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富水路立交桥总结
大跨度、大角度斜交框架桥顶进施工
———富水路立交桥顶进施工技术总结
杨功伟
摘要:
论述了大跨度、大角度斜交框架桥顶进施工的有关后背设计、线路加固、线路方向水平控制及道岔加固、框架桥顶进过程中的方向水平控制等施工工艺和作法。
关键词:
后背设计线路及道岔加固方向水平控制
1.工程概况
蓝烟复线K76+192莱阳富水路立交桥,是配合莱阳市道路规划,由铁路投资新建的公路穿越既有莱阳站西岔区咽喉的下立交顶进框架中桥。
该桥主体铪2107.2m3,自重5267吨,设计最大顶力6510.3吨,最大顶程43m。
框架顺线路方向宽36.15m,既有线需加固4股道,范围各50m。
桥中心线
该桥中心线与既有铁路成56°02′26″斜交,顶进时穿越莱阳站西咽喉:
安1线、正II线、正I线及牵出线共四股道。
其中正II线上有3#、5#两组P501/12道岔;3#岔为木枕道岔,需加固37根枕,5#岔为新型砼枕道岔,需加固27根枕。
(参见图一《股道关系平面图》)
牵出线
图一:
57#
7#
1#
正II线
正I线
安全线
3#
该桥框顶设计标高为33.04m,轨底与框顶最大净高0.75m,最小净高0.57m。
框构孔径为1-6+1-15+1-6m,净高为5.75m,框构从基底至框顶的设计高度为7.55m。
该桥基底位于砂粘土内,基底设计应力为200KPa,地下水丰富。
2.施工方案的确定
2.1后背施工方案
该桥顶进后背原设计采用50号轻型工字钢,每米6根,长度为9.5米,正向间隔摆放,设计打入滑板以下3.15米,后背填土顶宽10.8米,填土高度为滑板顶以上6.2米。
工字钢桩前设铪分配梁。
如图二所示。
该设计方案有两方面不足,31.69
一是后背的稳定性较差,顶进
时,后背位移量太大。
二是工填土
字钢桩施工一次性成本较高,
施工难度大。
后经检算和经济25.49原地面
比较,改工字钢桩后背为浆砌
片石重力式后背,后背填土加图二
宽为20米。
变更后的后背结构尺寸如(图三)所示:
后背为两座,每座长15米。
(参见图四:
工作坑示意图)
图三
2.2线路加固方案
二000年五月十八日,济南局蓝烟建指主持青岛分局、烟台公司、济铁监理公司、中铁二局共同研究了富水路立交桥顶进施工的线路加固方案协调会。
最后决定:
顶进期间3#、5#、7#岔侧向钉闭加锁,直向开通,停用1/3#、5/7#渡线和机务整备所及D3信号机;然后进行线路加固,顶进施工。
顶进就位后恢复1/3#、5/7#渡线及D3信号机。
这个决定解决了道岔尖轨加固的安全隐患,给线路加固创造了有利的条件,但对莱阳站接车有所影响,使原有复线站型变更成为两个上下行独立接车的半幅站型。
在实施加固方案时分如下几步:
(附图五《线路加固工艺流程图》)
第一步:
钉闭3#、5#、7#道岔,直向开通,停用1/3#、5/7#渡线及D3信号机。
(必须根据分局下达的计划要点施工)
第二步:
抽换正I、正II线加固范围的铪枕为木枕。
铪枕道岔换成木枕,专门加工专用扣件螺丝。
第三步:
探明并起挖保护所有信号与电力电缆,用软胶管剖开包紧,起出的信号设备临时固定保护,同时安设横抬梁木枕支墩。
第四步:
拆除道岔未钉闭侧的尖轨及连接杆和转辙电机(必须在信号部门指导下实施),保护好电机及电缆。
拆下的尖轨及杆件妥善保管,便于恢复使用。
用专用绝缘轨矩杆锁定轨矩,并保证尖轨密贴。
第五步:
安装吊轨梁:
轨道两侧三扣轨、中间五扣轨,用U型卡予以临时固定。
然后每枕下穿两片I36工字钢横抬染。
线路加固的结构如(图六《线路加固图》)所示。
图五线路加固工艺流程图
恢复线路状态
反复数次
2.3顶进方案
根据最大顶力分析,选用200T顶镐50台(使用44台,备用6台)液压控制台二套。
传力柱2160米,(其中8米的管桩代传力柱1000米,4米钢轨拼装传力柱800米,2米至0.2米柱200米,0.2米至0.05米柱160米),每8米设分配梁一道(5扣轨组成12.5米长),洞内取土1/2外运,1/2反压在传力柱上,防止长顶程传力柱被顶蹦。
