梁紅燕

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 工程概況

1.1 既有鐵路情況

北京大興區(qū)黃村火車站為京滬鐵路和京九鐵路的交匯站,京滬鐵路和京九鐵路均為全國(guó)六大繁忙干線鐵路之一。興華大街南延下穿京滬鐵路立交橋橋址位于京滬鐵路、京九鐵路黃村火車站內(nèi),橋址處既有鐵路共計(jì)12股道。其中4股為京滬鐵路正線,分別為京滬鐵路上、下行線和京滬鐵路三、四線,股道編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ道；2股為京九鐵路正線,分別為京九鐵路上、下行線,股道編號(hào)為Ⅴ、Ⅵ道；1股為黃良鐵路正線,股道編號(hào)為Ⅷ道；5股為黃村站站線,股道編號(hào)為7、9、10、12、14道。各股道線間距從北往南依次為5、5、5.3、5.3、5、5.3、13.2、4.9、5、5.1、4.9 m。所有股道均為電氣化鐵路,無縫線路,60 kg/m鋼軌,鋼筋混凝土枕。股道軌面高差較大,最大高差值(Ⅱ道和14道)為48 cm。

橋址處既有鐵路旅客站臺(tái)2座,兩站臺(tái)間有旅客地道1座,其中一站臺(tái)寬約10.2 m,二站臺(tái)寬約9.5 m,站臺(tái)上設(shè)有風(fēng)雨棚。橋址處既有電氣化設(shè)備為鋼立柱、軟橫跨,電氣化立柱分別位于一站臺(tái)、二站臺(tái)和14道外側(cè)。既有鐵路股道間及鐵路兩側(cè)有鐵路電源線和通信信號(hào)光、電纜等設(shè)施。

1.2 橋位處構(gòu)筑物情況

1.2.1 地鐵大興線

橋址西側(cè)為在建地鐵大興線。地鐵左線、右線分別位于京滬鐵路下行線K35+211.6、K35+194.0處。地鐵橫斷面為圓形,半徑為2.7 m,壁厚0.3 m。下穿鐵路處地鐵為曲線,曲線半徑R=300 m,洞頂至軌面高差約14.5 m。與新建框架橋最近處為框架橋北側(cè)尾墻處,凈距為6.32 m,地鐵洞頂與框架橋底板底面的高差為2.48 m。

1.2.2 京滬高速鐵路

橋址南側(cè)為在建京滬高速鐵路。京滬高速鐵路為雙線,左、右線線間距為5.0 m,與既有鐵路基本平行走向,與最外側(cè)股道線間距約為45 m。京滬高速鐵路在車站附近以大跨度橋的形式上跨設(shè)計(jì)道路。

1.2.3 其他

橋址西北角有一座鐵塔及黃村火車站站房；東南角有一座水塔及北京供電段黃村電力綜合工區(qū)房屋。以上建筑物位于框架橋工作坑開挖邊坡上,框架橋工作坑開挖前須對(duì)上述建筑物進(jìn)行防護(hù)。

1.3 地質(zhì)情況

該場(chǎng)地地質(zhì)情況自上而下依次為第①層雜填土,土層厚度1.3～1.7 m。第②層細(xì)砂,層厚1.1～1.8 m,地基基本承載力為210 kPa。第③層粉質(zhì)黏土,土層厚度1.2～3.4 m,地基基本承載力為150 kPa。第④層粉土,土層厚度0.8～2.8 m,地基基本承載力為150 kPa。第⑤層粉質(zhì)黏土,該層厚度1.4～2.3 m,地基基本承載力為150 kPa。第⑥層粉砂,土層厚度2.2～3.8 m,地基基本承載力為150 kPa。第⑦層粉質(zhì)黏土,土層厚度1.4～6.6 m,地基基本承載力為150 kPa。第⑦-1層黏土,土層厚度0～1.4 m,地基基本承載力為150 kPa。第⑧層粉土,土層厚度大于1.0 m,地基基本承載力為150 kPa。

1.4 立交橋設(shè)計(jì)

根據(jù)該橋位處的既有鐵路情況,擬采用下穿框架立交橋的形式通過黃村火車站。下穿框架橋采用頂進(jìn)法施工,即在保證鐵路安全運(yùn)行的前提下,將在鐵路路基一側(cè)預(yù)制好的鋼筋混凝土箱形框架,采用高壓油泵帶動(dòng)油壓千斤頂,并借助于預(yù)先修好的后背支撐,頂入鐵路路基內(nèi),成為一座鐵路立交橋。這種施工方法的特點(diǎn)是不中斷鐵路運(yùn)營(yíng),同時(shí)也能在運(yùn)營(yíng)鐵路下形成立交。

