大跨度框架顶进施工时铁路双线线路加固技术研究

陈俊超

摘要：本文以下穿太焦铁路的框架顶进施工为例，详细说明了大跨度、双线铁路（线间距过小，线间无法设置支墩孔桩）的线路加固方法。并重点阐述了I100大工字钢、[3703]组合构件在线路加固中的应用，以期为此类困难条件下的线路加固提供参考。

Abstract： This article takes the frame jacking construction of the Taiyuan-Jiaozuo Railway as an example， and explains in detail the line reinforcement method of the large-span and double-track railway （the line spacing is too small， buttress hole piles cannot be set between the lines）. It also focuses on the application of I100 large I-beam and [3703] composite members in line reinforcement， in order to provide reference for line reinforcement under such difficult conditions.

关键词：大跨度框架;双线铁路;线路加固;I100大工字钢;[3703]组合构件

Key words： long-span frame;double-track railway;line reinforcement;I100 large I-beam;[3703] composite member

中图分类号：U445.72                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0147-03

0  引言

道路及涵洞等工程下穿铁路的施工建设通常采取预制后顶进法施工，为了维持铁路的正常运营，对铁路线路进行防护、加固是必不可少的，但随着顶进框架等构筑物跨度日趋增大，且施工环境也是复杂多变，线路加固及防护的技术难度也是越来越大。本文以下穿太焦双线铁路大跨度的框架顶进施工为例，总结了在复杂及困难的施工条件下，下穿双线铁路大跨度框架顶进时的线路加固方法，以期探索、研究出更为安全可靠、技术可行的线路加固而方案。

1  工程概况及技术难点

长治市黑臭水体治理工程（穿太焦铁路工程）及涉铁地段河道整治工程位于石子河与太焦铁路交叉处。新建北侧人行步道及污水涵与太焦铁路交叉处里程为K241+907.18，南侧人行步道及污水涵与太焦铁路交叉里程为K242+038.1、河道扩孔涵与太焦铁路交叉处里程为K242+024.2，3座箱涵与太焦铁路交叉角度均为90°，采用线路架空顶进法施工，顶进方向为自东向西。其中南岸新建污水涵与南岸新建河道扩孔涵为紧邻设计，采取一次同时顶进法施工。南岸新建污水涵顺铁路桥长5.5m，横铁路桥长13.5m，结构全高8.9m，中间设置2层水平隔板，分别形成走人、过污水及电缆管线预留仓。南岸新建河道扩孔涵顺铁路桥长21.7m，横铁路桥长13.5m，结构全高8.9m，为2×9.5m双孔连体涵。由于其中南岸新建污水涵与南岸新建河道扩孔涵共同顶进的框架总跨度达27.8m，需架空太焦铁路长度达30m。且太焦铁路双线的线间距仅为4m，股道间无法设置孔桩支墩，故传统的型钢，或是D型便梁均不适合用于本项目的线路加固，需探索及研究新型的线路加固方案。

2  线路加固的设计方案

在对以往各类线路加固方案进行总结的基础上，参考类似施工条件的线路加固方案，并进行了充分的优化及评估，本项目南岸框架涵顶进采取的线路加固方案如下：设计方案按纵、横向硬支点架空线路后顶进。路架空采用“纵横抬梁”法。采用I100大工字钢作为线路加固的纵梁，2根一组，纵梁设在太焦铁路的两侧，纵梁总长度为48m，孔跨设计为7.75m+10.5m+10.5+9m。因太焦上行、下行的线间距仅为4m，难以在线间设置孔桩支墩，故仅在太焦上行、下行线间布置了压梁，以增强线路加固体系的整体稳定性，压梁为2根一组[3703]组合构件。线路加固的横抬梁全部采用[3703]组合构件，其长度为12m，按0.6间距布设。本项目还在支墩顶上布设支点式横梁5组，5根[3703]组合构件为一组。其中3组横横梁长度12m，2组梁长18m（末端固定在抗横移桩上，以避免线路横移）。采用U型螺栓和吊梁角钢设置双螺母将横抬梁、支点横梁与纵梁联结成整体。为了确保线路架空加固安全稳定，使纵、横梁的强度、变形满足要求，在上行线和下行线两侧对应纵梁与横梁组交点位置设置直径1.5m（不含护壁）的C30钢筋混凝土支墩桩，桩长分别为11m和15m，共计8根（15m长支墩桩6根、11m长支墩桩2根）;为避免线路横向滑移，在框架桥顶进前方的支墩桩的外侧7m处设置2根抗横移桩，直径1.5m（不含护壁）的C30砼桩，樁长15m。为确保铁路路基的安全，在新建污水涵的南侧，布设直径1.25m的路基防护桩8根，桩间距按2m，桩长为14.0m。线路加固体系的结构布置如图1、图2、图3所示。

