多跨框架箱涵下穿铁路股道群顶进便梁施工关键技术研究

单天宇, 王俊淇, 张自光, 尤雪苹

(1.中国铁路上海局集团公司,上海 200071; 2.江苏雷威建设工程有限公司, 江苏南京210003;3.建筑结构与地下工程安徽省重点实验室,安徽建筑大学土木工程学院, 安徽合肥230601)

[通信作者]张自光(1980—),男,博士,硕士生导师,研究方向为地下空间开发利用。

0 引言

随着我国经济社会的发展和城镇化水平步伐的不断加快,将城市铁路两侧的交通全面贯通,实现城市铁路两侧的协调发展。在贯通铁路两侧的工程中不可避免地会出现长大框架箱涵等地下工程下穿铁路轨道群的情况,在此情况下会扰动铁路轨道群结构,使铁路轨道群结构发生沉降变形。当铁路轨道群结构发生较大沉降变形时,列车在其上方运行极易发生失稳脱轨事故,严重影响列车的运营安全。为了在不中断既有线行车的前提下,亟需铁路轨道群的加固以便于铁路正常使用,因此,便梁加固铁路轨道群的方法应运而生。临时便梁结构由人工挖孔桩和便梁架空加固既有铁路线路以确保铁路运行畅通,但是便梁架空加固多股道铁路的施工仍存在问题。刘辉等[1]以长株潭城际铁路长沙站进、出站地道下穿京广货运线工程对D梁架设的施工步骤进行了详细的说明。傅政等[2]根据工程经验对便梁的架设的方式及使用作出了详细说明,并对可能影响便梁稳定性的原因进行分析。张志勇等[3]章以莆田火车站南北广场东西两侧地下通道涉铁工程为例,详细阐述基于人工挖孔桩的D型便梁加固原理、工艺流程及应用效果。赵志清等[4]借鉴和深化研究横承式便梁法的线外钻孔桩支墩与横承梁共同支承线路加固便梁的技术思路,采用钻孔桩支墩结合钢大横梁支承便梁进行线路加固,并将其应用于白银路下穿京包、集包两条既有铁路的立交桥工程中。以上成果都对本文研究提供了思路。

本文依托合肥市铜陵北路下穿火车东站到达场便梁施工工程实践,在对铁路股道群便梁加固原理及施工顺序深入分析的基础上,绘制了多跨框架箱涵下穿铁路股道群顶进便梁施工流程图,同时结合依托工程案例对多跨框架箱涵下穿铁路管道群顶进铁路线路便梁加固实施步骤进行了详细说明。在此基础上,对在铁路股道群下面作业受限空间条基下的人工挖孔桩+条形基础支墩施工、竖向钢管内支撑箱身支墩施工、便梁纵移施工等关键技术进行了系统阐述。研究成果类似工程施工提供了重要的参考依据和案例支持。

1 工程概况

合肥市铜陵北路位于安徽省合肥市瑶海区,南起天水路,北至东方大道,道路全长4 752.436 m,为该区域内的一条新建城市交通主干道路。道路设计时速60 km/h,规划道路红线45 m。铜陵北路下穿合肥东站立交桥工程涉铁范围南起桩K0+502.685,北至桩号K1+266,全长为763.315 m。其中,在K0+577.00～K1+049.80里程段依次下穿桃东下行线、淮南上行线一节框架长49.91 m,下穿机务段12节框架长277.12 m(其中铁路下框架2节长86.68 m),下穿到达场4节框架长129.80 m(其中铁路下框架2节长72.80 m),如图1所示。

图1 合肥铜陵北路下穿铁路股道群平面

合肥铜陵北路下穿铁路股道群采用跨度为6.0 m+l2.0 m+l2.0 m+6.0 m分离式框架箱涵正交通过。跨度为12.0 m的框架顶板厚1.1 m,底板厚1.2 m,侧墙厚1.1 m,布置11.25 m的机动车道;跨度为6.0 m的框架顶板厚0.6 m,底板厚0.7 m,侧墙厚0.7 m,布置人行道及非机动车道,如图2所示。

图2 框架横断面

项目场地总体地形南边偏低北边较高,地表平均高程约27 m,最大高差约8.49 m,属江淮丘陵地貌。场地在勘探深度范围内所分布的地层自地表向下依次为杂填土(Q4ml)和更新统黏土(Q3al+pl)。杂填土(Q4ml)层厚2.90～3.50 m,灰黄、灰黑色,稍密状,上部为混凝土地表,厚度约0.2 m,下部为黏性土回填,含有淤泥质土、碎石。黏土(Q3al+pl)地层在勘察过程中均未被揭穿,颜色呈黄色,硬塑状态。黏土(Q3al+pl)地层物理力学参数特征统计分析如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

