下穿铁路旅客地道明挖现浇施工线路加固技术及受力验算

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　　摘要：本文结合黎湛线河唇至湛江段增建第二线工程K290+300遂溪站旅客地道工程的施工实践，介绍了对既有铁路进行线路加固的施工技术，并对线路加固进行了受力验算，以满足施工期间不中断行车及确保铁路行车安全的要求。
　　关键词：旅客地道线路加固施工技术受力验算
　　1 工程概况
　　本工程为黎湛线河湛段增建第二线HZ1标段遂溪站K290+3001-6.0×2.6m旅客地道。地道由主洞身、扩建端墙、出入口等部分组成。地道轨下洞身孔径为6.05×2.65m钢筋砼箱形框架，通往基本站台的出入口段为4.0×2.75m单向尽头式箱形框架与宽度为4.0m的U形槽结构，通往Ⅱ站台的出入口段为3.0×2.75m单向尽头式箱形框架与宽度为3.0m的U形槽结构，与主地道的衔接部分墙体作成钢筋砼异形框架。地道轨下洞身穿越遂溪站正线及站线共计5股道。地道平面布置及断面见图1。
　　
　　
　　
　　
　　
　　图1地道平面布置及涵身断面图
　　2 施工方案的比选
　　地道框架施工有两种方案可选择。第一种方案是在线路外侧设置工作坑，修筑滑板及后背墙，在工作坑将地道框架预制成型，然后采用顶进法施工，两端出入口采用现浇成型；第二种方案是将线路架空，所有框架均在原位现浇成型。经技术经济比较，第二种施工方案有如下优势：①因是原位现浇，不需额外征用工作坑的用地，避免了征地拆迁的费用及诸多事宜；②不用顶进设备，减少了设备投入；③施工简便，框架质量及线型容易控制；④经过经济效益比较，相对顶进法施工可减少成本13.8%。最后确定采用第二种方案进行。本文将就线路加固技术及受力验算进行介绍。
　　3 施工总体方案及施工方法
　　3.1 施工总体方案及施工顺序安排
　　轨下框架施工前进行线路加固，架空线路后进行框架的明挖现浇施工。
　　线路加固采用纵横抬梁法，Ⅰ、Ⅱ线线路加固结构设计见图2、图3。主跨跨度为12m，主跨两端各设置1个副跨，副跨跨度为8.5m。主跨纵梁两端支墩采用φ1.5m挖孔桩。副跨外端支墩采用枕木垛。主跨及副跨纵梁均采用4I56b工字钢。吊轨采用P50轨，1-2扣组合加固，吊轨与木枕采用N1Ф22U形螺栓和扣板连接以增强其整体性。横梁采用P50轨2-3扣，间距0.9m。横梁与吊轨之间用N2Ф22U型螺栓和扣板连成整体。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图2线路加固平面及断面布置图
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　图3线路加固立面布置图
　　根据工程施工顺序安排，线路加固及地道施工分为三阶段进行：
　　第一阶段：为保证车站各站线的正常使用，不进行封闭站线施工，同时对6道、4道、Ⅱ道、I道、3道线路进行整体加固，线路加固作业完成后，开始施工基本站台异型框架、扩建端墙及地道主洞身轨下第①节（长6.21m）、第②节（长5.0m）、第③节（长5.0m）、第④节（长5.0m）、第⑤节（长6.21m），施工至第⑤节时封闭遂溪站Ⅱ站台左侧的5道，以确保放坡开挖时5道线路安全。
　　第二阶段：主地道洞身段施工完成后，继续保持3、6道线路加固，恢复I道、Ⅱ道、4道线路，继续封闭5道线路，施工地道基本站台及Ⅱ站台端部异型框架及扩建端墙。
　　第三阶段：两侧异型框架及扩建端墙施工完成后，继续保持3、6道线路加固，封闭5道线路，施工Ⅱ站台出入口段、基本站台出入口段及地道相关附属工程，待两侧出入口均完成后，恢复3道、6道线路，恢复5道线路的使用。
　　3.2线路加固施工方法
　　1）进行线路加固前先与玉林工务段（设备管理单位）签订施工安全协议，对加固地段正线（I、Ⅱ线）进行无缝线路应力放散，并提前申报慢行计划，将施工点扣轨部分的轨道线路细部找平，若两侧轨道标高有落差则将低侧轨道抬高，使两侧轨道在一个水平面上，抬道段两侧各按坡度顺接线路。或者利用适当高度的槽钢组焊接梁、硬木板垫放在工字钢纵梁与横抬梁搭接处调平两侧轨道高差，以减少抬道工作量。并于施工前对施工地段进行现场勘察，做好各种光电缆、地下管线的防护工作。
