顶进涵后背设计及线路加固技术
2015-03-27
在铁路既有线增建二线过程中，常常会碰到顶进涵施工。本文以某铁路钢筋混凝土框架涵为例，介绍顶进涵后背设计及线路加固技术。该涵为1-5.0m，全长18m。该顶涵处原为一处平交道口，设立该框架涵后，方便两边的村民穿越铁路，该涵宽5m，高4.2m，全涵18m设计为一次顶进。全涵纵向坡度为平坡。
全涵涵身高为5.15m，从框架涵顶到既有线轨面仅有1.1m，顶进施工时须将顶部填土及道碴全部开挖，轨道悬空，框架顶面无覆土。由于既有线已投入营运，顶入前需对既有线进行抬轨加固，保证铁路正常营运。
通过对顶进时的顶力进行计算，顶进时最大顶力为844吨（具体计算请查阅“桥规第2-386条”），每米的后背墙顶力为106t/m，后背宽（B1）为8米，通过后背受力计算，该涵采用钢轨桩后背墙，钢轨桩长为8.04m，钢轨桩入土深为2.74m，钢轨桩后背浆砌片石高为5m，浆砌片石顶厚0.6m，宽8m，浆砌片石后背按1:0.3放坡填土，四周边坡为1：1，钢轨桩每米布置5根。在钢轨桩处设钢轨后背梁，断面尺寸为50cm×50cm，长8米。
因顶进涵最大顶力为844吨，千斤顶拟采用广州300t共5台（每台顶力的利用率为56％计算）。
1 后背设计
1．1 本涵后背设计为钢轨桩板墙，墙后填土及堆码片石，钢轨桩采用P50钢轨桩。
1．2 确定钢轨桩入土深度D1及钢轨桩总长H：
1．2．1 根据朗金理论土压力计算墙后每延米的被动土压力为：
Ep=
式中：
γ：土容重，取1.8 t/m3；
H：钢轨桩长（m）；
Φ：土的内摩擦角，因地质为粘性土，取Φ=20°；
因根据千斤顶作用点与后背被动土压力Ep重合的假定，而主动土压力Ea远小于Ep，Ea可忽略不计，则：
P= Ep
涵洞在顶进时需要的最大顶力为844吨，而后背墙B1为8米，则每延米的顶力为：
P=844/8=105.5t/m
则钢轨桩总长H为：
H==7.58m
D= =7.58/3=2.53m
而千斤顶底面直径为50cm,则半径r=25cm。
D1=D-r=2.53-0.25=2.28m
为保证一定的安全度,实际施工时钢轨桩
入土深为1.2D1,则实际入土深度
为:1.2×2.28=2.74m
钢轨桩总长为H+0.2D1=7.58+0.2×2.28=8.04m
1．2．2 确定后背土堆高h
h=H-D1=7.58-2.28
=5.3m
1．3 钢轨桩截面设计：
检算后背土堆的稳定，钢轨桩仅抵抗滑板面
以上后背土堆的主动土压力
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)
根据材料力学公式：
∑W=，n=
式中［σ］：钢材的允许应力=170mpa，因钢轨采用P50轨，W=287.2cm3
∑W=21.9×106/17000=1288cm3
n=1288/287.2=4.5
取5根，即每米布置5根钢轨，间距为20cm。
1．4 后背土堆稳定的检算
后背土堆稳定的条件是钢轨桩埋深必须满足静力平衡条件，即作用于结构上的全部水平方向作用力平衡条件（∑F=0）和结构绕根部自由端弯矩总和（∑M=0）为零。
1．4．1 由∑F=0
则：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：滑板摩阻系数=0.4
μ：为每纵向米箱体重+每纵向米滑板重
μ=24.25+6.9×0.2×2.5=27.7 t
ξ=Uμ=0.4×27.7=11.08 t
则：
D1`=
=2.79m
D1=2.28m<2.79m,不能满足水平方向的作用力为零，则需增加滑板重量。在钢轨与地面处增设地锚梁，地锚梁尺寸为宽2m，深1m，长8m。
则地梁重为1×2×8×2.5=40 t
则ξ=υμ=0.4×（27.7+40）=27.08 t
再进行计算D1`，为不解, D1=2.28m，水平方向不会移动。
1．4．2 为保证钢轨桩不绕根部（B）点转动，计入滑板对后背桩的抵抗力所产生的力矩。
