关键词:线路加固;后背;支墩;中继间法顶进
1.工程概况
曲阳至黄骅港高速公路曲阳至肃宁段是曲阳高速的重要组成部分,高速建成后将成为我国西部地区能源物资出海的集疏运快速通道。根据朔黄铁路安国站改造规划,改造后安国站将由原来的五股道扩为八股道,同时站坪长度由1050加长为2800,其中朔黄铁路上行线北侧及下行线南侧增设3股道,北侧三股道线间距分别为8.5m、5m、5m,南侧三股道线间距分别为5.3m、5m、5m,两侧路肩宽度均为5m。
曲港高速与朔黄铁路相交处采用下穿框构桥形式通过,孔跨为2-13m整体式框构,穿越铁路里程(上行线)为K359+247,道路里程为K0+971.6,框构桥中心线与铁路中心线交角为90°,框构桥桥内机动车道使用净高不小于5.5m。朔黄铁路轨底至顶板最小距离为0.8m,结构总高8.9m,净高7.0m,总宽28.7m,结构全长为71.42m。中、边墙及顶板厚度0.9m,底板厚度1.0m。由于框构桥轴向长,本次框构桥共分为四节,长度分别为7.0m、46.3m、8.0m、10.0m,既有铁路路基下为顶进段,顶进段分两节,采用中继间顶进。顶进方向:从南到北,其他段为现浇。
现桥址处朔黄铁路为电气化铁路,直线区段,线路纵坡为平坡,大致为东西走向,穿越处铁路共有五股道,由北向南分别为到发线6、到发线4、朔黄铁路上行线、朔黄铁路下行线及到发线3,线间距分别为5.1m、8.5m、5.0m、5.3m。其中朔黄铁路上行线(重车线)为75kg/m钢轨,无缝线路,下行线为60kg/m钢轨,到发线6、到发线4、到发线3为50kg/m钢轨,钢筋混凝土枕,此段铁路为路基段,路基填土高约3~4m。
2.总体施工方案
线路加固采用3-5-3吊轨梁和横抬纵挑法布置的工字钢纵横梁以及路基防护桩、支撑桩、抗横移桩及顶梁组成的线路加固体系。框构桥顶进段分两节,前节长为24.3m,后节长为22m,宽度为27.7m,采用中继间法顶进,顶进涵身沿轴向分节预制,在工作坑后端修建后背,在相邻两节涵身之间及末节涵身与后背之间安放千斤顶,前段顶进利用后段为后背,箱体强度达到100%后进行顶进作业。
3.施工工艺流程及操作要点
3.1施工工艺流程
框构桥顶进施工工艺流程见图3.1.1
3.2工作坑开挖
工作坑位于线路南侧,开口与最外侧线路中心距离为11m,工作坑底尺寸为51.3m×36.7m,开挖深度5m,靠近铁路侧边坡按1:1.5放坡,其余边坡按1:1设置,边坡采用挂网喷混凝土进行防护。
3.3滑板及后背制作
3.3.1滑板制作
本桥设计采用C25钢筋混凝土滑板,厚200mm,下设200mm厚碎石垫层,滑板设地锚梁,滑板顶面预留2‰的仰坡,滑板浇筑后在其终凝前将其压光,高程误差不超过±3mm。在滑板混凝土达到一定强度后,在滑板顶面设置润滑隔离层。隔离层由下向上铺设顺序为:铺石蜡(掺25%机油)一层、M10水泥砂浆抹面2cm、滑石粉一层、塑料薄膜一层、铺石蜡(掺25%机油)面层。底板前端箱体前端设置5‰的船头坡,采用1:8水泥砂浆,尺寸为1.5*0.2m。
3.3.2后背制作
1.靠背采用后背梁与后背桩组合形式。后背梁采用钢筋混凝土形式,几何尺寸为:长30.7m,厚1.2m,高2m。后背梁在滑板底下埋深为0.7m,后背桩紧挨后背梁,后背桩间距为1.5m,桩直径为1.25m,桩长16m(含冠梁),共27颗,冠梁长度39m。
2.后背填土被动土压力计算:后背梁高为2m,厚度1.2m采用钢筋混凝土进行制作,后背梁后设置高度16m后背桩,冠梁高度1m,墙后填筑±15m。
朗金被动土压每延米公式 p=0.5γh2 tg2(45+Φ/2)
式中:γ-为后背填土容重,为1.8t/m3
h为桩高度15米
Φ为土壤的内摩擦角取25°
上式是根据朗金的条件,因根据千斤顶作用点与后背被动土压力Ep重合假定,而主动土压力远小于被动土壓力,故主动土压力忽略不计,则:
P=Ep
顶进桥后节根据设计最大顶力为6654t,后背梁长度28.5m
桩是坚直的,后背梁是光滑的(δ=0)填土与墙顶平。
Ep= 0.5γ×h2×tg2(45+Φ/2)=0.5*1.8*15*15*4.6=498.9t/m
后背被动土压力P=498.9*28.5=14219t
最大顶力N=6654t,P>N可行
