顶进大跨度框架桥施工技术探讨
中铁一局 孙成文
内容提要 以荷日线K432+285.3（2-12.0m）框架桥顶进施工为例，综合第Ⅶ标段大跨度框架桥顶进施工的经验，讲述顶进施工的关键环节，重点阐述加固线路的吊轨纵横梁法。
关键词 大跨度框架桥 支架梁 横梁 纵梁 吊轨束 线路加固 检算 顶进
1 概述
荷日线第Ⅶ标段汇集了1-11m、1-16m、2-12m顶进大跨度框架桥的施工，顶进施工安全和技术的可控度较难。施工中，均采用了吊轨纵横梁法对行车线路进行加固，采用简支检算确定支架梁、横梁、纵梁、吊轨束的材料和结构布置，从箱体预制到线路加固到顶进到端翼墙砌筑都较为成功。现以2-12m框架桥为例，着重谈论顶进大跨度框架桥中最关键的线路加固施工。
2 施工方案
以2001年1月完工的K432+285.3（2-12.0m）顶进框架桥的线路加固方案为例，概述加固线路的吊轨纵横梁法施工。
2.1 工程概况
K432+285.3 (2-12.0m)框架桥为下跨立交，净高5.3m，边墙厚0.8m，中墙厚0.7m，整个箱体沿线路方向总宽27m。桥顶至轨底0.78m。开挖深度7.38m，道床下粘土厚5.2m，粘土下为风化石灰岩。桥上线路为60Kg/m轨，线路坡度为0.2‰。
2.2 线路加固
在两线间距下穿线路中心7.0m处，设置间距为4.5m的一排挖孔桩，孔径1.0m ，共10根。挖孔桩上架设由2根450mm工字钢组成的工字钢束，作为支架梁，用来支承横梁的一端。
线路采用吊轨纵横梁法进行加固。吊轨采用43Kg/m钢轨，组合方式3-7-3，吊轨束总长50m。用U型螺栓、扣板把吊轨束与木枕固定。安装吊轨前，把50m吊轨范围内的砼枕全部抽换成木枕，共89根木枕。
横梁采用由2根长12.0m的320mm工字钢组成的工字钢束，横梁间距为0.75m，在27m箱体范围内均布37根横梁，箱体外两侧再各设3根横梁。横梁一端担于挖孔桩上的支架梁上，另一端担于框架桥顶上。横梁穿于木枕下，横梁和木枕也用U型螺栓、扣板连接。横梁上的吊轨束外侧各架设2道纵梁，纵梁由2根320mm工字钢组成，长36.0m。用U型螺栓把纵梁和横梁连接在一起。
在纵梁、箱体靠线路的端部、行车线的两根钢轨处的横梁下加设小枕木垛。每根纵梁两端下均设大枕木垛。两相临的挖孔桩间各设一个大枕木垛，支承挖孔桩上的支架梁。
在线路的箱体侧设4道钢索拉住线路，另一侧打一排间距为1.5m的木桩顶住木枕，用以防止线路横移。
附线路加固平面布置示意图（图1）。
2.3 线路加固检算
把纵梁、横梁、吊轨束、轨枕下的支承均考虑为简支，荷载主要作用于横梁上。附弯矩和剪力图（图2）。
以下检算公式出自《结构力学》，力学模量查自《材料力学》，并参考了《肆桥8030标准图》。
2.3.1 工字钢横梁检算
横梁主要承受吊轨梁及纵梁传递的活载。活载为现行机车最大轴重，并考虑冲击力作用，以及横梁的不均匀工作等，取综合系数B=1.5，故检算荷载为1.5P（考虑机车的轴重作用在二根横梁上P=220/2=110KN）。取横梁的计算跨度为4m（实际施工中均能控制在3m左右），按简支梁检算横梁的强度。
[τ]=100 MPa I:S=26.77cm b=d=13.5mm=0.0135m
（1）强度条件检算
M=1.5P/2×1.25=1.5×110×1.25/2=103.1KN.M
Mmax=2[σ] WX = 2×170×106×760×10-6=258.4 KN.m>M 故满足强度要求
（2）剪切应力检算
Q=1.5P/2=1.5×110/2=82.5KN
τmax===22.8×106N/m2=22.8MPa<[τ]=100 MPa 故剪切强度满足要求
（3）挠度条件检算