3  线路加固施工关键技术

3.1 架空准备  线路加固及框架顶进实施前，对操作人员、防护人员及现场管理人员进行既有线施工的安全培训。并严格按规定履行施工申报审批手续，现场的施工组织严格按经铁路相关部门批准的方案组织实行。将螺栓、拼接板、扣件、轨距杆、I100大工字钢、[3703]组合构件、U型螺栓等线路加固用材料提前备好和加工，施工所需施工机具进入现场。施工期间（包括支墩孔桩挖掘、线路加固及顶进框架），限制列车通行施工点的速度为45km/h，框架顶进就位，且恢复太焦线路后，再按正常速度通行列车。慢行、要点都在长治车站登记，并按规定在长治车站派驻联络员，严格按照有关规定在工点两端的线路上的规定位置设置慢行防护等标志，和安排足夠的合格防护人员进行防护。

3.2 线路应力放散  由于太焦铁路正线为无缝线路，为避免线路在施工期间出现爬行及胀轨（缩轨）跑道，在实施太焦铁路线路加固前，对太焦铁路钢轨进行应力放散。

3.3 横抬梁组、横梁穿设  线路加固的横抬梁、横梁全部采用人工穿梁。横抬梁及支墩孔桩上的横梁采取分开穿设。在线路西侧用土填筑作业平台，横梁利用吊车吊装至作业平台上，使用25T吊车，或挖掘机配合人工穿设，首先安排人工扒除拟穿横抬梁及横梁组位置处的枕木盒内道碴，然后再用汽吊、挖掘机吊起横抬梁，配合人力穿入。按“隔六穿一”原则穿设[3703]组合构件横抬梁，横抬梁从太焦上下行线钢轨轨底穿过。横抬梁组通穿线路，按照太焦下行轨轨底控制，利用杂木板和绝缘胶垫对高差进行调整。支墩桩桩顶标高根据实际架空要求确定，支墩桩桩顶标高需稍低于路基面标高。慢行开始后组织人员清理桩头，根据纵梁安放位置穿设横抬梁，支墩桩位置应先穿设支点横抬梁，桩顶与横梁间应满铺枕木。为了避免联电，在钢轨与横抬梁、横梁组间加垫绝缘垫板绝缘。采用U型螺栓和吊梁角钢设置双螺母将横抬梁、横梁与纵梁联结成整体。

3.4 纵梁架设  线路两侧布置架空纵梁共计12片，每侧6片16m长I100工字钢（3片一组，共2组），线路中间设2片一组[3703]压梁，单侧长度48m。纵梁采用100t汽车起重机吊装方式就位。吊装纵梁在封锁点内施工，在线路东、西侧同时进行纵梁吊装，根据方案提前规划构件存放位置，按照吊装施工的先后顺序分别存放各种构件。吊装施工严格按照起重机操作规程进行，吊装工作准备就绪后，先试吊检测，确认采用的吊装方案合理、机械设备运行正常后，方可进行纵梁的正式吊装。

3.5 线路参数控制

3.5.1 轨距控制  因为砼枕能够使轨距得到较好的控制，故不抽换架空范围内的砼方枕，以确保轨距符合要求。

3.5.2 线路横向控制 为避免线路横向滑移，在框架桥顶进前方的支墩桩的外侧7m处设置2根抗横移桩，因在顶进后期，线路加固的东侧支点需转移至框架顶上，为了减少横梁与框架砼面间的摩阻力，在两者之间设置滚杠;且并排的两个框架采取分步错时顶进，减少同时滑动的支点，以降低顶进作用于线路的摩阻力。

3.5.3 线路下沉、偏移处理措施  出现线路下沉、偏移等现象时，立即停工。在工点两端的线路旁设置防护标志，随时拦停列车，并将险情通报邻近的长治、大辛庄车站，扣发列车。然后上足道砟，对股道起道、拨道，确认达到临时补修条件后，限速放行列车，随后再继续整修线路，直至达到正常运营标准。

3.6 线路架空期间检查维修及巡养制度  ①从开挖支墩孔桩，直至拆除线路加固体系，并恢复线路前。在现场按《技规》要求设置减速信号标、作业标及移动停车信号标。严格按铁路管理部门的要求配备现场防护人员，做好每趟通过列车的接车，按规定出示信号。②线上所有施工人员严格执行既有线施工安全规定，并做好记录。严格执行交接班制度，严禁擅自撤离工作岗位。③安排线路巡道工24h不间断对线路几何尺寸、支撑体系的防联电、防木撑侵限等进行巡查，除了要求每通过一列列车都必须认真检查线路后，日常线路检查间隔时间不得超过2h，并认真填写线路检查记录。建立建全交接班制度，出现问题及时处理。

4  线路加固稳定性验算

4.1 容许应力  线路加固作为主要承载结构的纵梁与横抬梁为临时结构，故屈服强度按70%设定，即[σw]=210MPa。低碳钢Q235弹性模量按：E=210GPa。

4.2 容许挠度  根据规范要求，最大容许挠度不得超过计算跨度的1/400。

4.3 主要参数  ①I100大工字钢：高h：1000mm，宽b：360mm，腹板厚d：19mm，截面积A：462.8cm2，每延米重量：420kg/m，截面惯性矩Ix：787228cm4，截面抵抗矩Wx：13900cm3。②[3703]组合构件：高h：420mm，宽b：200mm，腹板厚d：21mm，截面积A：172cm2，每延米重量：145kg/m，截面惯性矩Ix：75712cm4，截面抵抗矩Wx：3442cm3。