3.4框构预制
在滑床板润滑隔离层上分两节各3次浇筑钢筋混凝土框构涵身。要做好测量定位工作,保证框构涵身中心线、工作坑滑板中心线和顶进桥位中心线三者在一条直线上。第一次浇筑底板,第二次浇筑边墙和中墙,第三次浇筑顶板。
3.5线路加固
3.5.1线路加固体系
线路加固3-5-3吊轨梁和横抬纵挑法布置的工字钢纵横梁以及路基防护桩、支撑桩、抗横移桩及顶梁组成的线路加固体系。即钢轨外侧为3吊轨,道心为5吊轨,使用P50 12.5m旧轨设置,接头错开1m以上。线路加固需设防止线路横移措施,箱体顶板预制时在尾部每隔3m设置拉环,采用倒链与线路加固系统联系在一起,桥外设地锚拉紧线路。 线路加固施工顺序:线路应力放散→穿木枕→吊轨梁施工→连接吊轨梁与木枕→横梁安装→股道不等高加垫木板→连接横梁与吊轨梁→纵梁安装→连接纵梁和横梁。
计算软件采用 Midas Civil2015,共划分 3967 节点,4560 单元,计算模型如图 3.5.1所示。计算过程中,考虑列车以 h 50km/h 的速度运行,计算荷载包括:自重、列车荷载(中-活载)、冲击活载。通过多种不利工况下计算:结构挠度、50C 工字钢、56C 工字钢、冠梁、防护桩、U 型螺栓均满足要求。
3.5.2人工挖孔桩基础
纵横梁加固支撑采用直径1.25m C25钢筋混凝土挖孔桩,支撑桩桩长8m(12颗),防护桩桩长19m(48颗),抗横移桩桩长19m(9颗)。主筋为Φ25螺纹钢。钢筋安装将主筋截断为3m一节,在孔内机械连接。
3.5.3线路加固施工步骤
1.穿木枕施工
考虑到行车安全,保留部分混凝土轨枕。线路加固长度为62.5m,木枕平均间距1.8m,5股线路共需穿枕木180根,每根长3.5m。利用天窗点进行施工,木枕隔三个砼枕穿一根。
2.吊轨梁施工
吊轨梁使用200根12.5mP50旧轨,接头错开1m以上。吊轨用“U”型卡与木枕连接牢固,“U”型卡高度不得超出既有轨面,并采用双螺母连接。在吊轨与工字钢之间加垫绝缘胶垫与硬杂木以保证绝缘。每根轨枕与吊轨用双股8号铁丝固定。
3.横梁安装
横梁采用50c工字钢,平均间距0.9m,每隔8m设置双根一束工字钢,横梁共计78根。长度分别为36m和51m,采用标准工字钢连接而成。钢轨与横梁之间加设木垫板和绝缘胶垫。在不等高线路处,按高差设置不同厚度的方木,方木宽20cm,长2.5m。采用Φ22U螺栓将横梁、吊轨梁、木枕连接。站内5股道轨底标高不同,最低轨底标高为到发线4道,以4道为基准,其余股道轨底加垫木板。横梁的穿入垂直于铁路,先中间后两侧,横梁两端用枕木垛支撑,防护桩范围内横梁支撑于冠梁上。
4.纵梁安装
纵梁采用56c工字钢双根一束布置。为了提高加固体系强度,在支撑桩和抗横移桩间及顶进侧纵梁外侧分别多设一道56c工字钢。天窗点内进行线间纵梁横移,采用U型螺栓与横梁连接。
3.6框构桥主体顶进
3.6.1顶进施工方案概述
框构桥顶进段分两节,前节长为24.3m,后节长为22m,宽度为27.7m,采用中继间顶进,顶进作业利用天窗和慢行点施工,前节顶程为59.2m,后节顶程61.2m,顶进时横向工字钢的悬空长度不大于3m。
3.6.2最大顶力计算
根据设计文件前节箱体自重4255t,最大顶力6383t;后节箱体自重4436t,最大顶力6654t。顶力计算如下:
按P=K[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]式计算。
式中:P—最大顶力(KN);
N1—桥涵顶部荷载(KN);
f1—桥涵顶部表面与顶部荷载之间的摩阻系数,本桥取0.3;
N2— 桥涵箱身自重(KN);
f2— 箱身底板与基底土的摩阻系数,取0.8;
E— 箱身两侧土压力(KN),利用朗金土压力公式计算;
f3—側面摩阻系数,取0.8;
R— 钢刃脚正面阻力,取55KN/ m2;
A—钢刃脚正面面积(m2);
K—系数,取1.2。
桥上线路长28.7m,共5股道,线路及扣轨梁按1.5KN/m计,桥上50c工字钢 横向共52根,长度41m,纵向50c工字钢8根,长度28.7m,HN900型钢6根,长度28.7m,则:
N1=1.5×28.7×5+(52×41+8×28.7)×0.109+6×0.243=475KN
