高路基穿越铁路便桥施工技术.docx
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高路基穿越铁路便桥施工技术
输水框架涵穿越高路堤施工技术
成
果
报
告
完成单位:
中铁十八局集团第四工程有限公司
依托项目:
辽西北输水隧道
负责人:
二零一四年四月十七日
目录
第一章绪论1
1.1引言1
1.2穿越施工中的主要问题1
1.3研究内容2
第二章工程概况3
2.1水文气象3
2.2工程地质3
2.3穿越线路概况4
2.4施工方法4
第三章工法研究6
3.1工艺原理6
3.2工艺流程7
3.3工法要点7
3.3.1施工准备工序7
3.3.2开挖路基10
3.3.6施工降水11
3.3.7开挖基坑12
3.3.8箱涵预制13
3.3.9回填基坑及路基土13
3.3.10拆除临时桥梁恢复线路正常运营13
3.4结构建模分析14
3.4.1结构有限元建模14
3.4.2施加边界及受力条件14
3.4.3线路最不利荷载15
3.4.4线路最不利工况16
第四章工程问题处理方案18
4.1方向控制及纠偏措施18
4.2应急措施18
第五章效益分析20
第六章取得成果21
第七章结语22
第1章绪论
1.1引言
我国城乡基础建设中,受规划建设、路线走向等影响,管道涵洞铺设不可避免地受到既有线路制约。
目前我国穿越铁路的框构涵施工,通常采用工字钢纵横抬梁或D梁加固线路顶进法、便线法、桥式盾构法。
针对穿越高路基铁路大跨度桥涵工程,目前应用较多的为桥式盾构法。
桥式盾构法是一种较为先进的顶涵施工方法,是在保留传统顶涵施工、桥涵结构路侧预制工艺的基础上,将明挖开槽改为地下暗挖盾构支护,此工法较为复杂,造价较高,且存在一定的安全风险。
针对穿越高路基铁路大跨度框构涵施工,为提高效率,降低造价、缩短工期,确保铁路行车安全,满足确保构筑物的质量和性能要求,需要采用更加合理优化的施工方法。
本施工技术以辽西北供水工程供水管线穿越辽开铁路顶进防护涵工程为背景,研究穿越高路基铁路框构涵便桥施工工艺,过程中将使用计算结果可靠的商业软件,采用有限元数值建模,分析施工过程中各种工况,进而优化结构施工,可是实际施工中便桥法方案获得更好的效果。
1.2穿越施工中的主要问题
为保证铁路的正常运输秩序,在公路与铁路、铁路与铁路交叉口增设的下穿式框构桥大多采用顶进法施工。
桥涵顶进过程中必须严格控制高程,而其中发生较多的质量问题是“扎头”和“抬头”病害,这种病害直接影响到框构桥顶进就位的质量,甚至影响到下穿道路纵向坡度、道路给排水、上部线路道床厚度等,进而危及铁路运输安全。
在现有的施工工法中,桥式盾构法是一种较为先进的顶涵施工方法,是在保留传统顶涵施工、桥涵结构路侧预制工艺的基础上,将明挖开槽改为地下暗挖盾构支护,此工法较为复杂,造价较高,且存在一定的安全风险。
1.3研究内容
针对穿越高路基铁路大跨度框构涵施工,为提高效率,降低造价、缩短工期,确保铁路行车安全,满足确保构筑物的质量和性能要求,本文以辽西北供水工程供水管线穿越辽开铁路顶进防护涵工程为背景,提出了穿越高路基铁路框构涵便桥施工工艺,对施工中所采用的结构、工序等进行优化,通过建设中的实际运用,形成本工法。
第二章工程概况
2.1水文气象
工程所在区域属于湿润半湿润季风气候。
根据本工程区历年地面气候资料统计,工程区内气候要素分述如下:
⑴气温:
年平均气温5~7℃。
最高平均气温29~30℃,最低平均气温-27℃。
⑵降水:
全年降水量700~900mm,雨量多集中在七、八月份,占全年降水量的一半。
⑶结冰期达5个月之久。
2.2工程地质
工程所在区域位于清河右岸一级阶地,地势起伏较小,自然地面高程88m左右。
铁路两侧有排水沟,沟底高程约86.6m左右,沟宽约10m、勘察期间沟内无水,雨季水流顺排水沟由北向南流入清河。
线路穿越的地层岩性从上到下依次为:
耕植土层,黄褐色,主要为亚粘土,含有草根,厚约0.6m。
-1人工填筑土层,主要为铁路路基。
铁路路基主要为碎石道碴,其砾径均匀,多在3~5cm。
砂砾层,黄褐色,部分呈杂色,湿~饱和,中密状态,局部呈密实状态,夹有砂土薄层,随深度增加含泥量增大,砾石磨圆好,颗粒级配良好,砾石成分主要为花岗岩,厚约9.9~14.0m。
-1粗砂层,黄褐色,湿,稍密状态,含少量砾石和粘性土,仅KFK1钻孔揭露此层,揭露厚度为1.2m。
-2砂砾层,黄褐色,密实状态,饱和,粘粒含量较高,砾石磨圆号,砾石成分主要为花岗岩,仅KFK1钻孔揭露此层,揭露厚度为3.7m。
粉质粘土夹砾层:
黄褐~红褐色,可塑,中等压缩性。
含有少量砾石,砾石成分主要为花岗岩,粒径2~8mm,层顶高程71.90~72.40m,层位较稳定,最大揭露厚度9.6m。
2.3穿越线路概况
本工程穿越辽开线防护涵工程位于开原市老城附近与辽开线铁路交叉处,交叉处铁路里程为辽开线K7+064m,清河北侧约300m处。
本框构涵中心里程位于辽开线K7+064m处,隶属于沈阳工务段,位于开原与松树区间。
既有铁路为单线,曲线地段,曲线半径为395m,线路为5.5‰下坡,内燃机牵引。
既有辽开线为普通线路,钢筋混凝土枕,碎石道床,路基高度约为7.5m,管线与线路交角为79.73°。
2.4施工方法
框构涵结构形式为净2-9.4m,框构涵全宽22.545m,轴长33m,高7.7m。
框构涵主体结构采用C40混凝土框架结构,抗渗等级P10,抗冻等级F350。
框构涵采用现场浇筑的施工方法,框构顶采用TQF-Ⅰ防水层,两侧采用JS-18防水涂料两层。
线路加固采用3-5-3吊轨梁加55c工字钢横抬梁方案,横抬梁间距50cm,将加固范围内线路全部更换250*16*20cm新Ⅰ类木枕。
横抬梁支点放在冠梁顶面,用U型钢扣件锚住,防止横梁窜动引起线路变形。
列车通过时,用楔形垫木加固。
线路加固期间列车限速25km/h。
框构桥施工完成后铁路路基采用A类土回填,并分层夯实,每层夯实厚度不大于0.25m,且根据其填料参照《铁路路基设计规范》确定压实系数、地基系数、相对密度及空隙率,对于加范围内路基补充道碴。
由于沉降非短期效果,线路回复后的一段时间内,应加强该处的振捣作业及监控等,观察该处线路的沉降变化情况,以确保列车的运行安全。
穿越辽开铁路主要工程量见表1。
表1辽西北供水工程穿越辽开铁路主要工程量
序号
项目名称
单位
数量
1
工作坑挖土方
m3
28240
2
回填土方
m3
22853
3
框构桥C40砼
m3
1962
4
框构桥钢筋
t
399.02
5
TQF-1防水层
m2
712.8
6
玻璃纤维保护层4cm
m2
28.51
7
C20细石混凝土找平层
m3
28.51
8
JS-18防水涂料
m2
508.2
9
沥青木板沉降缝
m2
12.32
10
工字钢横抬梁加固线路
股道
1.00
11
直径Φ150cm钻孔桩
m
812.00
12
钢护筒Φ150cm
m
56.00
13
灌注桩C30砼
m3
1385.44
14
钻孔桩钢筋
t
97.806
15
冠梁C30砼
m3
318.24
