? 增建二线铁路桥涵设计关键技术研究 增建二线铁路桥涵设计关键技术研究
左家强
(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)
摘 要：对邯长、邯济铁路扩能改造项目的桥涵设计进行简要概述，主要介绍增建二线铁路的桥涵设计难点。针对性地提出设计施工过程中的桥涵关键技术并进行研究，确保增建二线铁路桥涵的施工安全，并在保障既有铁路运营安全的前提下使设计施工方案经济合理。通过对关键技术的研究，以期对增建二线铁路桥涵的工程建设提供指导性建议，同时丰富桥涵设计经验。
关键词：既有铁路；增建二线铁路；桥涵；设计
1 概述
邯长、邯济铁路为既有线扩能项目，增建二线的同时进行电气化改造。正线长度455 km，共有大、中桥107座33 km，框构56座，渡槽9座，涵洞及旅客地道1402座，柔性墩桥改造23座。增建第二线铁路工程必须将保证铁路行车安全放在首位[1]，本线桥涵即以此作为重点开展设计研究。
2 既有线增建二线桥涵设计难点分析
(1)临近既有线基坑防护方案
既有铁路增建二线，在线间距小的地段新建及接长桥涵对既有线的运营安全均有较大威胁。如何采取必要、安全的防护措施，成为设计单位必须考虑的问题。新建桥涵基坑与既有线之间的距离、基坑的深度各不相同，可采取的防护方案也有多种，但各式各样的防护方案既增加了设计难度也会给施工造成一定困难。在保障安全的前提下，设计中应尽量选择常用的、施工难度小的防护方案。
(2)小半径曲线地段简支梁的适用性
邯长邯济铁路始建于20世纪70、90年代。受当时经济社会发展水平、铁路设计理念限制，致使选择的技术标准偏低[2]，邯长铁路最小曲线半径只有300 m[3]。在增二线桥涵设计中，最小曲线半径500 m，简支梁已超出铁道部通用图的曲线半径适用范围，且简支梁偏距较大，也无法满足挡砟墙内侧至线路中心不小于220 cm的大机养护要求。设计中通过加大梁肋中心距来满足大机养护要求，并针对小半径曲线、梁肋加大间距等进行了检算。主梁在计算荷载作用下纵向受力可以满足规范要求[4]；横向受力不满足要求，采用加强桥面板钢筋的方法进行处理，解决了小半径曲线简支梁的适用问题。
(3)新旧桥台错台布置
受斜交道路、河流等因素影响，增建二线桥梁需和既有桥梁斜对孔设置，造成新建桥台与既有线桥台错台布置。当线间距较小时，新建桥台台尾位于既有桥台台尾之后，会产生既有路基和锥体对新线桥梁的偏压、侵入顶帽等问题，这种情况在新线设计中可以进行处理；新建桥台台尾位于既有桥台台尾之前，会产生新线路基边坡及桥台锥体对既有桥台身和基础产生的偏压问题，而这种荷载工况在既有线设计时是未予以考虑的。
(4)小线间距增建二线桥梁
部分增建二线段落，受客观条件限制，新旧桥梁之间的线间距只有5～5.3 m，因河流斜交，桥梁还需要错线布置。为降低施工难度，既有线采用如此小的线间距增建复线桥梁的情况不多，尤其是斜交桥更是少见，给桥梁设计及既有线防护都带来了较大困难。
(5)增二线桥墩位于既有线路基边坡
既有桥台填土较高且线间距较小时，新线桥墩位于既有线路基边坡上的情况无法避免。此时增二线桥墩基础的设计与新建桥梁基础的设计有所不同，它的控制因素较多[5]。首先是基础形式的选择，再者是基础埋置深度的确定，都要遵守基础施工时减少或避免对既有路基边坡进行开挖的原则。设计中优先采用桩基础同时尽量上抬承台，上抬后承台底高于原地面时，计算中应分别考虑负摩阻、自由桩长等对桩基长度、配筋的影响。出露的承台通过砌筑平台进行覆盖，平台顶面及边坡采用浆砌片石防护。承台上抬后对既有路基的施工影响减低，充分保障了运营安全。
(6)框构设计方案
原位现浇框构，无论新建还是接长，框构施工时牵涉铁路、公路众多设备和单位[6]。设计方案应充分考虑施工对既有公路交通的影响，尽量避免断道施工。顶进框构，在外部条件许可的条件下，多孔时尽量采用联体框构，一次整体顶进，缩短顶进施工工期。当顶进时既有线对应的是桥涵结构物时，结合既有结构规模和框构孔径，可采用边顶进边拆除或先拆除再回填再顶进等方案。
(7)结构顶进施工的线路加固
既有线施工中，顶进桥涵的施工质量与进度直接影响到既有线行车安全及施工工期，而既有铁路线路加固，尤其是运营单位关注的重点。邯长、邯济铁路顶进桥涵工点多，安全风险大，设计中应结合工点的地质、地形、铁路运营条件等具体情况，因地制宜，选择适合工程的线路加固方案[7]。
(8)框构接桥
当增建二线为降低建筑高度，对应既有简支梁桥设置框构时，框构边墙内侧一般与桥台前墙对应。与既有线相邻一侧存在如下问题：增建二线的路基土可能会压到既有桥台顶帽上；受既有线桥台顶帽和台身影响，该侧的框构出入口挡墙形状复杂，设计施工困难。
(9)接长涵洞类型选择
