城市改造是城市现代化建设的必然阶段，同时也面临着诸多难题，特别是以老工业城市为代表的旧城改造 ^[1]。由于历史发展原因，老工业城市往往存在工业厂房老旧、地下管线错综复杂、铁路线密布等问题，市政道路建设过程中往往会遇到铁路线。为了不影响既有铁路的日常运行，通常采用道路下穿铁路的处理措施，即先对既有铁路进行架空加固，然后在铁路轨道下部顶推框架结构。而目前既有铁路下穿施工多依靠经验，对不同环境下的工况缺乏系统的对比分析和研究，尤其针对大跨度、大曲率、地面存在多条运营线路等条件下的下穿道路工程，缺乏成熟有效的技术支撑，使得施工安全与质量难以得到有效控制和保障，极易诱发施工事故 ^[2]。

　　 基于此，本文以大跨度、大曲率、多条铁路线并存的成都青白江智慧大道下穿运营铁路框架顶进项目为依托，开展复杂条件下新建道路下穿既有铁路施工关键技术研究，根据不同顶进段铁路线特点，采用目前国内应用最广的既有铁路线路加固方式———D便梁法 ^[3]和纵横抬梁法 ^[4]，分别建立相对应的铁路架空加固体系，通过数值模拟和实时监测，建立铁路工前工后监测及安全评估体系，通过有效的施工控制，确保铁路线平稳、安全运营，以期为今后旧工业城区改造类似工程提供参考。

　　 拟建成都青白江智慧大道位于成都市青白江区智慧产业园内，是连通青白江区和新都区的交通要道，如图1所示。道路起于青江南路与团结路交叉口，起点顺接青江南路，向南穿越攀成钢厂区，相继与川化铁路专用线及铁路北环线成立体交叉，止于青解路与双元大道交叉口，顺接双元大道。全长1.66km，规划红线宽度40m，双向6车道，沥青混凝土路面，城市主干道标准，道路两侧设置雨污水管道及预制电缆沟。

　　 设计方案采用框架桥下穿顶进的施工技术，顶进过程需要下穿攀成钢厂区、宝洁公司、矿渣微粉厂等9家企业，同时先后穿过既有的川化铁路专线、攀成钢专线以及北环线等7条铁路，另有待建的成兰铁路横穿智慧大道工程，工程穿越的既有铁路线多且列车通行频繁，对施工干扰大，另外，铁路线下管线和周围施工情况复杂，因此，施工过程中需综合采取多项措施确保铁路线正常运营及施工安全。

　　 结合铁路线型特点和各加固措施的优缺点，施工中对铁路轨道分段分区采用D便梁和纵横抬梁架空加固，然后依靠事先建成的后背墙作为支撑，使用油泵驱动千斤顶，将铁路线一侧预制完成的箱型框架结构顶入铁路轨道下方的路基内，框架段施工平面如图2所示。

　　 在铁路轨道两侧以相对密集的人工挖孔桩作为主要承重结构。北环线线形曲率相对缓和，相邻轨道间距大，整体架空跨度较大，为了保证顶进施工期间铁路安全运营，选用刚度大、变形小的D便梁对其进行架空加固;南环线既有专用铁路线形曲率较大，轨道之间间距小，架空跨度较小，选用纵横抬梁进行架空加固。下穿框架桥统一采用预制顶进的施工方法，对于两类铁路系统之间的区域统一采用现场浇筑的施工方式。

　　 D便梁加固区域框架桥为四孔箱型框架。顶进顺序依次为框架段B→C→A→D。道路下穿段根据施工过程，其整体受力变化可简单分为两段:(1)框架桥顶进前，对铁路轨道采用D便梁进行加固，加固梁架设在轨道两侧施工的支撑桩上，将轨道自重及列车行车荷载通过加固梁和支撑桩最终传递到下部土体中。(2)破除阻碍顶进的支撑桩，将框架桥顶进到位，上部铁路道砟回填、路线恢复，此时轨道自重和列车荷载由框架承受并传递到下部土体中。可见，在框架顶进施工过程中，加固梁、框架和支撑桩形成一个整体受力体系，对保障铁路运营安全至关重要，因此，下穿设计方案是在综合分析各种影响因素并针对现场工况详细计算分析后形成的，但在设计方案初步形成后，仍需对各受力部分的位移、变形等进行简单安全评估，验证其设计的合理性。

　　 由于顶进过程施工工艺较为复杂，需对其进行简化，先采用有限元计算软件进行二维剖面分析，分析最不利情况下，即土体分步开挖对周围土体和轨道的影响，最后在开挖完成后施加列车行车荷载，分析其对周围环境的影响，网格模型如图4所示。