16
冠梁钢筋
t
40.167
17
55c工字钢横撑
t
44.384
18
夯填碎石
m3
1121.34
19
凿除钢筋混凝土
m3
982.4
20
C30挡墙混凝土
m3
840.91
第3章工法研究
3.1工艺原理
高路基铁路框构涵便桥施工的核心内容在于保证列车行驶过程中,铁路线路满足线形要求,同时便桥的各个构件应力及位移水平处于弹性范围,不得进入塑性状态,构件之间可靠连接,与理论分析时候的假设前提相符合,并采用有限元分析程序全程施工仿真分析进行控制,工艺原理主要如下:
1在线路两侧施工钻孔桩作为临时桥墩,桩底支撑在可靠基础上,桩顶采用冠梁连接,形成临时桥梁(见图1)。
图1临时桥梁示意图
2线路采用3-5-3吊轨梁与55C工字钢横抬梁方案,横抬梁支点放在冠梁顶面,用U型钢扣件锚住,防止横抬梁窜动引起线路变形。
3垂直线路的临时桥墩之间采用55C工字钢连接,增大整临时桥梁体系的整体稳定性。
4利用建模后有限元分析的结果分别研究各种施工工况线路和构件在水平、垂直三维空间影响规律,进而优化结构,改变结构设计及满足线路位移控制。
3.2工艺流程
图1施工工艺流程图
3.3工法要点
3.3.1施工准备工序
1.电缆排迁。
施工前将涉及到的铁路通信、信号、电力等部门的设备进行排迁,先与涉及到的铁路部门签订施工安全协议,在下发施工许可证后开始施工。
施工时与铁路局各设备产权单位协商配合施工,共同确认地下管线、电缆埋设情况,明确电缆路径和电缆存在的准确区域,并采用人工挖探沟,确认电缆具体位置后,进行排迁。
2.钻孔桩筑岛
施工前在铁路两侧填筑施工平台,为确保施工机械(钻机、吊车、挖掘机、混凝土罐车)在施工平台上安全作业,地基不产生不均匀沉降,填料采用碎石土,30cm一层分层填筑,分层碾压夯实,平台顶部50cm填筑拆房土作为施工机械应急路面。
钻孔桩桩位专门回填粘土,保证钻进过程不塌孔。
填筑平台剖面如下图(图2)。
图2钻孔桩填筑平台剖面
3.钻孔桩及冠梁施工
(1)钻孔桩施工。
沿铁路方向在线路两侧5.2m处按扇形布置(见图3),施工钻孔桩,钻孔桩桩径1.5m,桩长28m,钻孔桩横向间距10.4m,纵向间距6m,为确保铁路线安全,采用设备高度小、施工振动小的反循环钻机施工。
图3钻孔桩布置图
(2)冠梁施工。
冠梁宽1.7m、高1.2m,钢筋绑扎完成后立模板,模板采用竹胶板,模板加固用拉丝套塑料管对拉,混凝土保护层用混凝土垫块保证,浇筑混凝土前预埋固定横向工字钢用ø20U型螺栓(见图4)。
图4冠梁施工
4线路加固。
线路加固采用3-5-3吊轨梁加55C工字钢横抬梁方案,横抬梁间距50cm,将加固范围内线路全部更换为250*16*20cm新Ⅰ类油枕,横抬梁支点放在冠梁顶面,用U型螺栓锚住(见图5),防止横梁窜动引起线路变形。
图5横抬梁支点详图
线路穿工字钢施工期间,列车慢行40km/h通过施工地段。
施工方法步骤如下:
(1)线路加固范围内更换60kg钢轨。
(2)砼轨枕更换木枕及方正轨枕。
利用线路封锁时间更换线路既有的混凝土枕为木枕,木枕间距为500mm,同时预埋好U型螺栓,换完枕木要对线路进行沉落整修,保证行车安全。
(3)按3-5-3型式安装吊轨梁。
要将吊轨梁所用的钢轨提前选好,对钢轨整修、量好钢轨尺寸,编排好扣轨顺序(扣轨接头要相错1m以上)利用封锁时间进行扣轨。
每个加固地段的组拼顺序为先两侧的3根组后中心的5根组(见图6)。
上紧非横抬梁位置处的扣板,施工过程中注意防止连电。
图63-5-3式扣轨图
(4)穿入横抬梁。