取土为挖掘机、翻斗汽车、1吨翻斗车、人力配合进行。
框架就位后,用挖掘机翻开反压土,吊车配合拆除传力柱。
图六线路加固图
2.4线路加固拆除方案
先拆除II线、I线加固,恢复道床,牵出线加固待翼墙完成后拆除。
拆除时,采用间隔法,每拆除一组横抬梁及时回填道碴,捣固密实后;再拆除下一组横梁。
恢复道岔时,安装尖轨及连接件、电机等,最后要点调试尖轨,确认合格后,方可正式启用道岔。
3.后背的设计
3.1后背设计根据最大顶力的需要,检算后背的抗力,当抗力完全满足顶力需要并有1.1以上安全系数时,才证明后背后结构设计合理。
3.2最大顶力分析
框架顶进时所克服的各种阻力之和为最大顶力。
其常用计算公式:
P=k[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]
式中:
P——最大顶力(KN)
k——系数一般为1.2
N1——框架顶上总荷载(土重、线路及加固材料重量(KN)
N2——框架自重(KN)
E——框架两侧土压力(KN)
f1、f2、f3——土壤与框架的摩阻系数,无试验资料时,可采用0.7—0.8
R——框架前钢刃角正面阻力,无试验资料时一般参考使用下列数值:
砂粘土:
500KN/m2--550KN/m2
卵石土:
1500KN/m2--1700KN/m2
A——钢刃脚正面积(m2)
另可根据《桥涵》施工手册介绍的经验公式计算:
P=μG
式中:
P——最大顶力(吨)
μ——系数,一般取1.2—1.5
G——框架自重(吨)
如该桥框架自重:
G=2107.2×2.5=5268吨
则:
P=μG=1.3×5268=6848.4吨
3.3后背每米需承受最大顶力:
该桥设计是两座分离的浆砌片石后背,每座后背长为15米。
所以后背每米承受最大顶力为:
P’=P/25=6848.4/30=228.28吨/米
3.4后背的抗力分析:
后背的抗力主要来自以下三个方面:
后背土压力、后背自重产生的阻力、滑床板与分配梁相连后的阻力。
A、后背抗力分析(见图七):
根据“肆桥8030-II”图介绍的抗力分析公式:
P1=εγh2μPP2=γμP(h1+εh1)
EP’=1/2×h1×(P1+P2)EP=1.46EP’
式中:
P1——浆砌后背以上覆盖土抗力(后背顶处抗力)
P2——后背土底抗力
ε——斜坡影响系数
P2
P1
γ——土容重h2
h2——覆盖土高度
μP——朗全被动土压系数h1
h1——浆砌后背的高度
EP’——计算土抗力
EP——实际土抗力图七抗力分析图
该桥计算的实际土抗力为:
EP=224.85吨/米
B、后背自重阻力
F1=G1f/30
式中:
F1——后背自重阻力
G1——浆砌后背总重(吨)
f——浆砌后背与土壤的摩阻系数取0.6
30——后背总长
该桥的设计浆砌后背检算自重阻力:
F1=26.25吨/米
C、滑床板与后背相连后的阻力
F2=G2f/30
式中:
F2——滑床板与分配梁相连后的阻力
G2——滑床板与分配梁总重(吨)
f——滑床板与土壤的摩阻系数取0.6
30——后背总长(米)
该桥计算分配梁与滑床板相连后的阻力:
F2=13.25吨/米
通过以上三方面分析后背的总抗力为
E=EP+F1+F2=224.85+26.25+13.25=264.35吨/米
安全系数k=E/P’=264.35/228.28=1.16
所以后背的设计结构可以满足最大顶力的需要。
4.线路加固横抬梁的检算
4.1本桥由于采购的工字钢主要是I36型工字钢,其力学参数分别为:
截面系数:
Wx=742.2cm3
惯性矩:
Ix=13364cm4
弹性模量:
E=2.1×106kg/cm2
4.2方案:
每根枕下安装1组工字钢2片,承担线路方向0.57米范围的荷载,横抬梁使用跨度5.5米。
(Wx、Ix、查自材料手册P140)
4.3检算
A、受力图(图八):
B、计算图示(图九)
C、P的确定
延线路方向安装扣轨吊轨梁,故将机车的集中荷载5×22吨简化为均布荷载(活载):
q=5×22/(5×1.5)=14.667吨/米=14667kg/m
