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摘要：铁路下顶进框架桥施工的重难点在于线路加固，以S103济枣线改建工程下穿瓦日铁路为背景，在双线4m线间距和重载铁路活载的限制条件下，比较D型便梁及纵横抬梁两种线路加固方案。运用MIDAS Civil有限元程序计算，以规定限值为评价依据，表明常规D型便梁在应力及位移变形均不满足规定要求。在合理布置下的纵横抬梁加固体系的强度、刚度及稳定性均能满足规定要求，适用于本工程实施。
关键词：下穿框架；线路加固；D型便梁；纵横抬梁；结构计算
1.工程概况
S103济枣线泰新高速立交桥至新泰泗水界段改建工程在山东省泰安市良庄镇南与瓦日铁路交叉，对应铁路里程K982+008，道路与铁路夹角为80°。瓦日铁路设计标准为国铁Ⅰ级，双线电气化铁路，交叉处铁路为直线高路基区段，路肩高度距地面约6.6m，线间距4.0m，施工范围内无道岔及信号机。
拟建下穿立交在既有（4+14+4）m框架东侧新增（18+8）m框架，通行净高5.0m。箱体基底下为粉质黏土及泥岩，无地下水，基坑开挖约3.5m。为减少对铁路运输的影响，箱体拟采用顶进法施工，箱体设计最大顶力7950t，设计顶程40.6m。
2.研究背景
下穿立交顶进施工线路加固存在两处难点：
1、瓦日铁路双线线间距仅为4m。不具备双线铁路常规架设D24便梁条件。
2、瓦日铁路荷载设计标准为1.2倍ZH重载铁路活载，单轴轴重达到300kN。当前D型便梁对应列车荷载为“中-活载”，单轴轴重仅为220kN。
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图1 1.2倍ZH重载铁路荷载图式
本工程线路加固提出两种设计方案进行比较，分别为D型便梁加固和纵横抬梁加固。
3.D型便梁加固研究
下穿立交分为18m和8m两孔分离式箱体，采用D型便梁加固线路后，分别顶进两孔箱体。
由于瓦日铁路线间距仅为4m，不满足D24便梁直线双线段架设最小线间距4.51m要求。按照《D型便梁使用说明书》，D24施工便梁当线间距为4米时，可采用最低位布置，此时应将上牛腿S12更换为S3，纵梁在D24便梁通用图低位架设（丁式）基础上再上移15cm。线路中心线与便梁结构中心线偏距为49cm。轨面以下道砟厚度需满足97.5cm要求。
根据上图列车荷载图式及偏心作用位置对常规D24便梁进行受力检算，采用MIDAS Civil建立空间计算模型，共包含2片纵梁和36根横梁，计算跨径2412cm，横梁长度396cm。
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图2 D24便梁计算模型
根据有限元计算结果，便梁偏载侧纵梁最大应力为196.9MPa，横梁最大应力为289.8MPa。纵梁最大竖向位移为90.2mm，横梁最大竖向位移为104.9mm，相对纵梁最大竖向位移14.7mm。
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图3 D24便梁纵梁及横梁弯曲应力（单位：MPa）
由于线路中心与便梁中心偏移距离较大，造成横梁、纵梁应力较大。在满足界限要求前提下，设计考虑将横梁长度由396cm缩短至346cm，减少50cm，缩短偏心距离至24cm。
根据有限元计算结果，便梁偏载侧纵梁最大应力为184.2MPa。横梁最大应力为231.8MPa。纵梁最大竖向位移为84.3mm，横梁最大竖向位移为97.6mm，相对纵梁最大竖向位移13.3mm。
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图4 D24便梁纵梁及横梁弯曲应力（单位：MPa）
表1 缩短横梁长度计算对比表
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根据《普速铁路工务安全规则》中 D型便梁主要尺寸及适用条件：便梁主要部件容许应力为240MPa；梁的挠度不超过跨度的.png)
。
根据有限元计算数据表明，横梁弯曲应力值已超过240MPa，缩短横梁长度后，其弯曲应力也接近240MPa限值。
在缩短横梁长度后，偏载侧纵梁变形位移仍达到.png)
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，横梁变形相对位移达到.png)
，不满足规定限值要求。
4.纵横抬梁加固研究
4.1 加固方案
线路加固采用扣轨和横抬纵挑的工字钢、防护桩、支承桩、抗移桩组成线路加固体系，线路加固总长度65.6m。在距线路中心两侧3.5m处各设置一排支承桩，邻近箱体顶进就位处设置一排抗滑移桩。
纵横抬梁法线路加固分为以下主要步骤：
（1）路基注浆：顶进前对既有框架东侧路基进行压密渗透注浆保持土体稳定。注浆固化范围为既有桥体东侧45m范围。
（2）抽换枕木及穿木枕：加固前于临时封锁点内先将加固段内线路混凝土枕抽换为长木枕，采用隔四换一形式。穿插木枕顺线路方向间距为2.4m，在既有混凝土轨枕之间穿过。
