墨玉连接线下穿铁路顶进式框架桥设计

马 超

中铁第五勘察设计院集团有限公司 新疆 乌鲁木齐 830000

由于结构简单，施工方便，框架桥在实际中得到了广泛的应用。为了不中断铁路运营，采用限速行车，直接顶进的桥涵称顶进式框架桥。采用顶进式具体的操作方式是，在确保铁路的安全运营的基础上，在铁路路基的侧面，将钢筋混凝土箱形框架结构进行装配，使用高压油泵来驱动油压千斤顶，并借助事先修复好的后背支撑，将该框架结构推到了已有线路路基中，从而形成了一座顶进式立交桥。随着我国经济的快速发展，铁路的建设也得到了空前的发展。在工程实践中，采用了更先进、更科学的设计思想，促进了我国铁路建设的快速发展。下穿铁路顶进式框架桥的设计对项目的施工极为重要。顶进法施工是一种非明挖技术方法，是在不影响地面正常交通通行的情况下，横向下穿立交构筑物的施工方法。顶进法施工的优点就在于保证铁路安全运行的前提下完成整个施工过程。本文以墨玉连接线K1914+050新建2-16.0框架桥为例浅谈下穿铁路框架桥的设计。

1 工程概况

本项目位于新疆维吾尔自治区和田地区墨玉县境内，为国道315线墨玉连接线南延联通道路基础设施建设项目穿越南疆铁路而设。前期经与当地相关部门沟通对接，本项目推荐采用顶进框架桥下穿的方式穿越铁路。

拟建道路于南疆铁路K1914+050处下穿铁路，穿越处路线与铁路交角为90°，本次设计框架桥按正交设置。拟建道路路基标准横断面宽度18m，按双向四车道设计。考虑到远期规划及预留，经与当地相关部门沟通，本次下穿铁路框架桥按2-16.0m设计，顶进施工，施工时对既有铁路采用组合工便梁法进行防护。

南疆铁路喀什至和田段为单线铁路（预留双线条件），无缝线路，P60钢轨，新Ⅲ型混凝土枕，内燃牵引（预留电气化）。穿越处线路位于R=3000m的曲线上，纵坡-1‰，线路两侧均设置防护栅栏，路基高度5m左右，无路基防护。在南疆线K1914+582处，设置有一座24-32.0m特大桥，本项目距既有桥桥台80m，施工时对既有结构无影响。

在南疆线K1914+050处，面向大里程左侧防护栅栏内直埋敷设有两根信号电缆有，电缆型号为SPTYWPL 12A芯两根，贯通地线一根，本次设计对既有信号电缆进行移设防护处理。

在南疆线K1914+050处，铁路通信光、电缆在既有铁路线左侧（面向大里程）防护栅栏内线路路肩上直埋敷设，通信光、电缆为：一条20芯光缆和一条7*4对称电缆同沟敷设（敷设于距防护栅栏约11m的铁路路肩上）。本次设计对既有通信光、电缆进行防护设计。

2 工程地质及水文地质情况

2.1 地形地貌

该项目桥址位于和田地区墨玉县，为国道315线墨玉连接线联通道路基础设施建设项目下穿南疆铁路。

2.2 地质特征

在本次勘察的深度范围内，地基土共分为两个工程地质单元层，现自上而下分层描述如下：

（1）素填土（Qme）：杂色，松散，稍湿，主要由粉土组成，局部含少量生活垃圾和建筑垃圾。该地层层底深度1.5m，层厚1.5m，平均层厚1.5m。

（2）卵石（Q2al+pl）：灰褐色，稍湿～饱和，稍密～密实，一般粒径为20.0～40.0mm，最大可见粒径80mm，磨圆度较好，以圆状、亚圆状为主。成份以硬质岩为主，充填物为中粗砂，骨架颗粒交错排列，大部分接触。颗粒级配良好，分选性差。地下水位随喀拉喀什河季节性变化而变化。该地层层底深度33.5～35m，层厚33～35m，平均厚度34m，承载力基本容许值300kPa。

框架桥基础位于该层，承载力能够满足要求。

2.3 地下水位及埋深

拟建桥位处的地下水类型含水层的埋藏条件及地下水的水力特征，主要为层间孔隙水。丰水期地下水埋深1.5m；枯水期地下水埋深7.0m。

2.4 抗震设防烈度

根据《中国地震动参数区划图》（GB18036-2015）的划分，工程建设场地设计基本地震加速度值为0.15g，抗震设防烈度为Ⅶ度。

2.5 冻结深度

标准冻结深度0.7m。

对于冰点试验的重复性好坏我们采用GB/T 2430-2008《航空燃料冰点测定法》的重复性标准进行判定[8]，从表9看出，长岭喷气燃料的4次冰点试验结果的均值为-53.8℃，极差为0.6℃；根据GB/T 2430-2008的重复性要求，对同一试样的两次试验结果之差不应大于1.5℃，所以冰点的重复性同样满足要求。

