頂進(jìn)涵后背設(shè)計(jì)及線路加固技術(shù)
2015-03-27
在鐵路既有線增建二線過程中，常常會碰到頂進(jìn)涵施工。本文以某鐵路鋼筋混凝土框架涵為例，介紹頂進(jìn)涵后背設(shè)計(jì)及線路加固技術(shù)。該涵為1-5.0m，全長18m。該頂涵處原為一處平交道口，設(shè)立該框架涵后，方便兩邊的村民穿越鐵路，該涵寬5m，高4.2m，全涵18m設(shè)計(jì)為一次頂進(jìn)。全涵縱向坡度為平坡。
全涵涵身高為5.15m，從框架涵頂?shù)郊扔芯€軌面僅有1.1m，頂進(jìn)施工時(shí)須將頂部填土及道碴全部開挖，軌道懸空，框架頂面無覆土。由于既有線已投入營運(yùn)，頂入前需對既有線進(jìn)行抬軌加固，保證鐵路正常營運(yùn)。
通過對頂進(jìn)時(shí)的頂力進(jìn)行計(jì)算，頂進(jìn)時(shí)最大頂力為844噸（具體計(jì)算請查閱“橋規(guī)第2-386條”），每米的后背墻頂力為106t/m，后背寬（B1）為8米，通過后背受力計(jì)算，該涵采用鋼軌樁后背墻，鋼軌樁長為8.04m，鋼軌樁入土深為2.74m，鋼軌樁后背漿砌片石高為5m，漿砌片石頂厚0.6m，寬8m，漿砌片石后背按1:0.3放坡填土，四周邊坡為1：1，鋼軌樁每米布置5根。在鋼軌樁處設(shè)鋼軌后背梁，斷面尺寸為50cm×50cm，長8米。
因頂進(jìn)涵最大頂力為844噸，千斤頂擬采用廣州300t共5臺（每臺頂力的利用率為56％計(jì)算）。
1 后背設(shè)計(jì)
1．1 本涵后背設(shè)計(jì)為鋼軌樁板墻，墻后填土及堆碼片石，鋼軌樁采用P50鋼軌樁。
1．2 確定鋼軌樁入土深度D1及鋼軌樁總長H：
1．2．1 根據(jù)朗金理論土壓力計(jì)算墻后每延米的被動土壓力為：
Ep=
式中：
γ：土容重，取1.8 t/m3；
H：鋼軌樁長（m）；
Φ：土的內(nèi)摩擦角，因地質(zhì)為粘性土，取Φ=20°；
因根據(jù)千斤頂作用點(diǎn)與后背被動土壓力Ep重合的假定，而主動土壓力Ea遠(yuǎn)小于Ep，Ea可忽略不計(jì)，則：
P= Ep
涵洞在頂進(jìn)時(shí)需要的最大頂力為844噸，而后背墻B1為8米，則每延米的頂力為：
P=844/8=105.5t/m
則鋼軌樁總長H為：
H==7.58m
D= =7.58/3=2.53m
而千斤頂?shù)酌嬷睆綖?0cm,則半徑r=25cm。
D1=D-r=2.53-0.25=2.28m
為保證一定的安全度,實(shí)際施工時(shí)鋼軌樁
入土深為1.2D1,則實(shí)際入土深度
為:1.2×2.28=2.74m
鋼軌樁總長為H+0.2D1=7.58+0.2×2.28=8.04m
1．2．2 確定后背土堆高h(yuǎn)
h=H-D1=7.58-2.28
=5.3m
1．3 鋼軌樁截面設(shè)計(jì)：
檢算后背土堆的穩(wěn)定，鋼軌樁僅抵抗滑板面
以上后背土堆的主動土壓力
M=
式中：
Ea==1.8×5.32×tg2(45-20/2)/2=12.4t/m
M=12.4×5.3/3
=21.9(t-m)
根據(jù)材料力學(xué)公式：
∑W=，n=
式中［σ］：鋼材的允許應(yīng)力=170mpa，因鋼軌采用P50軌，W=287.2cm3
∑W=21.9×106/17000=1288cm3
n=1288/287.2=4.5
取5根，即每米布置5根鋼軌，間距為20cm。
1．4 后背土堆穩(wěn)定的檢算
后背土堆穩(wěn)定的條件是鋼軌樁埋深必須滿足靜力平衡條件，即作用于結(jié)構(gòu)上的全部水平方向作用力平衡條件（∑F=0）和結(jié)構(gòu)繞根部自由端彎矩總和（∑M=0）為零。
1．4．1 由∑F=0
則：Ep+ξ-Ea=0
式中：
Ep=γD1`2tg2（45+Φ/2）/2
Ea=γH2tg2（45-Φ/2）/2
ξ=Uμ
ξ：滑板阻力。
U：滑板摩阻系數(shù)=0.4
μ：為每縱向米箱體重+每縱向米滑板重
μ=24.25+6.9×0.2×2.5=27.7 t
ξ=Uμ=0.4×27.7=11.08 t
則：
D1`=
=2.79m
D1=2.28m<2.79m,不能滿足水平方向的作用力為零，則需增加滑板重量。在鋼軌與地面處增設(shè)地錨梁，地錨梁尺寸為寬2m，深1m，長8m。
則地梁重為1×2×8×2.5=40 t
則ξ=υμ=0.4×（27.7+40）=27.08 t
再進(jìn)行計(jì)算D1`，為不解, D1=2.28m，水平方向不會移動。
1．4．2 為保證鋼軌樁不繞根部（B）點(diǎn)轉(zhuǎn)動，計(jì)入滑板對后背樁的抵抗力所產(chǎn)生的力矩。
ξ= =24.9t<ξ=27.08t
鋼軌樁是穩(wěn)定的。
1．5 后背總體設(shè)計(jì)圖如下
后背總體設(shè)計(jì)圖
