劉金國

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600)

北京市豐臺區(qū)大瓦窯片安置房小區(qū)位于既有101鐵路的東側(cè)。為滿足居民出行要求,政府擬建一條城市次干道,以下穿立交形式穿越101鐵路。道路設(shè)計速度40 km/h,總寬40 m。機動車道使用凈高不小于4.5 m,非機動車道使用凈高不小于3.5 m。

既有101鐵路為單線非電化鐵路,鐵路平面為曲線,半徑350 m,101鐵路路基高約8 m。由于鐵路距離安置房小區(qū)平面距離太近,加之橋址處101鐵路路基高達8 m,不具備設(shè)置道路上跨鐵路橋梁的條件,道路擬采用下穿框架橋或隧道形式穿越鐵路。

1 方案比選

根據(jù)鐵路部門的有關(guān)規(guī)定[1-2],道路下穿施工時鐵路運輸不能中斷。由于101鐵路在此處為高路基,在下穿結(jié)構(gòu)的選取上,研究了頂進框架橋和淺埋暗挖隧道2種不同的結(jié)構(gòu)形式,并將其組合了5種穿越方案,即高框架橋(方案A)、低框架橋(方案B)、雙連拱隧道加框架橋(方案C)、小凈距隧道加框架橋(方案D)、鐵路臨時便線加框架橋(方案E)。 下面分別闡述各方案的特點。

1.1 高框架橋(方案A)

下穿鐵路處擬采用8-16-8 m三連孔框架橋,橋體總寬36.4 m,總高15.0 m,全長27.67 m(含前刃角和平衡重)。橋梁縱斷面如圖1所示。

圖1 方案A橋梁縱斷面(高程單位為m,其余為cm)

本方案的特點：

1)頂橋的結(jié)構(gòu)高度過大,約15.0 m,這樣開挖路基容易塌方。因此,根據(jù)規(guī)范要求[3],一般需安設(shè)中刃角和中平臺,把全高分為2到3層,減少開挖高度,保證路基穩(wěn)定。由于多層開挖,開挖工作面之間互相干擾,施工出土將極困難。相應(yīng)地,橋體前部切土防護用的混凝土刃角[4-5]和橋體后部為刃角配重的平衡重的長度很長,設(shè)計難度極大。

2)橋體過高,結(jié)構(gòu)上半部空間無法有效利用,如果設(shè)堵頭墻封閉之,則造成結(jié)構(gòu)浪費且不美觀。

3)成橋后橋體兩側(cè)的翼墻設(shè)計困難。因為常規(guī)的重力式或衡重式擋土墻無法滿足如此大的高度要求。若采取樁板墻形式,施工工序復雜,工程造價較高且不美觀。

4)橋體頂進施工時橋梁后端每延米實際頂力達 3 250 kN,對橋梁后背墻的設(shè)置和頂進工藝水平要求很高。

5)鐵路兩側(cè)需分別設(shè)置頂橋用臨時工程,臨時占地和投資較多,竣工后還需拆除,浪費較大。

1.2 低框架橋(方案B)

下穿鐵路處擬采用8-16-8 m三連孔框架橋,橋體總寬36.4 m,總高8.1 m,橋全長35.92 m(含前刃角和平衡重)。橋梁橫斷面如圖2所示。

圖2 方案B橋梁橫斷面(高程單位為m,其余為cm)

本方案的特點：

1)橋體過長,達到35.92 m,需分2次預制完成。橋體單位頂力比方案A還大,每延米頂力達 4 590 kN,需采取專項的減阻措施：橋頂及側(cè)墻外側(cè)夯打直徑325 mm的管幕互鎖(見圖3)配合橋頂插打厚8 mm鋼板。管幕后端采用2根 I45b 固定牢靠,前端插打在刃角尖部的穩(wěn)定土層中。管幕外插角宜不超過3°,管幕長37 m。

圖3 管幕互鎖(單位：mm)

2)成橋后頂板上覆土厚達8.0 m,由于受力需要,結(jié)構(gòu)底、頂板厚度均比正?？蚣軜蛞?.20 m以上。因此,橋梁有笨重感,不美觀且經(jīng)濟性較差。

3)橋頂板距鋼軌高差大,僅使用吊軌梁無法確保鐵路安全。由于鐵路平面曲線半徑為350 m,無法使用廠制的D型便梁加固(其要求所架空的鐵路平面曲線半徑不小于400 m)。若使用縱橫梁法進行線路架空加固,頂板與縱橫梁之間的高差達8 m,且由于減阻用的管幕和鋼板的存在,鐵路架空用的鋼橫梁無法從框架橋頂穿過。

4)橋體每延米頂力 4 590 kN,必須使用中繼間法[6]頂進,增大了工程投資和施工復雜程度。

5)和方案A一樣,鐵路兩側(cè)需分別設(shè)置頂橋?qū)Ｓ玫暮蟊硥Φ扰R時工程,工程臨時占地和投資較多。

1.3 雙連拱隧道加框架橋(方案C)

下穿鐵路時,機動車道采用的是雙連拱隧道結(jié)構(gòu)：由2座跨度為9.334 m的隧道加1個厚度為1.50 m的中隔墻構(gòu)成,2座隧道外墻之間的總寬度達22.868 m,2座隧道總高均為9.43 m,每座隧道全長均為50 m。非機動車道布置在兩側(cè)單孔凈寬8 m的框架橋內(nèi)。下穿鐵路橫斷面如圖4所示。

圖4 方案C下穿鐵路橫斷面(單位:cm)