场地内地下水为上层滞水。不连续分部,主要补给来源为大气降水,整个场地无统一地下水位,水位随季节变化而变化。地下水位埋深0.80～3.00 m,水面标高为31.00～34.20 m。

2 多跨框架箱涵下穿铁路股道群顶进便梁施工顺序

2.1 铁路股道群便梁加固原理及施工步骤

多跨框架箱涵下穿铁路股道群顶进施工便梁加固铁路线路的结构体系由下部结构(临时支墩、人工挖孔桩、条形基础、支点墩、平衡墩等) 、上部结构(横承梁、纵梁、小横梁等) 和连接附属构造(连接牛腿、螺栓、销轴、拉板、支座、 绝缘垫、钢轨扣件等) 等部分组成[5-7],如图3 所示。

图3 铁路股道群便梁结构体系构成示意

多跨框架箱涵下穿铁路股道群顶进便梁施工顺序:

(1)架设便梁临时支座。

(2)抽出铁道枕木,插入横梁。

(3)将纵梁移至临时支座上。

(4)将横梁与纵梁之间组装连接。

(5)将铁路股道下方的地基进行开挖并施工成型若干个桩基[8-9]。

(6)施工成型条形基础梁。

(7)将纵梁脱换架至条形基础梁上。

(8)若桩基在箱涵顶进线路上,凿除框架箱涵顶进路线上的桩基,并进行多跨框架箱涵穿越铁路股道群施工顶进;若桩基不在箱涵顶进线路上,不需凿除桩基增加钢支撑(此步骤省略)。

(9)第一跨框架箱涵顶进完成后,进行回填路基,移动临时便梁。

(10)进行下一个箱涵顶进,直至多跨箱涵全部顶进完成,移除便梁,箱涵顶进完成。

多跨框架箱涵下穿铁路股道群顶进便梁施工流程如图4所示。

图4 临时便梁施工流程

2.2 框架箱涵穿越股道群顶进

现以合肥市铜陵北路下穿火车东站到达场场K19～K20两节框架箱涵顶进施工为例,对多跨框架箱涵下穿铁路轨道群顶进便梁加固施工进行详细说明。

合肥市铜陵北路下穿机务段到达场K19～K20两节框架箱涵顶进施工,总长度72.80 m长度。箱涵顶进是铁路轨道采用D16 m+D24 m+16 m便梁进行线路加固。便梁架设支墩采用临时钢筋混凝土支墩、人工挖孔桩加条基、框架箱涵箱身的形式相结合。其中人工挖孔桩桩径φ1.5 m,桩长23 m,条基尺寸为2.8 m(宽)×2.5 m(高)×70 m(长),挖孔桩及条基施工时,便梁支墩全部采用临时钢筋混凝土支座。框架箱涵顶进采用2#→1#→4#→3#的顺序进行,框架顶进完成后及时进行框架桥面附属施工,尽快恢复线路,如图5所示。

图5 箱涵顶进顺序

合肥市铜陵北路下穿机务段到达场箱涵顶进施工顺序:

(1)在1#箱涵右侧2.0 m处和2#箱涵左侧2.0 m处分别施作1#临时支墩和2#临时支墩,如图6所示。

图6 2#箱涵顶进便梁示意

(2)抽枕木,插横梁,将便梁架设在1#临时支墩和2#临时支墩上。

(3)施作1#临时支墩和2#临时支墩下1#条基支墩和2#条基支墩;便梁支墩由1#临时支墩和2#临时支墩托换至1#条基支墩和2#条基支墩上。

(4)2#箱涵下穿股道群顶进。

(5)1#箱涵下穿股道群顶进,如图7所示。

图7 1#箱涵顶进便梁顶进示意

(6)在4#箱涵右侧2.0 m处和左侧2.0 m处分别施作3#临时支墩和4#临时支墩。

(7)抽枕木,插横梁,将便梁架设再3#临时支墩和4#临时支墩上。

(8)施作3#临时支墩和4#临时支墩下3#条基支墩和4#条基支墩;便梁支墩由3#临时支墩和4#临时支墩托换至3#条基支墩和4#条基支墩上。

(9)4#箱涵下穿股道群顶进,如图8所示。

图8 4#箱涵顶进便梁示意

(10)在2#箱涵左侧2.5 m箱身顶板和4#箱涵右侧2.5 m处箱身顶板分别设置1#箱身支墩和2#箱身支墩;同时,在箱涵内部箱身支墩对应部位设置钢支撑。

(11)在1#箱身支墩和2#箱身支墩之间架设便梁。

(12)3#箱涵顶进至铁路股道前,拆除2#条基支墩和3#条基支墩及对应的人工挖孔桩,3#箱涵下穿铁路股道群,如图9所示。

图9 3#箱涵顶进便梁示意

1#～4#框架箱涵下穿铁路股道群全部顶进完成后,拆除纵梁,然后抽出钢轨下方的横梁,将原枕木放回原始位置,将框架箱涵与两侧路基间空隙用混凝土回填,回填至与框架箱涵的箱顶同高,框架箱涵的箱顶与回填混凝土上方回填道碴,捣固振实不再沉降后,恢复线路,如图10所示。

