框架涵顶进施工过程中力学及安全性检算探析★

王新选

(中铁二十一局集团第二工程有限公司,甘肃 兰州 730030)

1 概述

随着工程技术的进步与发展，下穿铁路框架涵顶进技术被广泛应用。该技术在不影响铁路原线通车的情况下，既能加强其安全性又能新建道路。国内外的学者和相关技术人员对顶进施工技术进行了较多的研究，王斌[1]根据具体工程所遇到的问题，提出了解决方案并对该技术的应用前景进行了展望。左登宏[2]对顶进过程中顶力进行计算分析。林宇、代江红等[3-7]探讨了框架涵施工过程中的方案和施工工艺以及所应用到的技术。陈相文[8]介绍了中继间法顶进和便梁加固的施工技术。本文结合某下穿铁路框架涵顶进施工的具体情况，对框架涵顶进过程中力学和安全性能等进行了检算。

2 工程概况

某铁路框架涵为新建铁路下穿既有铁路的通道，新建铁路与既有线斜交，交角为40°。既有铁路为双线铁路，时速为160 km/h，线间距为4.4 m。涵孔跨式样为1-10.0 m钢筋混凝土框架涵(框架涵外径宽度12 m)，框架涵主体约2 600 t，箱身结构高9 m，顶板厚0.9 m,底板厚1 m，边墙宽1 m，涵横向长度为28.4 m,框架涵出入口与路基挡墙工程顺接，框架涵顶板顶面至钢轨轨底的距离为110 cm。

此次施工方法采用顶推法，框架涵预制在下行线侧，顶程为22 m。线路加固采用便梁加固，主支撑桩采用φ1.5 m圆形钢筋混凝土孔桩，桩长20 m，共计8根；辅支撑桩用φ1.5 m孔桩，桩长13 m，共计8根。为保证既有线的运营安全，施工前采用(直径1.25 m)钢筋混凝土圆形护桩，钢筋混凝土圆形防护桩对既有路基进行防护(每处6根)，共计24根。

3 检算内容

本次施工先开挖框架涵工作坑，接着施工后背梁，同时对底板浇筑和铺设滑板。并且需要及时加固处理铁路线路，进行便梁的架设，此后在工作坑中预制箱体。接着对箱涵下地基进行加固处理，最后框架涵顶进。框架涵竣工后，铁路需要进行一系列的铺设，包括一级道砟和轨道。本次检算的部分包括顶进过程中的便梁和桩柱的力学及安全性能，框架涵顶进过程中的顶推力以及顶进过程中框架涵的内力，后背梁与整个滑板在顶力作用下的强度。

3.1 便梁和桩柱安全检算

3.1.1施工布置

此段加固采用D型便梁，不必进行检算。线路加固布置图如图1所示。

D梁主支撑桩采用直径1.5 m钢筋混凝土圆形孔桩深度为20 m，共8根；辅支撑桩为直径1.5 m钢筋混凝土圆形孔桩，深度为13 m，共8根；护桩为直径1.25 m钢筋混凝土圆形孔桩，深度为16 m，每个边墙6根，共计24根。

3.1.2荷载工况

作用在桩柱上的荷载主要有：列车活载、便梁自重、钢轨及轨道自重。

1)列车活载。

根据线路加固布置图纸，便梁最大跨跨度为24 m,边跨跨度为16 m，选取最不利位置，按照TB 10002—2017铁路桥涵设计规范相应的列车荷载图示进行最不利位置加载，如图2，图3所示。

边跨简支墩上所受的力即为16 m跨便梁加载图的支反力，为680 kN；24 m跨便梁加载图的支反力，为1 248 kN；而最大系梁上的支反力分为两部分，提取计算结果，可得孔桩上的支反力为：

