橋涵頂進(jìn)限速45 km/h線路加固體系施工改進(jìn)實(shí)踐

陳 宜，彭 華，蔡小培

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

鐵路橋涵頂進(jìn)施工中，營業(yè)線安全問題受到多方面的關(guān)注。在頂進(jìn)施工中，對(duì)鐵路軌道結(jié)構(gòu)的加固是有關(guān)營業(yè)線安全的重要一環(huán)。本文在既有線路加固方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合北京鐵路局的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，對(duì)加固體系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 縱橫梁結(jié)合吊軌梁加固法

縱橫梁結(jié)合吊軌梁線路加固法是工字鋼縱橫梁對(duì)線路縱挑橫抬并與吊軌梁配合使用的加固方法。施工時(shí)，首先應(yīng)按3-3-3-3或3-5-3等形式鋪設(shè)吊軌梁，然后設(shè)置橫梁。當(dāng)頂進(jìn)橋涵與線路斜交時(shí)，還須加設(shè)縱梁架空線路。吊軌梁是設(shè)置在線路鋼軌兩側(cè)并與之在同一水平上的鋼軌束，而線路枕木則利用φ22U型螺栓和角鋼或扣板懸掛在吊軌梁上。橫梁設(shè)置應(yīng)按軌底到橋涵頂?shù)母叨冗x擇工字鋼型號(hào)，鋪設(shè)間距一般1.5 m左右。目前，在橫梁下多采用加設(shè)專用小臺(tái)車的施工方法，可以最大限度地減少頂進(jìn)阻力，效果良好?？v橫梁鋪設(shè)見圖1所示。橫梁一端支承在箱涵頂上，另一端支承在路基枕木垛或挖孔支撐樁上。

工字鋼橫梁設(shè)計(jì)時(shí)，活載一般取現(xiàn)行機(jī)車最大軸重250 kN作為計(jì)算荷載。當(dāng)線路限速不超過45 km/h時(shí)，列車沖擊系數(shù)為1.11?？紤]橫梁的不均勻工作系數(shù)為1.3，則限速不超過45 km/h時(shí)，綜合系數(shù) β=1.11 ×1.3=1.443，取 1.5。

由于橫梁鋪設(shè)間距一般為1.5 m，與機(jī)車特殊荷載軸重分布間距一致，但有時(shí)橫梁鋪設(shè)間距更小，可近似保守認(rèn)為每副軸重P作用在一根橫梁上，由兩條鋼軌各承擔(dān)一半，則工字鋼橫梁可按簡支梁核算其強(qiáng)度與撓度。

橫梁計(jì)算簡圖見圖2所示。其中P為機(jī)車軸重，LP為工字鋼橫梁計(jì)算跨度，C為軌頂中心至橫梁支點(diǎn)處的水平距離。

圖1 縱橫梁結(jié)合吊軌梁加固法示意

2 加固體系設(shè)計(jì)的試驗(yàn)檢驗(yàn)

圖2 橫梁計(jì)算圖式

為執(zhí)行“營業(yè)線橋涵頂進(jìn)施工限速不得低于45 km/h”規(guī)定，確認(rèn)框構(gòu)橋頂進(jìn)施工時(shí)列車以45 km/h速度通過時(shí)的安全性能，由北京鐵路局組織、相關(guān)單位配合共同完成了北京玉泉路下穿京門線立交工程縱橫梁結(jié)合吊軌梁線路加固體系的安全適應(yīng)性試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，得出以下結(jié)論:列車在45 km/h及以下速度通過時(shí)，脫軌系數(shù)及輪重減載率均在容許范圍內(nèi);縱橫梁結(jié)合吊軌梁線路加固體系可滿足列車45 km/h及以下速度通過的要求;橋上線路滿足《鐵路線路維修規(guī)則》的有關(guān)要求;框構(gòu)頂進(jìn)期間，應(yīng)隨時(shí)檢查縱橫梁連接及支點(diǎn)狀況，一旦發(fā)現(xiàn)連接松動(dòng)須及時(shí)緊固，發(fā)現(xiàn)支點(diǎn)木塞松動(dòng)須及時(shí)打緊;框構(gòu)頂進(jìn)期間，須隨時(shí)檢查線路狀態(tài)并對(duì)不良位置進(jìn)行整修;若改善橫梁支撐方法及連接緊固工藝，該體系會(huì)更加穩(wěn)固。

3 基于加固試驗(yàn)的改進(jìn)實(shí)踐

根據(jù)北京玉泉路框構(gòu)橋工程限速45 km/h條件下線路加固試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)及結(jié)論，中鐵六局在大秦線K337+002.5楊雁路地道橋工程的施工中，對(duì)線路加固體系進(jìn)行了改進(jìn)實(shí)踐。