4.4 纵梁检算  线路加固纵梁为2根一组的I100大工字钢，横抬梁为单根[3703]组合构件，由线路加固设计方案可知，纵梁的最大跨度为L=10.5m。

按简支梁进行纵梁承载检算，列车荷载查《铁路桥涵设计基本规范》（附录C），列车荷载通过内插法换算成均布荷载q1=143.8kN/m。

其上的线路设备荷载取q2=5.1kN/m;横抬梁重量荷载q3=（（10.5/0.6）×145×12×10）/（2×10.5×1000）=14.5kN/m;纵梁自重：q4=（2×420×10）/1000=8.4kN/m;列车冲击系数按《铁路桥涵设计基本规范》的规定，计算得1.06。

弯矩：M=（q2+q3+q4）L2/8+1.06×q1L2/8=（5.1+14.5+8.4）×10.52/8+1.06×143.8×10.52/8=2486.5kN·m

强度：σ=2486.5×1000/（2×13900）=89.4MPa<210MPa

挠度：fmax=（5（q1+q2+q3+q4）L4）/（384EI）=5×（143.8+5.1+14.5+8.4）×10.54/（2×384×210×787228）=0.0081m<10.5/400=0.02625m

故跨度为10.5m的纵梁能够满足承载要求。

4.5 横抬梁检算  检算横抬梁时，现行的现行机车最大軸重取P=250kN，轴距为1.5m。横抬梁按0.6m一根布设。并考虑冲击作用和横抬梁承载的不均匀性，在限速不超过40km/h时，其综合不均匀系数按1.5。故活载作用于单根横抬梁的荷载为：P1=1.5×220/（1.5/0.6）=132kN。

单根横抬梁所承受的自重、股道荷载经计算得：P2=20kN。

框架桥顶进自东向西进行，当顶进接近东侧支墩孔桩时，需将横抬梁的支点转移至框架顶上，然后进行东侧支墩孔桩的破除。此时，横抬梁最大跨度为10m，当框架向前继续顶进时，横抬梁的跨度是逐渐减小的，故破除东侧支墩孔桩后，横抬梁为最不利工况。这时横抬梁承载检算如图4所示。

4.5.1 强度计算  通过承载检算图（图4）可以知道，横抬梁最大弯矩出现在外侧3.5m处的受力点。

支座反力：RA=136.8kN，RB=167.2kN;Mmax=3.5RA=3.5×136.8=478.8kN·m;应力：σ=Mmax/W=478.8/0.003442=139105kPa=139.1MPa<170MPa。

4.5.2 挠度计算  fmax=21.1mm<[f]=10000/400=25mm。

故横抬梁能够满足承载要求。

4.6 支墩孔桩检算

4.6.1 线路各荷载的确定  根据线路加固方案设计图，可得支墩孔桩最大间距10.5m;桩径1.5m;桩长为15m。

线路活荷载q=143.8kN/m，列车活载总重：143.8×10.5=1509.9kN;跨度10.5m范围内的纵梁、横抬梁及线路设备等静荷载经计算得：324.5kN;孔桩自重为：0.752×3.14×15×2.5×9.8=649kN;单根支墩孔桩承受的总荷载：F=324.5+1509.9+649=2483.4kN。

4.6.2 磨擦桩轴向受压的容许承载力  按《桥涵基础设计规范》，摩擦桩轴向受压的容许承载力：

=0.5×（3.14×1.5×（0.7×40×4+0.9×40×11）+1×0.752×3.14×1600）=2609kN

上式中各符号含义见《桥涵基础设计规范》，各参数取值来源于加固设计方案及地质勘察报告。

4.6.3 桩结构的确定  F=2483.4kN<[P]=2609kN，故支墩孔桩承载力满足要求。

桩顶应力：σ=2483.4/（0.752×3.14）=1406kPa=1.406MPa。

C30砼：[σ]=30MPa，故支墩孔桩采用C30砼满足要求。

5  结束语

在本项目大跨度框架顶进法施工时采用I100大工字钢作为线路加固的纵梁，[3703]组合构件作横抬梁，以上两种施工器材均承载能力强，使用灵活，构建的线路加固体系稳固安全，克服了型钢、D型施工便梁进行线路加固的局限性，解决了线路纵、横向大跨度的加固难题，对类似项目顶进施工的线路加固方案设计有较强的借鉴意义。

参考文献：

[1]周水兴.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001，1.

[2]建筑基础设计与施工[M].北京：化学工业出版社，2011，03.

[3]刘飞.既有线限速45km顶进大跨度框架箱桥线路加固设计[J].内蒙古科技与经济，2014（2）.

[4]杜卫军.大跨度箱形桥顶进密布横梁线路加固体系设计[J].城市道桥与防洪，2013（12）.