多跨框架箱涵下穿鐵路股道群頂進便梁施工關鍵技術研究

單天宇, 王俊淇, 張自光, 尤雪蘋

(1.中國鐵路上海局集團公司,上海 200071; 2.江蘇雷威建設工程有限公司, 江蘇南京210003;3.建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室,安徽建筑大學土木工程學院, 安徽合肥230601)

[通信作者]張自光(1980—),男,博士,碩士生導師,研究方向為地下空間開發利用。

0 引言

隨著我國經濟社會的發展和城鎮化水平步伐的不斷加快,將城市鐵路兩側的交通全面貫通,實現城市鐵路兩側的協調發展。在貫通鐵路兩側的工程中不可避免地會出現長大框架箱涵等地下工程下穿鐵路軌道群的情況,在此情況下會擾動鐵路軌道群結構,使鐵路軌道群結構發生沉降變形。當鐵路軌道群結構發生較大沉降變形時,列車在其上方運行極易發生失穩脫軌事故,嚴重影響列車的運營安全。為了在不中斷既有線行車的前提下,亟需鐵路軌道群的加固以便于鐵路正常使用,因此,便梁加固鐵路軌道群的方法應運而生。臨時便梁結構由人工挖孔樁和便梁架空加固既有鐵路線路以確保鐵路運行暢通,但是便梁架空加固多股道鐵路的施工仍存在問題。劉輝等[1]以長株潭城際鐵路長沙站進、出站地道下穿京廣貨運線工程對D梁架設的施工步驟進行了詳細的說明。傅政等[2]根據工程經驗對便梁的架設的方式及使用作出了詳細說明,并對可能影響便梁穩定性的原因進行分析。張志勇等[3]章以莆田火車站南北廣場東西兩側地下通道涉鐵工程為例,詳細闡述基于人工挖孔樁的D型便梁加固原理、工藝流程及應用效果。趙志清等[4]借鑒和深化研究橫承式便梁法的線外鉆孔樁支墩與橫承梁共同支承線路加固便梁的技術思路,采用鉆孔樁支墩結合鋼大橫梁支承便梁進行線路加固,并將其應用于白銀路下穿京包、集包兩條既有鐵路的立交橋工程中。以上成果都對本文研究提供了思路。

本文依托合肥市銅陵北路下穿火車東站到達場便梁施工工程實踐,在對鐵路股道群便梁加固原理及施工順序深入分析的基礎上,繪制了多跨框架箱涵下穿鐵路股道群頂進便梁施工流程圖,同時結合依托工程案例對多跨框架箱涵下穿鐵路管道群頂進鐵路線路便梁加固實施步驟進行了詳細說明。在此基礎上,對在鐵路股道群下面作業受限空間條基下的人工挖孔樁+條形基礎支墩施工、豎向鋼管內支撐箱身支墩施工、便梁縱移施工等關鍵技術進行了系統闡述。研究成果類似工程施工提供了重要的參考依據和案例支持。

1 工程概況

合肥市銅陵北路位于安徽省合肥市瑤海區,南起天水路,北至東方大道,道路全長4 752.436 m,為該區域內的一條新建城市交通主干道路。道路設計時速60 km/h,規劃道路紅線45 m。銅陵北路下穿合肥東站立交橋工程涉鐵范圍南起樁K0+502.685,北至樁號K1+266,全長為763.315 m。其中,在K0+577.00～K1+049.80里程段依次下穿桃東下行線、淮南上行線一節框架長49.91 m,下穿機務段12節框架長277.12 m(其中鐵路下框架2節長86.68 m),下穿到達場4節框架長129.80 m(其中鐵路下框架2節長72.80 m),如圖1所示。

圖1 合肥銅陵北路下穿鐵路股道群平面

合肥銅陵北路下穿鐵路股道群采用跨度為6.0 m+l2.0 m+l2.0 m+6.0 m分離式框架箱涵正交通過?？缍葹?2.0 m的框架頂板厚1.1 m,底板厚1.2 m,側墻厚1.1 m,布置11.25 m的機動車道;跨度為6.0 m的框架頂板厚0.6 m,底板厚0.7 m,側墻厚0.7 m,布置人行道及非機動車道,如圖2所示。

圖2 框架橫斷面

項目場地總體地形南邊偏低北邊較高,地表平均高程約27 m,最大高差約8.49 m,屬江淮丘陵地貌。場地在勘探深度范圍內所分布的地層自地表向下依次為雜填土(Q4ml)和更新統黏土(Q3al+pl)。雜填土(Q4ml)層厚2.90～3.50 m,灰黃、灰黑色,稍密狀,上部為混凝土地表,厚度約0.2 m,下部為黏性土回填,含有淤泥質土、碎石。黏土(Q3al+pl)地層在勘察過程中均未被揭穿,顏色呈黃色,硬塑狀態。黏土(Q3al+pl)地層物理力學參數特征統計分析如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數