对于正交涵洞，接长采用框涵或板涵均可，主要视既有涵洞类型、填土高度、地质情况而定。对于斜交涵洞，则需进行分析比较。采用板涵接长，出入口采用斜盖板，洞身采用板涵或正交框涵，此方案造价较低。但接长涵洞较短时，受既有及新建斜盖板尺寸影响，实际采用的涵长会比计算需要的长度大，导致涵洞突出路基之外；采用斜交框架涵进行接长，可避免前述情况，但斜交角度较大时，因受力需要涵洞配筋较多，工程费用相对较高。当既有涵洞为管道保护涵，可考虑使用桩盖板进行接长，以利用其不迁改管线、基础承载力高、施工方便的优点[8]。
(10)涵洞接长施工方案
增二线涵洞接长时，如果线间距较小，在进行路基防护的同时还需进行线路加固，而且涵洞接长施工时间较长。设计时对有条件的工点，将距既有线较近的涵节采用预制顶进施工，首先在附近将涵节预制完成，再横向、纵向两次空顶就位。该方案既对既有道路、渠道的正常使用影响小，又大大减少了既有线下的施工时间，有效降低了施工难度风险。进行线路加固时，尽量采用不限速的加固方式[9]。
(11)涵洞出入口斜盖板处理
既有邯济线采用了大量斜盖板出入口，而其中大多数在增二线后原基本不承受活载的梯形节承受了由于增二线而引起的活载和土压力[10]，使盖板及基础无法满足增二线之后的受力要求，施工中需进行拆除，施工难度很大。
(12)渡槽设计
邯长线渡槽较多，增二线时，需要在原位置改建或者移位新建渡槽。设计中根据既有线与增二线之间的位置关系、路堑高度、既有渡槽的布置等情况进行孔跨布置、确定墩台及基础类型，原则是新建渡槽的墩台尽量远离既有线以减小施工难度，同时又要充分利用使用情况良好的既有槽身和墩台。
(13)柔性墩加固
邯长铁路桥墩主要为柔性桥墩[11]，既有柔性墩桥梁共23座，原设计适用于设计时速不大于120 km的铁路，且不包括无缝线路地段[12]。既有桥墩主要为80 cm×(400～500) cm的板式墩，高度一般900～2 000 cm。每联不设或设置一个活动支座，一联的制动力等水平力根据刚度分配主要由刚性墩台承担。为满足安装电化立柱和无缝线路改造要求，需要进行桥墩加固及体系转换，原先的柔性墩体系改造成简支梁体系。
3 增二线桥涵设计关键技术
(1)基坑防护设计
首先全线桥涵基坑防护方案尽量予以统一，参照《铁路大型临时工程和过渡工程设计暂行规定》[13]中相关要求，对既有铁路的开挖高度在6 m以内时，采用钢板桩或钢轨桩进行支挡防护；开挖高度大于6 m时，采用钻孔灌注桩进行防护。再根据防护桩边缘距线路中心距离(考虑既有邯长铁路高填方埋台，本线最大距离按20 m控制)、桩顶至路肩高度、基坑深度、基坑土的容重及内摩擦角等物理力学指标确定防护桩总长、嵌入坑底长度、钢板桩型号、钻孔桩直径及配筋、布置间距等防护参数，形成通用设计成果供工点采用。
(2)错台处理设计
新旧桥台交错布置时，设计中采用在两线之间设置兼做基坑防护桩的永久性防护桩的方案，防护范围为既有桥台台尾至新线锥体坡脚处，适用于路基填土高5～11 m的地段。采用直径1～1.25 m钻孔桩，新建路基范围内采用等长桩，考虑活载作用；新建锥体范围内为不等长桩，不考虑活载作用，桩顶坡度与锥体顺桥向坡度一致。排桩顶部设冠梁将排桩连成整体，钻孔桩外露部分采用铁丝网混凝土罩面，并留出泄水孔。该方案永临结合，在减小基础施工难度的同时对偏压进行了妥善的处理。
(3)小线间距桥梁设计
采用多种措施解决设计施工难题，首先采用直径80 cm小直径钻孔桩，尽量缩小基础尺寸，减小与既有线的干扰；再设置台后混凝土过渡段、加大前墙长度并在顶帽上临近既有线侧设置挡墙，避免相邻路基土压到相邻线简支梁及桥台上；再对顶帽进行斜向及横向部分切除，以避免横向干扰、减小阻水面积；最后开挖基坑时采用既有线左右两侧均打入钢板桩并设置对拉钢筋的方案进行防护。平面布置见图1。
图1 桥台处理平面示意(单位：cm)
(4)线路加固设计
框构或涵洞顶进施工时，一般采用D梁施工便梁或纵横抬梁进行线路加固。D梁最大跨度32 m，常用跨度16～24 m，一般适用于孔径较小的框构或多个单孔框构依次顶进，可采用单孔或者多孔，其支撑可采用明挖基础、桩基础、或已顶进框构的边墙。当框构孔径较大，或既有线曲线半径较小、线间距较小、位于道岔范围、股道较多等情况时，可采用纵横抬梁进行线路加固。采用纵横梁时，除支撑桩外，还应设置抗移桩，以稳定轨道。为保障运营安全，顶进施工开始前及完成后宜采用注浆对既有线路基进行加固。设计中对于横抬梁，不能简单套用类似工程的型号，应根据施工中可能的最大跨度进行分析，对于跨度较大的需进行结构验算。受各种外部条件控制，顶进框构顶板顶至既有线轨底的距离与横梁高度可能不一致，此时可在顶板上设置临时或永久支撑结构，以使横梁保持水平状态。线路进行加固期间列车需限速行驶，当线路位于曲线时，随着限速引起的行车速度发生变化，外轨超高应相应调整，确保施工期间行车安全。
(5)框构桥过渡块设计
