顶进框架桥下穿既有铁路加固设计研究

顶进框架桥下穿既有铁路加固设计研究

翟高波

（中交 (西安 )铁道设计研究院有限公司，陕西 西安 710054）

[摘要]介绍既有铁路站场区间框架箱形桥的设计、线路加固方法，结合工程实例阐述了采用纵横梁加固体系、轨道加固扣梁、荷载传递支撑桩基等组成的受力体系对既有铁路进行系统加固的设计方法。该方法将线路站场区间线路和加固体系设施充分结合为一个整体，有效保证了顶进框架桥施工过程中既有铁路运营的安全。

[关键词] 既有铁路站场区、框架桥、线路加固、设计施工、研究

一、引言

随着我国交通建设的发展，既有铁路线行车速度的提升和改造以及城市道路升级拓宽与既有铁路线的相互交叉影响，须采用立交桥涵的形式解决市政设施与铁路交叉的问题。在下穿既有铁路顶进框架桥设计过程中，对既有铁路站场区间进行加固防护处理是最为重要的内容之一，直接涉及铁路运营安全。道路的宽度增加，而现有施工架空线路的D型梁最大跨度为24米，小于道路红线宽度。因此，既有铁路线架空采用工字钢纵横梁体系、扣轨梁、人工挖孔桩等方法对线路进行加固。本文介绍了下穿既有铁路站场区间的顶进框架桥的加固设计研究。

二、工程概况

公路项目位于铜川市新区，线路采用双线四车道，中间有绿化隔离带，道路红线宽度为32m。设计速度50Km/h，公路在GLK2+950处下穿梅七铁路，与既有梅七铁路夹角为87.1°。

既 有梅七铁路线南起由咸铜线接轨引出，考虑既有铁路正线和安全线，线间距按5.3m设置。线路为有缝轨道，轨枕为钢筋混凝土枕，采用的钢轨型号为60kg/m，站场区间位于平坡上。

公路下穿梅七铁路根据协议采用2孔14.5m的框架箱形桥，为立交而设。机动车道使用净高为5.5m，两侧预留非机动车道和人行道。箱形桥顶板厚度为95cm ，箱内净空为7m，底板厚度为120cm，结构总高度为9.05m。轨底至结构顶距离按80cm考虑，边墙宽度为120cm。中墙宽度为100cm，框架桥结构总正宽度为32.4m。框架桥结构如下图所示：

三、设计活载

设计框架箱形桥时，根据《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）中的规定，列车活载按“ZKH荷载”考虑，公路活载按照现行《公路桥涵设计通用规范》规定的全部活载75%考虑，最后还要简算顶力的作用。

1.列车活载在横向上的作用范围：活载作用于框架桥的土压力计算,是按一个特种轮重分布在轨枕地面,并在轨枕两端各以2:1坡线向下扩散,为了计算方便,h自轨底算起。咸铜铁路为单线客货共线铁路，轨底至结构顶面高度按80cm考虑。B=2.6+h=2.6+0.8=3.4m

竖向均布压力 q_h= = =53KN/m

2. 列车竖向动力作用：桥涵结构计算应考虑列车竖向活载动力作用，可按竖向静活载乘以动力系数（1+μ）确定。客货共线铁路，钢筋混凝土涵洞，其结构顶上填土厚度h>3m时不计列车竖向动力作用。本线结构顶至轨底距离为0.8m，考虑列车竖向动力作用。按下式计算：1+μ=1+α×( ) ，其中α=0.32×（3-h）²。计算可知：冲击系数1+μ=1.21。设计时，顶板应按全部冲击力计算；边墙、中墙及底板的冲击力可适当降低。

四、顶进施工设计

1、顶力计算

框架桥顶进时，必须克服箱身与土层之间的摩阻力以及端部刃角切土的抗力。这些阻力的总和，既为箱涵的顶力。需要预先估算出最大顶力，作为设计后背选用顶进设备的依据。

按照《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）中计算最大顶力公式为：Pmax=K[N₁μ₁+(N₁+N₂) μ₂+2Eμ₃+RA]

