摘要：随着我国经济的飞速发展与科技的不断进步，需要在营业铁路线上增建桥涵以适应当地交通发展的需求，箱型框架结构在下穿铁路线中被越来越广泛的采用。就目前情况而言，在桥梁建设方面普遍采用的是一种名叫“顶进法”的施工建造方法，这种方法是在确保铁路能够安全运行的基础上，将之前在铁路路基旁所预制好的钢筋混凝土的箱形框架，利用高压油泵将油压千斤顶带动起来，并依靠事先准备的后背支撑以此顶入铁路路基当中，即可建成铁路立交桥。这种方法在我国大中型的立交工程建设当中应用较为广泛。
关键词：交通运输论文,下穿铁路,框架桥,顶进,设计
一、概述
顶进法施工是一种非开挖技术，可以在不影响地面交通的情况下横向下穿立交构筑物的施工。在既有铁路线上，有些地方需要增建桥涵。为了不中断铁路运营，目前普遍采用限速行车直接顶进桥涵的方法，即顶进法。这种施工方法的特点，是在保证铁路安全运行的前提下，将在铁路路基一侧预制好的钢筋混凝土箱形框架(或圆管)，采用高压油泵带动油压千斤顶，并借助于预先修好的后背支撑，顶入铁路路基内，成为一座铁路立交桥涵。近年来随着我国国民经济的发展，国内越来越多的穿越既有铁路线工程采用顶入法施工。本文依据河北省南水北调配套工程输水管线穿越既有铁路工程，进行顶进框架桥的设计与研究。
二、工程实例
1、对工程的相关概述
杭州某下穿铁路框架桥工程横穿沪昆铁路线，全长352.23米、道路宽幅48米。属直线区段的电气化铁路，钢轨是60kg/m，钢筋混凝土类型的轨枕。依据该地的地质情况可自上而下将其分为：3m厚填筑土、约6m厚粉质黏土、约3m厚粉土及风化岩。
2、结构确定
依据实际情况及对道路的安排，将该框架桥结构设置为单孔11.75m，铁路的框架桥轴线与其中心线的夹角为76°，且框架桥的轨低到顶板的最小距离为1.4m，其结构净高是5.4m。此外，框架桥的顶板厚1.1m，侧墙厚为1.0m，其底板厚为1.2m;框架桥的主体约长13m，前刃角与后平衡重分别为3m和2m。有关框架桥的横断面及纵断面详见图1-2。
图1框架桥横断面图
图2框架桥纵断面图
2、结构计算与绘制相应的钢筋图
在对框架桥的结构进行计算时，应当运用铁路地道桥的CAD系统以及MidasCivil对其结构的受力情况进行分析，同时并计算出相应的框架桥其所控制的钢筋面积，将有关框架桥的结构钢筋图绘制出来。MidasCivil计算结果如下图3-4所示。
图3结构承载能力弯矩包络图 图4结构使用性能弯矩包络图
4、对线路的加固及防护
为保证铁路运营安全，须在施工期间对铁路线进行架空处理。铁路线的架空一般采取人行挖孔桩加D型便梁对铁轨进行架空，若无合适跨径的D型便梁，可采用工字钢组合架空，工字钢组合须增加扣轨防护。因铁路线上无法使用大型机械设备，人工挖孔桩是最优的选择。本工程采用直径1.6m和1.2m人工挖孔桩加D16便梁以及两个6m跨的工字钢组合，如图5所示。
图5架空横断面图
5、钢刃角设计
钢刃角是框架桥设计顶推施工中的关键结构，设置在框架前端，其主要结构为钢板焊接并用U型螺栓与框架桥连接。钢刃角分为顶刃角、侧刃角和中刃角。中刃角现在一般在两室或多室框架桥设置，单室的框架桥无须。顶刃角一般在覆土较厚里设置，由于有铁轨架空防护，在覆土较薄的情况就不设置顶刃角。本工程项目由于框架桥只有一个室，覆土厚1.4m，只设置侧刃角。如图6。
图6钢刃角设计图
6、对工作坑的相关设计
具体说来，工作坑作为预制以及顶进桥涵的施工基底，其前端仅靠着铁路，而后端通常是用于布置运土的通道以及后背的。后背可以是后背土堆、后背墙或桩，须根据顶进力及工作坑深度及后背土高度因素选取。对工作坑位置的选取应全面考虑铁路的线路平面、两侧的地质地形、材料的堆放场所等等。例如在顶进框架桥经过多条线路之时，通常都会避免将工作坑设在离铁路正线较近的一侧，这样一来便会对铁路运输的干扰有所减少，但同时又应选取靠近铁路线一侧以减少顶推距离缩短施工工期，从而减少对铁路线运营的干扰。此外，对工作坑的相关设计还应符合铁路部门的安全标准，若工作坑达到一定深度时还须做专门的基坑支护设计，且坑底的四周设置排水沟及排水井，以便在施工期间能够顺利排水。
对工作坑的设计除了包括对其后背的计算之外，还有对锚梁、导向墩、分配梁以及滑板的设置。其中，工作坑滑板是作为顶进开始时与路基土壤的隔离层以及在预制箱涵时的垫底层，尽量防止在对框架桥结构进行混凝土浇筑的过程中出现一些不均匀的沉降现象，并且还能避免框架桥结构因其底下土壤的粘结作用而对顶进起动有所影响。除此之外，滑板对于框架桥进行水平面顶进运动起到了一定的导向作用。为了避免框架桥在顶进施工之时，工作坑滑板会逐渐随其巨大的顶力而向前移动，所以在滑板的顶部应设置相应的润滑隔离层，并在滑板底部向下设置锚梁，以便提高滑板所能抗滑的能力。导向墩应设在滑板两端，通常到框架桥边墙其外侧的距离为5-10cm之间，并且还要沿着顶进的方向进行设置，以此能够很好地控制框架桥在空顶阶段向着准确方向顶进。工作坑后背能够为顶进式框架桥提供其所需的最大顶力的支撑结构物，就目前情况而言，普遍使用的是槽钢或钢轨桩钢筋混凝土型后背。