2.6 不良地质与特殊岩土

根据工程地质调查和勘探揭露情况，拟建桥址区内未发现不良地质作用。

3 设计中的技术难点的思考

3.1 合理的孔跨布置，满足结构安全要求

框架桥设计应该考虑合理的孔跨比。孔跨比过大或过小既会对结构的安全性产生隐患，又容易造成材料浪费[1]。

3.2 工作坑的防护设计

工作坑是一个临时的支承构件，它能为顶进式框架桥提供最大的顶升压力。工作坑位于轨道基床一侧，采取1:1的斜率，喷浆进行补强，并对其背面回填土进行严密的压实。在框架桥式滑道上，必须在其上表面涂上一层绝缘油，以提高其防滑性能。同时，在顶升时，为防止工作坑滑块在框架桥上产生的强大顶载力作用下发生无序运动，需要在工作坑滑块底部布置一根锚杆，并在工作坑滑块的两头布置一根导轨，导轨与框架桥侧面相隔5-10cm布置。采用该方法可以对悬索桥的施工进行合理设计，使悬索桥施工过程中的施工走向得到了有效的控制。

3.3 铁路的防护措施设计，保证铁路在施工过程中的安全

施工期间采用组合工便梁对既有线路进行防护，纵梁采用I115型工便梁，梁高1150mm，翼缘宽380mm，节长为8、10、12m不等，根据加固长度需要组合，采取等强联结，本设计采用8根10m纵梁拼接成型计列连接部位相关工程数量；横抬梁组采用H70梁2根，每根长12m，采用等强拼接，横抬梁与纵梁采用Φ22U型螺栓联结。

4 墨玉连接线下穿铁路顶进式框架桥设计

4.1 主体结构

综合考虑桥址处地形、地物、地质、道路设计情况、既有铁路状况以及方案设计评审意见等情况，本次设计采用如下形式。

下穿立交采用2-16m框架结构，于南疆铁路K1914+050处穿越。框架桥中心线与南疆铁路下行线交角90°，轨底至顶板顶高度不小于1.2m。

框架桥单孔净宽16m，结构净高5.5m，顶板厚1.0m，底板厚1.15m，边墙厚1.3m，顶板倒角0.9*1.6m，底板倒角0.2*0.2m；框架桥顺铁路方向长度为35.5m，垂直铁路方向长度为16.0m。出入口设置挡土墙。顶进到位后桥下最小净空为4.8m。框架桥施工完毕后在出入口设置限高架，高度4.5m。

设计为线路架空顶进施工，结合地势及交通条件，将工作坑设置在线路左侧（面向铁路大里程方向）。顶进方向：由左向右。

4.2 结构计算

本项目拟在前期研究的基础上，利用我国北方交通大学自主研发的铁路和公路框架桥梁（框架桥梁）结构有限元模型，利用 MIDAS模型对其进行校核。

4.3 框架桥附属结构及辅助工程

（1）框架桥顶出入口处设栏杆，栏杆内侧设挡碴网和电缆槽。电缆槽为三室，分别盛装通信、信号光、电缆及电力电缆并考虑预留，每个电缆槽净空为30cm*30cm。电缆槽盛装电缆后应填满防火、防鼠材料。（2）为防止框架桥顶积水浸泡铁路路基，在桥顶用C30细石混凝土做好流水坡，将水集中后用PVC管道引入桥下排水系统，并在桥顶两端设小挡水墙（与主体一起浇筑）。（3）桥下道路设置纵坡，纵坡最低点位于铁路保护区外侧。（4）框架桥顶进到位后，沿道路方向设置重力式混凝土挡墙。（5）施工前需将受影响铁路栅栏进行拆除，施工完毕后将栅栏恢复。临时围栏需与既有栅栏相接，并不得侵入铁路限界。（6）在框架桥梁顶部设置了一层含氯的聚乙烯醇防水带，在框架桥梁顶部的防水层上设置了6cm厚度的C40细砂-聚乙烯醇纤维砼防护层。框架桥边墙外壁均涂抹聚氨酯防水涂料。

4.4 线路加固

线路加固采用目前最常用的方式：对框架桥须下穿的铁路采用组合工便梁法加固。框架桥整体预制，一次顶进，随挖随顶。线路架空加固为：一次架空，一次顶进。在框架桥的前部，确保了轨道补强系统具有足够的强度、刚度及稳定性。在框架桥的顶板上，用 TQF—1型防水涂料和C40钢纤维砼防护涂料覆盖；在墙体两侧的外面，分别涂上两层聚亚安酯防水漆。框架桥的顶板就位后，在顶板的两侧置挡水坡，并顶板的防水层保护层上设置斜坡，使水流汇集后再导入桥面。

在此基础上，利用 FEM进行了框架桥的内力计算，并对其进行了校核；刃角度的确定，是根据顶进时所能承受的列车暂时性载荷来确定的；顶力既要考虑刃的前部阻力，也要考虑不同的摩擦。

