陳武林，杜昊，賀煒

(1.中交第四公路工程局有限公司,北京市 10022；2.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

隨著中國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，交通主干道常常難以滿足通行量增長要求，亟待拓寬。既有道路拓寬不僅需要在施工過程中保通，還必須確保交叉鐵路或道路的運(yùn)營。位于陜西省西咸豐新區(qū)灃東新城的灃涇大道K3+400處與西戶鐵路K19+077處相交，并下穿西戶鐵路，設(shè)計(jì)采用2×20.75 m+2×20.75 m兩座框架橋，加墻厚后共計(jì)93.6 m，是目前中國寬度最大的下穿鐵路線頂進(jìn)工程，因此，有必要結(jié)合工程實(shí)踐開展研究。

目前，中國公路下穿鐵路框架橋頂進(jìn)施工已有一些成功的案例，如2004年北京市南中軸路下穿的京山鐵路四孔地道橋(總寬83 m)是當(dāng)時(shí)亞洲單體最大的頂進(jìn)框架橋。工程技術(shù)人員在道路下穿鐵路頂進(jìn)施工過程中進(jìn)行了多方面探討。李士中等對車站咽喉區(qū)框架橋下穿鐵路的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行了全面的總結(jié)，提出可根據(jù)周邊環(huán)境因素和地層變化情況分別采用不同的圍護(hù)方案，以取得較好經(jīng)濟(jì)效益；劉洪亮、張苒對頂進(jìn)框架橋縱橫梁加固體系進(jìn)行了計(jì)算與設(shè)計(jì)分析，認(rèn)為縱梁及鐵路股道所在的具體位置對橫梁的受力影響較大；李家穩(wěn)等對頂進(jìn)框架橋的位移變化采用現(xiàn)場監(jiān)控與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為路基最大沉降位置在偏移軸線一定距離處，且水平位移在框架橋軸線位置最大;崔陸林、王興睿等對頂進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探討，總結(jié)了頂進(jìn)工作坑開挖、滑板及后背墻施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)；李巖等分析了頂進(jìn)法、中繼法、對頂法等不同的頂進(jìn)施工方式；鄭文豪等對挖孔樁防護(hù)技術(shù)、防護(hù)樁、支撐樁以及抗衡移樁技術(shù)等進(jìn)行了探討；謝慶仕指出頂管施工過程中存在管道軸線偏差過大，頂力突然增大等常見問題，提出了開頂前設(shè)置測力裝置并在頂進(jìn)過程中隨時(shí)繪制頂進(jìn)曲線以指導(dǎo)頂進(jìn)糾偏等相應(yīng)措施；陳彬科等提出了新建地鐵下穿既有軌道車站的施工方案和技術(shù)難點(diǎn)。

采用臨時(shí)架空方法在既有鐵路線下實(shí)施框架橋頂進(jìn)的施工風(fēng)險(xiǎn)主要與架空總寬度相關(guān)，因此，該文依托現(xiàn)有中國總寬度最大的下穿鐵路頂進(jìn)工程開展分析和施工監(jiān)測，有助于積累工程經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)類似工程提供參考。

2 頂進(jìn)施工前后受力體系分析

常用的頂進(jìn)框架橋施工方式有便梁加固法和縱橫梁加固法兩種：便梁加固法是采用便梁將線路架起，便梁支座設(shè)置在支撐樁上，其僅適用于曲線半徑R≥400 m的單線或雙線，且跨度不能太大；縱橫梁加固法采用工字鋼在頂進(jìn)橋位處沿平行、垂直線路方向橫抬縱挑、立體交叉布置，結(jié)合吊軌、支撐樁、抗橫移樁、防護(hù)樁等進(jìn)行綜合加固，其適用于雙線及多線、跨度逐漸增大的框架橋。由于灃涇大道下穿西戶鐵路項(xiàng)目框架橋總跨度達(dá)到93.6 m，施工中選擇縱橫梁加固體系，施工場地整體布置如圖1所示?？蚣軜蚣芸枕斶M(jìn)施工之前，在距離鐵路中心軸線約46.65 m處開挖工作基坑，預(yù)制框架橋。