人工在轨枕下挖槽,深度0.6m,挖掘机配合穿入工字钢;每穿入一根立即用φ20U型螺栓、扣板与轨枕及扣轨连接,上好扣件,开通前30min停止穿入工字钢,检查部件是否齐全、紧固,是否有超限、联电部位,支点是否牢固;开通前20min工程车轧道、电务试验。
线路加固效果(见图7)。
图7线路加固效果图
3.3.2开挖路基
路基开挖采用挖掘机挖装,自卸汽车运输,施工时,严格执行“一机一人”监护制度,防止设备施工时碰触到铁路、工字钢加固体系以及钻孔桩。
土方开挖应自上而下进行,不得乱挖超挖,严禁掏底开挖。
图8路基开挖效果图
经常检查边坡开挖坡度,纠正偏差,避免超挖、欠挖。
用挖掘机将坡面整理平顺,无明显的局部高低差。
施工时遇列车通过,施工人员必须离开线路,等列车经过后方可继续作业。
施工时必须派驻站联络员和施工防护员做好施工防护,每天安排线路工对线路的轨距、水平、方向进行检查,发现变化或超限及时处理。
路基开挖效果(见图8)。
按设计要求及时进行边坡防护与支护,不得长期暴露,造成坡面坍塌。
在挖方时先预留一定厚度的保护层,边刷坡边支护。
开挖至框构涵以上2m时,立即安装桩间工字钢支撑(见图9),保证整个支撑体系的整体稳定性。
图9桩间工字钢支撑
3.3.6施工降水
在工作坑四周分别设置管径600mm的降水井,间距6m,井深为18m,施工期间安装水泵降低工作坑区域水位至基坑底部1.0m以下,降水井抽出的水集中排至东侧河道内。
(1)施工工艺:
准备工作→钻机进场→定位安装→开孔→下护口管→钻进→终孔后冲孔换浆→下井管→稀释泥浆→填砂→止水封孔→洗井→下泵试抽→合理安排排水管路及电缆电路→试验→正式抽水→记录。
(2)排水系统
在基坑外侧布置排水系统,确保基坑开挖过程中降水正常运行。
排水系统周边铺厚塑料布,防止水浸入基坑边缘,造成边坡失稳。
(3)线路沉降观测
由于地下水量较大,降水会给线路和行车造成一定的影响。
为了确保列车正常运行,现场除坚持检查线路外,还必须配备足量道碴、人工及机具设备,以便随时对线路进行补碴整修。
由于降水持续时间长,会造成施工现场前后一段线路的沉降,自降水开始,施工影响范围内既有线路上设观测点(间隔10m),由测量人员及时观测线路情况,加强对该段线路沉降的观测和检查,发现线路沉降,及时配合工务段整修。
3.3.7开挖基坑
(1)根据线路两侧地形地貌、土质情况及施工场地大小等综合考虑,工作坑开挖尺寸由预制框构涵平面尺寸、操作空间、路基稳定因素确定,框构主体两侧边坡按1:
1.5控制,坡脚堆码草袋防护。
基坑采用挖掘机、汽车和人工配合开挖,弃土堆放到指定地点。
基坑挖至离设计标高0.2m时,采用人工开挖,以免地基土挠动。
图10开挖完成图
(2)基坑开挖完成后(见图10),在基坑内南北两侧按4‰的坡度设置0.5×0.3m的排水沟,基坑东、西侧设置两个集水井,安放水泵及时抽水,保持基坑干燥,不被浸泡。
(3)当工作坑需要渡汛时,路基边坡应防护加固,或放缓边坡。
3.3.8箱涵预制
(1)箱涵身混凝土浇筑可分两阶段施工。
先浇筑底板(包括下梗肋),当底板混凝土强度达到设计强度的50%后,再浇筑中、边墙及顶板混凝土,当混凝土浇筑量较大或两阶段施工有困难时,也可分三阶段施工,但中、边墙的施工缝不应设在同一水平面上。
施工接缝必须按有关规定严格处理。
(2)模板施工设计应考虑观感效果,装饰应与周围环境协调。
(3)当框架墙体较厚,浇筑振捣人员须进入模内时,应将钢筋与地线接通,模内采用低压照明。
(4)顶板底模拆除时,混凝土强度应符合设计要求。