　　 开挖过程中周围土体及轨道变形如图5所示。由图5可知，开挖过程中，土体变形主要位于框架顶进区域;开挖结束时，最大位移为9.8mm，发生在开挖区域底部，水平方向框架外侧土体变形较小，说明下穿段附加加固段设计较为合理;施加列车行车荷载后，减少至<7mm，但放坡边壁处由于未加防护、变形增大，因此在实际施工时进行了喷锚处理，进一步减少了开挖和列车荷载引起的土体变形。

　　 纵横抬梁加固区框架桥为四孔框架，两孔为一体预制，如图6所示。顶进工作按左右两侧分别顶进，第1次先顶进框架节段B，第2次顶进框架节段A。随着框架桥逐渐顶进需要逐个破除顶进线路上的人工挖孔桩。

　　 纵横抬梁加固区在框架顶进前后的受力变化大致可分为3个阶段:(1)框架顶进前，对铁路轨道进行纵横抬梁加固，横梁架设在纵梁上，纵梁固定在轨道两侧的支撑桩上，将轨道和列车荷载传递到下部土层中;(2)框架顶进时，破除顶进路线上的支撑桩，由于纵梁刚度较小，在纵梁和框架顶部间布置短桩，由纵梁、框架和下部土体分担上部列车及轨道荷载;(3)框架顶进到位时，拆除纵横梁、短桩和支撑桩，框架顶部回填，由上部覆土和框架共同将上部荷载传递到下部土层中。前两个受力变化阶段力的传递和转换较为复杂，加之纵横抬梁刚度较小，受力分析不当极易造成加固体系的失稳破坏，进而危害铁路运行安全，有必要对前两个受力阶段进行重点分析。

　　 1)框架顶进前

　　 将模型进行简化，轨道、纵横抬梁和支撑桩用梁单元代替，支撑桩假定为刚性、不变形，其与加固梁交点处采用固定约束，列车荷载通过在轨道与横梁的焦点处施加集中静荷载处理，通过分析列车自重、现场工况及相关规范后施加集中荷载180kN，如图7所示，为有列车荷载时纵横便梁的应力及变形图，可见，应力最大约170MPa，最大变形约10mm，均满足纵横便梁的设计强度和变形要求，另外，从侧面反映出轨道的沉降约在10mm左右，在相关铁路规范规定控制变形内。

　　 2)框架顶进时

　　 框架顶进时，顶进线路上的支撑桩换成短桩，分析在列车荷载下的框架—纵横梁受力情况，结构应力和变形如图8所示，框架采用实体墙板单元模拟，可见，由于短桩数量大于破除的支撑桩，使列车荷载更为均匀的传递到框架上，整体结构的变形比框架顶进前降低，最大变形为7mm，位于框架中间两孔的顶部，最大应力84MPa，位于框架的竖直侧壁上，均在设计允许范围内。

　　 道路下穿段施工是整个项目施工最为复杂的部分，涉及基坑开挖、铁路线路加固、下穿框架顶进等多项内容，其中，顶进施工又是最为关键的步骤，直接影响工程质量和铁路安全。顶进过程中人工挖孔支撑桩需要逐步破除，势必会造成铁轨-加固体系-土体上的应力重新分布，为了保证顶进、破桩过程中铁路荷载能够均匀、安全传递到深层土体内，根据不同的铁路架空加固方式采用不同的顶进控制措施。

　　 D便梁加固区采用单孔依次顶进施工，如图9所示。首先顶进不受人工挖孔桩影响的框架段B，先挖第3孔既有线路下方土方，对两侧边坡进行喷锚防护，顶进框架段B;框架段B顶进到位后，在其左侧安设临时支撑，将第2孔D16型便梁换成D24型便梁并架设在临时支撑上，使由第2孔和第3孔之间的人孔挖孔桩承担的荷载通过D便梁的转换转移到临时支撑传递到土体内，然后开挖第2孔土方，破除第2孔和第3孔之间的人孔挖孔桩，顶进框架段A;在框架段B右侧安设临时支撑，将第4孔D16型便梁换成D24型便梁，使第3孔和第4孔之间的人孔挖孔桩承担的荷载转移到临时支撑后破除该排桩，开挖第4孔土方，顶进框架段C;顶进到位后，在框架段C的右侧安设临时支撑，将第五孔D16型便梁换成D24型便梁，开挖第5孔土方，破除第4孔和第5孔之间的人孔挖孔桩，顶进框架段D。每孔顶进后及时补碴整修线路。