　　2）根据慢行计划，利用施工维修天窗将线路加固范围内的砼枕抽换成木枕，在抽换枕木的同时把木枕连接吊轨的Ф22U型螺栓一起安上（每枕8根）。
　　3）线路加固采用纵横抬梁法。主跨跨度为12m；主跨两端设置2个副跨，副跨跨度为8.5m。主跨纵梁两端支墩采用φ1.5m挖孔桩，挖孔桩共14个，桩长9m。副跨外端支墩采用枕木垛。人工挖孔桩施工前向南宁铁路局申请慢行点，先将孔桩位置的两侧线路道床进行支挡加固后再进行人工挖孔桩施工。
　　4）铺设纵梁：线路加固主跨纵梁采用4I56b工字钢支撑在挖孔桩上（在Ⅱ线工字钢纵梁上加放6片[20槽钢焊梁以调平轨面落差，见图4），副跨也采用4I56b工字钢纵梁。铺设纵梁时，先铺设中间孔4I56b工字钢纵梁，再铺设两边孔4I56b工字钢纵梁，纵梁自身之间用N4Ф22U型螺栓和扣板连成整体。
　　
　　
　　
　　图46片[20槽钢自身焊接大样图
　　5）铺设吊轨：吊轨采用P50轨，1-2扣组合加固，吊轨与木枕采用N1Ф22U形螺栓和扣板连接在一起，以增强其整体性。
　　6）铺设横梁：横梁采用P50轨2-3扣，间距0.9m，中间孔横梁、边孔横梁均用N8Ф25U型螺栓放于4I56b工字钢纵梁之上，横梁与吊轨之间用N2Ф22U型螺栓和扣板连成整体。
　　4 施工注意事项及安全保证措施
　　1）施工期间列车慢行以限速45km/h通过，并执行“机工联控”，设置减速信号牌、作业标、减速地点标等防护标志，安排驻站及防护人员做好安全防护工作。
　　2）由于线路为轨道电路，故在横梁与基本轨底间设10mm厚绝缘胶垫隔离，以防出现红光带影响线路行车安全。
　　3）加固线路每隔1m布置一根绝缘轨距拉杆以保证线路几何尺寸。每通过一趟列车，专职安全防护员均要对轨道的水平、方向进行检查，并作好检录。期间加强线路养护并时刻注意观察线路加固的变化情况。
　　4）作好安全应急预案，备足木枕、草袋、木桩、移动停车牌、响墩等应急物资。驻站联络员加强与现场施工负责人联系，确保线路行车安全。
　　5）恢复线路前股道全部满铺道碴，等道床基本稳定后先拆除横抬梁，再拆除吊轨，最后拆除纵梁。在拆除前按需备足道碴和上碴捣固工具。全部拆除后按《工务维修规则》要求全面整修线路达到标准后，方可恢复正常行车。
　　5 结构检算
　　本工程线路加固采用同样的方法及设计参数。但Ⅱ线在纵梁上加有槽钢焊梁，其跨度及承受的荷载为本工程最大值。故仅需对Ⅱ线线路加固进行受力验算即可，受力验算如下：
　　5.1 4I56b工字钢纵梁检算
　　I56b工字钢的惯性矩Ix=68512cm4；截面模量W=2446×10-6m3；容许应力[σ]=170MPa；容许挠度[f]=L/400；弹性模量E=210×109Pa。
　　因挖孔桩支墩净间距为10.5m，则将纵梁简化成跨度为10.5m受均布荷载作用的简支梁，见图5。
　　
　　
　　图5纵梁荷载图
　　1）活载
　　列车荷载按中-活载计算，并换算成均布荷载，按《铁路桥涵设计基本规范》查表L=10.5m时，q活=138.78kN/m。
　　2）附加力
　　附加力（仅计算制动力或牵引力），按列车活载的10%进行计算：
　　q附加=138.78×10%=13.88kN/m
　　3）恒载
　　①工字钢束梁自重：q1=115Kg/m×8=9.02kN/m

　　②[20槽钢焊梁自重：q2=25.772Kg/m×12=3.03kN/m
　　③既有线钢轨自重：q3=60Kg/m×2=1.18kN/m
　　④1-2扣钢轨自重：q4=50Kg/m×2×3=2.94kN/m
　　⑤枕木自重：q5=55Kg/根÷0.9m=0.6kN/m
　　⑥横抬梁自重：q6=50Kg/m×6.25m×5÷0.9m=17.0kN/m
　　⑦扣件自重：q7=0.5kN/m
　　q恒=∑q1～q7=34.27kN/m。
　　则单根工字钢承受均布荷载为：
　　q=（q活+q附加+q恒）/8=23.37kN/m
　　Mmax=ql2/8=23.37×10.52/8=322.07kN•m
　　②强度检算
　　σ=Mmax/W=322.07×103÷（2446×10-6）=131.7MPa＜[σ]=170MPa
　　③挠度检算
　　fmax=5ql4/384EI=（5×23.37×103×10.54）/（384×210×109×68512×10-8）