3.3.9回填基坑及路基土
(1)待框构涵强度满足要求后进行基坑及路基土回填。
(2)基坑回填时,对框构桥两侧,在边墙2m范围内采用砂夹碎石回填,其余部分采用渗水土回填,并应对称、分层夯填密实,保证不出现偏载。
(3)铁路路基采用A类土回填,并分层夯实,每层夯实厚度不大于0.25m,且根据填料,参照《铁路路基设计规范》确定压实系数、地基系数、相对密度和孔隙率。
对于边墙两侧2m范围内及路基顶部无法采用大型设备碾压部位采用注水泥浆加固处理。
由于路基沉降非短期效果,线路恢复后的一段时间内,应加强该处的振捣作业及监控等,观察该处线路沉降变化情况,以确保列车的运行安全。
3.3.10拆除临时桥梁恢复线路正常运营
(1)路基回填后,尽快安排恢复线路。
主要作业项目有:
框构涵侧夯填、补碴、上枕、撤梁、整修线路。
(2)利用天窗点更换混凝土轨枕,补充道碴;抽撤工字钢和木枕,按隔六抽一的原则,抽一根木枕换一根混凝土枕,及时补充道碴并捣实。
(3)换枕后,要根据道床沉降情况,随时补充道碴,加强养护,确认线路稳定后,方可移交工务段。
3.4结构建模分析
穿越高路基框构涵施工过程引起的线路线形及结构内力具有时间和空间规律。
在其开挖过程中,钻孔桩的侧摩阻力逐步消失,变为联合支撑的桥墩形式,结构受力趋于不利。
列车行进过程中,桥墩及冠梁的内力及变形增大,工字钢横梁及轨道位移结构位移应保持在合理范围。
针对各种不同工况,确定最不利情况下结构分析,进而调整工字钢横梁的尺寸选择及间距布设。
3.4.1结构有限元建模
根据各结构传力途径,采用合理的边界条件进行仿真分析。
以本工法依托的辽宁某供水工程建模分析为例,依次建立各构件。
均采用国际标准单位kg、N、m、s为基本单位。
图11结构有限元中部分构件显示图
3.4.2施加边界及受力条件
其中列车荷载取值铁路规范中为中-活载数值,即5个间距为1.5m的220KN的轴力(2*110KN)、30m长的92KN/m的均布荷载(2*46KN/m)、无线长的80KN/m的均布荷载(2*40KN/m)。
施加及计算图示如下图12。
图12铁路轨道上施加铁路活荷载(集中力与均布力组合)
3.4.3线路最不利荷载
列车以较低速度通过便桥跨中时,对应的结构响应为线路最不利状态,此时结构各个构件及最大位移响应如下图13所示。
图13铁路活荷载通过时位移分布云图(单位m)
从图中可以看出,在列车低速(40KM/h)作用下,火车荷载(列车)行进过程中,5个220KN集中力作用下跨中的位置工字梁的位移最大,为4mm,此数值可以保证列车顺利安全通行,符合规范要求,且说明按照0.5m间距布置的55C工字钢横梁可以满足线性要求。
桥墩(桩)的位移很小。
桩间支撑工字梁对限制桩的变形、提高桩的稳定性起到了重要作用。
3.4.4线路最不利工况
最不利工况作用下,混凝土结构各构件的应力响应如下图14所示。
图14冠梁及桥墩最大主应力分布云图(单位Pa)
从图中可以看出,混凝土构件的冠梁及桥墩的最大主应力为1.79MPa,小于结构采用的混凝土C30的受拉及受压极限强度,混凝土尚未开裂,结构处于安全状态。
同时在此最不利工况作用下,工字钢横抬梁应力如下所示。
图15工字钢横抬梁最大主应力分布云图(单位Pa)
从图中可以看出,220KN集中力作用下的工字钢横梁的最大主应力为33.5MPa,且为整个结构的最大应力数值,此数值小于钢材的受拉及受压极限强度,结构材料处于线弹性阶段,远未进入塑性阶段,结构安全。
列车低速运行下,结构可以进行正常施工。