灃涇大道為雙向八車道，可采取兩次架空，兩次頂進(jìn)的方案，先架空頂進(jìn)道路左側(cè)框架橋，然后再架空頂進(jìn)道路右側(cè)框架橋，兩階段線路架空體系如圖2所示。

圖1 下穿鐵路框架橋頂進(jìn)施工整體場地布置圖(單位：m)

圖2 頂進(jìn)施工線路架空布置圖(單位：cm)

在施工過程中首先進(jìn)行框架橋預(yù)制，同時(shí)在設(shè)計(jì)位置施工支撐樁，并架設(shè)縱橫梁，此時(shí)上方荷載仍由原路基承擔(dān)；然后開挖鐵路路基，此時(shí)上方荷載臨時(shí)由路基轉(zhuǎn)移至由縱橫梁承擔(dān)，確保下方具有足夠的施工空間；將預(yù)制框架橋頂進(jìn)至設(shè)計(jì)位置后進(jìn)行安裝，上方荷載最終由框架橋承擔(dān)。由于體系轉(zhuǎn)換過程有可能產(chǎn)生一定的變形，從而影響鐵路線運(yùn)營效果，因此除了確保臨時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性外，變形量控制也是施工技術(shù)的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，該段鐵路常速運(yùn)行速度小于45 km/h，為防止施工體系轉(zhuǎn)換造成的位移影響永久結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目要求施工過程中水平、高低、軌向和三角坑產(chǎn)生的位移量控制在6 mm以內(nèi)。為此，該文對該臨時(shí)工程進(jìn)行三維有限元建模分析，除常規(guī)強(qiáng)度驗(yàn)算外，著重分析了結(jié)構(gòu)變形及支撐樁的剛度，以確保頂進(jìn)施工達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

3 體系轉(zhuǎn)換中結(jié)構(gòu)的受力與變形分析

根據(jù)臨時(shí)架空工程初步設(shè)計(jì)方案，挑空縱梁采用I100工字鋼，兩片I100工字鋼間距4.4 m；支點(diǎn)橫梁及橫抬梁采用5片I56c工字鋼組拼，其中支點(diǎn)橫梁長6.4 m，橫抬梁長13 m；普通橫梁采用I45c工字鋼，長度5.4 m?？v梁跨度8 m，支點(diǎn)橫梁與普通橫梁跨度為4.4 m。在預(yù)制跨線橋頂進(jìn)過程中，會(huì)在其上設(shè)置與橫抬梁之間的臨時(shí)支撐，故橫抬梁的跨度將相應(yīng)減小，以利于結(jié)構(gòu)受力。縱橫梁支點(diǎn)位置設(shè)置支點(diǎn)樁，樁徑1.25 m，樁長14 m。由計(jì)算分析結(jié)果可知：架空結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)度滿足要求，在此基礎(chǔ)上，該文進(jìn)一步探討施工中的變形量及其對結(jié)構(gòu)使用性能的影響。

3.1 支撐樁豎向沉降量分析

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，施工場地各土層的層厚及物理力學(xué)特性如表1所示。各支撐樁樁底未嵌入巖層，有必要基于土層力學(xué)參數(shù)驗(yàn)算支撐樁豎向剛度，以確保豎向沉降量滿足要求。

表1 施工場地各土層物理力學(xué)特性

為分析樁基豎向變形特性，該文采用美國聯(lián)邦交通部FHWA設(shè)計(jì)手冊規(guī)定的荷載傳遞法進(jìn)行計(jì)算，其基于無量綱曲線估計(jì)樁側(cè)與樁端的荷載傳遞曲線。曲線中上極限側(cè)阻fs與極限端阻fb分別采用下列方法計(jì)算：

fs=αcu

(1)

式中：α為系數(shù)，當(dāng)cu/pa≤1.5時(shí)α=0.55；當(dāng)1.5 ≤cu/pa≤2.5時(shí)，α=0.55-0.1(cu/pa-1.5)；cu為土不排水抗剪強(qiáng)度。

fb=Nccu

(2)