3.1 工程概況

工程位于北京市懷柔區(qū)，楊雁路地道橋在鐵路里程K337+002.5處下穿大秦線。既有大秦線鐵路東西走向，為雙線電氣化鐵路。楊雁路與大秦鐵路方向交角為74.7°，相交處位于鐵路直線段。鐵路下行線為75 kg/m鋼軌，上行線為60 kg/m鋼軌?？驑?gòu)橋?yàn)?孔10.5 m。本工程施工采用線路外預(yù)制箱體，在不中斷鐵路行車的條件下從大秦鐵路北側(cè)整體頂入就位法施工。工程示意如圖3所示。

圖3 楊雁路地道橋工程示意(單位:m)

大秦線機(jī)車車輛軸重25 t，列車有220節(jié)車廂，列車通過間隔時(shí)間為10 min，時(shí)速80 km/h。橋涵頂進(jìn)及線路加固、拆除線路加固設(shè)備慢行施工期間限速45 km/h。因此，對(duì)線路加固體系的安全適應(yīng)性較以往要求更高，須結(jié)合既有結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，對(duì)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 線路加固設(shè)計(jì)

北京局加固體系試驗(yàn)證明，按結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、撓度條件設(shè)計(jì)的線路加固體系，整體的安全性良好。本工程繼續(xù)采用此方法進(jìn)行線路加固設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行局部改進(jìn)。

鐵路列車活載圖式選用“中-活載”，活載取現(xiàn)行機(jī)車最大軸重為25 t進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)大秦線萬噸重載列車將對(duì)線路產(chǎn)生連續(xù)超長時(shí)間沖擊振動(dòng)破壞的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場具體條件，橫向工字鋼間距選用更加保守的0.8 m。結(jié)構(gòu)最大彎矩為

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，橫梁選用I45a工字鋼，查得:截面模量Wx45=1 430 cm3，對(duì)x軸慣性矩 Ix45=32 200 cm4。得到結(jié)構(gòu)最大彎曲應(yīng)力為

其中容許應(yīng)力［σ］為170 MPa。由式(2)可以得LP≤4 m，即橫梁最大可懸空跨度為4 m。頂進(jìn)挖土量須嚴(yán)格控制以保證懸空跨度在此范圍內(nèi)。

設(shè)計(jì)橫梁的撓度為

由式(3)可見，設(shè)計(jì)橫梁撓度滿足要求。根據(jù)實(shí)際情況，支撐樁(挖孔樁φ1.25 m)間距按5.2 m設(shè)計(jì)，設(shè)置在大秦上行線南側(cè)路肩及兩線間。因此，縱梁及吊軌梁計(jì)算跨度取5.2 m?！爸?活載”按跨中彎矩影響線確定最不利位置，荷載如圖4所示。

圖4 計(jì)算活載圖式(單位:m)

偏保守考慮，大秦線上行、下行線路外側(cè)均采用雙工字鋼與單根并用作為一組縱梁，線間采用雙工字鋼作為一組縱梁，共三道縱梁?？v梁選用I56a工字鋼，截面慣性矩 I56=65 600 cm4，截面抵抗矩 W56=2 340 cm3。

由于吊軌梁頂面不得高于主軌頂面，故選用50 kg/m舊鋼軌。Wx=251 cm3，Ix=2 037 cm4。結(jié)構(gòu)選用常用3-5-3形式。

由于橫梁最大可懸空跨度為4 m，按最不利情況即上行線吊軌梁與其南側(cè)縱梁承重的圖式進(jìn)行檢算。實(shí)際上，縱橫梁結(jié)合吊軌梁加固體系的受力是非常復(fù)雜的，理論計(jì)算繁瑣。這里選用一種較簡便的近似計(jì)算方法進(jìn)行縱梁、吊軌梁檢算。

根據(jù)活載圖式，荷載P總=4×220=880 kN。假定上行線南側(cè)縱梁上的集中荷載為P1，上行線兩軌兩側(cè)吊軌梁上的集中荷載分別為P2，上行線兩軌中間吊軌梁上的集中荷載為 P3，相對(duì)應(yīng)的慣性矩分別為 I1，I2，I3，撓度為 f1，f2，f3。由于橫梁布置間距密，懸空跨度小，近似認(rèn)為縱梁、吊軌梁的撓度相等。

各截面的慣性矩為:I1=196 800 cm4、I2=6 111 cm4、I3=10 185 cm4?？紤]各截面處的撓度相同f1=f2=f3。即

考慮荷載總和為

聯(lián)立公式(4)和公式(5)，代入?yún)?shù)可得

大秦上行線南側(cè)路肩支撐樁間距L=5.2 m，樁直徑為1.25 m，兩樁體間的凈空為5.20-1.25=3.95 m，橫梁根數(shù)n=3.95/0.8+1=5.9根，取6根。所以計(jì)算跨度內(nèi)縱梁及吊軌梁與6根橫梁聯(lián)結(jié)，列車荷載通過橫梁傳遞給縱梁?？v梁及荷載分布見圖5所示。

