濟寧市濟安橋南路下穿新日鐵路立交橋工程施工過渡方案研究

趙振剛

(1.北京交通大學(xué)土木建筑學(xué)院, 北京 100044；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院, 濟南 250022)

1 概述

隨著我國鐵路運營速度、行車密度、安全要求的逐步提高,既有線改造的施工難度、安全壓力不斷增大。主要體現(xiàn)在：一是必須確保既有線正常運營與安全[1],這是對改造施工的最根本要求。二是必須在給定的施工時間內(nèi)進行施工。每項施工進行時間由鐵路調(diào)度命令確定,提前或拖后均不允許。三是施工受到既有設(shè)備限制、牽涉面廣,需多部門同時協(xié)調(diào)配合才能完成。既有線正常運行有其完整的設(shè)備和運輸組織體系,施工過程中一旦改動既有線,需相應(yīng)調(diào)整運輸組織秩序,對既有相關(guān)設(shè)備進行有序調(diào)整、檢測調(diào)試,逐步進行施工。因此,在既有線改造施工中,施工過渡方案是施工組織中的關(guān)鍵因素。鐵路施工過渡方案是否周密、合理、可行,對運營生產(chǎn)安全、工程施工順利進行以及工程造價起著決定性作用[2]。

在既有鐵路上增建下穿鐵路立交橋或?qū)扔邢麓╄F路立交橋進行改造,常用的施工過渡方案主要有兩類,第一類是在改造工點處修建施工便線,對既有線進行臨時封閉施工；第二類是在工點處架設(shè)便橋,對既有線實施臨時限速施工。兩類過渡方案中,修建施工便線方案具有對既有線運營干擾小、安全性高、對通過能力影響小等優(yōu)點,條件具備時應(yīng)優(yōu)先采用。

濟寧市濟安橋南路下穿新日鐵路立交橋改造工程對既有立交橋進行拓寬改造,由雙向2車道拓寬為雙向6車道。根據(jù)鐵路管理部門及建設(shè)單位要求,采用修建施工便線的形式進行施工過渡。

因工點西端為京杭運河特大橋,橋上既有鐵路曲線和周圍村莊等地形條件限制了施工便線方案的選擇。通過分析施工便線選線的控制因素,提出了施工便線選線原則,對施工便線方案進行了研究比選,對京杭運河特大橋上曲線撥移量控制方法進行了總結(jié)。

2 既有線概況及對施工過渡方案的要求

濟安橋南路下穿新日鐵路立交橋位于山東省濟寧市區(qū)西南部,新日鐵路(新鄉(xiāng)—日照)K270+832處。既有鐵路為雙線,濟安橋南路為濟寧市城市道路,雙向2車道。新日鐵路上跨濟安橋南路,新日上行線設(shè)3-10 m鋼筋混凝土梁橋,下行線設(shè)(5.5+10+5.5)m鋼筋混凝土梁橋。因城市道路建設(shè)需要,濟安橋南路拓寬改造為雙向6車道,鐵路立交橋需同步拓寬。

改造范圍內(nèi)既有新日鐵路上行線分布有曲線3處,其中1處曲線半徑1 000 m,緩和曲線長120 m,位于立交橋西側(cè)；反向曲線2處(1對),半徑4 000 m,緩和曲線長30 m,位于立交橋東側(cè)。下行線分布有曲線1處,半徑800 m,緩和曲線長100 m,位于立交橋西側(cè)。西端的京杭運河特大橋,橋長947.6 m,上、下行曲線進入橋梁范圍分別為61.43、41.52 m,均位于32 m混凝土梁地段。既有線平面示意見圖1,既有立交橋照片見圖2。

圖1 既有線平面示意(單位：m)

圖2 既有立交橋照片

既有線縱斷面坡度均在限制坡度內(nèi),不控制施工便線方案選擇。

該處地形以平原洼地為主,地質(zhì)構(gòu)造屬魯西南斷塊凹陷區(qū),地層均由第四系全新統(tǒng)和晚更新統(tǒng)沖洪積土組成,以黏性土、粉土、中砂為主?？拐鹪O(shè)防烈度6度,地震動峰值加速度0.05g,無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