为解决框构接桥时存在的问题，设计中取消了出入口挡墙，并在框构顺线路方向两侧设置混凝土过渡块，过渡块上设置钢筋混凝土整体桥面，横桥向两侧设置锥体包住过渡块。该方案既解决了前述问题，又取消了路桥过渡段。过渡块设计时应进行地基应力、滑动、稳定性等检算，并根据检算对地基处理、路基填筑提出要求和措施，保障过渡段安全。框构过渡块构造见图2。
图2 框构过渡块构造
(6)涵洞斜出入口处理
设计中对非立交的斜盖板涵进行加固处理，在跨中及端部各增设一道竖墙，加固后盖板、边墙及基础满足承受活载的受力要求，不再进行拆除。同时对二线接长侧对接的斜出入口的盖板、基础加强配筋，同样满足了增二线后的受力需要。如果流水面高程可以适当抬高的话，为避免加固时植筋施工，也可采用既有斜盖板出入口内套接框涵的方案。
(7)异形墩渡槽设计
设计中采取了设置异形桥墩以利用既有槽身、优化槽身截面设计等措施，以实现减小基础施工难度、利用既有槽身、利用既有墩台及基础的目标。代表性工点布置见图3。
图3 渡槽立面布置(单位：cm)
(8)柔性墩加固设计
柔性墩采用植筋后外包混凝土进行加固，根据桥墩刚度、受力等需要，并考虑浇筑及内部振捣混凝土的施工操作空间等要求确定加固尺寸。为缩短施工时间，降低施工难度，经计算，桥墩只加固至托盘底。基础加固采用补桩方案，为保证运营安全，原则上不进行基坑开挖，新的承台尽量上抬，与既有墩身连为整体，上抬后承台底埋深不满足冻结线要求的，承台底土层采用砂加碎石进行换填。体系转换需进行支座更换，按版《铁路工程抗震设计规范》[14]设计新钢支座，而且保证支座各部尺寸与原来的一致，充分利用原来的梁底和墩顶预埋件，实现施工可行、简单的目标。为解决体系转换期间桥墩不满足受力要求的问题，并保障运营安全，设计了钢管墩临时支撑代替桥墩受力。加固构造见图4。
图4 柔性墩加固构造(单位：cm)
4 结语
增建二线铁路的桥涵设计制约因素较多，不同于传统的新建铁路桥涵设计，因此必须结合现场实际情况，有目的性的进行合理设计。邯长、邯济铁路扩能改造工程在建设过程中，针对增建二线铁路桥涵设计施工中基坑防护、线路加固、错台处理、小线间距增建二线桥、框构过渡块、斜板涵出入口处理、柔性墩加固等关键技术开展研究，达到降低桥涵施工难度、减小新线桥涵施工对既有线的影响、确保运营安全的目的。本文提出的设计方案及工程措施的实施，保障了邯长、邯济增建二线铁路顺利建成通车。
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[14]中华人民共和国铁道部.GB50111—铁路工程抗震设计规范(版)[S].北京：中国计划出版社，.
Study on Key Technologies Applied to Bridges and Culverts of Added Second Line Railway
ZUO Jia-qiang
(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)
Abstract：This paper reviews briefly the upgrading project of Handan-Changzhi and Handan-Jinan railway and addresses the difficulties in the design of bridges and culverts of the added second line. With respect to the safety， economy and feasibility， the key technologies for the bridges and culverts are developed for the construction of the added second line railway. The key technologies are expected to offer guidance for the construction and enrich the experience of bridges and culverts design．
Key words：Existing railway; Added second line railway; Bridge and culvert; Design
收稿日期：-03-03；
修回日期：-03-08
作者简介：左家强(1973—)，男，高级工程师，2000年毕业于北方交通大学铁道工程专业，工学学士，E-mail：zuojiaqiang19730225@。
文章编号：1004-2954()11-0058-04
中图分类号：U442.5
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954..11.014