Ymax= （3L2/4-B2）= (3×42/4-1.252)
=0.0073m<L/400=4/400=0.01m 故挠度条件满足
2.3.2 I32工字钢纵梁检算
I32工字钢截面模量W=760cm3 惯性矩I=12167cm4 弹性模量E=2×105MPa 容许应力[σ]=170 MPa。
计算跨度L=2×0.75m=1.5m 换算均布活载q=406kN/m
M=qL2/8=1/8×406×1.52=114.2KN.m
Mmax=[σ] WX =170×106×760×10-6=129.2 KN.m>M 故满足强度要求
Ymax= = =0.0011m<L/400=1.5/400=0.00375m 故挠度条件满足
2.3.3 P43钢轨吊轨束检算
P43钢轨截面模量W=425cm3 惯性矩I=1489cm4 弹性模量E=2.06×105MPa 容许应力[σ]=170 MPa。 吊轨束为3-7-3形式，故只检算3根一束的吊轨束。
计算跨度L=1.5m 换算均布活载q=406kN/m
M=qL2/8=1/8×406×1.52=114.2KN.m
Mmax=3[σ] WX = 3×170×106×425×10-6=216.75KN.m>M 故满足强度要求
Ymax= = = 0.003m<L/400=1.5/400=0.00375m 故挠度条件满足
2.3.4 两线间I45支架梁检算
挖孔桩上I45支架梁承受横梁传递的荷载。计算跨度L=4.5m，换算均布活载K=184KN/m，I45支架梁承受的荷载q=K/2=92KN/m。
I45工字钢截面模量W=1430cm3 惯性矩I=32240cm4 弹性模量E=2×105MPa 容许应力[σ]=170 MPa。
（1）强度条件检算
M=qL2/8=92×4.52/8=233KN.M
Mmax=2[σ] WX = 2×170×106×1430×10-6=486.2 KN.m>M 故满足强度要求
（2）挠度条件检算
Ymax= = =0.0038m<L/400=4.5/400=0.011m
故挠度条件满足
2.3.5 挖孔桩检算
挖孔桩的桩径为1.0m，桩身采用150#混凝土。 容许压应力[σ]=13MPa。 桩顶荷载P=92×4.5=414KN 桩身截面积A=3.14×(1/2)2=0.785m2
压应力σ=P/A=414/0.785=527.4KN/m2=0.53MPa<[σ]=13MPa 故满足强度要求
2.4 施工效果
2000年12月14日线路加固完，12月15日试顶，顶进非常顺利，线路加固很稳定，12月28日顶进就位。中线偏移4cm，高程误差2cm。2001年1月15日砌筑完端翼墙，1月17日全部竣工，竣工后验收优良率100%。
3 施工重点
3.1 从顶进出发审核图纸尤为重要，主要控制桥顶标高，如果桥顶在路基面下，顶进箱体就位后回填土的施工难，且箱体顶部的路基易形成水害，如果桥顶过高，则给线路加固带来困难。一般应把框架桥顶至轨底的高差控制在60cm左右，既便于线路加固又易于桥顶回填土施工。
如设计图纸的桥顶标高不利于顶进施工，应向设计单位要求变更桥顶标高。
3.2 一般设计图纸所给的桥身预制位置离行车线偏远，顶程较大。预制时应向行车线适当靠近些，以减小顶程。但预制位置不应离行车线过近，以勉箱体就位后箱尾不能脱离工作坑底板。
3.3 后背梁、后背、后背压土应满足首次启动顶镐时的最大顶力要求，否则将拉裂工作坑底板，最常见的拉裂位置为桥涵尾和后背梁间。
3.4 工作坑底板表面平整度要力求最佳，上喷涂石蜡润滑层，再上铺油毡或塑料布隔离层，润滑层和隔离层应标准，否则箱底砼与工作坑底板粘连，难以启动且极易拉裂工作坑底板。
