道路下穿铁路框架桥顶进设计及施工研究

刘仲妍

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

社会进步与时代发展促使基础工程技术不断进步，在铁路行业，运用“顶进法”等常规方法能极大提高施工效率。在穿铁路框架桥顶进设计与施工方面，进行预设钢筋混凝土的框架结构的测量、组织、浇筑与维护，能极大地节约物料。顶进法施工是在已经建成的铁路立交桥框架上进行施工，在不影响其他施工的基础上完成有限界面的浇筑，有效确保工时与质量。

1 道路下穿铁路框架桥顶进设计的原则

应先确定顶进位置，框架结构须保证铁路行车运输安全，桥位选择时以不影响或少影响铁路既有设备为布置原则，应尽量避开铁路道岔，并调整倾斜角度不得小于45o。

顶进结构拟定原则有如下几点：第一，框架桥的长度应综合考虑地质、地形、工地、结构、缝隙、回填高度、桥梁管线等合理因素。第二，根据框架结构所在地区，综合考虑是否设置刃角与尾墙，确保框架结构前后部分配重平衡。第三，框架桥跨线时，应综合考虑地质条件、铁路横断面、地基承载力及施工方法等因素，单节长度根据顶力计算，必要时需增加中继间，沉降缝位置避开铁路轨道及两侧2m 范围。第四，双孔以上分离式框架结构顶进时，需根据填土、压实工作空间和边墙之间的顶升偏差，确保侧壁之间的自由空间。第五，框架结构顶板顶与轨底之间的距离应根据线路等级、线路钢筋厚度和道碴确定，一般控制在0.65～0.85m 之间。

顶进过程中，为保证铁路在施工过程中的安全，必须对铁路进行线路加固措施。必要时对框架结构两侧路基土进行注浆加固，以减少顶进过程中路基土体塌陷的不利影响。

2 道路下穿铁路框架桥顶进设计要点分析

在道路下穿铁路框架结构顶进安全系数下考虑施工面其前端距离铁路太近，而后背需要承受相应载荷，所以相应通道部署需要首先确立后背的形式（后背土堆、后背墙或后背桩），在地质力学角度下确定工作坑边坡坡率，并将铁路平面作为参照基点确定工作坑位置。而现场基于施工经验，在余量可控前提下综合避免铁路线运营干扰。而相关基坑的加固工作更需要依据铁路标准严格执行，附件要求的四周排水沟和地井形式需要考虑尺寸，避免附着物淤堵导致的地基失衡。而必要时还需要及时清理，保证排水顺利。

此外，对多重技术手段、不同算法计算进行数据比对。后背计算需考虑工作坑深度，地下水标高，顶进结构长度等多重因素。沉降监控需要考虑材料力学的影响，并确保框架结构稳定，所述混凝土浇筑质量合规，填充物无空洞。而框架桥结构底部土壤的流变塑性会因为水平面顶进运动而诱发不同程度的导向作用失衡，所以需要系统性规避。这种情况可以进行顶力核算以及前移动程度观测，并保证工作坑滑板在施工过程中拥有良好的预设间隙。而基于滑板的顶部位置大小的确定需要细节性核算，另外润滑隔离层的厚度也需要向下余力的抵消，比如运用锚梁设置可以在抗滑能力最佳前提下确保导向墩不受额外载荷的干扰。而滑板两端需要距离5～10cm 之间设置导向墩，并核算力的方向是否为沿着顶进的方向，以确保顶进最佳性。此外，对多重技术手段、不同算法计算进行数据比对。后背计算需考虑工作坑深度，地下水标高，顶进结构长度等多重因素。根据施工经验，可在成本充裕的前提下多使用槽钢或钢轨桩钢筋混凝土型后背，以确保总体工程完善可靠。

3 道路下穿铁路框架桥应用实例

3.1 结构确定

盐城市海洋路下穿新长铁路、盐通高铁、范公路立交桥工程起止桩号为K1+860～K2+160，长300m。主要施工内容为下穿新长铁路框架桥工程；U 形槽工程；道路路基、路面工程；交通、照明及绿化工程；雨水泵站及附属工程等[1]。

