高地下水位道岔区顶进框架线路加固设计

李文浩

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

1 工程概况

商丘市梁园路由南向北依次下穿陇海铁路路基、郑徐高铁桥梁，根据平面图显示，道路与陇海线4条股道(2条陇海正线和2条到发线)存在交叉；自南向北各线线间距分别为5.0 m、5.5 m、5.6 m。交叉处道岔型号为9号道岔，下穿铁路路基采用6 m+11.5 m顶进框架穿越既有正线及道岔区，由于道岔区铁路线间距受限，接触网及信号设备十分复杂，顶进难度较大，需合理采取纵横抬梁架空方案，保证架空体系安全。

桥址处位于黄淮冲积平原区，地势平坦、开阔，地面高程50.00～50.90 m，相对高差0.90 m，地层以第四系全新统冲洪积层为主，该处地下水位较高，测时地下水埋深5.1 m，标高45.56 m，根据计算结果显示，线路加固支点桩长度需18 m，若采取人工挖孔方式，受地水位限制，施工条件不足，需进行降水；而框架桥距离郑徐高速铁路桥梁较近，《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》(TB 10182-2017)[1]规定：高铁影响范围内禁止抽降水，因此，该处框架桥支点桩施工方案需进行特殊设计。

2 道岔区线路加固设计

2.1 道岔区线路加固特点

框架桥顶进过程中，需保证既有线路正常运营，道岔为机车由一股道进入另一股道的连接设备，道岔区轨道结构及设备复杂[2]，对变形要求较高，线路加固必须保证道岔的所有设备与纵横抬梁体系形成可靠连接，满足平顺性要求，保证设备正常使用。

本工程道岔转辙机的终端电缆盒无法固定，须迁移、防护并完成部分电缆更换工作，无法固定的道岔转辙机可加固至线路架空横抬梁上[3]。纵横抬梁线路加固方式相对灵活，道岔区架空支点桩可根据线路走向进行异型布置，保证纵横梁结构体系安全。

2.2 道岔区线路加固设计

图1 纵横抬梁平面布置

横抬梁在枕木底部穿越，横抬梁间距0.6 m。横抬梁与枕木底用木板填塞，保证横抬梁与枕木连接紧密。为了保证道岔整体性受力，在道岔区枕木下铺垫20 mm厚钢板，钢板与横抬梁间用木板填塞。施工期间应派专人对线路架空进行监护，每次列车通过后必须及时检查，做到及时发现问题随时解决，保证线路标高、各构件连接可靠。

2.3 纵横梁数值模拟

采用Midas/Civil 2017有限元程序对架空体系进行空间分析，分别对结构整体强度与刚度进行检算。由于加固范围共计4股道，分别为陇海上、下行线、四线、八线，部分区段存在道岔，计算时按不同的车道加载计算，架空系统沿线路方向最大间隔11m设置一道横抬梁组，设计荷载传力途径为：钢轨→横梁→纵梁→支撑和钢轨→横抬梁组→支撑[5]。为了解该桥架空结构的受力性能，精确定位支点桩的位置，设定合适边界条件，对整个架空体系上部结构进行三维分析。纵横抬梁均采用Q235的钢材，结构有限元模型如图2所示。

图2 纵横抬梁有限元模型

2.4 数值模拟结果及监测结果对比

经计算可知，道岔位置跨中横梁在荷载组合主+附(有车横风)下，出现最大拉应力，同时，结构竖向位移最大值也出现在跨中横梁处，该不利工况下模型位移及应力结果如图3至图5所示。

(1)强度检算。计算结果显示纵梁最大应力为127.1 MPa，材料的容许应力值为185 MPa，满足规范要求，普通横梁45a最大应力为130.3 MPa，横梁组45a最大应力为163.2 MPa，均未超过材料容许应力值，满足规范要求。

(3)差异变形值。对单波长范围内纵、横梁相对变形情况进行分析[7]，纵梁最大差异变形值为8.4 mm，满足道岔有砟轨道动态平顺度11 mm的要求；横梁最大差异变形值为4.13 mm，满足《铁路信号维护规则技术标准Ⅰ》中道岔的拉杆及外锁闭装置水平方向的高低容许偏差不大于5 mm的要求。