3.5 预制桥身时，顶进前方箱体底板下部应预留长50cm高5cm船头坡，以防止顶进中扎头。
3.6 钢刃脚的安装视地质情况而定，可只安装土层部分。
3.7 线路加固
吊轨纵横梁法加固线路,组合方式一般为3-7-3或3-5-3，根据沿线路的开挖长度选用组合方式和钢轨型号，常用43kg/m钢轨或50kg/m钢轨进行组合。纵横梁一般选用12m长的工字钢或工字钢束。横梁的范围和分布视选用的材料及地质情况而定。纵梁一般为吊轨束外各一根，但开挖跨度过大须改为2根甚至3根，以增加线路加固的牢固性。
吊轨组合方式、纵横梁工字钢的型号和间距应根据受力检算确定。
箱体范围内的全部横梁一端担于涵顶上，另一端用木枕垛支承，应保证开挖过程中横梁的悬空长度不大于4m，最好控制在3m内。箱体外线路加固的最小长度为3m，普通采用5m，如土质易塌方则应向5m外延长。
两线并行地段，如设计为分侧预制、分侧顶进，可于两线间增设一排挖孔桩支墩，以防止一侧开挖引起另一线的路基塌方，也便于在支墩上架设支架梁，以支架梁做为横梁的支点。支墩间距、支墩上部支架梁的选材均应通过受力检算而定。
3.8 工字钢束一般由两根工字钢用卡子或拉筋组成，卡子或拉筋处的两工字钢间夹设短方木。工字钢束的接茬应进行加固处理,使其达到受力要求。
3.9 线路加固要求。检算的内容：横梁的强度、剪切应力、挠度，纵梁、吊轨束、支架梁的强度、挠度，支墩的强度。
3.10 顶进前，把吊轨范围内的砼枕全部抽换为木枕，顶进过程中随时注意上部线路的变化，发现线路位移和凸起，立即停止顶进，养护线路。
3.11 顶进过程中, 当列车经过时，有枕木空隔的地方必须在钢轨下设临时木支墩。
3.12 顶进开挖过程中，掌子面视土质情况要留一定坡度。每顶程的开挖进尺控制在0.5m以内(特别是枕下范围)，整平夯实基底。石质部分可垂直开挖，为防止基底软硬不匀，基底以下需超挖0.2m，以碎石填平夯实。
3.13 顶进中开挖部分的三个面，掌子面两侧的路基边坡较易塌方，一出现塌方立即用草袋装土堆码，用方木、木板等支撑，严重的塌方则应加强线路加固。
3.14 顶进中严格控制中线和标高，防止偏心和扎头、抬头，对出现的偏心和扎头、抬头现象应在下镐中及时纠正。偏心通过调整顶镐即可纠正；扎头可于船头坡下加方木、钢板、开挖面基础打相应坡度的速凝砼面、石质基础两侧找面等调整，如扎头严重，不应过急，应分几次找平；抬头的处理则应下挖基础分次调整。
3.15 箱体顶过股道后，顶进基本上渡过了危险期，此时就应把顶进前方箱体两侧的路基塌方列为防护重点。
3.16 箱体就位后，立即抢筑八字墙，线路加固最好于八字墙完工后再拆除，严格按标准养护恢复线路。
4 施工中的几点体会
4.1 设计桥顶至轨底标高的最有利高差为55cm~65cm。
4.2 线路加固是顶进桥的最关键环节，军便梁的制作、运输、安拆较难，费用也高，吊轨纵横梁法加固线路较经济、方便。
4.3 应注意挖孔桩桩底的处理，如果桩底座不到基岩上，则桩身易发生倾斜而危及行车。
4.4 最常用的单根工字钢横梁为320mm和360mm工字钢，工字钢束横梁为300mm和 320mm工字钢两根组成一束。最有利的横梁间距为：单根工字钢55mm~70mm，工字钢束75mm~95mm。选用单根工字钢做纵梁时，其型号须比横梁工字钢型号大，普遍用360mm或 450mm工字钢。
4.5 线路加固的检算，用超静定检算较准确但很麻烦，普遍采用简支进行检算，经过现场观察发现，如果简支检算的结果刚好满足要求，列车经过时整个线路加固相当稳定，可见简支检算不太精确但相当保守。
4.6 框架桥的箱体顶进应在新线铺轨前就位，否则将影响铺轨、架梁、大机养道、单机压道，站场内的框架桥顶进将影响道岔改造。