线路自身及工字钢(静载):
按1.0吨/米计
冲击系数(按桥涵技术规范):
1+μ=1+28/(40+L)×35/120=1+28/(40+5.5)×35/120=1.179
故P=(14.667×0.57+1×0.57)×1.179/2=5.264吨=5264kg
最大弯矩:
Mmax=5264×2.0=10528kg.m=1052800kg.cm
D、工字钢强度检算:
δmax=Mmax/Wmax=1052800/(2×742.4)=709.05kg/cm2
查《桥涵》施工手册知:
[δ]=170Mpa=1700kg/cm2
即δmax<[δ],满足要求。
另:
根据工字钢主要由腹板承受剪力,用近式公式:
T=Q/(hb)计算:
T=5264/[2×0.9(36-1.7×2)]=89.7kg/cm2
根据桥涵施工手册知:
[T]=0.75[δ]=0.75×1700=1275kg/cm2
即T<[T],满足要求。
E、挠度检算
本桥横抬梁设计跨度为5.5米,但实际施工由于下雨原因,取土前方有局部坍方,最大跨度已达8.0米,a由2.0米变化为3.25米。
故根据公式:
ymax=[Pa3/(24×E×2I)]×[2L2/(a2-4)]
=[5264×3.253/(24×2.1×2×13364)]×[28002/(3.252-4)]
=1.624cm<800/400=2.000cm
5.大跨度顶进时既有正线的方向水平控制
5.1在实际施工过程中,当框架进入正II线,线路的加固全部支承于框架顶面后,由于受摩阻力影响,既有正线开始随着框架顶进而方向发生变化,即框架带着线路向北移动。
5.2为了克服线路及加固料静载产生的摩阻力,在实际施工中采用了10台10吨的葫芦,通过地拢及设置在框架南端的三角锚架来拉住线路,克服摩阻力的影响。
但效果不好,原因见下图十《控制线路方向图》:
A、线路及加固料的静载总重约为:
200吨
B、产生摩阻力:
F=200×0.8=160吨
C、10台10吨的葫芦发挥极限拉力:
f=10×10=100吨f<F故效果不好。
5.3通过反复分析,唯一的办法是减小工字钢与框顶的摩擦系数,故改原设计的木支撑为钢滚筒支撑,摩擦系数改变约为0.4,则F=0.4×200=80吨f>F所以加了钢滚筒后,拉动葫芦完全控制住了线路方向的变化。
5.4减小工字钢抬梁与框顶间摩擦系数方法较多,如:
横梁底安放槽钢,框顶安装钢板支撑,接触面间涂黄油;有的当净高允许时,可专门设计安装钢轮,均可以减小摩擦阻力。
但要注意的是:
使用滚动摩擦方法时,当停止顶进后应及时加角木或木垫板支垫横抬梁,防止列车运行时线路方向发生变化。
6.钢筋砼枕道岔加固
6.1由于钢筋砼岔枕不宜安装扣轨,所以必须将砼枕抽换成木枕。
6.2新型砼道岔尖轨部分的规格尺寸及所能用的扣件不能用木枕岔扣件代替。
经现场观测研究,决定使用原砼枕的扣件。
在木枕的准确位置钻孔安装专门加工的螺栓代替砼枕的硫磺锚固螺栓道钉。
另外在卡座位置用木枕道钉钉紧,卡紧扣板,从而控制轨距变化。
如图十一:
图十一道岔加固图
6.3根据建指与青岛分局于5月18日拟定的方案,给点后钉闭道岔,直向开通,停用1/3#、5/7#渡线。
在电务工区的指导下,拆除影响扣轨的连杆及转辙电机,拆下另一侧未钉闭尖轨。
拆下的配件材料加以妥善保管,框架就位后及时恢复,另行要点安装调试。
6.4为了进一步确保钉闭尖轨的密贴,及抽换成木枕后道岔基本轨的轨距不发生变化。
现场研究,利用绝缘轨距拉杆,改造卡座,设计成绝缘轨距杆,来锁定轨距和固定尖轨。
实施效果很好。
如图十二所示。
图十二专用绝缘轨距杆
7.斜交顶进的框构中心线方向控制
7.1斜交33°57′34″顶进,由于锐角侧与钝角侧在入土后始终有侧压力。
逆时针偶矩影响,所以在布置开动顶镐前应计算分析。
通过施加顶力来平衡侧压力偶矩,才能保证框架沿设计方向顶进。
如本桥在西侧始终比东侧多开2
至8台顶镐,挖土时,
西侧稍欠挖,东侧不欠
挖或稍超挖。
开顶时先
开西侧后开东侧。
7.2侧压力偶分析(见图十三)图十三侧压力偶分析图
7.2.1空顶阶段(0~13米):
[取土深度h=7.5m]