图3 纵梁应力计算结果

图4 横梁应力计算结果

图5 位移计算结果

(4)根据施工单位提供的有效位移观测数据及应力监测数据，与上述监测位置的理论计算结果进行对比分析，比较结果如表1、表2所示。

表1 横梁跨中变形结果对比

表2 横梁应力结果对比

实测结果与计算结果变形、应力变化趋势吻合良好，本次线路加固体系钢结构强度及刚度均满足设计要求。

3 基于高地下水位架空方案优化

3.1 地下水对顶进施工的影响

线路加固中最常用的支点桩施工方法便是人工挖孔法，由于铁路线路下方施工空间受限，而该工法不需要使用大型机械设备，快捷、方便，是一种实用可靠的成孔施工工艺，适用于地下水位以上的粉土、粉质黏土、中等密实以上的砂土层[8]；但如果施工深度范围存在潜水或承压水的土层，人工挖孔灌注桩施工时井下作业条件差，存在塌方风险[9]，安全及施工质量堪忧。若遇到本工程中临近高铁的情况，无法进行降水作业，则必须对架空体系方案进行优化，以满足线路加固需要。

3.2 支点转换架空方式

以梁园路顶进施工过程为例，提出一种新型支点桩施工方案：支点过渡转换法。

(1)首先施工7 m人工挖孔桩，人工开挖至地下水位线以下0.5 m后成孔并灌注成桩，安装全部纵梁和横梁完成第一次线路架空，满足45 km/h的列车慢行要求，并在既有箱身上放置枕木垛与横梁相接，加固铁路。完成临时支点过渡桩后，按以下方法施工设计支点桩(桩长L＝18 m)：设计支点桩采用间隔开挖施工，分两轮完成，隔一挖一，先开挖支点桩钻孔作业平台，作业平台形成后，采用小型回旋钻完成下部桩基施工，架空立面如图6所示。

图6 支点桩局部架空立面示意

(2)除两端支点桩外，其余支点桩钻孔平台以下14 m采用混凝土灌注桩，桩顶以上安装直径1.2 m钢结构桩，上方穿设横抬梁组，横梁与桩顶之间采用枕木与硬杂木板填塞密实并打紧，两端支点桩上部4 m立模浇筑混凝土。首轮支点完成后，回填钻桩平台路基缺口并夯实，按同样方法施工第二轮剩余支点桩，施工完成后回填夯实钻桩平台路基缺口，完成过渡支点与设计支点的转换，转换过渡过程如图7所示。

图7 支点桩过渡方案立面布置

3.3 顶进施工时序分析

线路架空完成后，边顶进新建箱身A，边凿除新建箱身A处拼装钢结构支点桩，待箱身顶进至原拼装钢结构支点桩位置后，在箱顶该位置设置滑动支座，安装滑道，直至顶进至设计位置。在滑动支座下安装钢支撑[10]，防止应力过大。

边顶进新建箱身B，边凿除新建箱身B处拼装钢结构支点桩，待箱身顶进至原拼装钢结构支点桩位置后，在箱顶该位置设置滑动支座，安装滑道，直至顶进设计位置，滑动支座下同样安装钢支撑，防止应力过大。

顶进就位后，新建箱身左右侧路基回填砂夹碎石加5%水泥，箱身间距采用M10砂浆填充，箱顶回填道砟，顶进施工过程如图8所示。

图8 顶进施工过程

3.4 工艺优势及难点

(1)采取支点转换过渡方式能够有效解决地下水位过高，人工挖孔桩实施困难的问题，既可避免大范围降水，又能有效保证架空体系的稳定性。

(2)人工开挖面以上部分采取拼装钢结构桩，在顶进过程中，拆除方便，避免人工凿桩对纵横梁体系及既有线的扰动。

(3)因线路加固是在道岔上进行，加固设备与普通线路不同，需要专门加工制作，为保证线路的稳定性，防止结构出现横向位移及平面扭转，纵横梁间需加设剪刀撑[11]。

(4)商丘站西咽喉区实施顶进框架，涉及转辙机及信号机迁改，要点时间长，对铁路行车存在一定的干扰，需协调铁路信号、通信部门[12]，尽量缩短工期，减少对铁路运营影响。

4 结束语

本工程结合铁路线路特点、地下水位情况等因素，针对性地采用了异型纵横抬梁、过渡支点桩、临时钢支撑等组成的线路加固系统。通过结构计算与实测数据对比分析，验证了采取分次架空进行线路加固是安全可靠的，既解决了地下水位过高无法完全采用人工挖孔桩的局限性，又能有效保证铁路道岔区的线路平顺性；施工过程中拼装式钢结构桩拆除方便，无需进行大范围支点桩凿除，能有效避免结构失稳等不利情况，很好地解决了高地下水位区域道岔区顶进框架线路加固困难的问题，能对同类型既有线框架桥设计提供参考。