王旭東

1 概況

隨著鐵路運輸不斷向高速、重載方向發(fā)展,列車運行密度不斷增加,鐵路平交道口頻頻出事,已成為影響鐵路行車安全的突出問題。近年來,鐵道部已將取消平交道口,改造為下穿鐵路框構(gòu)立交橋列為重點項目。隨著平改立力度的逐年加大,框構(gòu)橋頂進施工工藝已經(jīng)成熟,在實際當(dāng)中,道路與鐵路的平面交叉有正交和斜交之分,交叉角小于90°者謂之斜交,對于這種斜交的框構(gòu)設(shè)計和頂進工藝應(yīng)依其斜交角度、孔徑大小、孔數(shù)多少,以及涵身長度的綜合研究決定。本文筆者根據(jù)工程實例,就斜框構(gòu)橋斜向頂進時頂鎬的布置方法做以下闡述。

2 斜交框構(gòu)與正交框構(gòu)頂進的不同點

框構(gòu)橋頂進是在保證鐵路安全運行的前提下,在鐵路路基一側(cè)預(yù)制鋼筋混凝土箱形框架,采用高壓油泵帶動油壓千斤頂,并借助于預(yù)先修好的后背支承,頂入鐵路路基內(nèi),成為一座鐵路立交橋。道路與鐵路的平面交叉分為正交和斜交。道路與鐵路正交框構(gòu)頂進時,千斤頂?shù)奈恢靡话闶且钥驑?gòu)中心線為軸對稱布置。在頂進過程中,如果頂力均勻,挖土適當(dāng),觀測及時,一般是不會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的。當(dāng)?shù)缆放c鐵路斜交角較小或箱身較長的較大跨度箱涵,若在頂進中還采用正向頂進時,千斤頂以框構(gòu)中心線為軸對稱布置的方式,則會產(chǎn)生框構(gòu)轉(zhuǎn)動,出現(xiàn)偏頭現(xiàn)象。斜交框構(gòu)斜向頂進與正交框構(gòu)正向頂進的不同點在于前者框構(gòu)尾部的銳角端需要較大的頂力,才能使箱體沿正確方向前進。

3 框構(gòu)轉(zhuǎn)動原因及受力分析

圖1表示斜框構(gòu)在斜向頂進入土后某一階段的平面圖,各作用力簡化在平面上考慮,框構(gòu)受力說明如下。

3.1 底板

為支頂千斤頂?shù)男枰?箱涵底板尾部需增設(shè)三角形圬工以形成與頂進方向垂直的平面。一般采用圖1方案,即增設(shè)三角形后的底板的幾何圖形與框構(gòu)對稱,底板摩阻力的合力 f位置與框構(gòu)軸線重合,框構(gòu)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

3.2 邊墻

框構(gòu)入土后,兩側(cè)邊墻承受土壓力 E,由于力臂 Y右＞Y左,形成力偶,使框構(gòu)產(chǎn)生逆時針向轉(zhuǎn)動。

3.3 頂板

一般設(shè)計成平行四邊形,其摩阻力與框構(gòu)軸線重合,框構(gòu)不因頂板摩阻力而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

3.4 刃角

如果挖土部位與框構(gòu)軸線對稱,挖土量也大體相當(dāng),框構(gòu)一般不會因刃角正面阻力而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

由圖1求摩阻合力:

故摩阻合力為:

偏心距:

通過以上計算,可得框構(gòu)的摩阻合力N與框構(gòu)軸線偏離e,這樣框構(gòu)就發(fā)生逆時針向轉(zhuǎn)動,其中兩側(cè)土壓力的力臂不等是造成框構(gòu)轉(zhuǎn)動的主要原因。

4 千斤頂布置

4.1 不同的千斤頂位置分析

由上述分析可知:斜框構(gòu)斜向頂進,兩側(cè)土壓力對框構(gòu)尾端X—X軸線的力矩差是造成框構(gòu)移動的主要原因,而且框構(gòu)入土愈深轉(zhuǎn)動愈大,也就是說總摩阻力與框構(gòu)軸線的偏心距隨著入土深度的增加而增加。這就要求配置千斤頂?shù)目傢斄ξ恢门c之適應(yīng),才能有效的克服轉(zhuǎn)動。設(shè)框構(gòu)頂進入土到某一階段,階段開始時總摩阻力N小偏離框構(gòu)軸線距離e小;階段終了時總摩阻力N大偏離框構(gòu)軸線距離e大,如圖2所示。千斤頂合力 R按三種不同位置布置如下。

1)當(dāng)千斤頂合力R與N大作用于同一條線,則自階段開始至階段終了期間,框構(gòu)承受千斤頂?shù)钠牧禺a(chǎn)生順時針向轉(zhuǎn)動。為避免框構(gòu)轉(zhuǎn)動,可利用刃角正面阻力,即挖空B側(cè)刃角前土壤,讓 A側(cè)刃角吃土的辦法(見圖3)。

