顶进框构桥纵横梁加固法设计分析与应用

张 苒

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

框构顶进施工一般是为不中断铁路运营而采用的技术方法。在顶进过程中，必须对既有铁路进行加固，从而确保既有线行车安全和施工安全[1]。选择线路加固方法时，应首先考虑对运输影响小、保证铁路运营安全、施工简便易行等因素。此外，还应根据路基填土的性质、顶进桥涵的结构尺寸、框构顶上的覆土厚度，以及施工季节、地下水位变化等综合状况来考虑。

1 线路加固方法

1.1 常用方法

目前顶进框构桥施工通常采用的线路加固法有便梁加固法和纵横梁加固法，它们从构造与受力上分别称为便梁加固体系和纵横梁加固体系[2]。

便梁加固法是用便梁将线路架起，便梁通过支座支撑在梁端支撑桩顶部，将线路与便梁联结成新的结构体系，以保证线路稳定运营的加固方法。便梁最常见形式为D型便梁[3]。便梁受力的整体性较好，但对支撑基础的要求较高，目前常用的D型便梁最大跨度为24 m。此外，使用便梁加固覆土厚度须在1 m以上。适用于曲线半径R≥400 m的单线或双线，线间距根据不同跨度有不同的限制值。施工期间限速45 km/h。便梁形式如图1(a)。

随着框构跨度的增大以及桥位处双线、多线的线间距和覆土厚度的限制，当便梁加固法不适用时，可考虑使用纵横梁加固法。纵横梁加固法是将工字钢在顶进桥位处沿平行、垂直线路方向横抬纵挑、立体交叉。横梁承托枕底或轨底，采用“U”形卡具与架在其上的纵梁连接，结合吊轨、支撑桩、抗横移桩、防护桩来加固线路，实现线路在桥位处架空的条件下列车通行。新的结构随挖随顶，直到就位。

纵横梁法由于配合采用支撑桩、抗横移桩、防护桩及对桥位处路基进行注浆加固等措施，因而可以保证线路加固体系的稳定性。纵横梁受力体系可在纵、横向无限延伸[4]，以满足不同线别、跨度、交角及地质条件的顶进施工要求，见图1(b)。

图1 常用的2种线路加固方法(单位：cm)

1.2 纵横梁加固法设计要点

1)对顶进框构桥进出口两侧的路基进行防护。

2)应在顶进前方侧的路基边坡处设一排支撑桩来固定横梁。支撑桩距框构前进方向最外侧的线路中心约4 m左右。

3)应在框构顶进的前进方向支撑梁的外侧设置一排带有冠梁的抗横移桩，以保证线路横向稳定。桩径、长度、配筋等应根据框构顶进时的最大横向力确定。

4)线路加固段应全部换成长木枕，并在轨底设置垫板，以固定轨面。

5)线路加固段下设横抬纵挑工字钢承重体系，工字钢一般采用 I40 或 I50。横抬梁工字钢下设槽钢作为滑道，其铺设间距一般不大于1.5 m，并与枕木间距相匹配。横抬梁之间应以短木顶死；纵挑梁2根或3根一组分设于每股线路两侧，并于线路加固的末端架在专门设置的枕木垛上[5]。

安装横梁时，相邻横梁的接头错开1.5 m及以上。扣板螺栓不得高于行车限界。两轨间的吊梁、螺栓和扣板等不得侵占护轮轨轮缘槽位置。

6)按组成3-5(7)-3形式扣轨加固线路，两端伸出箱涵边墙外3～5 m，为保行车安全，需加设临时梭头。当新增结构位于道岔区时，线路上扣轨应尽量在每个角落设置，还应根据需要增加辅助横梁，尤其是叉心处，以保证道岔的稳定性[6]。

