经九路下穿陇海铁路箱型桥有限元分析及施工技术

李 青 （中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

1 概述

本桥为五孔箱型桥（孔跨布置根据经九路现有道路布置），孔跨布置为：（4.5+15+15.5+5+4.5）m。与陇海线斜交角度为26.55。，为经九路下穿陇海铁路而设，南北两侧出入口与公路箱型桥相接。建设期间桥上通行既有线3条，分别为：陇海下行线、牵出线、陇海上行线。配合西安站改建工程，拆除全部既有线，重新布设铁路线路，本工程施工完毕后，桥上通行共8条线路：改建陇海上下行线，增建陇海三四线、增建两条机车走行线及2条车底走行线，桥内（15+15.5）m为车行道，东侧4.5m孔和西侧5m孔为非机动车道和人行道，盖板下及最西侧4.5m孔为市政管线预留廊道。箱型桥共分9个节段，西侧总长109.241m，东侧总长84.007m，1～5节段为斜交节段，第6、7节段为渐变节段，8、9号节段为正交段（见图1）。

2 有限元分析

本箱型桥总节长较长且分段施工，在有限元分析中选取受力最不利的节段即4号节段采用Midas Civil进行精细分析。本节段为斜交箱型桥，斜交角26.55。，箱型桥箱身采用C40混凝土，高10.3m，顶板厚1.1m，底板厚1.2m，侧墙厚度1m。基础采用1.0m厚C35混凝土，断面尺寸如图2所示。

主要材料：箱型桥采用C40混凝土，弹性模量E=3.40×104MPa，泊松比 ν=0.2，混凝土 γ=26kN/m3；基础采用C35混凝土。

图1 箱型桥总布置图

图2 4号节段断面尺寸示意图

主要荷载：

①恒载：框架自重、线路设备重、道路铺装等。

②二期恒载：铁路二期恒载取101.26 kN/m；车行道二期恒载取5 kN/m2，非机动车道和人行道二期恒载取13.6 kN/m2，市政管线预留廊道二期恒载取16.75 kN/m2。

③土压力荷载：

顶板上路基填方的竖向压力和水平压力：按照《铁路桥涵设计规范》[1]第4.2.3条规定计算，填土容重按18kN/m3计算。

路基填方引起土压力：竖向土压力P=KγH=44.6kPa；水平土压力：顶板 e1=ζγH1=14.7kPa；底板e2=ζγH2=83.2KPa

活载引起的土压力：竖向土压标准值qh=38.8kPa；顶板水平土压力值e=ζqh=13.58 kPa

④箱型桥顶部铁路列车设计活载按照“ZKH活载”考虑。

⑤公路荷载按照“城-A”考虑。

箱型桥采用板单元建立模型，弹性地基的计算采用共同变形理论[2]。曲面弹簧单元模拟地基土与箱型桥地面的相互作用，地基基床反力系数k=5×104kN/m3，箱型桥计算模型如图3所示。

图3 箱型桥有限元模型

结构计算荷载工况考虑结构自重、二期恒载及土压力，列车荷载和车道荷载，按照《铁路桥涵设计规范》来进行荷载组合计算，并按照《铁路桥涵混凝土结构设计规范》[3]中钢筋混凝土构件裂缝宽度要求控制结构的主筋配筋数量。

通过对结构计算，结构分析，结构最大位移发生在顶板跨中，位移值Uy=10.2mm,小于构件计算跨径的L/1200=14mm，结构变形满足规范要求。结构变形云图如图4所示。

图4 箱型桥变形云图

提取结构内力结果可得，箱型桥顶板、底板轴力很小；侧墙为弯压构件，轴力较大。结构弯矩云图如图5所示，顶板、底板最大正负弯矩值分别出现于跨中及竖墙处，且竖墙处负弯矩值较大。本斜交箱型桥与斜交梁桥有相似的受力特征，跨中弯矩峰值向钝角方向靠拢。

图5 箱型桥弯矩云图

根据受力分析及构件裂缝控制计算，顶板与竖墙相接处配筋按两根一束28号钢筋，间距10cm进行配筋设计，钢筋应力最大为189.9MPa，裂缝宽度ωf=0.156mm，均满足规范要求。

