用Ⅰ100工字钢结合托梁方法完成整体大跨度线路架空施工工法
1、前言
穿越既有铁路的涵洞或立体交叉（地道桥），采用桥涵结构，常用顶进法施工，该种施工方法可减少对既有交通的干扰和在一定程度上节约工程总造价。我公司在总结和吸收国内穿越既有铁路线路顶进法施工线路加固方法的基础上，针对既有线路轨顶与拟建框架立交顶面标高相差大，斜交角度大，架空跨度大，工期要求紧张，采用传统的线路加固方法，即常说的软架空的方法不能保证既有线运营安全和施工工期要求的特点，研制出一套适用于此条件下的整体大跨度线路架空施工方法。采用在架空纵梁下设置托梁以减小架空纵梁的挠度，增加架空线路的整体刚度与稳定性的方法来进行既有线整体大跨度线路架空施工工艺较常规线路架空顶进施工，施工工序大量减少，工效成倍增长，且施工过程中线路稳定性大大增强、线路发生横向位移的数值大大降低。与传统的线路架空方法相比在采用相同的架空周转料的同时，方便快捷确保线路行车的安全，减少了施工安全成本。同时框架立交桥采用现浇施工比用顶进施工更能保证施工质量。该技术在上海至武威国家重点干线公路河南境内南阳至内乡段高公路宁西线 K344+574.5 2-17m 框架式立交桥施工中，取得了良好的经济效益和社会效益，在施工安全、质量、进度、经济等方面赢得了业主和社会各界的广泛好评，我们将该施工技术进行总结整理形成本工法。
2、工法特点
和传统的线路架空加固施工相比，本工法具有如下特点：
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2.1在Ⅰ100工字钢架空纵梁下设置托梁以减小架空纵梁的挠度，增加架空线路的长度，保证线路整体刚度与稳定性。传统的D型便梁施工方法或用Ⅰ100工钢连续梁进行架空的施工方法最大的架空跨度只能满足24米左右，如果跨度增大，必须改变材料。
2.2传统的线路加固架空方法采用在线路下面设置临时的枕木垛支点，并在框架立交顶进进入线路股道下时，进行不断的倒换，这样，不但在施工工序上烦琐，而且架空线路的整体刚度与稳定性不能得到很好的保证。本工法是采用的线路整体大架空，用Ⅰ100工字钢纵梁与托梁结合受力，大大加强了列车通过时线路的刚度与稳定性。架空一旦形成，线路下可以行成大的操作面。
2.3该次线路一次架空的长度达到80米，是前所未有的，并且还可以根据具体工程情况通过调整托梁个数的方法任意调整架空跨度。经实践证明，线路在刚度与稳定性方面都能满足要求，保证既有线行车安全。
2.4采用整体线路大架空的方法，线路下面全部形成工作面，框架立交可以在原位采用现浇施工，不需修建顶进后背，也可减少顶进工序，节约工程成本，节约工期。
3、适用范围
本工法主要适用于下穿既有铁路线路修建立交桥或既有线旧桥改造时，架空跨度大，工期要求紧张，采用传统线路加固顶进的施工方法在行车安全、工期要求方面不能提供保障时。
4、工艺原理
线路大架空的基本原理是桥梁作用的原理。
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4.1在拟建桥位处根据拟建框架立交的跨度、高度确定线路架空范围。 4.2根据所确定的架空范围选择合适架空纵梁、托梁、横梁长度及类型。 4.3根据所确定的架空跨度、纵梁、托梁材料规格确定支点位置及类型。 4.4横梁相当于轨枕承受列车及轨排所产生的动荷载、静荷载并把其传递给纵梁，再由纵梁经托梁传递给相应的支点，再由支点传给地基。
5、施工工艺及操作要点 5.1施工工艺流程图。
图5.1施工工艺流程图
埋设卷扬机 钢筋制作 配合比试验 支点桩开挖 申报要点计划 施工准备
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穿托梁 安装纵梁 穿横抬梁 纵、横梁连接 架空结构检查加固 用Ⅰ100工字钢结合托梁方法完成整体大跨度线路架空施工工法 二级工法申报资料
5.2整体大跨度架空线路的结构形式,见图5.2。
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图5.2整体大跨度架空线路结构形式图
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5.3整体大架空结构检算（以上海至武威国家重点干线公路河南境内南阳至内乡段高公路下穿宁西线 K344+574.5 2-17m 框架式立交桥为例，见图5.2）