表1 轉(zhuǎn)矩、摩阻力和偏心距計算表

2)當(dāng)千斤頂合力 R與N小作用于同一條線,則自階段開始至階段終了期間,框構(gòu)會產(chǎn)生逆時針向轉(zhuǎn)動,當(dāng)然也可以用挖空 A側(cè)刃角前土壤,讓B側(cè)刃角吃土的辦法,使刃角正面阻力對框構(gòu)產(chǎn)生順時針向轉(zhuǎn)動來達到框構(gòu)正確頂進的目的(見圖4)。

3)當(dāng)千斤頂合力 R位于 1/2(e大+e小),自階段開始至階段中期之前,框構(gòu)會產(chǎn)生順時針向轉(zhuǎn)動;自階段中期之后至階段終了期間,框構(gòu)會產(chǎn)生逆時針向轉(zhuǎn)動。如果仍然用刃角正面阻力來克服框構(gòu)轉(zhuǎn)動,那么在階段中期之前要用1)所述的辦法,在階段中期之后就要用2)所述的辦法(見圖 5)。

上述千斤頂三種不同布置以第一種較好,即千斤頂合力 R與N大位置對應(yīng),其主要理由是在階段的整個期間對框構(gòu)產(chǎn)生順時針向力矩來克服框構(gòu)兩側(cè)土壓的力臂差對框構(gòu)產(chǎn)生的逆時針向轉(zhuǎn)動。為使框構(gòu)正確就位,采用千斤頂不對稱布置形成一個反力矩,克服框構(gòu)轉(zhuǎn)動。實踐證明:采用這一措施,效果良好。

4.2 千斤頂不對稱布置的方法

筆者在石太鐵路下行線130.821 km框構(gòu)橋頂進中采用了千斤頂不對稱布置的方法,克服了框構(gòu)橋在頂進過程中的轉(zhuǎn)動問題,效果較為理想,現(xiàn)以工程實例介紹如下:

石太下行線130.821 km框構(gòu)橋軸線與壽陽縣307國道斜交50°,主體高度6.8 m,凈寬9 m,凈跨 13.84 m,采用斜框構(gòu),增設(shè)2個三角形底板,以支承千斤頂,框構(gòu)混凝土323 m3,設(shè)計頂力1 200 t,頂程22 m,土質(zhì)為密實砂夾石,含水量小。頂進過程中采用軌束吊軌及縱、橫抬梁加固線路。各部尺寸見圖6。

計算假定:

1)底板平面尺寸基本上與框構(gòu)軸線對稱,因此可認為底板摩阻力的合力與框構(gòu)軸線重合。

2)頂板平面尺寸與框構(gòu)軸線對稱,板頂僅線路加固重量,摩阻力不大,對計算成果影響甚微,為簡化計算略去頂板摩阻力。

3)頂進時刃角周邊土壤挖空,故可認為刃角正面阻力為零。

根據(jù)以上三點,本計算主要考慮由于兩側(cè)邊墻土壓力力臂不等,使得框構(gòu)產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩。

表2 各階段所需千斤頂數(shù)量表

土壓力按 E=1/2rH2Bξ(t)計算。

其中,r為土體容重,取2.0 t/m3;H為框構(gòu)兩側(cè)土體高度;B為框構(gòu)入土寬度;ξ為土壓力系數(shù),取0.4。

力矩計算:

兩側(cè)土壓力力臂差:L=7.551 m,則土壓力力矩:M=EL=7.551E。

隨入土深度和填土高度的不斷增加,力矩也不斷增加。

阻力計算(只考慮框構(gòu)兩側(cè)摩阻力和底板摩阻力):

1)底板摩阻力。

框構(gòu)自重=323×2.5=807.5 t;

摩擦系數(shù)f=0.8;

則底板摩阻力 P1=807.5×0.8=646 t。

2)框構(gòu)兩側(cè)摩阻力。

框構(gòu)兩側(cè)摩阻力P2=2Ef;

摩擦系數(shù)f=0.8;

則框構(gòu)兩側(cè)摩阻力 P2=2E×0.8。

轉(zhuǎn)矩、摩阻力和偏心距計算見表1。

千斤頂布置:

該工程采用天津市威力千斤頂有限公司生產(chǎn)的雙作用液壓千斤頂,每臺千斤頂?shù)捻斶M能力為220 t,行程500 mm,考慮液壓千斤頂有效系數(shù)0.75,計算各階段所需千斤頂數(shù)量如表2所示。

如圖7所示,分5階段采用不同位置布置千斤頂,克服了轉(zhuǎn)動問題,確保了框構(gòu)橋正確就位。

5 結(jié)語

通過上述理論分析及工程實例,得出如下結(jié)論:在交角較小或箱身較長的較大跨度框構(gòu)橋頂進施工中,采用千斤頂不對稱布置的方法,可以克服框構(gòu)橋轉(zhuǎn)動問題,使框構(gòu)橋正確就位。在實際施工中,還必須結(jié)合實際情況靈活采用,隨時測量了解框構(gòu)頂進方向,以便采取有效措施,保證框構(gòu)正確就位。

[1] 曹坎嵩.鋼筋梁頂推施工技術(shù)[J].山西建筑,2007,33(28):322-323.