3 主要施工技术措施

本箱型桥断面大，断面尺寸达50.5m，纵向共分9个节段，第4、5、6节位于F3地裂缝段，对地裂缝的活动性进行评价，采用未来50年内最大垂直位移按照150mm设防[4]。如果采用传统的顶推施工，各个节段只能相继顶推施工而引起工期长，部分节段需顶推穿过两条铁路，顶推距离长，且与既有线路的干扰较大。

本工程采用现浇施工与顶进施工相结合的创新工法，第1节段与第6节段采用顶进施工，其余节段采用现浇施工。其中第6节段由北向南顶进施工，第1节段由南向北顶进施工。顶进施工的同时，同期开挖第3、4节段。在第4节现浇完成，第6节顶进到位后，再浇筑第5节，并将此三节连接为一体，第5节采用补偿收缩混凝土浇筑。此时同期浇筑7～9节，根据施工进度择期浇筑2、3节。箱型桥总施工工序流程图如图6所示。

图6 箱型桥总施工工序流程图

3.1 工作坑开挖

由于箱型桥下挖设置，开挖深度大，为减小开挖面，在开挖工作坑前，采用φ1.25m钻孔桩防护基坑四周，既有线处采用φ1.25m挖孔桩防护。

工作坑是1、6节段预制和顶进的场地。施工前对既有线路基采用挖孔桩进行防护，1号节段南端和6号节段北端开挖工作坑，施工工作底板，工作坑的位置根据现场地形，土质情况及施工机具综合考虑。工作坑需考虑必要的排水设施，以防基坑边坡失稳。

开挖工作坑后先修筑滑板，滑板表面应尽量光滑平整，高程误差不宜超过±3mm，并喷涂润滑剂。

3.2 箱型桥主体浇筑

可分为两个阶段施工，先浇筑框架底板混凝土，当其达到适宜强度后，在绑扎上部钢筋，浇筑相应部分混凝土。浇筑底板混凝土时，保证其与滑板的有效隔离，防止粘接而发生启动顶进困难。

为防止混凝土收缩开裂，要求混凝土有最大的密实度，夏季高温施工时要尽量降低混凝土的入模温度，严格控制混凝土水灰比，浇筑完成后精心养护。

3.3 既有线的加固

采用φ1.25m挖孔桩防护基坑及既有路基。陇海下行线由东向西采用(4×16+12)m工字钢梁架空既有线，其余既有线均采用由东向西(5×16)m工字钢梁架空，而钢梁支点采用挖孔桩支墩，线路外侧支墩利用慢行点施工，线间支墩施工需要封锁线路施工。待箱型桥顶进至工字钢的支墩处时，工字钢支于箱型桥顶面并切除支墩继续顶进。

3.4 后背工程

后背是承受顶进时水平顶力的反力的重要构筑物，本箱型桥吨位重，后背工程自顶进开始到结束应保持足够的强度和稳定性。本次后背工程设计采用后背墙加后背桩相结合的方式，后背墙为M10浆砌片石，后背桩采用C40混凝土。采用底板三角块来协调斜交箱型桥节段与顶进方向之间的角度。

3.5 顶进施工

本箱型桥第1、6节段采用顶进施工，设计顶力F=μ×G（其中 μ=1.4，G 为箱身自重），为防止顶进时底板混凝土损坏，沿受顶面安装10mm厚钢板，并在板后设置三层钢筋网绑扎于底板钢筋上，保证保护层厚度不小于3cm。顶进原则为“短进尺、快开挖，勤顶进”，并严格控制一次土方开挖的数量。顶进过程中，应对地质情况进行记录，将实际地质情况与地质资料进行比较，以做到在施工顶进中及时调整。顶进启动时，需要克服与滑板的粘着力，启动顶力较大；启动后空顶阶段顶力甚小；而箱型桥入土，顶力又逐渐增加；接近就位时候顶力最大。顶进就位后处理好沉降缝，回填路基土，注浆压实，落下架空的线路。

4 结论

对混凝土箱型桥有限元分析，可得箱型桥中竖墙处及跨中处为弯矩控制截面，且斜交箱型桥与弯矩峰值向钝角方向偏离。运用板单元建模计算结果与实际更加接近，从而可以更准确的进行结构配筋设计，保证结构计算可靠安全。

本箱型桥断面尺寸大，部分节段为斜交箱型桥，受力复杂，与既有铁路及规划铁路交叉复杂，节段划分多，施工工艺复杂。结合现场实际特点，采用了顶进法和现浇法相结合的施工方法，节约了工期，是一种快速、安全的施工方案。