5.3.1 托梁检算：
5.3.1.1托梁采用16mⅠ100工字钢，工字钢结构尺寸如图5.3.1.1。检算模型为间支梁，计算跨度14.5m，净跨度13.4m。检算模型如图5.3.1.2所示。
84t P=144.5t P=144.5t P=144.5t P=144.5t 84t A PA=84
B
C D
纵梁受力模型
P1=144.5t 471 E F PB=84t P2=144.5t 508 471 1450 A’ B’ mmax
ymax
托梁受力弯矩图 图5.3.1.2 检算模型
5.3.1.2所考虑的荷载包括
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①恒载: ∑q=托梁自重荷载q1+纵梁自重荷载q2+横抬梁自重荷载q3+轨道静载q4
②活载：列车竖向静活载（按中-活载考虑）+列车竖向动力作用+离心力 ③动力冲击系数ν=（1+μ）=1+28/（40+L） L：计算跨度 ④离心力
对集中活载N F=（f×N）v2/（127R） 对分布活载q F=（f×q）v2/（127R） 式中 F——离心力（KN）
N——“中-活载”图式中的集中荷载（KN） q——“中-活载”图式中的分布荷载（KN/m） v——设计速度（km/h） R——曲线半径（m）
f——竖向活载折减系数，按下式计算
L——桥上曲线部分荷载长度（m），当L≤2.88m或v≤120km/h时，f值取1.0；当计算f值＞1.0时取1.0；当L＞150m时，取L=150m计算f值。
离心力按水平向外作用于轨顶以上2.0m处。 5.3.1.3强度、刚度计算 M=P×a σ=
6EIL M W f= （Pa 3aL2－4a2L）≤L/400
M：计算点弯矩（KN.m）,此处为最大弯矩
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a：计算点距离支点的距离（m） σ：计算最大应力（Mpa） W：构件抵抗矩（m3） E：构件弹性模量 I：构件惯性矩（m4） L：计算跨度（m）
结论：当用I100工字钢每处支点用4片，净跨13.4m，lp＝14.5，当a＝4.71m（或4.91m），在支点B、C、D、E连续梁状态下，托梁I100工字钢应力和挠度均未超限，符合使用安全要求。
5.3.2 托梁支墩用挖孔方桩检算 5.3.2.1设计断面为 1×2.5 m，加钢筋 混凝土护壁0.25m后，实际断面为1.5×3 m， 设计挖孔桩深度为16m，C20砼。。
5.3.2.2桩基承载力检算 图5.3.2.1 P＝0.5×V∑f i l i＋m0×A【σ】
各参数（符号）的意义与计算同“挖孔桩检算过程”。
P P
1340
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1165 1600 435
1400 150
150
300 用Ⅰ100工字钢结合托梁方法完成整体大跨度线路架空施工工法 二级工法申报资料
图5.3.2.2
结论：用3×1.5矩形挖孔桩，桩长16m，其中埋入深度4.35m，根据检算符合要求，但为了稳定要求，在护壁外露预埋铁件，以增强纵横向支承架。
5.3.2.3列车离心力作用下，支墩挖孔方桩横向稳定性检算 ①离心力率：C＝V2/127R V：行车速度（km/h） R：曲线半径（m） 离心力：Px＝C×P
P：竖向力（kn）考虑冲击荷载
②注意：计算弯矩时要考虑竖向作用力的偏心作用。 ③计算模型如图5.3.4.3。
④结论：当列车在R＝1600m曲线上行驶时所产生的离心力对支墩横向稳定，经检算是安全的。
Py＝152.6t Px＝1.63 t 318 1600 75 单位：厘米
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图5.3.2.3
5.3.2.4支墩挖孔方桩的横向抗弯强度检算 σW＝M0/W≤[σW]
σW：支墩桩所承受的应力 M0：支墩桩所承受的弯矩 W：抵抗矩
[σW]：支墩桩允许承受的应力 5.3.2.5支墩挖孔方桩强度计算 σh＝N/（Ah＋m×Ag）≤[σh]
各参数（符号）的意义与计算同“挖孔桩检算过程”。 5.3.2.6支墩挖孔方桩稳定性检算 σh＝N/[φ（Ah＋m×Ag）]
N:桩基所承受的轴向压力（KN） φ：稳定系数