2 立交橋主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受現(xiàn)場(chǎng)外部條件的影響,道路在車站附近以S形曲線穿過車站,框架橋布置在S形線中間不足50 m的直線上,框架中心線與鐵路中心線的斜交角度為75°。從箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]及道路的使用要求[2]來考慮,該橋結(jié)構(gòu)采用4孔連體式框架結(jié)構(gòu),孔跨布置為6.5 m-13.5 m-13.5 m-6.5 m,框架橋結(jié)構(gòu)總高度8.1 m,結(jié)構(gòu)凈高6.2 m(圖1)。

圖1 框架橋橫向正截面(單位：cm)

框架橋的結(jié)構(gòu)底板底高程29.85 m,基底壓應(yīng)力為100 kPa。結(jié)構(gòu)基底位于第⑤層粉質(zhì)黏土上,地基基本承載力為150 kPa,滿足基底壓應(yīng)力的要求。

3 頂進(jìn)方案的選擇[3]

方案一(推薦方案)：從一側(cè)頂進(jìn)。

垂直鐵路方向主體長(zhǎng)度為83.44 m,沿框架橋軸向分為4節(jié),其中有10 m現(xiàn)澆段,由北向南依次編號(hào)為現(xiàn)澆段、A節(jié)、B節(jié)、C節(jié),每節(jié)長(zhǎng)度分別為10、22.5、23.04、27.9 m。

框架橋采用中繼間法施工,A節(jié)、B節(jié)、C節(jié)由南向北頂進(jìn),然后在C節(jié)北側(cè)現(xiàn)澆10 m框架。

框架橋頂進(jìn)到位后,每?jī)晒?jié)之間設(shè)置3 cm寬沉降縫,3道沉降縫分別位于9道以北(一站臺(tái)下)和Ⅰ、Ⅲ道之間以及Ⅳ、Ⅵ道之間(二站臺(tái)下),沉降縫須進(jìn)行防水處理。

方案二：采用對(duì)頂方式頂進(jìn)。

垂直鐵路方向主體長(zhǎng)度約為83.5 m,沿框架橋軸向分為3節(jié),由北向南依次編號(hào)為A、B、C節(jié),每節(jié)長(zhǎng)度分別為27、21.75、34.75 m。

框架橋采用頂進(jìn)法施工,A節(jié)、B節(jié)由北向南頂進(jìn),C節(jié)由南向北頂進(jìn)。

框架橋頂進(jìn)到位后,每?jī)晒?jié)之間設(shè)置3 cm寬沉降縫,兩道沉降縫分別位于Ⅲ、Ⅴ道之間和Ⅳ、Ⅵ道之間(二站臺(tái)下),沉降縫須進(jìn)行防水處理。

從以下幾個(gè)方面對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較：

(1)投資估算(表1)

方案一投資總額較小,方案二投資總額較大。

(2)鐵路干擾

表1 框架橋投資估算

方案一：頂進(jìn)時(shí)共計(jì)穿越12股道,對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)影響時(shí)間較長(zhǎng)。

方案二：采用對(duì)頂法頂進(jìn),兩部分框架橋分別穿越7股道和5股道,頂進(jìn)就位后,可分別恢復(fù)鐵路正常運(yùn)營(yíng),對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)干擾時(shí)間較短。

(3)頂進(jìn)施工難度

方案二采用對(duì)頂,對(duì)頂接頭部位在二站臺(tái)位置處,頂進(jìn)到位前須對(duì)兩處框架橋刃角等進(jìn)行切割作業(yè),在二站臺(tái)處須對(duì)站臺(tái)和附近線路進(jìn)行可靠防護(hù),施工難度較大。

(4)頂進(jìn)精度

方案一：采用中繼間法從一側(cè)頂進(jìn),每?jī)晒?jié)框架橋之間頂進(jìn)精度較容易控制。

方案二：采用對(duì)頂法從兩側(cè)頂進(jìn),對(duì)頂接頭處偏差較難控制。

經(jīng)過綜合比選,方案一頂進(jìn)方法較好。

4 線路加固設(shè)計(jì)