（3）铺设扣轨：组装形式按3-5-3扣设吊轨,钢轨用50kg/m。扣轨长度伸出框构边墙以外不小于10m，且伸出路基稳定边坡以外不小于5m。
（4）铺设纵、横梁：横梁采用Ⅰ50a工字钢，垂直线路布置，在木枕之间穿过，横梁间距为0.6m-0.6m-1.2m循环布置，每根木枕与扣轨均采用U型螺栓及扣板连接。为了减少箱涵顶进时桥后土体承受的铁路活载，并使横梁牢固联结在一起，沿线路方向在两线路中间采用Ⅰ45c工字钢纵梁，2根一组，线路两侧采用Ⅰ50a工字钢纵梁，3根一组。纵梁接头错开1.5m。
（5）箱体顶进：
第一步，顶进框架，横抬梁端头进入主体0.5m时，横抬梁下加设垫板及小滑车，最前端支撑点应伸入悬臂板不应小于1.5m，框架顶进至距离前端支撑桩0.3m处，拆除支撑桩，顶进框架。顶进应切土顶进，严禁超挖，保证框架两侧及顶进前端的土体稳定，顶进开挖步长不应大于1.0m。横抬梁悬空长度不应大于1.0m。
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图5 箱体顶进步骤一（单位：cm）
第二步，框架顶进至距离后端支撑桩0.3m处，拆除支撑桩，顶进框架。
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图6 箱体顶进步骤二（单位：cm）
第三步，箱身就位后，拆除加固体系及抗移桩。
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图7 箱体顶进步骤三（单位：cm）
（6）恢复线路
桥体就位后及时进行注浆，组织人员和机械拆除线路加固，线路逐级恢复至正常时速。
4.2 加固体系检算
（1）横向工字钢强度检算
本方案加固体系中主要受力构件为横向工字钢，受力体系为简支梁。施工过程中严格控制挖土一次不超过1.0m，按最不利荷载情况验算。
横向工字钢采用I50a，间距采用0.6m-0.6m-1.2m，按照最大间距1.2m检算横梁受力。采用轴重.png)
作为计算荷载，轴距为1.6m，限速不超过.png)
时，计算冲击系数.png)
。考虑横向工字钢的不均匀工作系数1.2，综合附加系数.png)
横梁受力最不利情况为，钢轨居于横梁中间，其上受两个集中荷载作用，跨中弯矩最大时受力情况如图8。
横梁间距1.2m时单根横梁受到的最大弯矩.png)
。弯曲应力按照Q345钢材弯曲容许应力.png)
，可得.png)
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图8 横向工字钢弯矩受力
在满足应力限制的条件下横向工字钢最大计算跨度可达到.png)
。
剪应力.png)
，满足要求。
（2）前端开挖跨空检算
按照横梁在框架桥上支撑长度0.3m，路基上支撑长度1.75m计算，开挖跨空为
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由于框架顶进前对铁路路基土体进行注浆加固处理，顶进施工前段开挖边坡坡度按照1：0.7考虑，框架桥前段设置4.5m长挑檐，其最大开挖顶进净空为.png)
。施工时严格按照每次进尺1m，前段路基边坡安全稳定。
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图9 顶进前端开挖跨空
（3）横向工字钢挠度检算
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略大于限值.png)
在满足最大计算长度6.52m时横向工字钢挠度为17.0mm，仅超出限制0.7mm。但在施工时控制每次顶进开挖长度控制在1.0m，实际受力长度达不到6.52m，实际挠度将在限制规定范围内。
纵横抬梁中横向工字钢最大挠度.png)
远远小于D型便梁横梁挠度.png)
（横梁缩短至3.46m）。
纵横抬梁加固体系的强度、刚度及稳定性均能满足规定要求。
5.结论
常规D型便梁无法满足本工程要求，需特殊加工制作便梁，且箱体需分孔顶进，线路封锁时间长，对行车干扰大。
纵横抬梁法可不受线间距及顶进角度限制，满足本工程4m线间距要求；顶进跨度不受限制，箱体可多孔同时顶进，线路封锁时间短；线路变形相比D型便梁小，可保证顶进施工期间行车安全。纵横抬梁法更适用于本工程实施。
参考文献
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[2] 王心顺.基于有限元分析的D型施工便梁改造与应用研究[J].国防交通工程与技术，2015（2）：36-39.
[3] 马福臣.D24型便梁在4.0m线间距区段的应用与计算[J].铁道勘察，2013（3）：62-65.
论文作者:杨默涵
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/3/16
标签：横梁论文; 线路论文; 工字钢论文; 间距论文; 箱体论文; 铁路论文; 框架论文; 《基层建设》2019年第28期论文;