N2=混凝土重+钢筋重+桥上其他荷载=3098×2.5+625+5=8375KN
E=γH2Btg2(45°-φ/2)/2=1.8×9×9×46.3×tg2(45°-25°/2)/2=1370KN
式中:γ—土容重,本桥为细沙,取1.8KN/ m3;
H—框架高+板顶至轨底高度,本桥为9m;
B—框架边墙长度,本桥为46.3m;
φ—土壤内摩擦角,取25°。
RA=0.5×28.7×55=789KN
P=1.2×[475×0.3+(475+8375)×0.8+2×1370×0.8+789]=122442(T)
前节顶力计算:24.3/46.3=0.525
P前=0.525×P=0.525×122442=6428t
后节顶力:22/46.3=0.475
P后= 0.475×P =0.475×122442=5815t
顶力计算得知,前节框构最大顶力为6383t,后节框构最大顶力为6654t。经检验计算得P前=6428t;P后=5815t。P前
3.6.3顶镐和顶铁安装
每节布置20台BJ500t千斤顶,平均间距为1.5m,千斤顶外径为50cm,千斤顶应以顶进合力中心为轴对称布置。采用全圆铸钢顶铁,安装顶铁应无歪斜、扭曲现象。每次退镐加放顶铁时,应安放最大的顶铁,保持顶铁数目最小。顶进中,顶铁上面覆土50cm,侧面不能站人,防止顶铁崩离伤人。
3.6.4顶进步骤
1.箱涵浇筑完毕,安装完成顶镐进行试顶,试顶顶力不能过大,一般为桥体自重0.8~1.2倍;各设备运行情况正常,全压启动顶镐;将箱涵刃角顶至铁路路基后进行吃土开挖,放坡比例控制在1:0.8之内;顶至横梁下端采用顶进小车加木板,将横向支撑受力与箱涵顶板面,然后循环进尺顶入。每一个顶程通常在300mm~500mm,箱身前进后,使千斤顶的活塞回复原位,在空档处填塞顶铁,以待下次开顶,如此完成一个循环。
2.箱涵顶进挖土放坡靠近A排支撑桩时,注意改变放坡比例,确保支撑桩对称开挖除土,防止支撑桩倾倒;箱涵前节顶进至A排支撑桩后,停止顶进,将横梁下端用木枕做固定支撑于箱涵顶面;然后对A排支撑桩进行破除。
3.支撑桩拆除完毕后,平整夯实顶进前方地基,换填速凝混凝土后继续顶进。
4.箱涵前节顶进至B排支撑桩后,先停止顶进,将横梁下端用木枕做固定支撑于箱涵顶面;然后对B排支撑桩进行破除;平整夯实顶进前方地基,换填速凝混凝土后继续顶进。
5.箱涵前节顶进至抗移桩后,前节箱体就位。将前节箱顶部做好与横梁之间的固定支撑。拆除中继间处顶进设备,后节箱体继续顶进。
6.后节箱体顶进就位后,则箱涵顶进结束,在箱涵顶面做好 横抬梁支撑。
3.6.5顶进常见问题处理
1.当发现“抬头”时,检查底刃角安装是否向上翘起过大,侧刃角是否向里翘起过大,可以适当调整刃角的角度。侧挖土不够宽,也容易造成涵身“抬头”,故可在两侧适当多挖。
2.为预防“扎头”,滑板顶面预留2‰的仰坡,以升制降;预制箱体时,箱体前端设置5‰的船头坡,顶进时产生一个向上的作用力;出现“扎头”时,适当增加抬头力矩,即增加上刃角的阻力,使上刃角中刃角多吃土,逐步调整;挖土开挖面基底保持在涵身地面以上8-10cm,利用船头坡将高出部分土压入箱涵底,纠正“扎头”;如基底土松散,可进行换填处理。
3.顶进过程中,不间断进行高程和水平測量,框构每前进一顶程,既对框构中线和高程进行仪器观测,及时采取纠偏措施。
3.7 顶进就位回填
顶进就位后及时拆除抗横移桩,拆除后框构桥体两侧塌部分及桥顶部分回填级配碎石后注浆加固,并进行物探检测保证在顶进后路基的密实度和稳定性。框构桥顶进就位后,框架桥边墙两侧各15m范围内回填并夯实。
3.8线路恢复与附属工程施工
框构桥顶进到位后,在天窗点内进行桥面保护层、防水层、排水坡、雨水管、桥后回填、补充道碴施工。符合要求后可进行线路加固系统的拆除。
结束语:
本桥是在铁路既有线下新建框架桥,工序复杂,工期紧张、安全压力大。既有线路加固在天窗点内完成,对施工过程控制、安全防护等要求较高。且采用中继间顶进施工方法,精度控制难度提升。线路加固和施工顶进过作为重中之重,严格按照要求做好技术控制,以保证施工安全顺利推进。
参考文献:
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