N₁-桥涵顶上荷载（包括线路加固材料荷载）KN

μ₁-桥涵顶面与顶上荷载的摩擦系数，本次取值为0.3; N₂-桥涵自重（KN）。

μ₂-桥涵底板与基底土的摩擦系数，取值为0.8; E-桥涵两侧土压力（KN）。

μ₃-侧面摩擦系数，取值为0.8; R-钢刃脚正面阻力。

A-钢刃脚正面面积; K-系数，应采用1.2。

由本次设计框架桥尺寸及数据可知：框架桥长度按13.9m,净空按7.0m考虑。

N₁×μ₁=25×B=25×(2×14.52+1×1+2×1.21) ×0.3=243.45KN

框架桥自重N₂=34156.2KN

(N₁+N₂) × μ₂=(243.45+34156.2) ×0.8=27519.7KN

箱身两侧土压力 E= ×ξ×γ×(2+H)×H×L=0.5×0.3×20×(2+7+0.95+1.1)×(7+0.95+1.1)×13.9=4170.1KN

2Eμ₃=2×4170.1×0.8=6672.2KN

钢刃角阻力采用简化公式计算 RA=25×H=25×(7+0.95+1.1)=226.2KN

顶力 P=1.2×（243.45+27519.7+6672.2+226.2）=41593.9KN。所以，顶力合计为P=4159.4t

2、重力式后背墙设计

新建公路采用下穿既有咸铜铁路，位于路堑挖方地段，根据现场实际情况，顶进框架桥的后背墙采取重力式后背墙，以节约投资。

重力式背墙由于刚度较大，后背土压力通常按直线分布，由郎金理论极限平衡校核其稳定性。浆砌片石后背其尺寸及受力关系如右图所示：拟定尺寸时要保证压力在圬工结构中，传递范围在h₁高度范围内。拟定h₁的高度按6.5m考虑。

浆砌片石后背墙尺寸按如下数据考虑:土容重为20KN/m³，后背土内摩擦角为30°，墙背高h₁=6.5m；填土顶至后背墙墙趾深度H=9m，b₁= =3.24m，墙厚b为4米，最大顶力P=41594KN。

1 ）后背墙安全系数验算

后背受到顶力作用时，压向后面土层，土层产生被动土压。被动土压通常按照朗金理论计算，墙趾处基坑一侧，后背墙受到被动土压力时柱底压力e_p=r×H×tan²(45+ ）=20×9×tan²(45+ ）=540KN/m²。

每延米被动土压力合力E_p= ×h₁×e_p = ×6.5×540=1755KN/m。

基坑宽度被动土压力合力E=E_p×B=1620×32.46=56967KN。

后背墙每延米顶力分配最大值P_max= =1281KN。

安全系数K=E_p/P_max= =1.37>1.25，设计满足规范要求。

2）后背墙截面抗弯验算

ξ—斜坡影响系数系数 取值为0.5

根据库伦公式，背墙顶土压力e₁=ξ×r×h×tan²(45+ )=0.5×20×（9-6.5）×tan²(45+ )=75 KN/m²。

墙趾处基坑一侧，后背墙受到被动土压力时柱底压力e₂=r×H×tan²(45+ ）=20×9×tan²(45+ ）=540KN/m²。

千斤顶位置被动土压力e_a=e₁+ ×1.1×b1=75+ ×1.1×3.2=330KN

后背墙A-A截面以上单位长度土压力E_a= ×1.1×b₁= ×1.1×3.2=721.6KN

截面力臂y=(2×e₁+e_a) ×1.1× =(2×75+330) ×1.1× =1.4m

A-A截面弯矩=721.6×1.4=1010KN.m

材料抗弯截面系数 W=b× =4× =2.7

浆砌片石弯曲拉应力[σ]=260KN/m²

截面抗弯强度σ= = =374.2>260，设计满足规范要求。

3、线路加固设计

为了不中断既有铁路运营并保证铁路运营安全，下穿既有铁路的框架桥普遍使用顶进法。在顶进桥涵施工中为确保行车及施工安全必须进行铁路线路的加固，选择线路加固的方式应以对运输干扰较小，而又确保铁路运输安全，同时施工简便易行的原则。根据既有咸铜线路基土质、顶进桥涵的结构尺寸，涵顶以上厚度综合考虑，本次线路加固采用3-5-3吊轨加纵横梁进行线路加固，以增加线路的强度和稳定性。