其它各参数（符号）的意义与计算同“挖孔桩检算过程”。 5.4施工工艺 5.4.1支点桩施工
支点挖孔桩的施工工艺和普通的挖孔桩的施工工艺相同。但为了保证其承载力与刚度要求可采取以下措施：
①将挖孔桩桩底按照下图示意扩大
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图5.4.1.1
②框架底板顶及框架顶板顶应在挖孔桩相应位置预埋钢板用L75×75×10角钢与挖孔桩的两侧面焊牢，使框架上、下底顶板连接为整体，以增强挖孔桩横向刚度。如图：
图5.4.1.2
5.4.2托梁安装
5.4.2.1提前一个月向铁路运输单位提报要封锁点计划，待接到铁路局行车调度台慢行命令并到车站登记确认，由安全员按《技规》规定设好防
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护后，进行要点慢行作业。
5.4.2.2将托梁放在搭好的支架平台上,放置位置要准确,方向要与铁路线路基本垂直。
5.4.2.3拔出穿托梁位置的道碴,用卷扬机将托梁传入,与挖孔桩支点形成门式支架。
5.4.2.4为加强门式桥墩的横向刚性强度，I100托梁两端应与挖孔桩预埋支座钢板焊接。
5.4.3纵梁安装
5.4.3.1纵梁采用20片16m长Ⅰ100工字钢组成的连续梁。工字钢的连接采用等强设计的连接板。
5.4.3.2 Ⅰ100工字钢纵梁采用平板车运至现场,利用列车吊放置在预先定好的位置后,再将每排的5片工字钢用连接板连接组成连续梁。
5.4.3.3纵梁的安装均在封锁点内进行。 5.4.4横抬梁的安装
5.4.4.1开挖纵梁支点土方、穿设横抬梁前，先挖设探沟对路基边坡电缆、光缆等铁路设施、附属物等进行调查。如果有影响施工的设备要采取措施进行保护，如采用加设槽钢护槽的方法对电缆进行保护等。
5.4.4.2穿设横抬梁前，技术人员应根据抬梁间距在钢轨侧面用油漆标出每组横抬梁的位置，以保证横抬梁穿设顺直。
5.4.4.3普通混凝土枕在横梁穿设前须进行方正。
5.4.4.4横梁要间隔6组穿设，以免道床挖空道渣后轨枕下出现道床坍塌，影响行车安全。
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5.4.4.5横梁穿设采用1t卷扬机牵引，卷扬机要事先进行调试，满足牵引要求，固定卷扬机的地龙按8T考虑。
5.4.5纵横梁连接
5.4.5.1纵横梁采用U型螺栓联结，使股道、纵横梁形成一个有机整体，以确保线路架空时的稳定性。
5.4.5.2横梁穿设后未和纵梁连接前硬杂木同线路契死，纵梁位置固定后，分别拔掉契块，并在钢轨与横抬梁间加设木质绝缘垫板。
5.4.5.3纵、横梁设好后，股道与纵梁之间每隔2～3m用8×8cm的木支撑支牢，以增强加固的整体能力，不致使线路产生横移。
6、材料与机具设备配置（以上海至武威国家重点干线公路河南境内南阳至内乡段高公路宁西线 K344+574.5 2-17m 框架式立交桥为例）
施工 项目 材料名称 架空纵梁 托梁 型号 Ⅰ100工钢 L＝16m Ⅰ100工钢接头 板 360×1990×24 150×1990×24 线路架空材料 Φ24×135 工钢联结螺栓 Φ24×80 [903] L＝6m 横抬梁 刚枕 L＝4.94m Φ22纵横梁联结螺栓 机具 设备 30t以内吊车 轨道平板车 Φ22圆钢 QY25 GO16-3A 片 条 台 台 33 944 1 3 315 4.025 10395.00 3799.60 条 片 1056 236 0.63 318.61 665.28 75191.96 500×880×10 单位 片 块 块 块 条 数量 36 32 32 2432 单位重(kg) 6000 35 135 56 0.81 总重 216000.00 1120.00 4320.00 3584.00 1969.92 中铁七局集团有限公司 - 14 -
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手板葫芦 1.5t 3t 个 6 7、质量控制
7.1本工法必须遵照执行的国家、地方（行业）标准、规范和检验方法有：《铁路桥梁设计基本规范TB10002.1-2005》、《铁路桥梁钢结构设计规范TB10002.2-2005》、《铁路桥梁砼和预应力砼结构设计规范TB10002.3-2005》、《铁路桥梁地基和基础设计规范TB10002.5-2005》、《铁路桥涵施工规范TB10203-2002》、《铁路砼与砌体施工规范TB10210-2001》、《铁路工程施工技术安全规程TB10401-2003》、《铁路桥涵工程施工质量验收标准TB10415-2003》、《铁路砼与砌体施工质量验收标准TB10424-2003》、《技规》