图10 箱涵全部顶进到位下穿铁路示意

3 多跨框架箱涵下穿铁路股道群顶进便梁施工关键技术

3.1 人工挖孔桩+条形基础支墩施工

首先,在施工前对铁路线路进行便梁加固。然后,在便梁架设到位后将下方人工挖孔桩位置土方全部挖空,形成一个底宽3.5 m,上口宽6.8 m,高3.3 m的人工通道,如图11(a)、图11(b)所示。通道两侧需做好护坡和防排水处理。接着,在铁路股道下方的人工通道内进行人工挖孔桩施工,人工挖孔桩桩长、桩径等基础参数按承载力要求计算确定,且桩长需达到框架箱涵地板底部以下深度一定范围。最后,待人工挖孔桩施工完成,到达一定强度进行条形基础钢筋笼板扎、支模、混凝土浇筑,将人工挖孔桩锚入条形基础中形成一个整体。条形基础尺寸为2.5 m×2.8 m×82 m条形基础,如图11(c)、图11(d)所示。便梁支座作用在条形基础上,且其中心位置与桩基中心位置一致。框架箱涵顶进即将通过前,便梁由混凝土基础支墩转换为铁路股道下的条形基础支墩。框架箱涵顶进即将通过时,对铁路股道群下方地基进行土方开挖,并进行多跨框架箱涵穿越铁路股道群依次顶进施工。若箱涵顶进线路上存在桩基,则在框架箱涵顶进取土后,凿除框架箱涵在顶进路线上的桩基及条形基础,箱涵顶进通过铁路股道。反之,若箱涵顶进线路上不存在桩基,则箱涵按正常程序顶进通过铁路股道。

图11 便梁条基支墩

3.2 竖向钢管内支撑箱身支墩施工

框架箱涵顶进通过铁路股道后,在框架箱涵顶部外侧面安置支承垫块,如图12(a)所示,便梁由条形基础支墩转化为框架箱涵箱身支墩。在此过程中,在框架箱涵内的上顶板和下底板之间放置钢支撑,如图12(b)所示。

图12 便梁箱身支墩

3.3 便梁纵移施工关键技术

施工流程如下:材料机具准备—安装承托机构—起梁—落梁—移梁、落梁、组装[10-11]。现以D24施工便梁为例,具体说明如下:

(1)在封锁开始前,确保现场电源畅通。利用列车间隔拆除连接板S4,拆除牛腿与横梁的连接螺栓,拆除2#、4#、34#、36#处横梁处牛腿。在便梁外侧两端安装好千金顶操作台并连接好千斤顶,确定好便梁就位线,并铺设便梁支座钢板及枕木。

(2)封锁开始后在2#、4#、34#、36#处安装倒置的牛腿,安装好后在牛腿上倒扣放置横梁,横梁与牛腿使用M18精制高强螺栓连接,与便梁间采用S4连接板连接(图13)。

图13 加长横梁安装

(3)承托机构安装完毕后,在横梁处放置100 t液压油顶,开启操作台,顶起2#横梁处横梁,达到高度后,推入1#、2#移梁小车,此时,小车上均放有木枕(图14)。

图14 滑车安装

(4)推入的小车轮两侧卡入木楔,收起液压千斤顶。在油顶完全移走后开启36#横梁处千斤顶,并推入小车。

(5)移除固定小车的木楔,推动小车至便梁架设位,分头顶起加长钢枕,移除小车将便梁安放到便梁支座上。拆除承托机构,安装便梁。

4 结论

(1)绘制了多跨框架箱涵下穿铁路轨道群顶进便梁施工流程图,并结合合肥市铜陵北路下穿火车东站到达场便梁施工工程案例,详细阐述了多跨框架箱涵下穿铁路轨道群顶进铁路线路便梁加固实施步骤。

(2)详细阐述了在铁路轨道群下面作业受限空间条基下的人工挖孔桩+条形基础支墩施工控制关键技术,变形控制要求严格条件下的竖向钢管内支撑箱身支墩施工控制关键技术,以及便梁纵移施工控制关键技术等技术难题。研究成果类似工程施工提供了重要的参考依据和案例支持。