E(0)=0M(0)=0
7.2.2桥身入1/4时(13~20米):
E(1/4)=0.258×(2+7.5)×7.5×29.45×1/4=135.34吨
M(1/4)=135.34×30/tg54°02′26″=3574.95吨.米
7.2.3桥身入2/4时(20~27米):
E(2/4)=0.258×(2+7.5)×7.5×29.45×2/4=270.68吨
M(2/4)=270.68×30/tg54°02′26″=7149.91吨.米
7.2.4桥身入3/4时(27~35米):
E(3/4)=0.258×(2+7.5)×7.5×29.45×3/4=406.02吨
M(3/4)=406.02×30/tg54°02′26″=10724.95吨.米
7.2.5桥身入4/4时(35~43米):
E(4/4)=0.258×(2+7.5)×7.5×29.45×4/4=541.36吨
M(4/4)=541.36×30/tg54°02′26″=14299.81吨.米
7.3顶力计算
7.3.1空顶阶段(0~13米):
砂粘土R=55吨/m2,A=2×7.5×0.05=0.75m2
P(0)=k[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]
=1.2(0+5267.5×0.8+0+0)=5056.8吨
7.3.2桥身入1/4时(13~20米):
P(1/4)=k[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]
=1.2[2.5×30/sin54°02′26″×0.3+(2.5×30/sin54°02′26″+5267.5)×0.8+2×E(1/4)×0.8+55×0.75=5498吨
7.3.3桥身入2/4时(20~27米):
P(2/4)=k[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]
=1.2[2.5×30/sin54°02′26″×0.3+(2.5×30/sin54°02′26″+5267.5)×0.8+2×E(2/4)×0.8+55×0.75=5758吨
7.3.4桥身入3/4时(27~35米):
P(3/4)=k[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]
=1.2[2.5×30/sin54°02′26″×0.3+(2.5×30/sin54°02′26″+5267.5)×0.8+2×E(3/4)×0.8+55×0.75=6018吨
7.3.5桥身入4/4时(35~43米):
P=k[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef3+RA]
=1.2[2.5×30/sin54°02′26″×0.3+(2.5×30/sin54°02′26″+5267.5)×0.8+2×E(4/4)×0.8+55×0.75=6278吨
7.4顶镐布置(参见示意图十四)
7.4.1空顶阶段(0~13米)
A、布置36台顶镐
西:
030507091113151719212729313335373945
东:
040608101214161820222830323436384046
B、每台镐施加的最大顶力:
P(0)=5056.8/36=140.5吨
C、施加力偶矩:
140.5(14.6+13.72+…+9.96)-140.5(14.6+13.72+…+9.96)=0
7.4.2桥身入土1/4(13~20米)
A、布置40台顶镐
西:
01030507091113151719212325272931333537394143
东:
0406081012161820222426283032343638404244
B、每台镐施加的最大顶力:
P(1/4)=5498/40=137.45吨
D、施加力偶矩:
该布置只有1#、13#顶镐为增加的顺时针力偶,其余镐为相互平衡。
故:
M’(1/4)=137.45(14.58+12.06)=3661.67吨.米