本方案的特點：

1)機動、非機動車道完全分離,雖然每座隧道較長,達到50 m,但非機動車道位置較高,從而有效地節(jié)約了橋長,且非機動車道框架橋斷面尺寸為常規(guī)尺寸,橋長相對較短。

2)隧道施工遵循“管超前、嚴注漿、強支護、短進尺、勤量測、早封閉”的十八字原則[7]。通常隧道頂部覆土厚度最薄為2 m即可施工,本方案隧道頂部覆土厚5 m,故可順利實施。

4)施工工序復雜。大跨雙連拱隧道的施工須多工序、多步驟進行,各個工序之間相互影響大。合理的進洞方案是中導洞超前隧道正洞10 m開挖[9],左、右線隧道間再錯行一定距離依次跟進,即三洞同行不同步。

5)本方案施工工序多,存在施工與運營期間結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)換,并且中隔墻受力復雜,頂部易形成應(yīng)力集中區(qū)域[10]。設(shè)計及施工中須采取有效輔助措施,防止施工中單體隧道拱部不平衡推力對中隔墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。通過中導洞來形成中隔墻的施工也會造成隧道其它施工步序開挖滯后,施工效率較低。另外,中隔墻剛度相對隧道整體來說較弱。減少中隔墻上的受力偏壓保證其穩(wěn)定是隧道整個結(jié)構(gòu)體系施工成敗的關(guān)鍵。

6)與方案A,B相比,方案C可不設(shè)大型臨時工程,投資較低,工期較短,這是它的明顯優(yōu)點。

1.4 小凈距隧道加框架橋(方案D)

本方案機動車道采用小凈距隧道形式。由2座單體隧道構(gòu)成,每座單體隧道凈寬9.334 m,高9.43 m,每座隧道全長50 m,非機動車道布置在兩側(cè)單孔凈寬8 m的框架橋內(nèi)。下穿鐵路橫斷面如圖5所示。

圖5 方案D下穿鐵路橫斷面(單位:cm)

本方案的特點：

1)機動車道和非機動車道完全分離。雖然每座隧道較長,達到50 m,但非機動車道位置較高,有效地節(jié)約了橋長,且框架橋尺寸為常規(guī)尺寸,節(jié)約了投資。

2)小凈距隧道設(shè)計、施工是基于巖體力學角度來考慮,充分利用隧道圍巖的自承、自穩(wěn)能力,通過圍巖加固措施使隧道修筑達到最合理且經(jīng)濟。中巖柱所處的部位及其受力特點決定了小凈距隧道中巖柱加固是設(shè)計和施工的關(guān)鍵。具體的巖土體加固可采取如下措施：用超前小導管對土體進行預注漿,并從先施工隧道向?qū)?cè)打設(shè)對拉錨桿或錨管,施作后開挖隧道初期支護時將錨桿或錨管切斷,牢固焊接于后開挖隧道初期支護的鋼架上,形成有效的對拉體系,確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

3)將雙連拱大跨隧道轉(zhuǎn)換為2座獨立的單體小跨度隧道,施工工藝更成熟,有效地降低了施工難度,避免了方案C設(shè)置中隔墻帶來的不均衡受力的缺點,規(guī)避了風險。

4)小凈距隧道采用雙洞同行不同步開挖,后行隧道的受力狀態(tài)較為不利,因此在兩隧道的支護參數(shù)上要有所區(qū)別。

1.3 統(tǒng)計學處理 采用Excel 2007收集納入論文的基本信息，導入SPSS 17.0進行統(tǒng)計描述，計量資料以（xˉ±s）表示，并對被引頻次和下載頻次進行Pearson相關(guān)性分析，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

5)為盡量減少左、右線單洞開挖時的相互影響,2座隧道錯行施工,步距宜在15～20 m以上。

6)因為每座隧道都是一個完整的結(jié)構(gòu),所以左、右線隧道防水體系各自成為一個獨立系統(tǒng),施工方便,和雙連拱隧道相比,防水效果更好。

7)為了降低施工風險,2座隧道中間設(shè)了寬約2 m 的土柱,相對于方案C,本方案道路平面順接工作量略大,但對整個路線來說影響很小,可以忽略。如果施工中控制得好,土柱厚度還可酌減,使道路順接工作量進一步減少,達到與方案C持平的效果。

8)相對于方案A,B,方案D也不需設(shè)大型臨時工程,投資較低,工期較短。

1.5 鐵路臨時便線加框架橋(方案E)

通過設(shè)置鐵路臨時便線確保鐵路運營不中斷,在方案A或B的橋址原位現(xiàn)澆框架橋,橋梁結(jié)構(gòu)可采用與方案A或B相同的形式,即由鐵路便線加框架橋組成方案E。相對于采用頂進框架橋的方案A或B,方案E需臨時征用大量土地,造成較大面積的房屋拆遷。工程竣工后鐵路便線還需要拆除,相對于其它方案,此方案工期最長,且臨時工程浪費較大,工程直接投資較大。而且本方案現(xiàn)澆框架橋無論采用方案A的高框架橋或方案B的低框架橋形式,均無法回避橋體粗、大、笨的缺點,沒有技術(shù)及經(jīng)濟優(yōu)勢。

2 5種方案優(yōu)缺點對比(見表1)

表1 5種方案優(yōu)缺點對比

3 結(jié)語

隨著各地城市規(guī)模的不斷擴大,道路下穿鐵路的立交需求不斷地出現(xiàn),而下穿高路基鐵路的情況也越來越多。本文針對城市道路下穿高路基鐵路的5種立交設(shè)計方案,從多角度進行了詳細的比較,得出小凈距隧道加框架橋方案較優(yōu)。