址位置需要布设多种管线，空间位置较为复杂，具体管线有：京广下K1576+621.48增设1-φ1.0 m燃气管保护涵；京广下K1576+630.26增设1-φ2.0 m钢筋混凝土污水保护涵；京广下K1576+674.25敷设φ60 cm夹砂玻璃管雨水管，外套 φ80 cm钢筋混凝土保护圆管；京广下K1576+677.05增设1-3.0×1.5 m框架箱涵截污干管；京广下K1576+722.88广州侧边孔框架桥底部顶进1-φ2.0 m电力管线保护涵；京广下K1576+ 748.9增设1-φ2.4 m钢筋混凝土自来水管保护涵。由于管线的密集布置，在临时架空桩布置的时候要尽量避开上述管线的平面位置。上述管线除自来水管保护涵、污水保护涵、燃气保护涵采用顶进施工外其余均采用开槽空顶施工。

8）巧妙地利用了小跨径D型便梁在R=1 010 m的铁路圆曲线上施工，分别架空京广上、下行线路，使得某些施工工序可以在“V型天窗点”中进行，减少了垂直天窗点，减少了对京广铁路运输的干扰。

6 结语

长沙市书院路下穿京广铁路框架桥设计中采用先顶进施工后现浇的方法下穿既有铁路大大降低了施工安全风险，架空桩布设充分考虑多种管线的空间位置，通过增设抗横移桩等措施增强了架空便梁的横向稳定性，并采取措施实现施工期间及正常运营期间的电气化柱的安全过渡，在挖孔桩墩（柱）穿过框架顶板时采用型钢短支墩代替钢筋混凝土，减少了混凝土的凿除时间提高了施工效率。该设计方案既保证了施工期间书院路南北向的正常交通，又确保了老桥拆除和新桥顶进期间的铁路运输安全。竣工通车后的效果见图8所示。

图8 竣工后照片Fig.8 Photos after completion

该工程安全、经济、适用、美观，使城市桥梁与既有铁路友好和睦相处，为类似地方道路下穿既有铁路桥段拓宽改建工程提供了很好的借鉴和示范。

[1]张大虎.下穿铁路框架桥纵横梁加固体系的改进和应用[J].铁道建筑技术，2012（4）：97-99. ZHANG Da-hu.Inovation and application of under-railway frame bridge verticaland horizontalbeam reinforcementsystem[J].Railway Construction Technology,2012(4)：97-99.

[2] 燕春.浅谈框构桥顶进施工中扎头的处理[J].铁道建筑技术，2014（1）：17-18. YAN Chun.Treatmentof"lowering-head"in the jacking construction offramed structure bridge[J].Railway Construction Technology, 2014(1)：17-18.

[3] 刘凯.5×16 m下穿铁路框架桥顶进施工分析[J].铁道建筑技术，2016（2）：9-12，21. LIU Kai.Jacking construction of 5×16 m under-passing railway frame bridge[J].Railway Construction Technology,2016(2):9-12, 21.

[4] 周磊.大跨度框架桥线路架空施工技术[J].铁道建筑技术，2015（7）：80-81，111. ZHOU Lei.Construction technology on lines overhead for large span frame bridge[J].Railway Construction Technology,2015(7): 80-81,111.

Design characteristics of skew frame bridge under crossing railway using the jacking combined with cast-in-place technology

ZHANG Wei-zhen,LILi-na
（Hu'nan Zhongda Design Institute Co.,Ltd.,Changsha,Hu'nan 410075,China）

The frame bridge is locating on the circular curve and has large skew angle,the pipeline layout is intensive and complex on the bridge site,to ensure the existing road traffic flow and the railway transportation safety during the old bridge demolition and new bridge jacking period,we carried out the improvement and innovation of the jacking scheme based on the experience of the conventional jacking construction using the technology of combining the side span jacking and mid-span cast-in-place in order to reduce the risk of construction safety,using adding the anti-sliding pile measures to enhance the lateral stability of beam overhead,and taking measures to make the safety transition of the electric column during the construction period and the normaloperation period.The practice proves thatthe operation is simple and applicable.

skew;jacking;cast-in-place;anti-sliding;safety transition

U655.2；U442.53

A

2095-7874（2017）02-0053-05

10.7640/zggwjs201702011

2016-09-07

大跨、大斜交角铁路刚架桥空间分析与应用项目（RD05）

张威振 （1979— ），男，山东安丘人，硕士研究生，主要从事公路与桥梁方面的研究。E-mail：linquanzhang@yeah.net