根據(jù)鐵路管理部門及建設(shè)單位要求,采用拆除既有梁橋,上下行各新建四孔(10+12+12+10) m框架橋的改造方案。為保證既有線運營安全和施工安全,施工期間采用修建施工便線的形式進行過渡,便線設(shè)計行車速度不小于80 km/h。

3 施工過渡方案控制因素和選線原則

3.1 控制因素

3.1.1京杭運河特大橋上線路中線與梁跨設(shè)計中線偏差

工點西端為京杭運河特大橋,既有上、下行曲線進入橋梁范圍分別為61.43、41.52 m。因該曲線距離立交橋工點較近,設(shè)置施工便線將不可避免地對京杭運河特大橋上曲線進行撥移改造。

根據(jù)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》(鐵運[2010]38號)第3.1.2條的規(guī)定,橋上線路中線與梁跨設(shè)計中線的偏差不應(yīng)大于50 mm。經(jīng)現(xiàn)場測量,整正后既有京杭運河特大橋上線路中線與梁跨設(shè)計中線既有偏差為9～47 mm,詳見表1,個別點已接近偏差限值。如何控制京杭運河特大橋上曲線撥移量,避免橋上線路偏差超限是施工過渡方案的設(shè)計難點。

表1 既有京杭運河特大橋上線路中線與梁跨設(shè)計中線偏差

3.1.2 沿線村莊

線路南側(cè)為張口屯村房屋及農(nóng)田,施工便線應(yīng)盡量避免拆除房屋,減少對農(nóng)田的占壓。

3.1.3 立交橋處施工線間距

為預(yù)留出施工作業(yè)場地,在K270+832既有橋處,既有線與施工便線間距要求不小于20 m。

3.2 選線原則

3.2.1 控制京杭運河特大橋上線路撥移量

根據(jù)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》(鐵運[2010]38號)的要求,施工便線選線時應(yīng)控制京杭運河特大橋上線路撥移量,使撥移后橋上線路中線與梁跨設(shè)計中線偏差在規(guī)定的50 mm限值以內(nèi)。

3.2.2 減少便線工程量

在滿足施工便線設(shè)計行車速度不小于80 km/h及布置施工場地要求的前提下,減少施工便線長度,節(jié)約利用土地,減少便線工程量及投資。

4 施工過渡方案比選

4.1 方案說明

結(jié)合既有線路條件和沿線地形、村莊分布,研究了2種施工過渡方案。其中,Ⅰ方案在既有線南側(cè)修建施工便線進行過渡,Ⅱ方案在既有線北側(cè)修建施工便線進行過渡,過渡步驟分述如下。

4.1.1 Ⅰ方案

(1)在既有下行線南側(cè)修建下行施工便線,進行下行線施工過渡。

為控制運河特大橋上線路偏移量,將西端曲線交點沿切線東移,曲線半徑增大至1 200 m,緩和曲線長采用120 m,ZH點里程K270+139；在立交橋處便線設(shè)置為曲線,與既有線間距不小于20 m,曲線半徑2 000 m,緩和曲線長70 m；立交橋東側(cè)設(shè)曲線與既有線相接,曲線半徑2 500 m,緩和曲線長60 m。

(2)封閉該段既有下行線,進行下行橋梁改造施工。

(3)上行線設(shè)便線過渡至橋梁改造完成后的下行線。西端曲線半徑增大至1 200 m,緩和曲線長220 m。東端設(shè)反向曲線與既有上行線連接,曲線半徑8 000 m,緩和曲線長40 m,夾直線長50 m。

(4)封閉該段既有上行線,進行上行橋梁改造施工。

(5)恢復(fù)上行線及下行線。

Ⅰ方案平面示意見圖3。

圖3 Ⅰ方案線路平面示意(單位：m)

本方案施工便線對既有京杭運河特大橋上曲線進行撥移改造,經(jīng)計算改造后線路與橋梁中線偏差最大值28 mm,符合《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》(鐵運[2010]38號)的規(guī)定要求。本方案新建施工便線1.25 km,撥移既有線路1.68 km,填土方113 450 m3,主要工程投資949.592 9萬元。