1 248+680=1 928 kN。

考虑到施工安全进行，需要对火车限速，要考虑冲击系数，取1.2的动力安全系数，则得便梁上列车荷载为：

1.2×1 928=2 314 kN。

2)便梁自重。

取D24便梁自重为469 kN，则简算16 m便梁自重为312 kN；则可得孔桩所需要承受的便梁自重为：

G2=(469+312)÷2=390 kN。

3)钢轨及轨道自重。

钢轨及轨道自重按照8 kN/m，则有：

G2=8×(24+16)÷2=160 kN。

最后钢便梁将总的荷载传递到孔桩上，计算为：

P+G1+G2=2 314+390+160=2 864 kN。

3.1.3人工挖孔桩承载能力检算

计算的便梁梁端的支反力如图4所示。

便梁梁端下与人工挖孔桩连接，且每端有4根20 m人工孔桩，参照规范中钻(挖)孔灌注桩的容许承载力计算，确定单桩竖向极限承载力标准值宜按式(1)估算：

(1)

其中，[P]为桩的容许承载力,kN；U为桩身截面周长,m；fi为各土层的极限摩阻力,kPa;li为各土层的厚度,m；A为桩底支承面积，m2；[σ]为桩底地基土的容许承载力,kPa。

U=πd=3.14×1.5=4.71 m，

因此，单桩承载力为：

20+1.766×160=2 874 kN。

4根20 m钻孔桩所能提供的支反力达到2 874×4=11 496 kN>2 864 kN,因此人工挖孔桩承载能力满足要求。

3.2 框架桥顶力检算

根据规范TB 10002—2017铁路桥涵设计规范5.6.6中有关顶进桥涵的检算内容包括：1)顶进部位的局部压力，即为避免结构局部受压过大而损坏，一般在千斤顶与箱底板接触面布置一块厚度适宜的钢板，使得顶力均匀分布。2)施力点一般在底板处，传力过程中，边墙承受的剪应力最大，需检算其强度和稳定性，本次预制框架桥长24.8 m，顶进过程中无扭转，且箱涵顶部无摩擦力，因此本次检算可略去。3)顶进部位地基承载能力，明确地基承载能力，防止顶进过程中地基不均匀沉降。4)本次顶进采用挖土顶进，且上部无摩擦力，因此，所有顶进摩阻力均来自箱涵与底部滑板的接触面，而所有的顶推力由与滑板整体浇筑的后背梁来提供。若将滑板与后背梁看成一个整体去处理，那理论上并无产生任何外力。因此，本次需检算后背梁与滑板在顶进过程中抗拉整体性能。

3.2.1框架桥顶力计算

根据框架桥的截面大小，可计算框架桥的自重力，桥体主体约2 600 t，重力计算结果如下：

2 600 t×9.8 m/s2=25 480 kN

根据规范顶进过程中，顶力的计算可按照下式进行：

P=K[N1μ1+(N1+N2)μ2+2Eμ3+RA]

(2)

其中，P为最大顶力,kN；N1为桥涵顶上荷重,kN；μ1为桥涵顶与顶上荷载间的摩阻系数；N2为桥涵自重，按24.8 m长计算，取值桥涵自重25 480 kN；μ2为桥涵地板在滑板上顶进，润滑层是在滑板上涂刷3 mm厚的石蜡掺25%机油+1 mm厚的滑石粉，本次根据实际情况取0.3；μ3为侧面摩阻系数，一般可采用0.7～0.8，本次由于顶进前将侧边土清理干净，因此取0 kN；R取0；A为钢刃角的正面面积,m2；K为安全系数，本次工程取1.2。

经过计算可分别得出顶力为：

P=1.2×25 480×0.3=9 173 kN。

本工程采用D型便梁架空线路顶进的施工方法，跨架桥24.8 m箱身最大顶力9 173 kN，需要配备320 t千斤顶数量为：

N=P/(320×0.7×9.8)=4.18。

拟配置5台320 t千斤顶；现场千斤顶布置在框架桥的底板处，除腹板下各设一个千斤顶之外，其余均匀分布。此外，为防止顶进中设备发生故障，现场另备1台备用千斤顶。因此需配备6台320 t千斤顶。

3.2.2局部压应力检算

框架桥顶进工程中，千斤顶安置在后背梁上，前方着力点是框架桥横截面的底板，由于顶进过程中所需要的顶力过大，为防止框架桥底板与千斤顶接触面的局部压应力过大，从而使箱身破坏，现在框架桥底板与千斤顶接触面处放置一块2 cm厚的钢板，初步拟定尺寸为每个千斤顶前使用的钢板大小为0.7 m×1 m。由于钢板对于压力的分散传递效果比较好，因此本次计算使用钢板面积作为承压面积。

