鐵路專用線高度不足條件下隧道口架梁施工技術(shù)研究

韓鵬

摘要： 本文針對專用鐵路設(shè)計標準偏低、隧道洞口架梁作業(yè)高度不足的實際問題，介紹了“降低洞口軌道結(jié)構(gòu)高度和降低架橋機作業(yè)高度”的技術(shù)改進方案，文中詳細分析了此方案的安全性和可行性，通過具體實施收到良好效果，謹供同類工程參考。

Abstract： In view of the problem that the design standard of special railway is low and it is not high enough for tunnel portal girder erection operation， a technical improvement program is proposed， that is to lower the portal track structure height and the bridge girder erection machine working height. This paper analyzed the security and feasibility of this program. Good effects have been obtained after the implementation of the program. This method can provide reference for similar projects.

關(guān)鍵詞： 鐵路專線；隧道洞口；T梁架設(shè)；技術(shù)改進

Key words： special railway line；tunnel portal；T beam erection；technical improvement

中圖分類號：U455.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）09-0109-06

0 引言

新建鐵路當線下結(jié)構(gòu)施工完成后，一般采用專用鋪軌機和架橋機進行全線橋梁和軌道的鋪架施工。鐵路專用線多以單線形式修建，當遇到橋隧相連部位時，架橋機須在隧道洞內(nèi)就位進行洞外架梁作業(yè)。中鐵十七局集團鋪架分公司在進行麟游至寶雞二電廠煤炭鐵路專用線鋪架施工時，受設(shè)計標準偏低（隧道結(jié)構(gòu)高度低于國鐵設(shè)計標準）、線下工程和鋪架工程分期投標、隧道等線下工程已全部完工等客觀條件制約，隧道洞口高度有限，架橋機架梁作業(yè)高度嚴重不足，架橋機無法正常作業(yè)，給T梁架設(shè)施工帶來一定困難。

為了解決架橋機安全作業(yè)，該公司技術(shù)部分提出了“降低洞內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)高度及架梁作業(yè)高度的技術(shù)方案”和相應(yīng)的安全措施，并進行了充分的施工及安全可行性論證，與業(yè)主給出的“破除隧道口50m范圍混凝土填充層降低洞內(nèi)高度架梁后重新恢復(fù)”施工方案相比，具有提前工期、降低成本的顯著優(yōu)勢。

1 工程難點分析

1.1 隧道凈空小，易造成架橋機無法正常支立

經(jīng)實測，其中一座隧道頂端距離仰拱填充層頂面高度為7.473m，架橋機自然高度為7.67m（實測），正常軌道結(jié)構(gòu)高度為0.512m（鋼軌0.152m+橡膠墊板0.01m+III型枕0.2m+底砟0.15m），架橋機與軌道結(jié)構(gòu)總高度為：7.67m+0.512m=8.182m>7.473m，無法滿足正常架梁作業(yè)，如何確保架橋機在隧道內(nèi)能夠正常的進行作業(yè)，是本工程解決的重點。

1.2 軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整，易造成軌道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

由于正常軌道結(jié)構(gòu)無法滿足架橋機洞內(nèi)架梁，需對軌道結(jié)構(gòu)重新進行調(diào)整，如何確保調(diào)整后的軌道結(jié)構(gòu)能夠在架橋機行駛、作業(yè)的各種作用下軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，軌距、線形不發(fā)生變化，是本工程解決的問題之一。

1.3 橋頭線路加固不當，易造成架橋機傾覆

由于該架梁地段橋隧過渡段間距較短，路基段僅為8.4m，施工中受環(huán)境限制，無法采用大型壓路機械進行碾壓，故路基填筑質(zhì)量難于控制，如何確保架橋機通過或出梁過程中，不受路基承載力不足的影響，而能夠順利、平穩(wěn)的進行隧道口架梁，是本工程解決的問題之二。

1.4 架橋機結(jié)構(gòu)高度調(diào)整，易造成無法正常喂梁

調(diào)整架橋機的結(jié)構(gòu)高度，如果太低，喂梁時，梁片將碰撞到機臂，無法通過；如果過高，還是滿足不了架橋機在隧道口進行架梁作業(yè)的要求，架橋機結(jié)構(gòu)高度的調(diào)整是本工程解決的問題之三。