圖5 縱梁受力圖式(單位:m)

結(jié)構(gòu)撓度滿足撓度條件要求。

按同樣方法對(duì)兩側(cè)吊軌梁進(jìn)行檢算。集中荷載P2作用下，兩側(cè)吊軌梁上的分布荷載、彎矩、應(yīng)力及撓度分別為 P2分，M2max，σ2，f2max。計(jì)算如下

以下對(duì)縱梁進(jìn)行檢算，其分布荷載為

近似計(jì)算跨中最大彎矩

最大彎曲應(yīng)力

縱梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。

結(jié)構(gòu)最大撓度為

按同樣方法對(duì)中間吊軌梁進(jìn)行檢算。集中荷載P3作用下，中間吊軌梁上的分布荷載、彎矩、應(yīng)力及撓度分別為 P3分，M3max，σ3，f3max。計(jì)算如下

通過計(jì)算，縱梁及吊軌梁撓度值基本相等，與所設(shè)前提條件吻合。由于恒載相對(duì)活載較小，此設(shè)計(jì)檢算未考慮恒載作用。另外，對(duì)橫梁、縱梁、吊軌梁的作用活載選擇，已經(jīng)預(yù)留安全系數(shù)。頂進(jìn)時(shí)，橫梁工字鋼下加墊專用小臺(tái)車，對(duì)縱梁、吊軌梁有減載作用。

圖6 線路加固體系施工平面示意

通過計(jì)算分析并結(jié)合施工條件及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將縱橫梁結(jié)合吊軌梁線路加固體系設(shè)計(jì)如下:橫梁按寬出橋體兩側(cè)邊墻外端各6 m布置，橫向布置范圍37 m，共計(jì)47根，每根長21～23 m，選用I45a工字鋼;縱梁共3道，大秦線上、下行線路外側(cè)均采用雙工字鋼與單根并用共兩道，線間采用雙工字鋼為一道，選用I56a工字鋼，每道縱梁長度48 m，兩端各伸出橋體兩側(cè)邊墻外11.5 m;吊軌梁采用50 kg/m鋼軌，形式3-5-3，長50 m，兩端各伸出橋體兩側(cè)邊墻外12.5 m;縱梁與橫梁、吊軌梁與枕木及橫梁均采用φ22U型螺栓卡和蓋板牢固連接。工程線路加固體系施工平面示意，如圖6所示。

3.3 施工工藝及改進(jìn)實(shí)踐要點(diǎn)

大秦線橋涵頂進(jìn)施工時(shí)，線路加固施工工藝流程為:施工準(zhǔn)備→鋪設(shè)吊軌梁→穿橫梁工字鋼→鋪設(shè)縱梁工字鋼→頂進(jìn)線路防護(hù)→拆除線路加固設(shè)備→線路恢復(fù)。準(zhǔn)備階段，還對(duì)線路加固工藝進(jìn)行了改進(jìn)。由于既有線路基為砂加卵石填筑，為防止頂進(jìn)期間塌方，線路加固前特對(duì)路基進(jìn)行注漿加固。注漿加固后的路基，有效改善了松散的性狀，有效增加了黏結(jié)性。

優(yōu)化后的線路加固體系提高了橫梁工字鋼等級(jí)，減小了橫梁工字鋼間距，保證了橫梁工字鋼的跨空強(qiáng)度，提高了線路加固體系整體剛度;提高了縱梁工字鋼等級(jí)并成束布置，提高了線路加固體系整體剛度;改善了橫梁工字鋼支撐方法，設(shè)置了支撐樁，線路加固體系更加穩(wěn)固。

框構(gòu)頂進(jìn)期間，需指派專人隨時(shí)檢查掌控縱橫梁連接及支撐狀況，一旦發(fā)現(xiàn)連接松動(dòng)及時(shí)緊固，發(fā)現(xiàn)木楔松動(dòng)及時(shí)打緊。此外，還指派專人隨時(shí)檢查線路狀態(tài)，以便及時(shí)整修。大秦線K337+002.5楊雁路地道橋工程，頂進(jìn)工期20 d，已于2006年9月建成通車。橋涵頂進(jìn)施工過程中，列車運(yùn)行狀態(tài)良好。

4 結(jié)論

本文基于鐵路線路加固中經(jīng)常采用的縱橫梁結(jié)合吊軌梁法，根據(jù)線路加固試驗(yàn)數(shù)據(jù)做了相應(yīng)改進(jìn)，較好地解決了大秦線萬噸重載列車連續(xù)沖擊荷載作用下，限速45 km/h的營業(yè)線線路加固難題，保證了頂進(jìn)地道橋施工期間鐵路的安全運(yùn)營。既有線路加固體系的設(shè)計(jì)、施工的改進(jìn)實(shí)踐，效果良好。本文所提出的線路加固體系改進(jìn)方案，對(duì)于類似線路加固工程，具有重要的參考價(jià)值。

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