高雪瑞

(中鐵一院集團新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司，烏魯木齊 830011)

1 概述

根據(jù)烏魯木齊市城市總體規(guī)劃，重點發(fā)展城北新區(qū)，但由于烏準鐵路橫穿城北新區(qū)，將建成區(qū)和城北新區(qū)進行分割，對鐵路兩側(cè)地區(qū)交通聯(lián)系影響較大。既有線標準低，平交道口數(shù)量多，公鐵干擾嚴重，制約著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，制約了既有鐵路輸送能力的提高，威脅鐵路運輸安全。

烏準線烏北至小黃山段平交道口改立交工程，是為解決制約城市發(fā)展、鐵路運輸安全和提高運輸效率等問題而實施的。本工點為烏準線平改立工程中一處，平交道口位于烏魯木齊市中亞北路68路車站終點站，為無人看守道口，道路與鐵路夾角55°，橫跨兩股道，道口寬8 m。中亞北路為城市道路，起自喀什西路路口，終止于既有小黃山鐵路，鐵路道口段道路路寬9 m(瀝青混凝土)，道路兩側(cè)為居民區(qū)，工點里程烏準鐵路K9+881.7，新建1-16 m箱形橋，與公鐵中心線成55°夾角，橋凈高6.5 m。受各種條件限制，最終方案確定采用鋼刃角超前支護頂進施工，如圖1所示。

圖1 平改立工程平面示意(單位:cm)

2 鋼刃角超前支護的工作機理

本工程中，鋼刃角超前支護由鋼柱、鋼梁、上刃角、液壓推進系統(tǒng)、液壓反拉系統(tǒng)5部分組成。該結(jié)構(gòu)的橫向截面成簡支梁橋形，其外廓尺寸與箱形橋外廓尺寸相同，裝配在預制好的箱形橋前端，作為頂進時掘進面與路基的施工支護，同時具有頂推導向作用，見圖2。

圖2 鋼刃角超前支護結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

上刃角頂進到位后，按1∶0.75坡比挖除箱形橋底板前方"橋形"梁跨中土體，主體隨后進行頂進。一般掘進長度控制在20～30 cm，刃角隨箱形橋同步推進時，上刃角伸出部分被掘進面土體反推并縮回去，完成一鋼刃角超前支護掘進工作循環(huán)。

掘進面開挖分為3個部分。

(1)子刃角內(nèi)開挖

鋼刃角上部設(shè)有n個子刃角，將上部開挖面分成了n個等分。當子刃角向前頂進時，其上部土方由前端鋸齒刃角切割下落，子刃角承擔了上部荷載。視挖掘面土的自穩(wěn)能力，子刃角作業(yè)分先頂后挖、邊頂邊挖和先挖后頂3種方式。上刃角頂進到位后，先挖除鋼柱、底板前一定范圍內(nèi)土體(由上刃角切入土體長度決定開挖長度)，主體隨后進行頂進，坡比由路基土質(zhì)決定，一般可采用1∶0.75。刃角隨箱形橋同步推進時，上刃角伸出部分被掘進面土體反推回去，完成一鋼刃角超前支護掘進工作循環(huán)。

(2)墩柱開挖

每個墩柱分為4層，每層下部有一塊支墊鋼板，可將每層封閉成獨立箱室。每次僅向前開挖20～30 cm，正立面設(shè)有1∶0.2的坡。一旦發(fā)現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，可對這個獨立箱室進行單獨封閉，不會造成大面積塌方。

(3)中心土開挖

中心土采用機械開挖，一般情況下中心土滯后子刃角掘進面6 m左右。若中心土自穩(wěn)能力不強時，可放緩開挖坡度。中心土支撐，有兩個主要作用。

①承受上部荷載。上部荷載由覆蓋層恒載、列車荷載組成。上部荷載直接作用在主梁和子刃角上，再由墩柱傳遞至基底。

②平衡側(cè)向土壓力。因框架橋側(cè)墻是垂直的，頂進開挖時就形成了一個垂直的臨空面。當框架橋高度比較高時，側(cè)向土壓力也會十分大，容易造成塌方。當刃角切入土體后，利用中心土的側(cè)向壓力平衡了盾構(gòu)外側(cè)的側(cè)向壓力。

3 線路簡易加固及反拉系統(tǒng)設(shè)置

鋼刃角超前支護頂進前對線路進行軌束梁加固并在箱形橋上設(shè)置反拉系統(tǒng)，見圖3、圖4。

圖3 線路加固及反拉系統(tǒng)立面

圖4 反拉系統(tǒng)平面

在線路兩側(cè)先安裝43 kg/m 2+3扣縱向軌束，共2束。兩側(cè)軌束面應在基本軌底面以下20 cm，以確保橫向軌束能順利穿越基本軌底為準。

根據(jù)板頂填土高度、路基土質(zhì)、密實度等情況來確定是否在線路防護范圍內(nèi)路肩以下箱形橋頂部及兩側(cè)路基內(nèi)進行管棚支護;根據(jù)路基土質(zhì)及密實情況來確定是否對路基進行注漿加固。