2 JQ170型架橋機隧道口架梁方案

架橋機在正常作業(yè)狀況下，主機2#柱完全位于隧道外時的最小距離計算是（見圖1）：胸墻距1#車前端1.1m，2號柱后端距1#車前端14.1m，合計1.1+14.1=15.2m。通過計算，只有當橋臺胸墻至隧道口間的距離>15.2m時，隧道結(jié)構(gòu)尺寸的大小才不會影響到架橋機正常的架梁狀態(tài)。本文以茍家?guī)X隧道口架梁為例，實測隧道口至橋臺胸墻間的距離為13.9m<15.2m，說明此時架橋機2號柱位于隧道內(nèi)，需要制定相應(yīng)的方案來確保2號柱頂端不與隧道洞頂相接觸。

結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)查的情況，研究制定了保留T梁擋砟墻和不保留T梁擋砟墻兩大系列方案。

2.1 不保留T梁擋砟墻方案（方案Ⅰ）

JQ170型架橋機在隧道內(nèi)作業(yè)受到隧道結(jié)構(gòu)尺寸的影響，架橋機只有在確保梁片能夠通過的情況下，盡可能的降低到最低點，通過梁片尺寸與架橋機立柱調(diào)節(jié)銷孔位置參數(shù)的對比分析得出，架梁時T梁擋砟墻暫不澆筑，鑿除外露T型鋼，并且將梁底支墊方木的高度由原先的20cm降低至6cm，橋梁支座的安裝也改為落梁后在墩頂上進行安裝，吊梁處（即距梁端3.5m）兩側(cè)各3m暫不上砟，其余部位上砟厚度為6～8cm。通過以上措施，有效的減小了梁體通過架橋機腹腔時的有效高度，架橋機凈空可以下調(diào)80cm，即架橋機1、2號柱由A插銷孔下調(diào)至D插銷孔后插銷固定（高度降低80cm，立柱銷孔位置圖見圖2），架橋機大臂伸到架設(shè)32m梁的位置穿銷固定，此時吊梁桁車底部至拖梁小車中部的高度為2.67m，滿足梁片的通過間距。

為了能夠滿足在隧道口進行T梁架設(shè)的作業(yè)條件，除了對架橋機高度進行調(diào)整外，還需要對下面的軌道結(jié)構(gòu)高度進行調(diào)整，根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)的形式，共制定了3套方案。

2.1.1 直鋪鋼軌鉚釘固定方案（方案Ⅰ-1）

隧道內(nèi)距隧道口30.2m（大臂末端至車體后端長度13.4m+大臂末端至隧道口距離1.8m+二號車的長度的一半15m=30.2m）范圍內(nèi)采用不鋪砟、不鋪枕，只鋪50kg/m鋼軌，在軌腰上打眼，用軌距拉桿來控制軌距，用鉚釘將鋼軌固定在隧道底板上的軌道結(jié)構(gòu)方式，該軌道結(jié)構(gòu)高度為15.2cm，軌道過渡段長度為18m，軌道結(jié)構(gòu)過渡段斷面圖（見圖3）。

橋隧過渡段的軌道結(jié)構(gòu)采用常見的軌道結(jié)構(gòu)，但需要采取線路加固措施，橋臺上方的軌道結(jié)構(gòu)同隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)。

通過軌道結(jié)構(gòu)的調(diào)整，架橋機2號柱頂至隧道拱頂?shù)木嚯x為39.2cm，最窄處至隧道壁13.3cm，能夠滿足JQ170型架橋機架梁需求。架橋機與隧道結(jié)構(gòu)關(guān)系圖（見圖4）。