第4章工程问题处理方案
4.1方向控制及纠偏措施
本工程框构涵便桥轴线与铁路基本为正交,比较容易控制方向,但当顶进中发生偏差时也需及时纠正。
框构涵便桥在工作坑底板上滑动时,方向易发生偏差,主要靠底板上预先设置的导向墩来控制纠偏。
桥体入土前要把方向校正到设计轴线,在顶进施工时,两侧需均匀挖土,左、右侧切土的钢刃角要保持吃土10cm,不允许超挖。
发生偏差可用偏顶、不平衡挖土和后背顶铁等方式进行调整,也可根据具体情况采取千斤顶与挖土结合的纠偏措施,当桥体左偏时,减少左边底板吃土以降低左侧阻力,使桥体左侧顶进的速度快于右侧;当桥体右偏时,减少右边底板吃土,使右侧顶进的速度快于左侧,任何时刻两边墙的外侧不能被挖空。
4.2应急措施
框构涵便桥施工的最大风险是危及列车运行安全。
框构涵便桥施工前不仅要编制施工方案,还要准备足够的木桩、木板、脚手架钢管、编织袋、道砟、钢轨、枕木等物资,制定好抢险措施和预案。
应严格按照方案施工,不得违章作业,当路基出现意外塌方时,要在分析原因的基础上评定危害的程度。
当路基塌方边缘距桥边小于2m时,可以加快顶进速度,保证列车运行安全;当路基开裂宽度较大时,首先应启用挡土格栅稳定路基,然后采用人工或机械方式进行卸载,以保证土体稳定;必要时可向路基边堆填土方以稳定滑塌体,减少挡土格栅的受力;也可以采取木板支撑或打木桩、码砌袋装土等方式以提高路基稳定性,并及时与铁路部门协商解决。
为防止路基侧向塌方,需要在桥体钝角刃角墙处安装50cm的钢刃角,用以支档侧向土体,当侧向土体失稳时可减小顶程,每次只挖刃角内的土体。
如果桥体顶出路基前吃土太多,可能会撕裂路堤,裂口会随着桥体向前顶进而向路堤中间延伸。
所以,在桥体顶出路堤前,要注意观察路堤是否出现裂口,如果有裂口可向路堤上堆土加载或提前将桥体挖出,使桥前土体与桥侧土体分离,以保证路基安全。
桥体就位后,桥体两侧的缝隙应注浆封堵。
第五章效益分析
采用临时便桥施工工法与同规模的桥式盾构法相比,有较大的社会经济效益,其对比见表3。
表3桥式盾构施工方法效益对照表
施工工法
临时便桥
桥式盾构
工期(天)
90
115
列车慢行时间(天)
90
115
对环境的影响
小
小
造价(万元)
1100
1400
适应性
较大
较小
第六章取得成果
本文通过对框构涵便桥施工工艺研究,其中进行了理论模型计算,分析了各种施工工况下的结构位移及应力水平,并结合现场实时动态数据,分析总结了高路基铁路框构涵便桥的最不利工况情况;与以往顶进框构涵施工工艺相比,本技术研究对施工工艺进行了改进,具有以下特点:
(1)本工法实现了在不中断铁路运营的情况下完成框构涵施工;
(2)本工法避免了在传统顶进法进行施工时的“扎头”和“抬头”等严重病害的出现。
(3)本工法与桥式盾构法相比施工效率明显提高,节约了时间成本、降低了造价成本。
第七章结语
本针对辽西北供水工程供水管线需要穿越辽开铁路而进行的顶进防护涵施工,通过建模分析以及结构创新,研究穿越高路基铁路框构涵便桥施工工艺,过程中采用有限元数值建模,分析施工过程中各种工况,并且优化了结构施工,可使实际施工中便桥法方案有效避免了框构涵施工中极易出现的病害。
在实际施工中不较大干扰铁路运营的基础上高效完成施工任务的同时达到了安全、质量、效益等方面的目标。
为今后的穿越防护涵施工提供了一种可以选择的工法,意义重大。
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- 路基 穿越 铁路 便桥 施工 技术