2 線路加固設(shè)計(jì)
2．1該段線路加固采用D型施工便梁，兩端支撐墩采用挖孔樁，兩側(cè)挖孔樁直徑為80cm，中間挖孔樁直徑為125cm，挖孔樁深為6.5m。
2．2線路加固斷面圖：
線路加固斷面圖
2．3 D形便梁已經(jīng)過鐵道部鑒定，不必檢算。
2．4 檢算挖孔樁的樁身長度及樁徑。
2．4．1 雙孔重載布置（跨度為8.85m）：
“中―活載”圖
由∑MB=0
RA×8.85=（220×8.85+220×7.35+220×5.85+220×4.35+220×2.85+1.352×92/2）/2
=368.3KN
由豎向∑F=0，得RB=(220×5+1.35×92)/2- RA =243.8KN
所以RA支座反力大，該處為最不利荷載。
D型便梁重計(jì)算：
Ⅰ型縱梁：2×429.1=858.2kg
橫梁：13×345=4485kg
共重約：5.3噸，加上線路軌道重10噸，則共計(jì)153KN
則每墩承重為N=368.3+153/2=444.8KN
2．4．2 樁長計(jì)算
根據(jù)該涵的地質(zhì)鉆探資料，從軌面下0-6.25米為人工填筑土及粉質(zhì)黏土，承載力為150kpa，6.25米以下為灰?guī)r、砂巖，承載力為350kpa。將樁底置于灰?guī)r層，取樁長6.5米。由于在頂進(jìn)施工時(shí)土體開挖會使樁部分暴露，在計(jì)算樁承載力時(shí)，摩擦力部分按4m長計(jì)算。按土的阻力確定單樁軸向容許承載力，共容許承載力為：
?。跱］=S∑（fi×Li）/2+mo×A×［σ］
S1=3.14×0.8=2.512m，
S2=3.14×1.25=3.925m
A1=π×Φ12/4=0.502m2
A2=π×Φ22/4=1.227m2
Mo=1，［σ］=350kpa
樁身自重G1=A1×H×25=0.502×6.5×25 =81.6KN
G2=A2×H×25=1.227×6.5×25 =199.4KN
?。跱］Φ80= S1∑（fi×Li）/2+mo×A1×［σ］
=2.512×(150×3.75+350×0.25)/2+1×0.502×350
=992.1KN
Φ80cm的挖孔樁 總重N+ G1=444.8+81.6=526.4KN<［N］Φ80=992.1KN
?。跱］Φ125= S2∑（fi×Li)/2+mo×A2×［σ］
=3.925×(150×3.75+350×0.25)/2+1.227×350
=1705.1KN
如上圖，雙向重載時(shí)，Φ125cm的挖孔樁承受的荷載可考慮為444.8KN×2=889.6KN，
則：N+ G2=889.6+199.4=1089.0KN<［N］Φ125=1705.1KN
均滿足支撐需要。
3 施工注意事項(xiàng)
滑板中心線應(yīng)與橋涵設(shè)計(jì)中心線一致，后端與后背相連。滑板(含抗滑條)采用C20鋼筋砼，頂面要求平整，在滑板上鋪設(shè)潤滑隔離層，到減少阻力，使橋涵箱身順利啟動就位。在保證既有線行車安全的前提下，滑板盡量靠近路基。
后座鋼軌樁的打設(shè)必須在同一平面，鋼軌樁的入土長度不得少于2.74m，鋼軌樁在打設(shè)后。在鋼軌樁后架一塊擋板，在擋板后砌筑漿砌片石，片石采用擠漿法，以便使后背墻鋼軌樁緊靠，形成一個(gè)受力整體。為了節(jié)約混凝土澆筑方量，可以采用扣軌梁代替地錨梁。
頂進(jìn)作業(yè)在后背和箱體砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)后進(jìn)行，在頂進(jìn)作業(yè)時(shí)做好對線路的防護(hù)，隨時(shí)檢查線路的狀況，絕對確保既有線行車安全。
箱體頂進(jìn)時(shí)，將所有千斤頂均勻布置，千斤頂后座頂在后背鐵上。所有千斤頂?shù)挠凸芫噙B在一起，確保所有千斤頂供油一致。
頂進(jìn)作業(yè)一旦開始要連續(xù)進(jìn)行，保持箱體不斷頂進(jìn)。為安全起見，每一循環(huán)進(jìn)尺控制在30cm左右，并隨挖隨頂，挖好的掌子面不得長時(shí)間暴露，嚴(yán)禁超前挖土；涵身兩側(cè)的開挖面要拍夯加固，防止塌方，盡量避免支撐樁過多暴露。當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)應(yīng)暫停挖土及頂進(jìn)作業(yè)，人員撤離工作面。
安放頂柱必須保持與頂橋軸線順直一致，與橫架垂直，每行頂柱要與千斤頂成一直線，各行長度應(yīng)力求一致。同時(shí)，做好觀察測量，及時(shí)糾正方向偏差、抬頭和扎頭現(xiàn)象。
為防止箱體重心離開滑板時(shí)出現(xiàn)扎頭現(xiàn)象，在離滑板前端約9m（箱涵的半長）處先放置5根枕木過渡，枕木平行頂進(jìn)方向，間距為1m?；蛘咴谙潴w前端底板處設(shè)置刃角。