7)所有加固用的扣轨、枕木、横抬梁、纵挑梁相联结处均需以紧固卡予以固定。

8)为保证横抬梁的结构稳定，应至少在横抬梁的始末端以角钢在其顶部焊接成纵平联[7]。

9)在顶进中，由于框构高程的变化，带动土体引起轨面高程变化。为便于随时调整，可在横梁与枕木间用1～5 cm厚的木板垫塞，槽钢与箱涵顶板间也以木楔垫塞。

10)轨道与横抬梁间要加设绝缘垫板，以避免对电器信号的干扰。

2 有限元模型设计分析

2.1 工程概况

既有铁路为双线，线路中心距4.5 m，横梁间距0.9 m，三根纵梁间距分别为5 m，5.25 m，横梁上架设纵梁。框构高度10 m，前悬臂板宽4 m，土体稳定摩擦角45°。横梁两端固定在支撑桩上。横梁纵梁选用型钢如下：°

1)横梁采用Q235工字钢(I40b)；

2)纵梁采用Q235工字钢(两个一组 I45b)。

2.2 设计参数

1)自重：型钢重度76.9 kN/m3。

2)二期恒载：含轨道、枕木、扣件等，荷载通过轨道、扣件传到横梁节点上，折算到每个节点荷载为0.369 kN。

4)地基竖向比例系数m0取40 MPa/m2。

2.3 模型建立

应用MIDAS/Civil 2015有限元分析软件建立纵横梁加固体系的空间有限元模型(如图2)，分析纵梁和横梁在列车活载作用下的受力与变形状态。用虚拟梁单元模拟车道，空间梁单元模拟纵梁和横梁。横梁与纵梁之间采用弹性连接，位移协同，释放转角自由度；横梁与路基弹性连接，弹性系数为K0；横梁端部与支撑桩、抗横移桩固接。

图2 纵横梁加固体系有限元模型

2.4 设计指标

1)强度指标

根据TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》[9]，需对纵梁及横梁的强度进行检算。横梁、纵梁均作为在一个主平面内变形的纯弯构件，按规范公式(4.2.1—2) 、(4.2.1—6)、(4.2.1—7)分别检算构件的法向应力、剪应力和换算应力。

Q235qD钢容许应力为：轴向应力[σ]=135 MPa；弯曲应力[σw]=140 MPa；剪应力[τ]=80 MPa。纵横抬梁结构为临时结构，根据TB 10091—2017第3.2.8条，取容许应力提高系数1.2；提高后的轴向应力、弯曲应力、剪应力容许值分别为162，168，96 MPa。

2)刚度指标

根据铁总运[2014]272号《普速铁路工务安全规则》[10]附表3-3规定了挠跨比，即梁体在静活载下的挠度应不大于跨度的1/400。

3)构件的整体稳定

根据TB 10091—2017第4.2.2条检算横梁和纵梁的整体稳定性。

2.5 工况分析

针对顶进过程中3种不利工况进行建模计算。以下工况的纵、横梁架空区均为顶进过程中的框构边墙外侧土体剥落区。

工况1：顶进过程中，单股道下方土体掏空，线路位于悬空段中部，横梁架空跨度为6 m，计算模型如图3。

图3 工况1模拟

工况2：顶进过程中两股道下方土体均掏空，横梁架空跨度为6 m，两股道与架空边缘等距，计算模型如图4。

图4 工况2模拟

工况3：在始终不对线路进行注浆加固情况下，框构顶进就位，即框构顶进方向两侧土体自然剥落，横梁14 m跨度悬挑。三根纵梁分别采用3根 I45b工字钢，即加强了纵梁。计算模型如图5。

图5 工况3模拟

2.6 计算结果对比分析

提取工况1、工况2、工况3中的横梁、纵梁在主力(恒载+活载)工况下的应力、位移，其对比如表1。

表1 应力、位移对比

由表1结果可知，工况3中，横、纵梁的应力与位移均已严重超限，因此，对线路进行注浆加固很有必要。建立工况3加固后的模型，如图6。加固后土体稳定摩擦角61°，纵梁架空跨度5.5 m。