2.1.2 K型扣件固定鋼軌方案（方案Ⅰ-2）

隧道內(nèi)距隧道口30.2m （大臂末端至車體后端長度13.4m+大臂末端至隧道口距離1.8m+二號車的長度的一半15m=30.2m）范圍內(nèi)，及橋臺上方5.5m，采用直接鋪設(shè)鋼軌（15.2cm）+K型分開式扣件（墊板厚度2cm）的軌道結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)高度為17.2cm，用K型分開式扣件（見圖5）及軌距拉桿來確保鋼軌不發(fā)生位移，每12.5m使用3根軌距拉桿，軌道過渡段長度為17m，軌道結(jié)構(gòu)過渡段斷面圖（見圖6）。橋隧過渡段的軌道結(jié)構(gòu)采用常見的軌道結(jié)構(gòu)，但需要采取線路加固措施。

通過軌道結(jié)構(gòu)的調(diào)整，架橋機2號柱頂至隧道拱頂?shù)木嚯x為35.8cm，最窄處至隧道壁10.5cm，能夠滿足JQ170型架橋機架梁需求。架橋機與隧道結(jié)構(gòu)關(guān)系圖（見圖7）。

2.1.3 鋼板條代替軌枕固定鋼軌方案（方案Ⅰ-3）

隧道內(nèi)距隧道口30.2m （大臂末端至車體后端長度13.4m+大臂末端至隧道口距離1.8m+二號車的長度的一半15m=30.2m）及隧道口至胸墻13.9m范圍內(nèi)采用鋪設(shè)20cm寬、2cm厚、250cm長的鋼板條，鋼軌直接焊接在鋼板條上的軌道結(jié)構(gòu)形式，軌道結(jié)構(gòu)高度為17.2cm，同時使用軌距拉桿共同來保持軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，軌道過渡段長度為17m，軌道結(jié)構(gòu)過渡段斷面圖（見圖8）。

通過軌道結(jié)構(gòu)的調(diào)整，架橋機2號柱頂至隧道拱頂?shù)木嚯x為35.8cm，最窄處至隧道壁12.6cm，能夠滿足JQ170型架橋機架梁需求。架橋機與隧道結(jié)構(gòu)關(guān)系圖（見圖9）。

2.1.4 方案技術(shù)經(jīng)濟比較

通過對上述三個方案的綜合對比分析，形成了技術(shù)經(jīng)濟分析表（見表1）。

以上三種方案，通過架橋機及軌道結(jié)構(gòu)高度的調(diào)整后，均能夠滿足JQ170型架橋機在隧道口架梁的需求，但是通過從人、材、機三項綜合費用的計算比較上，方案Ⅰ-2所需費用相對較低，從工期控制上，施工用時也相對較少，并且采用K型扣件將鋼軌固定在隧道仰拱及橋臺混凝土面上要比鉚釘及鋼板更加穩(wěn)固，安全相對有保障。故方案Ⅰ-2明顯優(yōu)于方案Ⅰ-1與方案Ⅰ-3，方案Ⅰ-2納入與方案Ⅱ的比選。

2.2 保留T梁擋砟墻方案（方案Ⅱ）

本方案考慮到簡支T梁在預(yù)制過程中，能夠一次性澆筑成形，整體性良好，根據(jù)32m T梁高度2.91m（含擋砟墻）測算架橋機的可調(diào)節(jié)高度，架橋機最低可調(diào)節(jié)下降高度為40cm，即架橋機1、2號柱由A插銷孔下調(diào)至C插銷孔后插銷固定，大臂伸到架設(shè)32米梁的位置穿銷固定，此時架橋機的高度為7.27m+0.172m（方案Ⅰ的最小軌道結(jié)構(gòu)高度）=7.442m比隧道凈高7.473m略微低0.031m，考慮到隧道頂部圓弧與架橋機頂部外廓形狀不相匹配，同時還考慮到施工誤差造成的結(jié)構(gòu)高度的增加，架橋機在支立過程中勢必會磕碰到隧道主體，造成機械損壞與隧道主體損傷。通過分析隧道仰拱的設(shè)計結(jié)構(gòu)，決定將仰拱混凝土層向下鑿30cm深的溝槽來增加隧道的凈高，來滿足架橋機在隧道口的架梁施工，待架梁結(jié)束后拆除軌道，重新修補隧道仰拱。根據(jù)架橋機所處的位置，決定將隧道內(nèi)距隧道口30.2m（大臂末端至車體后端長度13.4m+大臂末端至隧道口距離1.8m+二號車的長度的一半15m=30.2m）部分，以隧道中心線兩側(cè)0.75m為中心，鑿出一個寬36cm、深30cm的溝槽找平，將鋼軌置于溝槽內(nèi)，采用K型分開式扣件固定，并且將溝槽以里的隧道仰拱，整體向下鑿低20cm，防止架橋機車體最底部觸碰到隧道仰拱，造成機械損壞。路基過渡段同樣要開槽來鋪設(shè)木枕，同時要采取線路加固措施。