三、对顶进施工设计的相关问题探究
1、确保框架桥顶进线形的相关措施
为了防止顶进过程中“扎头”现象的出现，应在框架底板的前端位置预留船头坡，而在滑板的顶面以及顶刃角处留下1%的仰坡，并且在顶进桥涵过程中还应随时对底板标高进行测量，以便据此对前端挖土的深度有所调整。另外，在顶进过程中所出现的左右偏差问题，可以利用变换左右两边不同的顶力及挖土，或千斤顶的位置等措施来加以控制。运用中继间顶进的方式，在节与节之间准备相应的剪力楔，以便传递剪力，并在顶进施工的过程中使得前后节箱体重心运动轨迹能够尽量重合，以促使剪力楔能够发挥最佳的使用效果，避免出现节间剪力偏大的现象。除此，千斤顶的顶程越长，顶进施工速度相应越快，但这需要建立在较高的控制技术水平的基础之上，千斤顶顶程在20cm之内较好控制。 2、确保管线安全的相关措施
在顶进过程中进行挖土时，自始至终顶部或侧部钢刃角其入土深度应不小于30cm，同时不能超挖，据此应在钢刃角的四周标识相应的入土及开挖标志线，使得开挖面能和侧刃角的前端保持平行。在每次顶进之前，应首先在框架桥的顶进前方开挖探洞，以弄清楚在前方的土壤内是否有阻碍顶进作业的一些障碍物，例如一些孤石、不明管线等，以保证每次的顶进作业能够安全顺利的完成。为了尽量减少在施工过程中所出现的变形现象，防止顶进施工时带动路基促使土体移动，并使得框架与土壤之间的摩擦力减小，可采取措施：第一，对框架预制中的施工工艺采取严格地控制，确保框架的表面能够平整光滑，并且在顶进之前能够为预制框架的外表涂上润滑层;第二，顶推第一节框架前的侧板和顶板外侧设置钢刃角;第三，在钢刃角的前端可设置相应的注浆管，随顶随灌可以变为泥浆，并在框架的周围组成泥浆幕，这样一来，对路基既有了“护壁”作用，而且还能更好地减少顶进作业所遭受到的阻力。具体说来，注浆管的类型宜选用60mm的钢管，布置10mm梅花形的注浆孔，配制灌注泥浆时要依据施工的具体情况对其稠度进行调整，注浆要连续进行，不能中断也不能堵管，促使顶进作业能够顺利完成。此方法跟顶管施工中在顶管外侧布孔注泥浆以减阻类似。
四、在施工过程中所遇到的问题及相应的处理措施
1、掌子面发生塌方
在顶进施工之后，因没有按照设计的相关要求确保掌子面的倾斜度，致使掌子面出现了较为严重的超挖现象，钢刃角入土的深度也不符合设计的要求，并最终会导致刃角脱空现象的出现。除此，另外一个重要的原因在于人工填筑土，使得分布的密实度很不均匀，在遇到雨水之后土壤便会变得松软膨胀，才致使掌子面出现局部且密实度较小的塌方。采取的处理措施：首先，严格按照设计时所规定的掌子面的倾斜度以及钢刃角的入土深度来开展相应的挖掘，不允许超挖;其次，由于有铁路线架空防护，对于框架顶覆土可进行掏空处理，但对于框架两侧的土体须按设计进行加固处理。
2、框架顶进水平偏斜
由于本框架桥与铁路线斜交，框架为斜框架，虽采用齿墩辅助顶推，但难免出现偏转。处理措施为：首先，在框架侧面设置横向千斤顶进行纠编;其次，调整后座顶进千斤顶的顶力布置，使其作用于框架上的顶力形成纠偏的力矩，克服框架转动力矩;最后，调整左右两侧的挖土量以通过调整侧土压减少偏斜的发生。
3、顶进“栽头”，确保箱身顶进误差不超限的必要措施有
降低地下水至开挖面以下0.5-1.0m，避免扰动基底土层; 加快连续顶进速度、加强监测; 设门槛接长滑板，加长重心移动滑板时间等。人为地预先设置门槛并接长滑道板，对预防软土地基顶进“栽头”是极其重要的，应在软土地基箱形桥顶进施工中坚持和推广。
结束语
综上所述，采用“顶进法”的方法对下穿铁路框架桥进行相关设计非常有益，其应用也是十分地广泛。但在设计时也要注意到几点：首先，有关下穿铁路框架桥的结构应综合多方面的因素加以考虑，以进一步为行人以及行车营造出良好交通环境;其次，在进行顶进式框架桥施工时，其所采用的钢筋含量必须比现浇的框架要大，须进行详细周全的结构计算，避免在进行顶进作业时发生裂缝，甚至是断裂等;再次，为保证铁路线安全运营，须设置铁轨架空防护，架空的D型便梁根据框架跨度等情况选用;最后，依照框架桥的实际情况对其附属结构以及相应的辅助工程进行设置，并选用适当的构造形式以及数量，确保框架桥在以后的使用过程中仍能体现整体上的美观以及稳定。
参考文献
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