根据盐城市规划，海洋路与改建新长铁路、既有新长铁路、新建盐通高铁、范公路相交。设计过程中，盐通铁路和改建新长铁路处于施工状态。结合新建铁路选址及规划道路情况，为减少将来的重复建设，实现投资集约，与盐通高铁相交的规划路应尽量与盐通铁路同步实施建设。既有新长铁路与改建新长铁路线间距9.7m，高差1.7m，顶进期间，既有新长铁路为运营状态。根据道路状况、新建铁路设计情况、地形、地物等条件，设计情况如下。

道路下穿铁路框架结构净跨为（5.5+12.25+14.5+10）m 框架桥，设计采用高低一体框架，顶进法施工。交叉位置处既有新长铁路钢轨轨底标高为4.904m，框架桥结构顶板顶面标高为4.094m，框架桥顶板顶面距新建铁路钢轨轨底以下0.81m。结构尺寸见表1。

表1 下穿既有新长铁路框架桥结构尺寸

交叉位置处改建新长铁路钢轨轨底标高为6.767m，框架桥结构顶板顶面标高为5.794m，框架桥顶板顶面距新建铁路钢轨轨底以下0.973m。结构尺寸见表2。

表2 下穿改建新长铁路框架桥结构尺寸

框架桥结构总长23.03m（含开口箱部分）。框架桥结构净高考虑了道路纵坡、横坡、顶板加腋、路面铺装、顶进误差等影响。框架桥施工完成、路面形成后机动车道通行净高不小于5.0m。下穿新长铁路处横断面设计见图1。

图1 新长铁路处断面图（单位：cm）

根据现场条件，下穿既有新长铁路框架桥采用顶进法施工。在铁路东侧设置顶进框架桥工作坑，顶进方向由东向西[2]。

工作坑采用钻孔桩支护。支护桩桩顶均设置1.5m 厚的钢筋混凝土冠梁，将支护桩连接成整体。钻孔桩外侧设双排直径0.6m 高压旋喷桩作为止水帷幕。工作坑采用管井降水。工作坑支护及止水、降水完成后方可进行基坑开挖。工作坑土方开挖应分层、分区进行，每层开挖深度不超过2m，严禁一次开挖到底或超挖。挖到距离设计标高还差1m 时，应改用人工开挖。挖到设计标高后应及时铺设碎石褥垫层并浇筑混凝土垫层封底，严禁长时间暴露。

滑板厚度为0.3m。滑板底设碎石垫层和锚梁。碎石垫层厚0.2m，滑板底以下锚梁深0.5m。

线路加固采用D 型便梁、便梁条基等组成线路加固系统，满足列车慢行速度45km/h 的要求。

3.2 结构计算与线路加固

对顶进框架结构进行计算时，列车活载横向分布宽度按现行《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）有关规定计算。结构内力按弹性地基上的三维壳体计算，并考虑荷载作用下的结构底板在弹性地基上的变形（相对下沉、转角）对结构内力的影响。弹性地基的计算采用共同变形理论。框架结构顶、底板按受弯构件配筋，侧墙及中墙按偏心受压构件配筋。运用科宝华软件及MidasCivil 对框架结构的受力情况进行分析，计算框架结构各截面的钢筋面积，汇总框架结构钢筋图。为保证铁路运营安全，须在施工期间对铁路线路进行加固处理。铁路线路的加固可采用3-5-3扣、纵横梁加固及D 型便梁等方式。距离铁路线路较近位置无法使用大型机械设备，可使用人工挖孔桩配合线路加固系统。

3.3 对工作坑的相关设计

作为顶进框架结构的施工基地，工作坑的前端仅以铁路为基础，而后端一般用于布置通道和土方支撑。后部可以是土方、后墙或桩，应根据顶力、工作坑的深度和后地面的高度来选择。工作坑位置的选择应充分考虑铁路线路平面图、两侧地质地形、物资储存场地等。此外，工作坑的相关设计还应符合铁路部门的安全标准，如果工作坑达到一定深度，应进行专门的基坑支护设计，并设置排水沟和排水井。坑底周围，方便施工，在此期间，排水没有问题。工作坑的设计除了其背部的计算外，还包括锚梁、导向墩和滑板的布置。避免框架结构因下伏土的结合作用的影响。为防止施工中框架结构顶进时，工作坑滑板以其巨大的摩擦力逐渐向前移动，因此应在滑板顶部设置相应的润滑绝缘层，并放置锚梁滑板底部向下，以提高滑板的防滑能力。导向柱应放置在滑板的两端，一般距架桥侧壁外侧的距离为5～10cm，并应沿顶进方向放置，以便架桥能很好地控制在滑板上[3]。