4.1.2 Ⅱ方案

(1)在既有上行線北側(cè)修建上行施工便線,進行上行線施工過渡。

京杭運河特大橋上線路的曲線半徑1 000 m、緩和曲線長90 m、ZH點里程K270+126.19維持既有不變,東側(cè)緩和曲線及切線邊繞既有圓曲線圓心旋轉(zhuǎn)延伸；在立交橋處便線設(shè)置為曲線,與既有線線間距不小于20 m,曲線半徑1 200 m,緩和曲線長90 m；立交橋東側(cè)設(shè)曲線與既有上行線相接,曲線半徑2 000 m,緩和曲線長60 m。

(2)封閉該段既有上行線,進行上行橋梁改造施工。

(3)下行線設(shè)便線過渡至橋梁改造完成后的上行線。西端曲線圓心不變,半徑維持800 m,緩和曲線長維持100 m。東端設(shè)反向曲線與既有下行線連接,曲線半徑1 800 m,緩和曲線長30 m,夾直線長50 m。

(4)封閉該段既有下行線,進行下行橋梁改造施工。

(5)恢復(fù)下行線及上行線。

Ⅱ方案平面示意見圖4。

圖4 Ⅱ方案線路平面示意(單位：m)

本方案京杭運河特大橋上曲線維持既有不動,新建施工便線1.64 km,撥移既有線路1.23 km,填土方127 593 m3,主要工程投資1 088.786 4萬元。

4.2 方案優(yōu)缺點分析及推薦意見(表2)

4.2.1 優(yōu)缺點分析

(1)Ⅰ方案對在既有下行線南側(cè)修建施工便線,對西端京杭大運河特大橋上曲線進行撥移調(diào)整。優(yōu)點是線路順直,平面條件好,對鐵路運營安全有利,新建施工便線長度短,工程投資省。缺點是線路撥移長度較長,施工要點時間長。

表2 施工便線主要工程數(shù)量及投資比較

(2)Ⅱ方案在既有上行線北側(cè)修建施工便線,京杭大運河特大橋上下行曲線均維持既有位置不變。優(yōu)點是撥移線路較短,施工要點時間短。缺點是施工便線不順直,平面條件差,對鐵路運營安全不利,新建便線長度長,工程投資高。

4.2.2 推薦意見

2個施工過渡方案中,Ⅰ方案具有線路順直、平面條件好、對鐵路運營安全有利、工程投資省等優(yōu)點,推薦采用Ⅰ方案。

5 橋上曲線撥移量控制

在上述施工過渡方案中,在對京杭運河特大橋上曲線進行撥移改造時,如何控制線路中線與梁跨設(shè)計中線偏差是方案研究的難點。上述2個方案中采取了不同的控制方法,分述如下。

5.1 Ⅰ方案

本方案根據(jù)鐵路平面曲線模型,通過坐標(biāo)計算的方式,列出曲線半徑、緩和曲線長、ZH點位置3個曲線要素的可能組合,計算不同組合下橋上線路中線與梁跨設(shè)計中線偏差值,其中偏差值最小的方案即為最優(yōu)方案。

5.1.1 鐵路平面曲線模型[1]

鐵路正線平面曲線一般為兩端設(shè)有緩和曲線的圓曲線,緩和曲線采用3次拋物線形[1]。主要參數(shù)有交點坐標(biāo)、轉(zhuǎn)向角α、曲線半徑R、緩和曲線長l0、控制樁里程等。平面曲線參數(shù)示意見圖5。

圖5 平面曲線參數(shù)示意

曲線上任一點(不含另一側(cè)的緩和曲線)在切線坐標(biāo)系中坐標(biāo)x,y為

當(dāng)l

當(dāng)l>l0時,

x=Rsinα1+my=R(1-cosα1)+p

式中x——沿切線方向x值；

y——垂直切線方向支距值；

α——轉(zhuǎn)向角；

R——圓曲線半徑；

l0——緩和曲線長；

l——任一點至ZH點的曲線長。

5.1.2 撥移量控制方法

通過對曲線半徑R、緩和曲線長l0、ZH點位置3個曲線要素進行綜合匹配,求出各里程點處線路中線與梁跨設(shè)計中線偏差。各里程點偏差總和最小時,即為最優(yōu)化的曲線要素組合。

以本工程為例,因下行線JD位置不確定,則可優(yōu)化的曲線要素有3個：曲線半徑R、緩和曲線長l0、ZH點位置。上行線因兩端直線邊已確定,JD位置已確定,可優(yōu)化的曲線要素有2個：曲線半徑R、緩和曲線長l0。