為了不中斷鐵路運(yùn)營(yíng),框架橋頂進(jìn)前需對(duì)鐵路線路進(jìn)行加固。根據(jù)鐵路運(yùn)營(yíng)單位的要求,框架橋頂進(jìn)時(shí)施工限制速度不應(yīng)低于45 km/h。為了滿足列車慢行45 km/h的要求,采用3—5—3扣吊軌梁和橫抬縱挑的工字鋼與防護(hù)樁、支撐樁、抗橫移樁組成線路加固系統(tǒng)?？v梁搭在橫梁上,橫梁一端支撐在路基防護(hù)樁上,另一端支撐在頂進(jìn)前端的抗橫移樁頂梁上。線路加固范圍：超出框架橋兩側(cè)不小于框架橋高并留不小于3 m的富余量,該框架橋定為12 m,線路加固全長(zhǎng)92.3 m。線路加固橫梁采用I40b型鋼,每隔一根木枕穿一根橫梁,橫梁間距0.9 m。線路加固縱梁采用I45b型鋼,雙根一束布置,位于線路兩側(cè)2.1 m處,置于橫梁上,用U形螺栓與橫梁連接。

5 全封閉防水止水設(shè)計(jì)

考慮到橋位處歷史水位較高,約在地表以下1 m左右,高出基底面7 m,引道設(shè)計(jì)為全封閉止水,使得框架橋與引道U形槽連接處防水止水成為設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

引道U形槽設(shè)計(jì)時(shí),為了抗浮,將U形槽高度加高,在U形槽內(nèi)鋪設(shè)2.5 m厚的土層,以增加U形槽本身的自重,來平衡水浮力。這樣就使得U形槽基底面低于框架橋基底面2.5 m,無論是刃角側(cè)底板還是尾墻側(cè)底板都與引道U形槽底板不在一個(gè)平面上,設(shè)計(jì)時(shí)考慮在與U形槽相接處框架橋底板下設(shè)置一個(gè)直角梯形的鋼筋混凝土塊,高度為2.5 m,上寬3.6 m，下寬1.1 m,貫穿框架橋整個(gè)橫截面,并在U形槽底和梯形塊底設(shè)置梯形混凝土枕梁,上寬2.2 m，下寬1.0 m，高0.6 m,以接縫處對(duì)稱布置,保證U形槽和框架橋共同沉降變形。

刃角端防水設(shè)計(jì),在刃角側(cè)預(yù)埋止水帶,框架橋頂進(jìn)到位后,刃角補(bǔ)齊施工時(shí),將接觸面鑿毛,與刃角底板一并澆筑。尾墻端防水設(shè)計(jì),框架橋頂進(jìn)后端三角頂塊和尾墻上預(yù)埋止水帶,U形槽底板設(shè)計(jì)成與三角頂塊相對(duì)應(yīng)的形式,待框架橋頂進(jìn)就位后,再澆筑U形槽。為了保證三角頂塊與U形槽的緊密連接,在三角頂塊上采用植筋工藝,將鋼筋錨入三角頂塊,然后再與U形槽鋼筋焊接在一起。

各個(gè)構(gòu)筑物之間的變形縫也要預(yù)埋中埋式橡膠止水帶,以達(dá)到全封閉止水的目的。

各個(gè)分節(jié)框架橋之間的中繼間處,由于布設(shè)頂鎬,結(jié)構(gòu)局部可能產(chǎn)生裂縫,設(shè)計(jì)時(shí)考慮加設(shè)鋼板,以防止局部裂縫的產(chǎn)生[4]。當(dāng)框架橋頂進(jìn)就位后,接縫處布設(shè)橡膠止水帶,然后現(xiàn)澆鎬窩內(nèi)混凝土(圖2)[5]。

圖2 中繼間防水處理(單位：mm)

6 框架橋設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決的技術(shù)問題

6.1 合理分節(jié),解決橋體過長(zhǎng)的問題[6]

因框架橋穿越股道較多,頂進(jìn)軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng),框架橋橫截面積較大。受目前頂進(jìn)設(shè)備的影響,單節(jié)頂進(jìn)框架橋的重量不宜過大。同時(shí)為了減少對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)的干擾,將兩節(jié)框架之間的接縫設(shè)在對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)干擾較小的位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況,將框架橋分為A、B、C三節(jié),單節(jié)長(zhǎng)度分別為22.5、23.04、27.9 m,后節(jié)頂進(jìn)長(zhǎng)度大于前節(jié),可以用后節(jié)的重力推動(dòng)前節(jié)前進(jìn),將三節(jié)框架之間的接縫分別設(shè)在Ⅰ、Ⅲ道之間以及Ⅳ、Ⅵ道之間(二站臺(tái)下)?？蚣軜蝽斶M(jìn)就位后,切除頂進(jìn)前端的刃角,在1站臺(tái)下現(xiàn)澆10 m框架,減少頂進(jìn)長(zhǎng)度,同時(shí)也滿足了使用要求。