4 道路下穿铁路框架桥顶进设计的技术难点

对下穿铁路框架结构进行顶进施工之时，为了避免在施工过程中出现变形或管线的安全问题，可以采取以下两点关键措施。

4.1 确保框架桥顶进线形的相关措施

顶进时控制好顶力和顶进方向，在顶进过程中做好监测工作，防止框架桥“扎头”“抬头”和中线偏移。为避免顶进过程中出现“转向”现象，车架底板前端应预留船艏坡度，在车架上表面预留1%的坡度。滑板和较高的部分。顶进过程中，根据铁路要求，需进行滑板跟进措施，还应随时测量底板标高，以相应调整前部开挖深度。顶进过程中左右偏斜的问题，可以通过改变左右两侧不同的顶进力、挖地或千斤顶的位置来控制。采用接力间提升的方式，在节点间准备相应的剪力楔来传递剪力，并使前后段重心运动路径在施工过程中尽量重叠。为了促进剪力楔可以发挥最佳的使用效果，避免节间剪力过大的现象。另外，千斤顶顶程的时间越长，锚的糙化速度就越快，但这必须基于更高水平的控制技术，千斤顶顶程最好控制在20cm 以内[4]。

4.2 确保管线安全的相关措施

顶进过程中挖掘时，顶部或侧面钢刃角的深度自始至终不应小于30cm，同时不应过度挖掘，使开挖与正面平行。每次顶进前，应在结构标高前挖一个开挖孔，查明地面是否有阻碍吊装作业的障碍物，如一些岩石、不明管道等，确保每次顶进作业都能安全顺利地完成。

5 道路下穿铁路框架桥顶进施工的技术要点

“顶进法”对地下铁路框架结构的相关设计非常有利，应用也非常广泛。但在设计中要注意几点：其一，施工期间在铁路桥梁及两侧各50m 范围内进行路基、路面压实时禁止使用震动压路机，同时在铁路两侧设置临时限高架，禁止大型施工车辆从铁路桥下通过；其二，框架桥主体浇筑混凝土前，应检查预埋件是否齐全；其三，浇筑混凝土底板时，要注意使其与工作坑滑板有效隔离，底板表面要尽量光滑、平整，并涂润滑剂，防止底板与滑板粘连在一起，顶进启动时发生困难；其四，框架桥主体混凝土达到设计强度100%，防水层及保护层按设计铺设良好，并经试顶后方可进行顶进施工；其五，为防止混凝土因收缩而开裂，选择集料时要求混凝土有最大密实度，要严格控制用水量，要仔细捣固，除用振捣器外，在角隅及钢筋较密处还须用插钎捣实，要精心养护，及时浇水，要晚拆模；其六，施工时应注意采取压顶防崩措施；其七，当路基表面注浆时，先在路基以外地表进行注浆试验，确定地表注浆压力和注浆率。注浆施工过程中加强监测；其八基坑出土须远离基坑堆放。

顶进“栽头”，确保箱身顶进误差不超限的必要措施。降低地下水至开挖面以下1m 左右，避免扰动地基土层；加快连续顶进速度、加强监测；设接长跟进滑板，加长重心移动滑板时间等。人为地预先设置门槛并接长滑板，对预防软土地基顶进“栽头”是极其重要的，应在软土地基框架结构顶进施工中坚持和推广。

6 结语

综上所述，限于成本和工时的优势，采用框架桥顶进施工能极大优化工程质量，确保铁路线路列车正常运行，并且不影响系统施工。该种工艺能在系统运用的前提下确保工艺可控、质量完善、成本合规，在土木工程系统运用上确保提速提效良好开展。