4、纵横梁加固法

此法适用于顶板无覆土时顶进，特别适用于大型框架桥的顶进。由于采用此法进行线路加固后，行车比较安全可靠，故现场广泛使用。

1）施工要点

a)铺设吊轨

按3-5-3扣设吊轨，钢轨接头错开1m以上，线路加固范围为：不少1.5倍框构全高+顶进框构桥长+不少于1.5倍框构全高。为保证行车安全，需加设临时梭头。吊轨与枕木用Φ22U形螺栓和角钢紧密连接。

b)设横梁

按轨底到箱顶的高度选择工字钢型号，本次设计横梁选用Ⅰ45b工字钢，铺设间距为1.0m。横梁长度在预制框架桥一侧，距离钢轨外侧为5m；另外一侧距离钢轨外侧为4m，用于支撑衡量的抗移桩、防护桩桩顶设冠梁，并使用Φ22U形螺栓及扣板将横梁与吊轨联结牢固。为了减少框架箱身顶入时的阻力，每组横梁下垫以槽钢。横梁一端支承在箱身顶上，另一端支承在冠梁上。为防止横梁在顶进过程中产生横向移动，浇筑冠梁混凝土时，注意在对应的每根横梁顶端位置预埋一根废旧钢轨，钢轨长1.6m，钢轨伸入冠梁内1.0m。

c)设纵梁

因本次设计，箱身长度达到32.5m，线路架空长度为60米。顶进斜交角度为2.9°，架空跨度大且斜交顶进容易产生方向偏差，以致带动线路走动，故宜加设纵梁架空线路。纵梁一般设在线路两侧，并用U形螺栓与横梁联结牢固。

2）工字钢横梁设计

活载取机车最大轴重为计算荷载,” ZKH荷载”轴重为P=250KN。当限速不超过45km/h时，动力系数约为1.15，在考虑横梁不均匀工作系数为1.3，则综合系数β=1.15×1.3=1.5。此时，轴重计算值为P’=β×P=1.5 P。

由于机车特殊荷载轴重的间距为1.4m，大于横梁间距1.0m，可以认为 每副轴重P’作用在一只横梁上，并且有两条轨道各承担一半，横梁可按简支梁核算工字钢的强度和挠度，计算简图如下所示：

根据本线特征，横梁采用I45b工字钢，计算跨度Lp=15m;

工字钢横梁截面抵抗弯矩 W=1500cm

³; 工字钢截面惯性矩 Ix=33760cm⁴。

工字钢弹性模量 E=2.1×10⁵；

轨顶中心至横梁支点处的水平距离C= ×100= ×100=680cm

工字钢容许应力[σ]=170MPa

系数α= = =0.45

梁支点最大弯矩值 Mmax= ×P×C= ×250×6800=127500KN.cm

工字钢承载力 σ= = =85MPa<170MPa

工字钢承载力满足要求。

工字钢挠度 f=(0.75×P×C×Lp²) × =250×1500²×680× =3.69cm

横梁工字钢挠度允许值[ f ]= = =3.75cm

横梁工字钢挠度满足要求，工字钢横梁设计取值合理。

因纵梁搭接于横梁之上,在体系中不参与受力,只做构造要求。综上所述，工字钢纵横梁取值合理，满足设计要求。

六、结语

该下穿铁路顶进框架桥根据公路红线宽度，铁路线路的特点、线路实际状况，创新性的采用工字钢纵横梁、3-5-3扣轨梁、支撑桩和防护桩组成的线路加固系统。该项目设计工作的完成，证明了工字钢纵横梁加固体系是安全可靠、可行。克服了D型梁跨度的局限性，既有效的保证了铁路线路的刚度和稳定性，又保证了站区线路的平顺，防止出现几何尺寸变形和结构失稳等不利工况的出现。既解决了大跨度顶进框架桥的线路加固难题，有效保证了铁路运输运营安全，极大减少了铁路的慢行时间，取得较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[ 1 ] 《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）

[ 2 ] 《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）

[ 3 ] 《国铁集团工电部关于加强穿（跨）越铁路营业线和临近营业线工程

方案等审查和施工安全管理的通知》(工电桥房涵〔2020〕48 号)文规定。

[ 4 ] 铁道部第四勘测设计院桥隧处编.桥涵顶进设计与施工。

[ 5 ] 冯卫星、王克丽 .地道桥设计与施工 河北科学技术出版社，2000。