6.2 合理確定軌底道砟層厚度,為線路加固的實(shí)施提供方便及保證

頂進(jìn)框架橋共需穿越12股道,股道高差達(dá)48 cm。如果按常規(guī)的做法,頂進(jìn)框架橋軌底道砟層最小厚度按80 cm考慮,那么京滬鐵路四股正線的線路加固高度最小的為103 cm,最大的為128 cm,線路加固時(shí)就需要在工字鋼的橫梁下墊上木枕,以抬高橫梁。京滬鐵路為鐵路運(yùn)營(yíng)干線,過往車輛多,如果采用該種加固方法,對(duì)京滬鐵路運(yùn)營(yíng)的干擾較大,同時(shí)施工的難度也較大。為了解決這一問題,將頂進(jìn)框架橋軌底道砟層的最小厚度(14道)降為60 cm[7],最大厚度可降為1.08 m,大大降低了線路加固的施工難度。

6.3 對(duì)鄰近建筑物防護(hù),保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全的措施

橋址位于大興區(qū)黃村火車站內(nèi),周圍既有建筑物較多,在建的大興地鐵和京滬高速鐵路也在框架橋的影響范圍內(nèi),所以對(duì)這些建筑物的防護(hù)也很重要。擬在土體開挖前,對(duì)有影響的建筑物進(jìn)行挖孔樁防護(hù),形成一種擋土的簡(jiǎn)易連續(xù)墻[8]。經(jīng)過計(jì)算,確定防護(hù)樁的直徑1.25 m、樁長(zhǎng)19 m、間距1.8 m等參數(shù),確保由于開挖引起的沉降在允許的范圍之內(nèi)。在挖孔樁頂設(shè)置冠梁,使之連為一體,更好地發(fā)揮其作用。同時(shí)在框架橋頂進(jìn)前對(duì)橋區(qū)范圍內(nèi)的土體進(jìn)行注漿加固,防止由于開挖造成土體大范圍坍塌。通過采取這2種防護(hù)措施,將框架橋施工過程對(duì)鄰近建筑物的影響減少到最低。對(duì)鐵路線路也要進(jìn)行防護(hù),設(shè)計(jì)在箱體兩側(cè)和鐵路線路兩側(cè)布置多根挖孔樁,挖孔樁頂設(shè)置冠梁。在每個(gè)股道間箱體兩側(cè)也各布置了一根挖孔樁,并在挖孔樁外側(cè)設(shè)置拉錨樁,限制樁頂位移。通過采取這些安全措施,保證了框架橋的順利頂進(jìn),也保證了鐵路運(yùn)營(yíng)的安全[9]。

6.4 解決底板空洞的技術(shù)措施

由于框架橋軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng),頂進(jìn)行程較長(zhǎng),為了避免框架橋底板產(chǎn)生空洞影響結(jié)構(gòu)受力,框架橋底板預(yù)設(shè)注漿孔,框架橋頂進(jìn)到位后對(duì)地基進(jìn)行注漿加固,加固完畢后封閉注漿孔[10]。

7 結(jié)語(yǔ)

北京市大興區(qū)興華大街南延立交橋穿越股道多,股道軌面高差大,既有建筑物和在建建筑物多,地下水位高,框架頂進(jìn)軸線長(zhǎng),設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素多,設(shè)計(jì)技術(shù)難度大,設(shè)計(jì)上有較大創(chuàng)新。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體實(shí)施情況來看,線路加固的實(shí)施和對(duì)既有建筑物的防護(hù)措施都取得了很好的效果,達(dá)到了預(yù)期的目的。本工程的成功實(shí)踐為今后類似復(fù)雜的大型車站改造工程及京九、京滬等既有提速干線立交改造積累了經(jīng)驗(yàn)[11]。

[1]TB10002.1—2005 J460—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S]．

[2]CJJ37—90 城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院橋隧處.橋涵頂進(jìn)設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1983：1-96.

[4]TB10002.3—2005 J462—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[5]GB50108—2008 地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S]．

[6]李 偉.北京市東五環(huán)路與鐵路東北環(huán)線立交橋的設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2003(10):22-24.

[7]CJJ74—1999 城鎮(zhèn)地道橋頂進(jìn)施工及驗(yàn)收規(guī)程[S].

[8]TB10002.5—2005 J464—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[9]鐵辦[2005]133號(hào) 鐵路營(yíng)業(yè)線施工和安全管理規(guī)定[S]．

[10]JGJ79—2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[11]劉映紅.既有大型站場(chǎng)咽喉區(qū)下穿箱形橋設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006(6)：45-47.