7.2保证工程质量的技术措施
7.2.1严把材料质量关。对架空所用的原材料、成品和半成品要严格按质量标准进行订货、采购、运输、保管和供应。
7.2.2线路大架空质量控制的关键部位是托梁支点挖孔方桩的质量和纵、横梁、托梁的连接质量。对支点的质量要求是必修有足够的刚度和承载力；对纵、横梁、托梁的连接质量要求为必须连接牢固，二者充分接触，以保证其传力的有效性。
8、安全与环保措施 8.1安全保证措施
8.1.1 应提前一个月向铁路运输部门提报施工要点计划，待接到慢行命令并到车站登记确认，由安全员按《技规》规定设好防护后，方可进行线路加固。
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8.1.2施工负责人对装卸工字钢要点作业，必须亲自组织、精心安排，点内完成，及时消点。
8.1.3穿设横抬梁、开挖纵梁支点土方前，挖设探沟对路基及边坡下电缆进行调查，并抬至轨底以上妥善保护。
8.1.4每组横抬梁由卷扬机配合人力穿设后，抬梁顶与枕木底或轨底要用硬杂木板填牢。
8.1.5、纵、横梁设好后，股道与纵梁间，每隔2～3m用8x8cm的木支撑支牢，以增强加固的整体能力，不致使线路产生横移。
8.1.6在线路架空的自始至终，都要设线路工对股道的水平、方向、轨距进行检查并校正，尤其每通过一次列车要进行一次整修，直到顶进完毕、线路加固拆除。同时设线路防护员对加固施工人员的人身安全进行防护。
8.1.7作业人员及使用的工具与接触网的距离不应小于2米。 8.1.8线路防护人员必须由经过培训、持有合格证的人员担任；施工防护人员所用的信号标志，显示明确，防护位置要正确，佩戴用具要齐全，要有交制度和记录。
8.1.9防护人员要及时辨清列车行驶情况，用号角和喇叭提醒施工人员及时下道，防止造成人员伤亡事故。材料不得侵入限界。
8.1.10按规定设置测速仪，保证测速仪处于良好状态，检测列车运行速度，防止超速。
8.1.11对职民工所使用的撬棍、扳手要加绝缘套，防止一切铁制机具材料同时接触两股道钢轨，防止轨道电路短路。
8.1.12采取有效的措施，预防涨轨跑道.
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8.1.13抽抬梁、恢复线路阶段，道床要保证密实饱满，以增强线路的阻力和线路的稳定性。枕端碴肩堆高，以增强横向阻力。
8.1.14抽抬梁双层作业，下方作业人员应戴好安全帽；作业人员不可穿塑料底鞋子以防滑。
8.1.15梁解体时，拆除螺栓、挂钢丝绳的作业人员应系好安全带，安全带应系在可靠的物体上。
8.1.16吊车作业前支腿应支牢，吊装时臂下严禁站人。
8.1.17吊装抬梁的钢丝绳应系牢，安全员应及时检查钢丝绳磨损情况并据以提出更换。
8.1.18线路工应按《技规》要求养护线路，保证轨道的轨距、水平和方向；机车驶来前，检查机具、材料、纵梁工钢不可超出限界。
8.1.19装吊工作业时，拖拉抬梁用的钢丝绳应系牢抬梁；抽抬梁过程中，注意观察抬梁不可带动纵梁，避免工钢超出限界要求和带动线路；注意观察钢丝绳不可接触轨底，避免出现红光带影响行车。
8.1.20抽抬梁前，该组抬梁上木垫块应去掉；与之有关的抬梁应用枕木头支牢后，方可抽抬梁；抬梁抽出钢轨悬空后，应用枕木头在抬梁处搭设临时支点支牢钢轨，道碴基本上满并捣实后方可去掉临时支点。
8.1.21每组抬梁分若干次抽出解体，前次抽出抬梁后，道碴必须上满并捣实后方可进行下次抽抬梁。
8.2环境保护措施
8.2.1施工中大型机械设备调运频繁，运输车辆往来穿梭，注意道路和附近建筑物的保护，运输便道洒水养护，避免车辆荡起粉尘影响周围环境。
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8.2.2严禁将生活废水、垃圾及废弃物随意倾倒；
8.2.3完工后及时清理施工现场，做到工完料净，不给周围环境遗留工程垃圾；做好厕所卫生的清理和管理，做好生活垃圾的堆放和清理。
8.2.4各种施工废油、废液集中储存处理，严禁乱弃乱放，污染水资源，破坏环境。