　　=25.7mm＜[f]=L/400=26.3mm
　　从计算结果可得纵梁强度、挠度均满足要求。
　　5.2 P50轨2-3扣横抬梁检算
　　横抬梁采用P50轨2-3扣横抬线路，P50轨的Ix=2037cm4；W=247cm3；E=210×109Pa；[σ]=170MPa；[f]=L/250。旧轨折减系数取0.9。
　　荷载取值：中-活载，按单个机车轴重220kN由单束横抬梁承受。附加力按列车活载10%计算，见图6。
　　
　　
　　
　　
　　图6横抬梁荷载图
　　1）横梁最大弯矩计算
　　Mmax=P×（1+10%）/2×a=220÷2×1.5=1.82×105N•m
　　2）强度检算
　　σmax=Mmax/W=1.82×105/（5×247×0.9×10-6）=164MPa＜[σ]=170MPa
　　3）挠度检算
　　根据《建筑结构静力计算手册》查表得，
　　f=[P（1+10%）a（3L2－4a2）/2]/（24EI）
　　=[220×（1+10%）×1.5×103×（3×4.52－4×1.52）/2]/（24×210×109×5×2037×10-8）
　　=0.021m＜[f]=L/250=0.018m
　　从计算结果可得横梁强度、挠度均满足要求。
　　5.3 挖孔桩验算
　　对承受上部荷载最大的Ⅱ线处孔桩进行受力验算，见图7。图中R1、R2分别为仅考虑受“中-活载”作用时，孔桩对主跨及副跨纵梁的反作用力。利用影响线图及查《铁路桥涵设计基本规范》表中的换算荷载，计算得R1=902.4kN。按受q=92kN/m均布荷载作用，跨度为8.5m的简支梁进行计算得R2=391kN。
　　
　　
　　
　　
　　
　　图7 孔桩受“中-活载”作用示意图
　　此外，孔桩支墩还承受主跨及副跨各一半长度（12m+8.5m/2=10.25m）的恒载及活载附加力的作用。活载附加力按列车活载10%计算。则单个支墩承受的全部荷载为：
　　P桩=[（R1+R2）×（1+10%）+（P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7）×10.25]/2
　　=[1422.74+34.68×10.25]/2=889.1kN
　　φ1.5m孔桩桩身为C25钢筋砼，中心受压容许压应力[σ]=7.6MPa。
　　桩身截面积A=3.14×（1.5m/2）2=1.766m2
　　则桩顶压应力：σ=889.1/1.766=0.5MPa＜[σ]=7.6MPa
　　查路桥施工计算手册得挖孔桩的容许承载力公式为：
　　[P]=U∑Liτi/2+λM0A{[σ0]+k2λ2（h-3）}
　　桩埋深h=3.8m，地质探测显示孔桩处于粉质粘土层上[σ0]=180kPa
　　M0取1.0（清底干净）、k2取2.5、λ取0.7、λ2取14.21kN/m3、τi取80则：
　　[P]=3.14×1.5×3.8×80/2+0.7×1.0×3.14×（1.5/2）2×{[180]+2.5×14.21（3.8-3）}=973.6kN＞桩顶承受的压力824.4kN，满足要求。
　　6 结束语
　　进行地道工程施工时，因线路加固方案设计合理，在既不中断铁路行车也不影响铁路既有线行车安全的前提下，进行施工组织及科学管理，最终按业主要求安全、优质完成施工任务，并取了良好的技术经济效益。希望能对今后相类似工程的施工提供参考经验。
　　
　　
　　
　　参 考 文 献
　　[1] 国振喜、张树义•建筑结构静力计算手册[M]•北京：机械工业出版社，2009，01。
　　[2] 铁道部•TB 10002.1―2005.铁路桥涵设计基本规范[S]•北京：中国铁道出版社，2005，06。
　　[3] 周水兴•路桥施工计算手册[M]•北京：人民交通出版社，2001，05。
　　
　　作者简介：1981年出生，男，广西贺州人，现任中铁25局集团柳州公司河湛线HZ1标段项目经理部项目总工，大学本科学历，2006年毕业于广西大学道路与桥梁专业。
　　
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
　　
　　

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