(1)下行線優(yōu)化過程

①計算既有曲線各里程點既有支距值y0

例如：既有下行線ZH點里程K270+146.98,曲線半徑R=800 m,緩和曲線長l0=100 m,橋臺胸墻里程K270+188.50。按上述公式計算,橋臺胸墻處既有支距值y0=149 mm。

②計算各里程點撥移量、偏差值,求出偏差值總和作為優(yōu)選指標(biāo)

因撥移量較小,各點撥移量等于支距差值y-y0,撥移后各點的偏差值等于既有偏差值與撥移量之和。例如：設(shè)計下行線ZH點里程K270+139,曲線半徑R=1 200 m,緩和曲線長l0=120 m,橋臺胸墻里程K270+188.50,既有線路中線與梁跨設(shè)計中線偏差值為9 mm。按上述公式計算,橋臺胸墻處y=140 mm,撥移量y-y0=140-149=-9 mm,即支距差值為-9 mm。則改造后+188.50處偏差值為9+(-9)=0 mm。

依次計算出各里程點的偏差值,并以偏移值總和作為撥移方案的優(yōu)選指標(biāo)。

③優(yōu)選方案

為求得最優(yōu)的撥移方案,可假定各種不同的曲線半徑R、緩和曲線長l0、撥移后ZH點里程3個要素組合進行優(yōu)選。分別計算出各組合的優(yōu)選指標(biāo)—“各里程點偏差值總和”,最小的方案即為最優(yōu)方案。

上述優(yōu)選過程較繁瑣,可利用Excel表格或編寫程序的方式解決。表3為Excel格式的下行線曲線要素優(yōu)化,從表中可以看出,在前10個偏差值總和最小的方案中,當(dāng)曲線半徑R=1 200 m、緩和曲線長l0=120 m、ZH點里程為K270+139時,各里程點偏差值總和最小,因此該方案為最優(yōu)方案,在設(shè)計中予以采用。

表3 下行線曲線要素優(yōu)化

(2)上行線優(yōu)化過程

因上行線兩端直線邊已確定,則JD位置已確定,需優(yōu)化的曲線要素減少為2個：曲線半徑R、緩和曲線長l0,ZH點里程通過計算得出。

表4為上行線曲線要素優(yōu)化,因曲線交點固定,可選的撥移方案只有6個。從表中可以看出,當(dāng)曲線半徑R=1 200 m、緩和曲線長l0=220 m、ZH點里程為K270+109.77時,各里程點偏差量總和最小,因此該方案為最優(yōu)方案,在設(shè)計中予以采用。

表4 上行線曲線要素優(yōu)化

從表3、表4中可以看出,橋上線路中線與橋梁中線偏差均在《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》(鐵運[2010]38號)規(guī)定的限值50 mm以內(nèi),滿足設(shè)計要求,且大部分里程點的偏差值得到了減小、改善。

5.2 Ⅱ方案

Ⅱ方案利用圓曲線的特性,即將曲線一端緩和曲線和直線邊繞既有圓曲線圓心旋轉(zhuǎn)時,不影響既有的曲線。本方案將施工便線設(shè)置在既有線北側(cè),京杭運河特大橋上線路的曲線半徑、緩和曲線長、ZH點里程維持既有不變,東側(cè)緩和曲線、直線邊繞既有圓曲線圓心旋轉(zhuǎn)延伸,不需要對特大橋上線路進行改動,也就不必考慮橋上線路中心與梁跨設(shè)計中心偏差控制問題了。

6 結(jié)語

圖6 濟安橋南路立交橋竣工后照片

濟寧市濟安橋南路下穿新日鐵路立交橋工程于2009年6月開工,2010年4月竣工,改造工作順利完成(圖6)。施工過渡方案細致周到、簡便易行、可實施性強,對運營干擾小,保證了項目順利實施,得到了鐵路運營主管部門、施工單位的認可。其中,橋上曲線撥移量控制是本設(shè)計的關(guān)鍵點,對類似的既有線改造施工過渡設(shè)計具有一定的參考價值,所采用的2種方法可根據(jù)工點實際情況選用。

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