图6 工况3注浆加固模型

工况3注浆加固后横梁最大弯曲正应力197 N/mm2，最大竖向位移-16.6 mm ；纵梁最大弯曲正应力-87 N/mm2，最大竖向位移-13.3 mm。横梁应力、位移超限。再进行纵向注浆加固，对横梁受力改善几乎没有作用。

因而在此基础上，将横梁改用 I45b，横梁最大弯曲正应力148 N/mm2， 最大竖向位移-13.6 mm;纵梁最大弯曲正应力-85.7 N/mm2，最大竖向位移-9 mm。可以看出，加强横梁可使结构满足要求。

将线间距增大为5 m，仍加强纵横梁，顶进方向两侧土体注浆至纵梁架空跨度5.5 m，计算的结构在顶进就位状态下横梁最大弯曲正应力为147 N/mm2， 最大竖向位移-14 mm ；纵梁最大弯曲正应力-82 N/mm2，最大竖向位移-9 mm。

由结果可知，此时横梁位移已达到容许值，线间距再增大设计将不能满足要求。

3 结论与建议

3.1 结论

1)横梁最大应力与位移均出现在架空段跨中部附近，纵梁在架空段的布置位置对横梁受力影响显著。

2)单轨道置于架空段中部相对于两轨道于架空段中心对称布置时横梁受力更不利，即铁路股道位于架空段的具体位置对横梁的受力影响较大。

3)垂直线路方向横梁架空段长度为6 m时，横梁位移、应力均已接近规范限制，横向悬空长度大于6 m时，需加固线路或增大结构刚度。

4)顶进过称中的结构最不利状态为顶进就位时，顶进方向框构两侧土体自然滑空，结构受力、变形均超限。此时需要同时加强纵、横梁，并对线路进行注浆加固才能满足设计要求。

5)纵横梁同时加强，顶进过程对线路注浆加固，最大能满足的线间距为5 m，此时横梁位移达到极限。

3.2 建议

1)顶进施工中随着顶进方向架空跨度的增大，横梁需要配合纵梁来加固线路，并应尽量增加前悬臂段长度，以缩小横梁架空跨度。

2)纵梁应尽可能平行线路布置，以增强对横梁的整体约束。

3)为减小顶进方向两侧土体掏空段，即减小纵梁架空跨度，顶进过程中应对线路进行注浆加固，增大路基土体内摩擦角。

4)当横梁架空跨度达到最大，致使横梁应力、位移均超限时，加强纵梁与减小纵梁架空跨度对横梁受力改善不明显，加强横梁或减小横向架空跨度对优化其受力状态作用显著。

5)在大线间距框构顶进时应加强纵梁或增设纵梁，以增大对横梁的支撑刚度，减小横梁跨度。

[1]冯卫星，王克丽.地道桥设计与施工[M].石家庄：河北科学技术出版社，2000.

[2]孟国清.既有线框构桥顶级施工纵、横梁加固体系的分析[J].铁道工程学报，2007,24(7)：42-46.

[3]李家隐.地道桥设计与施工[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[4]丁永平，王延波，曲衍宾.纵横梁线路加固体系空间结构受力分析[J].铁道工程学报，2009，26(9):42-45.

[5]刘洪亮，魏庆，李克银.顶进框构桥既有线加固计算分析[J].城市道桥与防洪，2015，32(4)：42-43.

[6]孙键.铁路架空施工中横穿梁的受力分析[J].铁道建筑，2010，50(2)：4-5.

[7]张春喜，臧其松.纵横梁线路加固体系空间结构计算分析[J].建筑结构，2012，42(增1)：482-484.

[8]中国铁路总公司.TB 10091—2017 铁路桥涵设计基本规范 [S].北京：中国铁道出版社，2017.

[9]中国铁路总公司.TB 10091—2017 铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[10]中华人民共和国铁道部.铁总运[2014]272号 普速铁路工务安全规则 [S].北京：中国铁道出版社，2014.