框架桥主体部位使用C40混凝土，其抗渗性不低于P8，其骨料的选用和碱度必须满足《铁路混凝土工程预防碱–骨料技术反应条件》（TB/T 3054）的要求；工作坑的滑动板、锚杆和导墩均为C30混凝土；后梁为C30混凝土；进、出口的护壁为C30混凝土；

帽石采用C30混凝土；防水层保护层采用C40钢纤维混凝土；护坡桩、抗横移桩、后背桩、支撑桩及顶梁采用C30混凝土。

一般钢筋建议选用HPB300及HRB400型钢筋，该钢筋的技术参数必须满足GB1499.1 《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》及GB1499.2 《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》的要求。

框架桥的桥面和两侧路基，在顶板施工之前，应先对其进行灌浆，以避免在顶板施工时出现塌方；在框架桥施工过程中，在边墙两侧设置管道，施工完毕后，对框架桥两侧的路基、桥梁过渡段进行灌浆加固，并用级配砂石回填，对边坡进行灌浆加固，以确保施工过程中路基的紧实度和稳定。并采用雷达物探检测。为保证顶进方向的准确，在框架桥两侧滑板上设置导向墩，工作坑铁路路基侧，采用1:1放坡，喷射混凝土加固，后背填土应严格夯实[2]。

桥下主路道路路面采用12cm沥青混凝土+1cm乳化沥青透层和SBS改性沥青防水层+36cm水泥稳定碎石+20cm石灰粉煤灰综合稳定土。

（1）本设计适应列车慢行45km/h的要求。架空加固长度为80m；挖支点桩前应对无缝线路进行应力放散，线路架空后应对线路进行应力回放。（2）施工期间采用组合工便梁对既有线路进行防护，纵梁采用I115型工便梁，梁高1150mm，翼缘宽380mm，节长为8、10、12m不等，根据加固长度需要组合，采取等强联结，本设计采用8根10m纵梁拼接成型计列连接部位相关工程数量；横抬梁组采用H70梁2根，每根长12m，采用等强拼接，横抬梁与纵梁采用Φ22U型螺栓联结。（3）为确保线路架空加固安全稳定、使纵横梁的强度、变形满足要求，在铁路线路两侧对应纵横梁交叉位置处设置直径1.5m（不含护壁）的C30钢筋混凝土支点桩。（4）在框架顶进方向，南疆铁路下行线中心6.87m处对应支点桩的位置上设置钢筋混凝土抗横移桩，桩顶设抗横移托梁。托梁及支撑桩在框架桥顶进到位后拆除。（5）支承桩的桩顶标高可视具体条件而定，在支承桩的顶部设置盖梁，盖梁的高度略低于基床表面标高。枕木在帽梁顶部和横梁之间必须铺上足够厚的垫层。（6）顶进桥梁时，随顶进逐渐清除桥顶以上全部填土及道砟，使线路完全架空。当横抬梁进入框架上后，在横抬梁下设置万向滑车。顶进时按顶镐行程，每次顶进不大于0.5m，在箱身前进后顶镐活塞回复原位，在空档处加入顶铁，以待下次开镐，如此循环往复，直到箱身就位。在顶进到挖孔桩时，要把箱体上方的支点垫紧，确保电线全部在平稳可靠后才能拆卸挖孔桩，但拆卸之前要把支点上的垫木拆下来。挖孔桩的下部拆除至比箱形桥底板底面低0.5m，然后采用碎石土填料进行回填夯实。（7）在施工过程中，要安排专门的人员对线路的跨越情况进行监控，并在车辆通过后，对出现的问题进行快速处理，确保线路的标高和各个部件的连接是安全的。（8）线路加固系统共计使用各种挖孔桩43根，其中直径1.5m（不含护壁）长12m的纵梁支点桩10根；直径1.5m（不含护壁）长8.0m的纵梁支点桩4根；直径1.5m（不含护壁）长12m的纵梁抗侧移桩5根；直径1.2m（不含护壁）长12m的防护桩24根[3]。

5 结论

框架桥由于自身的优势，在实际应用中得到广泛的使用。顶进式框架桥在设计中应注意以下几点：1）下穿框架桥结构的设计需要正确设置顶底板的尺寸，并使孔跨比在合理的设计范围之内，保障桥体结构的安全经济。2）框架桥顶板顶距轨底距离在满足线路加固要求的基础上可以降低桥顶道砟厚度，并且可以抬高道路纵断，减小挖深，缩短下挖段引道长度，同时减少线路加固的难度。3）框架桥的桥面和两边的路基，在顶板施工之前，应先对其进行灌浆，以避免在顶板施工中出现垮塌现象；框架桥在顶板施工过程中，在边壁两边设置管道，在顶板到位后，对框架桥两边的路桥转换处进行灌浆处理，对两边坍塌处进行级配砂压实处理，并对边壁进行补强处理，以确保顶板施工后的地基压实及稳定，同时利用雷达物探技术对其进行探测。4）工作坑背板的设计应达到构筑物顶入最大顶入压力，避免在构筑物顶入时出现开裂或倾覆现象，造成工程进度延迟。