場地內地下水為上層滯水。不連續分部,主要補給來源為大氣降水,整個場地無統一地下水位,水位隨季節變化而變化。地下水位埋深0.80～3.00 m,水面標高為31.00～34.20 m。

2 多跨框架箱涵下穿鐵路股道群頂進便梁施工順序

2.1 鐵路股道群便梁加固原理及施工步驟

多跨框架箱涵下穿鐵路股道群頂進施工便梁加固鐵路線路的結構體系由下部結構(臨時支墩、人工挖孔樁、條形基礎、支點墩、平衡墩等) 、上部結構(橫承梁、縱梁、小橫梁等) 和連接附屬構造(連接牛腿、螺栓、銷軸、拉板、支座、 絕緣墊、鋼軌扣件等) 等部分組成[5-7],如圖3 所示。

圖3 鐵路股道群便梁結構體系構成示意

多跨框架箱涵下穿鐵路股道群頂進便梁施工順序:

(1)架設便梁臨時支座。

(2)抽出鐵道枕木,插入橫梁。

(3)將縱梁移至臨時支座上。

(4)將橫梁與縱梁之間組裝連接。

(5)將鐵路股道下方的地基進行開挖并施工成型若干個樁基[8-9]。

(6)施工成型條形基礎梁。

(7)將縱梁脫換架至條形基礎梁上。

(8)若樁基在箱涵頂進線路上,鑿除框架箱涵頂進路線上的樁基,并進行多跨框架箱涵穿越鐵路股道群施工頂進;若樁基不在箱涵頂進線路上,不需鑿除樁基增加鋼支撐(此步驟省略)。

(9)第一跨框架箱涵頂進完成后,進行回填路基,移動臨時便梁。

(10)進行下一個箱涵頂進,直至多跨箱涵全部頂進完成,移除便梁,箱涵頂進完成。

多跨框架箱涵下穿鐵路股道群頂進便梁施工流程如圖4所示。

圖4 臨時便梁施工流程

2.2 框架箱涵穿越股道群頂進

現以合肥市銅陵北路下穿火車東站到達場場K19～K20兩節框架箱涵頂進施工為例,對多跨框架箱涵下穿鐵路軌道群頂進便梁加固施工進行詳細說明。

合肥市銅陵北路下穿機務段到達場K19～K20兩節框架箱涵頂進施工,總長度72.80 m長度。箱涵頂進是鐵路軌道采用D16 m+D24 m+16 m便梁進行線路加固。便梁架設支墩采用臨時鋼筋混凝土支墩、人工挖孔樁加條基、框架箱涵箱身的形式相結合。其中人工挖孔樁樁徑φ1.5 m,樁長23 m,條基尺寸為2.8 m(寬)×2.5 m(高)×70 m(長),挖孔樁及條基施工時,便梁支墩全部采用臨時鋼筋混凝土支座?？蚣芟浜斶M采用2#→1#→4#→3#的順序進行,框架頂進完成后及時進行框架橋面附屬施工,盡快恢復線路,如圖5所示。

圖5 箱涵頂進順序

合肥市銅陵北路下穿機務段到達場箱涵頂進施工順序:

(1)在1#箱涵右側2.0 m處和2#箱涵左側2.0 m處分別施作1#臨時支墩和2#臨時支墩,如圖6所示。

圖6 2#箱涵頂進便梁示意

(2)抽枕木,插橫梁,將便梁架設在1#臨時支墩和2#臨時支墩上。

(3)施作1#臨時支墩和2#臨時支墩下1#條基支墩和2#條基支墩;便梁支墩由1#臨時支墩和2#臨時支墩托換至1#條基支墩和2#條基支墩上。

(4)2#箱涵下穿股道群頂進。

(5)1#箱涵下穿股道群頂進,如圖7所示。

圖7 1#箱涵頂進便梁頂進示意

(6)在4#箱涵右側2.0 m處和左側2.0 m處分別施作3#臨時支墩和4#臨時支墩。

(7)抽枕木,插橫梁,將便梁架設再3#臨時支墩和4#臨時支墩上。

(8)施作3#臨時支墩和4#臨時支墩下3#條基支墩和4#條基支墩;便梁支墩由3#臨時支墩和4#臨時支墩托換至3#條基支墩和4#條基支墩上。

(9)4#箱涵下穿股道群頂進,如圖8所示。

圖8 4#箱涵頂進便梁示意

(10)在2#箱涵左側2.5 m箱身頂板和4#箱涵右側2.5 m處箱身頂板分別設置1#箱身支墩和2#箱身支墩;同時,在箱涵內部箱身支墩對應部位設置鋼支撐。

(11)在1#箱身支墩和2#箱身支墩之間架設便梁。

(12)3#箱涵頂進至鐵路股道前,拆除2#條基支墩和3#條基支墩及對應的人工挖孔樁,3#箱涵下穿鐵路股道群,如圖9所示。

圖9 3#箱涵頂進便梁示意

1#～4#框架箱涵下穿鐵路股道群全部頂進完成后,拆除縱梁,然后抽出鋼軌下方的橫梁,將原枕木放回原始位置,將框架箱涵與兩側路基間空隙用混凝土回填,回填至與框架箱涵的箱頂同高,框架箱涵的箱頂與回填混凝土上方回填道碴,搗固振實不再沉降后,恢復線路,如圖10所示。