　　 纵横抬梁加固区顶进施工斜穿铁路线，每一孔顶进都无可避免的需要穿过人工挖孔桩，无法像D便梁加固区那样利用先顶进的框架作为支撑转移人工挖桩上的荷载。为了保证施工质量和安全，采用一种滑动小车配合附加纵梁来托换人工挖孔桩。

　　 滑动小车是一种可移动临时短撑，如图10所示。滑动小车顶部通过螺栓与附加纵梁连接，底部设置6个球形滚珠坐在框架顶部，框架桥顶部预设专门钢板轨道，框架浇筑时预埋在框架顶部，防止顶进过程中滑动小车滚动时卡死。

　　 纵横抬梁架设时，在人工挖孔桩的顶进侧额外增加1根纵梁，当框架顶进至人工挖孔桩时，在附加纵梁下安设多个滑动小车与框架桥顶部连接，使人工挖孔桩承担的荷载通过附加纵梁—滑动小车传递给框架，然后破除人工挖孔桩继续顶进，如图11所示。

　　 为确保施工安全和铁路线路正常运营，进行贯穿整个下穿施工过程的实时监测。

　　 线路架空阶段，在架空段的既有线轨道上每隔3m、纵向10m设置1个位移和内力监测点，从架空时至拆除，每天监测1次;在既有线周围地表，纵向每隔8m、横向每隔4m设置1个监测点，随土方开挖进行监测。架空施工期间，设专人对施工地段及前后50m线路每隔2小时进行1次检查(包括轨距、轨温、位移等)。

　　 在下穿顶进过程中，进行框架内压、变形、箱桥状态等安全控制监测，为准确掌握桥身顶进的方向和高程，在距离后背约200m处设置观察站，以防止后背发生变形对观测仪器的稳定造成影响。桥身每前进一顶程，对中线、高程、油表读数、千斤顶开动台数、顶力、顶进时间、顶进距离进行一次观测和记录，并绘制高程和中线行进轨迹图，如发现偏差及时通知顶进指挥人员采取措施，纠正偏差。

　　 人工挖孔桩顶布置沉降测点，在土方开挖、列车行进及框架顶进过程中实时监测。框架受力钢筋处安装应力传感器，监测轴力和弯矩变化。

　　 图12为D便梁加固区既有攀成钢专用线与北环线之间某一沿铁路线方向剖面、距开挖边坡一定范围内坡顶水平和竖向位移曲线，其中坐标原点分别为框架A和D顶进时开挖边坡的上口，所测得的位移值为架空、顶进过程中地表累计产生的最大位移值。从图中可以看出，整个施工过程中边坡上口位置产生的水平位移和沉降量最大，分别为9.87,5.63mm，出现在A框架开挖边坡坡顶，整个施工过程边坡土体变形量较小，说明加固体系对保护边坡稳定性效果较好。随着距边坡越来越远，地面水平位移和沉降量逐渐减小，在架空加固最外排人工挖孔桩附近土体变形已基本减小为0，说明最外排桩以外区域已基本不受开挖顶进施工的影响，沿铁路线方向加固保护范围的设计较为合理。

　　 表1为纵梁在纵横抬梁加固、基坑开挖和人工挖孔桩托换后3个典型施工节点，列车通过时的应力值。从表中可以看出，纵梁在基坑开挖、铁路架空后受力最大，约为140MPa，人工挖孔桩托换后，由于受力梁的增加，整个纵横抬梁受力更加均衡，纵梁内力值减小到80MPa左右，与数值模拟结果变化趋势一致，监测结果表明架空加固、下穿顶进施工控制技术合理。

　　 1)本工程下穿段铁路线较为复杂，针对不同的线路特点采取不同的加固保护方式，施工前通过数值模拟对拟采用的加固方式进行安全评估，实测结果验证了数值模拟成果的可靠性。工前的数值模拟还能发现原设计存在的薄弱环节，及时对设计方案进行优化，因而是十分必要的。

　　 2)数值模拟和实测数据表明，在本工程的地质条件下，D便梁加固保护范围沿铁路线方向上宜为从边坡往外延伸1.5倍的坑深，既能保证既有铁路线的安全运营，又能取得较好的经济效益。

　　 3)研发了滑动小车配合附加纵梁的托换体系，解决了纵横抬梁架空区框架顶进过程中受力转换的难题。

　　 4)通过本工程的优选和实践发现，对于架空跨度较大、铁路线较多、曲率平缓(本工程为1/1 000～1/800m^-1)的下穿段，宜选用D便梁进行架空加固;对于架空跨度较小、铁路线曲率较大(本工程约为1/200m^-1)的下穿段，宜选用纵横抬梁进行架空加固。