ξ= =24.9t<ξ=27.08t
钢轨桩是稳定的。
1．5 后背总体设计图如下
后背总体设计图
2 线路加固设计
2．1该段线路加固采用D型施工便梁，两端支撑墩采用挖孔桩，两侧挖孔桩直径为80cm，中间挖孔桩直径为125cm，挖孔桩深为6.5m。
2．2线路加固断面图：
线路加固断面图
2．3 D形便梁已经过铁道部鉴定，不必检算。
2．4 检算挖孔桩的桩身长度及桩径。
2．4．1 双孔重载布置（跨度为8.85m）：
“中―活载”图
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
由竖向∑F=0，得RB=(220×5+1.35×92)/2- RA =243.8KN
所以RA支座反力大，该处为最不利荷载。
D型便梁重计算：
Ⅰ型纵梁：2×429.1=858.2kg
横梁：13×345=4485kg
共重约：5.3吨，加上线路轨道重10吨，则共计153KN
则每墩承重为N=368.3+153/2=444.8KN
2．4．2 桩长计算
根据该涵的地质钻探资料，从轨面下0-6.25米为人工填筑土及粉质黏土，承载力为150kpa，6.25米以下为灰岩、砂岩，承载力为350kpa。将桩底置于灰岩层，取桩长6.5米。由于在顶进施工时土体开挖会使桩部分暴露，在计算桩承载力时，摩擦力部分按4m长计算。按土的阻力确定单桩轴向容许承载力，共容许承载力为：
［N］=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
桩身自重G1=A1×H×25=0.502×6.5×25 =81.6KN
G2=A2×H×25=1.227×6.5×25 =199.4KN
［N］Φ80= S1∑（fi×Li）/2+mo×A1×［σ］
=2.512×(150×3.75+350×0.25)/2+1×0.502×350
=992.1KN
Φ80cm的挖孔桩 总重N+ G1=444.8+81.6=526.4KN<［N］Φ80=992.1KN
［N］Φ125= S2∑（fi×Li)/2+mo×A2×［σ］
=3.925×(150×3.75+350×0.25)/2+1.227×350
=1705.1KN
如上图，双向重载时，Φ125cm的挖孔桩承受的荷载可考虑为444.8KN×2=889.6KN，
则：N+ G2=889.6+199.4=1089.0KN<［N］Φ125=1705.1KN
均满足支撑需要。
3 施工注意事项
滑板中心线应与桥涵设计中心线一致，后端与后背相连。滑板(含抗滑条)采用C20钢筋砼，顶面要求平整，在滑板上铺设润滑隔离层，到减少阻力，使桥涵箱身顺利启动就位。在保证既有线行车安全的前提下，滑板尽量靠近路基。
后座钢轨桩的打设必须在同一平面，钢轨桩的入土长度不得少于2.74m，钢轨桩在打设后。在钢轨桩后架一块挡板，在挡板后砌筑浆砌片石，片石采用挤浆法，以便使后背墙钢轨桩紧靠，形成一个受力整体。为了节约混凝土浇筑方量，可以采用扣轨梁代替地锚梁。
顶进作业在后背和箱体砼强度达到设计后进行，在顶进作业时做好对线路的防护，随时检查线路的状况，绝对确保既有线行车安全。
箱体顶进时，将所有千斤顶均匀布置，千斤顶后座顶在后背铁上。所有千斤顶的油管均相连在一起，确保所有千斤顶供油一致。
顶进作业一旦开始要连续进行，保持箱体不断顶进。为安全起见，每一循环进尺控制在30cm左右，并随挖随顶，挖好的掌子面不得长时间暴露，严禁超前挖土；涵身两侧的开挖面要拍夯加固，防止塌方，尽量避免支撑桩过多暴露。当列车经过时应暂停挖土及顶进作业，人员撤离工作面。
安放顶柱必须保持与顶桥轴线顺直一致，与横架垂直，每行顶柱要与千斤顶成一直线，各行长度应力求一致。同时，做好观察测量，及时纠正方向偏差、抬头和扎头现象。
为防止箱体重心离开滑板时出现扎头现象，在离滑板前端约9m（箱涵的半长）处先放置5根枕木过渡，枕木平行顶进方向，间距为1m。或者在箱体前端底板处设置刃角。