Δ=M’(1/4)-M(1/4)=3661.67-3574.95=86.72吨.米
所以施加力偶可以克服土侧压力的影响。
7.4.3桥身入土2/4(20~27米)段:
A、布置40台顶镐在:
西:
01030507091113151719212325272931333537394143
东:
081012141618202224262830323638404244
B、每台顶镐施加最大顶力:
P(2/4)/40=5758/40=143.95吨
C、施加的力偶矩:
该布置只有1#、3#、5#、33#顶镐为增加的顺时针力偶,其余镐为相互平衡。
故:
M’(2/4)=143.95(14.58+14.16+13.74+7.32)=7168.71吨.米
Δ=M’(2/4)-M(2/4)=7168.71-7149.91=18.8吨.米
所以施加力偶可以克服土侧压力的影响。
7.4.4桥身入3/4(27~35米)段:
A、布置44台顶镐在:
西:
01030507091113151719212325272931333537394143454749
东:
12141618202426283032343638404244464850
B、每台顶镐施加最大顶力:
P(3/4)/44=6018/44=136.77吨
C、施加的力偶矩:
该布置只有1#、3#、5#、7#、9#、21#顶镐为增加的顺时针力偶,其余镐为相互平衡。
故:
M’(3/4)=136.77(14.58+14.16+13.74+13.32+12.9+10.38)
=10815.77吨.米
Δ=M’(3/4)-M(3/4)=10815.77-10724.95=90.82吨.米
所以施加力偶可以克服土侧压力的影响。
7.4.5桥身入4/4(35~43米)段:
B、布置44台顶镐在:
西:
0103050709111315171921232527293133353739414345474951
东:
1618202224262832343840424446485052
B、每台顶镐施加最大顶力:
P(4/4)/44=6278/44=142.68吨
C、施加的力偶矩:
该布置只有1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、29#顶镐为增加的顺时针力偶,其余镐为相互平衡。
故:
M’(4/4)=142.68(14.58+14.16+13.74+13.32+12.9+12.48+12.06+8.16)
=14468.17吨.米
Δ=M’(4/4)-M(4/4)=14468.17-14299.81=168.36吨.米
所以施加力偶可以克服土侧压力的影响。
7.5结论:
在斜交框架桥顶进期间,应在不同的入土阶段按照事先计算分析的顶镐布置要求,编号布置。
开动顶镐必须依据计算交底资料,在技术人员指导下操作,才能把框架沿着正确方向顶进就位。
7.6框架水平控制:
根据预压试验,预测框架沉降量,在滑床板上设计仰坡17cm,在顶进过程中控制底板取土不超挖,有效控制了框架的扎头现象。
8.拆除加固应注意的事项
8.1应先拆除正线在框架两侧的加固扣轨梁及工字钢横梁,恢复砼岔枕回碴捣固,每过一次列车加强捣固一次,让框架两侧及时稳定。
8.2线路状态正常后(一般需三天),才能安装恢复道岔尖轨及相关连接件、转辙电机等。
8.3给电务要点调试尖轨完全符合标准后,才可正式启用1/3#、5/7#渡线,而且启用后要加强道岔的养护,认真检查,发现尖轨有吊板,不密贴等情况应及时抢修
8.4拆除横抬梁操作时要认真做好绝缘防护工作,禁止连电现象发生。
8.5新恢复道床要加强捣固,尤其是框架两侧,至少24小时养护七天以上,才能保证路基道床的稳定。
9.结束语
该立交桥顶进施工期间克服了重力式后背设计、线路加固检算、大跨度顶进线路随框架位移、斜交顶进框架前进方向控制、砼枕道岔加固等技术性难题。
该桥施工中的一些基本方法值得在今后的类似施工中推广应用。
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