框架桥底板承压力：

25 480÷5÷(0.7×1)=7.28 MPa<20.5 MPa。

20.5 MPa为混凝土轴心抗压设计值。

因此，局部承压检算满足要求，但在顶进过程中需保持各千斤顶共同工作，防止出现操作不当导致某一顶力忽然增大。

3.3 顶进过程中框架桥内力检算

3.3.1模型的建立

框架涵采用midas civil进行模型的建立，采用板单元类型进行建模，模型见图5，一共有1 600个单元，1 680个节点，板单元底部采用面弹性支撑的节点弹性支撑，基床系数Kx=1e4 kN/m3，Ky=1e4 kN/m3，Kz=0 kN/m3。采用5个千斤顶，在底板一侧均匀施加外部荷载，所加荷载为P=9 173÷5=1 834.6 kN。

3.3.2顶进桥涵最大顶力下检算

顶进涵应按最大顶力进行下列检算：

1)顶进部位局部压应力检算。

顶力作用下压应力图见图6。

框架桥在顶进时，千斤顶均匀布置在框架桥的底板横截面处，因此外部荷载直接作用底板处的压应力最大，需要进行局部压应力检算。由图6可以看出，局部最大压应力为11.38 MPa<20.5 MPa。

根据规范,配置间接钢筋的混凝土结构构件，其局部受压区的截面尺寸应符合下列要求：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(3)

(4)

其中，Fl为局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，fc=21.1 N/mm2；βc为混凝土强度影响系数，βc取1.0；βl为混凝土局部受压提高系数；Aln为混凝土局部受压面积；Ab为局部受压的计算底面积。

Fl=9 172.5 kN<1.35×1×1×21.1×0.7×1 000=19 939.5 kN。

在使用千斤顶顶进框架涵时，施加在底板处的5个千斤顶，底板施加荷载处的局部压应力符合要求。

框架桥在顶力作用下的位移见图7。

由图7可知，在顶力作用下框架涵的自身最大位移为0.27 mm,符合要求。

2)视桥涵顶面润滑处理，则侧墙根部剪应力无需检算。

3.3.3滑板及后背梁检算

为了保证框架涵的顺利施工，对滑板具有一定的质量要求，包括刚度和强度。滑板采用C25混凝土，厚度为30 cm，要求滑板表面光滑平整，高程误差不宜超过±3 mm。滑板下方填10 cm的碎石垫层，滑板表面用M10砂浆抹平，厚度2 cm，保持最大的平整。为了使顶进顺利进行，滑板表面还需涂石蜡，使表面平滑。为了不使框架涵底板和滑板表面粘结导致摩擦力增大，从而使框架涵无法顶动，所以在滑板上还需铺设一层塑料布隔离层。

后背梁采用高度2.5 m、宽度1.5 m，长度14 m的C25混凝土，在钢筋混凝土后背梁后用回填土夯实充当后背，后背横向长度13 m，宽度为2.65 m。后背后土方夯实系数应达到0.95。

本次顶进工程的顶力理论上主要由滑板和后背梁整体的内力提供，后背梁后钻孔桩以及地基土所承受的压力都较小。因此本次主要检算集中在后背梁与滑板的连接部位其配筋是否满足抗拉要求。对其影响区域进行配筋检算，按照混凝土以45°的扩散角进行传力扩散，将滑板的受力面分别向两边扩大3.14 m。按照布置间距为15 cm直径取22 mm的HRB400钢筋进行横向配筋，抗拉强度设计值取360 MPa，则箱涵所有钢筋的最大抗拉力计算为：

F总=[(13.1+3.14×2)÷0.15×2]×380.1×360÷1 000=35 358 kN>25 480 kN。

因此，经过检算，滑板与后背梁的配筋满足要求，顶进过程中可保证滑板与后背梁的整体完整性。

4 结语

通过对框架涵顶进过程中便梁和桩柱的力学及安全性能检算，以及顶进过程中框架涵的应力和变形的检算，确保了框架涵顶进施工过程中的力学性能及安全性满足要求。在框架涵顶进的整个过程中，各个结构及构件的变形及应力均未超出规范规定的限值，确保了工程施工的顺利进行。