反拉系統(tǒng)由后座、分配梁、減阻板、反拉扁鐵和油頂構(gòu)成，后座、分配梁及油頂安放于箱形橋的后端頂部，減阻板和反拉扁鐵平鋪于箱形橋頂部。當頂進過程中，減阻板與箱形橋頂面扁鐵摩阻力大于減阻板上部線路基床阻力時，啟動反拉系統(tǒng)，控制線路橫向位移。

4 鋼刃角超前支護的優(yōu)缺點

(1)優(yōu)點

①施工干擾小:“鋼刃角超前支護”將明挖開槽改為鋼刃角支護下暗挖，暗挖推進不影響軌道電路、信號自閉、線路封閉次數(shù)少，時間短。施工期間線路限速45 km/h。

②應用范圍廣泛:“鋼刃角超前支護”特別適用于站場、站場岔區(qū)、電氣化鐵路、路基高的鐵路。

③環(huán)保:采用“鋼刃角超前支護”施工，產(chǎn)生的廢棄鋼材可以回收利用。

(2)缺點

①“鋼刃角超前支護”需要的軌底至橋頂高度值＞1.8 m，造成引道長度較長，工作坑挖方量較多，所需投資也比縱橫抬梁法防護方案大。

②鋼刃角為剛性焊接體，工藝精密，焊接工作量大。

③在有地下水，地基承載力不足的情況下應用“鋼刃角超前支護”頂進施工技術(shù)還有待進一步探索。

5 鋼刃角超前支護的穩(wěn)定性計算

控制變形是鋼刃角超前支護頂進施工的關(guān)鍵;經(jīng)工程實踐驗證并參考相關(guān)資料確定，影響線路變形主要為頂進施工時引起的豎、橫向變形。

(1)線路豎向變形

①鋼刃角超前支護中主梁在承受列車、線路等荷載時產(chǎn)生的撓度影響，按簡支梁均布荷載作用下計算

式中 fc——跨中計算撓度;

q——均布荷載(活載+恒載)，148.5 kN/m;

lp——計算跨徑，按單孔簡支計算，4.452 m;

E——鋼材彈性模板，2.1×105MPa;

I——慣性矩，665 084 cm4。

主梁強度滿足行車要求，軌面不會出現(xiàn)三角坑現(xiàn)象。

②鋼刃角超前支護中立柱按雙孔連續(xù)梁計算垂直軸力，檢算立柱穩(wěn)定性

式中 N——計算軸力;

q——均布荷載(活載+恒載)，148.5 kN/m;

lp——計算跨徑，4.452 m。

立柱壓桿總體穩(wěn)定臨界值

式中 Fcr——壓桿穩(wěn)定臨界值;

E——鋼材彈性模板，2.1×105MPa;

I——慣性矩，268 187 cm4;

l——立柱計算長度，取值 7.764 m。

N＜Fcr，總體穩(wěn)定。

③鋼刃角超前支護中立柱基底壓應力

式中 A——立柱底面積，取 1.06×7.424=7.87 m2;

N——底板上的垂直力，826.4 kN。

因此，鋼刃角超前支護體系不會下沉。

(2)線路橫向變形

箱形橋頂進時(鋼刃角超前支護體系隨箱形橋頂進)，通過設(shè)置減阻板將鋼刃角、箱形橋頂面與線路基床相隔離。當減阻板與鋼刃角頂面、箱形橋頂面扁鐵摩阻力小于減阻板上部線路基床阻力時，減阻板、線路相對靜止不動;當減阻板與鋼刃角頂面、箱形橋頂面扁鐵摩阻力大于減阻板上部線路基床阻力時，可通過箱形橋上設(shè)置的反拉系統(tǒng)穩(wěn)定線路，根據(jù)本次施工過程記錄數(shù)據(jù)以及以往內(nèi)地大跨度立交橋施工資料，通過反拉系統(tǒng)調(diào)整，可以將線路橫向位移控制在3 mm以內(nèi)。

(3)線路加固

線路采用軌束梁進行簡易加固。假設(shè)路基局部塌空跨度1.5 m考慮，計算43 kg/m(2+3)軌束梁的撓度，按簡支梁集中荷載作用下計算

式中 fc——跨中計算撓度;

P——集中荷載，110 kN;

lp——計算跨徑，1.5 m;

E——鋼材彈性模板，2.1×105MPa;

I——慣性矩，5×1 489=7 445 cm4。

即使路基局部小塌方，軌面不會出現(xiàn)三角坑。

綜上所述，頂進過程中，線路在動荷載作用下，豎向及橫向變形極小，不會影響列車按45 km/h速度運行。

6 總結(jié)

“鋼刃角超前支護”把頂進斷面實施網(wǎng)格化，化整為零，從而達到既便于施工，又有利于行車安全的目的。它為既有線不斷增加的大型立交項目得以實現(xiàn)提供了比較好的解決辦法。目前疆內(nèi)已完成1座并正在準備進行推廣。

［1］鐵運［2006］177號，鐵路工務安全規(guī)則［S］.

［2］鐵運［2006］146號，鐵路線路修理規(guī)則［S］.

［3］烏鐵總［2010］174號，烏魯木齊鐵路局鐵路營業(yè)線施工安全管理實施細則［S］.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.