對于無黏性土，荷載傳遞曲線的確定與上述較為類似，僅參數(shù)取值方法有一些區(qū)別，此處不贅述。基于FHWA方法確定的各土層荷載傳遞曲線如圖3所示。

圖3 各層土樁側(cè)荷載傳遞曲線

基于荷載傳遞法對支撐樁進(jìn)行了計(jì)算，可得其荷載沉降曲線如圖4所示。由于樁底土層為密實(shí)砂土，其曲線形式為緩變形。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算可知，支撐樁樁頂所受最大豎向荷載為1 360.8 kN，對應(yīng)的樁頂沉降量為1.8 mm，可滿足施工要求。

圖4 支撐樁荷載沉降曲線

3.2 兩階段架空體系受力變形分析

為確保下穿鐵路頂進(jìn)施工過程穩(wěn)定安全，且不影響永久結(jié)構(gòu)的使用性能，在架空臨時(shí)工程設(shè)計(jì)中采用Midas/Civil驗(yàn)算各個(gè)部件的應(yīng)力及變形，其整體結(jié)構(gòu)模型圖如圖5所示。其中鐵軌與架空系統(tǒng)縱橫梁采用梁單元模擬，并在支承處采用彈性連接模擬橫梁與枕木垛之間的連接。為計(jì)入上下部結(jié)構(gòu)共同作用，支撐樁剛度按3.1節(jié)計(jì)算結(jié)果確定。

圖5 框架橋頂進(jìn)施工架空結(jié)構(gòu)模型圖

由計(jì)算分析可知，下穿鐵路框架橋臨時(shí)架空結(jié)構(gòu)各部件的變形量及容許值如表2所示。

表2 撓度計(jì)算結(jié)果

表2中，L為計(jì)算跨度，容許值采用《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊》中對縱橫梁鋼材撓度所規(guī)定的L/400。通過對計(jì)算結(jié)果與容許值的比較可知，縱橫梁在該最不利工況條件下，位移滿足要求，因此在整個(gè)框架橋頂進(jìn)過程中，縱橫梁的位移變形可滿足要求。普通橫梁在該最不利情形下豎向變形量最大，應(yīng)在頂進(jìn)施工中對其進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

4 施工變形監(jiān)測與控制

為控制縱橫梁與支撐樁等在頂進(jìn)施工中的變形量，基于支撐樁剛度及三維有限元建模分析結(jié)果，對施工過程中結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了監(jiān)測。該項(xiàng)目監(jiān)測范圍在框架橋兩側(cè)各50 m內(nèi)，監(jiān)測點(diǎn)布置在鋼軌上，間距5 m，共計(jì)50個(gè)觀測點(diǎn)?？蚣軜蝽斶M(jìn)施工中，也在基礎(chǔ)混凝土及框架橋底板設(shè)置觀測點(diǎn)。各變形觀測點(diǎn)上安裝沉降標(biāo)點(diǎn)，并在施工過程中采用全站儀與高精度水準(zhǔn)儀測量，監(jiān)測間隔為8 h。水平位移測量精度要求<1.5 mm，垂直位移測量精度要求<0.3 mm。監(jiān)測所采用的報(bào)警值如表3所示。

表3 鐵路軌道監(jiān)測報(bào)警值

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得出的沉降觀測記錄可知：在監(jiān)測的50個(gè)觀測點(diǎn)中，最大沉降量為2 mm，大部分觀測點(diǎn)未觀測到沉降量與變形，施工變形控制效果良好。目前，鐵路線運(yùn)營已恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

(1)由于施工過程的兩次受力體系轉(zhuǎn)換，下穿鐵路框架橋臨時(shí)架空結(jié)構(gòu)除考慮施工過程中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性外，還需分析施工變形量對永久結(jié)構(gòu)功能的影響。

(2)采用荷載傳遞法計(jì)算得到該工程支撐樁在最大豎向荷載作用下沉降量為1.8 mm，在此基礎(chǔ)上建立三維有限元模型計(jì)算得到各部件的變形量均可滿足容許值要求。

(3)頂進(jìn)施工過程中沿鐵路線布置了50個(gè)位移觀測點(diǎn)，觀測到的最大變形量為2 mm，驗(yàn)證了頂進(jìn)施工的變形控制效果，可供后續(xù)工程參考。