9、效益分析(以上海至武威国家重点干线公路河南境内南阳至内乡段高公路宁西线 K344+574.5 2-17m 框架式立交桥为例）
9.1节约工时分析 9.2安全质量方面对比 9.2.1顶进方案：
9.2.1.1设计采用的顶进施工方案，需要多次转移架空设备，且要点 时间相对较长。
9.2.1.2第二阶段中，顶进西安侧2米箱涵时，需要在南京端用枕木垛支承于已就位的西安侧1－17m结构顶。轨顶标高194.18，结构顶标高192.05，枕木垛支点的高度接近2m，该高度枕木支点的安全系数较低。同样在第三、四阶段中，也要设置该枕木支点，影响线路架空的整体安全性。
表9.1 节约工时分析表
序号 工 序 内 容 耗用工时（天） 一、架空顶进方案要点慢行时间 1 2 3 4 顶进西安侧17m框架 顶进西安侧2m框架及拆除3.5m盖板涵 顶进南京侧17m框架 顶进南京侧2m框架 72 45 62 34 中铁七局集团有限公司 - 18 -
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合计 213 二、线路大架空现浇方案要点慢行时间 1 2 3 4 5 6 7 挖孔桩Φ60×800 128m/16根 架设5-16工字梁及4组托梁计36片工钢 挖基及就地灌注西安侧17m框架 挖基及就地灌注南京侧17m框架 南京侧板顶挡墙及回填土 过渡段路基浆砌片石（两端同步） 合计 综上所述：大架空方案较设计顶进方案少62天 9.2.1.3由于铁路中心线与公路中心线夹角51.55°，采用顶进方案，不容易控制线路中线，且2－17米两座框架桥之间仅仅有3cm缝隙，在顶进施工中，容易造成较大偏差。
9.2.1.4顶进施工中，框架桥水准控制较困难，尤其出现扎头、抬头等现象，施工中进行调整，将延误整体工程工期。
9.2.2线路大架空现浇方案
9.2.2.1采用线路大架空方案，2－17米框架桥和2－2m框架桥一次性架空完成，采用5孔16m连续梁结构，架空跨度80m，使得线路架空设备的整体稳定性加强，且不存在施工中移动架空设备的步骤。
9.2.2.2全部线路架空采用硬性架空概念，不需要采用临时枕木垛支点，保证了支点的安全性。
9.2.2.3就架空慢行时间考虑，比设计采用顶进方案节省慢行要点时间
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16 28 40 40 11 16 151 用Ⅰ100工字钢结合托梁方法完成整体大跨度线路架空施工工法 二级工法申报资料
62天，对铁路运输的干扰相对减小。
9.2.2.4采用线路大架空现浇施工方案，根本不存在顶进中线及水准误差的问题，对框架桥建成后，铁路的运营极为有利。
10、应用实例
本工法应用于上海至武威国家重点干线公路河南境南阳至内乡段高速公路下穿宁西铁路线处，公路与铁路交点处的公路里程为K＋911（铁路宁西线里程桩号为K344＋574.5）。
高速公路下穿宁西铁路立交主体采用2孔17米钢筋混凝土框架桥结构，立交外侧各建1座1－2m箱涵，作为公路排水沟。2－17m框架桥沿高速公路方向全长16.6m，全宽53.42m，净空分别为17m×7.65m，斜交于宁西铁路，夹角为51.55°。2-2m箱涵为排水涵，南京侧1-2m箱涵外轮廓尺寸为41.5m×2.8 m，净空为2m×2m，斜交于宁西铁路，夹角52.58°；西安侧1-2m外轮廓尺寸为43m×2.8 m，净空为2m×2m，斜交于宁西铁路夹角50.4°。所有箱涵主体均采用C35钢筋混凝土。
该工程于2006年7月1日开始施工,至2007年1月15日主体结构全部完成，架空跨度达到80米，共完成钢筋砼圬工5200立方。
附图10.1：整体大跨度架空线路架空结构图 附图10.2：列车通过整体大跨度架空线路图 附图10.3：架空线路平面图 附图10.4：框架桥建成后线路恢复
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附图10.1 整体大跨度架空线路架空结构
附图10.2 列车通过整体大跨度架空线路图
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附图10.3 架空线路平面图
附图10.4 框架桥建成后线路恢复
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