圖10 箱涵全部頂進到位下穿鐵路示意

3 多跨框架箱涵下穿鐵路股道群頂進便梁施工關鍵技術

3.1 人工挖孔樁+條形基礎支墩施工

首先,在施工前對鐵路線路進行便梁加固。然后,在便梁架設到位后將下方人工挖孔樁位置土方全部挖空,形成一個底寬3.5 m,上口寬6.8 m,高3.3 m的人工通道,如圖11(a)、圖11(b)所示。通道兩側需做好護坡和防排水處理。接著,在鐵路股道下方的人工通道內進行人工挖孔樁施工,人工挖孔樁樁長、樁徑等基礎參數按承載力要求計算確定,且樁長需達到框架箱涵地板底部以下深度一定范圍。最后,待人工挖孔樁施工完成,到達一定強度進行條形基礎鋼筋籠板扎、支模、混凝土澆筑,將人工挖孔樁錨入條形基礎中形成一個整體。條形基礎尺寸為2.5 m×2.8 m×82 m條形基礎,如圖11(c)、圖11(d)所示。便梁支座作用在條形基礎上,且其中心位置與樁基中心位置一致?？蚣芟浜斶M即將通過前,便梁由混凝土基礎支墩轉換為鐵路股道下的條形基礎支墩?？蚣芟浜斶M即將通過時,對鐵路股道群下方地基進行土方開挖,并進行多跨框架箱涵穿越鐵路股道群依次頂進施工。若箱涵頂進線路上存在樁基,則在框架箱涵頂進取土后,鑿除框架箱涵在頂進路線上的樁基及條形基礎,箱涵頂進通過鐵路股道。反之,若箱涵頂進線路上不存在樁基,則箱涵按正常程序頂進通過鐵路股道。

圖11 便梁條基支墩

3.2 豎向鋼管內支撐箱身支墩施工

框架箱涵頂進通過鐵路股道后,在框架箱涵頂部外側面安置支承墊塊,如圖12(a)所示,便梁由條形基礎支墩轉化為框架箱涵箱身支墩。在此過程中,在框架箱涵內的上頂板和下底板之間放置鋼支撐,如圖12(b)所示。

圖12 便梁箱身支墩

3.3 便梁縱移施工關鍵技術

施工流程如下:材料機具準備—安裝承托機構—起梁—落梁—移梁、落梁、組裝[10-11]?，F以D24施工便梁為例,具體說明如下:

(1)在封鎖開始前,確?，F場電源暢通。利用列車間隔拆除連接板S4,拆除牛腿與橫梁的連接螺栓,拆除2#、4#、34#、36#處橫梁處牛腿。在便梁外側兩端安裝好千金頂操作臺并連接好千斤頂,確定好便梁就位線,并鋪設便梁支座鋼板及枕木。

(2)封鎖開始后在2#、4#、34#、36#處安裝倒置的牛腿,安裝好后在牛腿上倒扣放置橫梁,橫梁與牛腿使用M18精制高強螺栓連接,與便梁間采用S4連接板連接(圖13)。

圖13 加長橫梁安裝

(3)承托機構安裝完畢后,在橫梁處放置100 t液壓油頂,開啟操作臺,頂起2#橫梁處橫梁,達到高度后,推入1#、2#移梁小車,此時,小車上均放有木枕(圖14)。

圖14 滑車安裝

(4)推入的小車輪兩側卡入木楔,收起液壓千斤頂。在油頂完全移走后開啟36#橫梁處千斤頂,并推入小車。

(5)移除固定小車的木楔,推動小車至便梁架設位,分頭頂起加長鋼枕,移除小車將便梁安放到便梁支座上。拆除承托機構,安裝便梁。

4 結論

(1)繪制了多跨框架箱涵下穿鐵路軌道群頂進便梁施工流程圖,并結合合肥市銅陵北路下穿火車東站到達場便梁施工工程案例,詳細闡述了多跨框架箱涵下穿鐵路軌道群頂進鐵路線路便梁加固實施步驟。

(2)詳細闡述了在鐵路軌道群下面作業受限空間條基下的人工挖孔樁+條形基礎支墩施工控制關鍵技術,變形控制要求嚴格條件下的豎向鋼管內支撐箱身支墩施工控制關鍵技術,以及便梁縱移施工控制關鍵技術等技術難題。研究成果類似工程施工提供了重要的參考依據和案例支持。