通過降低仰拱厚度以及軌道結(jié)構(gòu)高度，架橋機2號柱頂至隧道拱頂?shù)木嚯x為27.2cm，最窄處至隧道壁3.2cm，能夠滿足JQ170型架橋機架梁需求。架橋機與隧道結(jié)構(gòu)關(guān)系圖（見圖10）。

2.3 方案比選及推薦意見

經(jīng)過對比就隧道口架梁保留T梁擋砟墻和不保留T梁擋砟墻方案進行研究分析，以下對2個方案進行比較。技術(shù)經(jīng)濟比較見表2。

通過兩個方案的比較，方案Ⅱ需要向下鑿除隧道仰拱30cm才能滿足架梁需求，這樣會影響到隧道的施工質(zhì)量，并且恢復(fù)隧道仰拱費時費力，還無法保證仰拱修復(fù)的施工質(zhì)量，對以后的維保埋下了質(zhì)量隱患，并且實施周期長，工序繁瑣，而方案Ⅰ-2預(yù)留T梁擋砟墻暫不澆筑，不會對結(jié)構(gòu)物造成損傷，通過技術(shù)處理后，不影響梁片整體的質(zhì)量評定，對使用及后期維護無影響。故單線矮小隧道口T梁架設(shè)推薦不保留T梁擋砟墻，K型扣件固定鋼軌的方案?，F(xiàn)場實施后的效果圖（見圖11、圖12）。

3 軌道結(jié)構(gòu)受力檢算

為了確保軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對選定方案Ⅰ-2的軌道結(jié)構(gòu)受力情況進行簡算。

3.1 主要參數(shù)

JQ170型架橋機半懸走行狀態(tài)下，最大軸重為29t，即P0=290kN；所采取軌道結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)資料（見表3）。

3.2 軌道各部件受力計算

①計算剛比系數(shù)K。

由表3可知D=12000N/m，a=300mm，則

u=■=40MPa；

K=■=■=0.00125mm-1

②計算∑Pμ（N）。

由于JQ170架橋機兩個轉(zhuǎn)向架之間的距離比較大（為20m），所以兩轉(zhuǎn)向架可以認為是彼此獨立，互不影響的。故只需計算1#柱底下轉(zhuǎn)向架即可。轉(zhuǎn)向架輪對中各車輪的輪載分布見圖13。

當計算輪對分別為1、2、3、4、5時，各部分計算值見表4。

取表4中∑Pμ（N）最大值為222780.9N。

③計算靜彎矩M0。

M0=■∑P？滋=44556180（N*mm）

④計算動彎矩Md。

架橋機可以看做是內(nèi)燃機車，運行速度為0～6km/h，則運行條件下軌底彎曲應(yīng)力的速度系數(shù)公式為：

？琢=■=■=0.024

f=1.25則：

Md=M0（1+？琢）f=57031910.4（N*mm）

⑤計算鋼軌的動彎應(yīng)力？灼1d和？灼2d。

？灼1d=■=201.5MPa<[？滓s]=324

？灼2d=■=235.7MPa<[？滓s]=324

通過計算，上述軌底及軌頭抗彎強度符合檢算條件。

⑥木枕抗壓強度檢算。

由于采用的是木枕，其抗彎性能較好，故只檢算其抗壓強度。

計算∑Pη（N）：

計算方式和計算∑Pμ（N）的一樣，計算結(jié)果見表5。

取表5中∑Pη（N）最大值為383612N。

⑦木枕動壓力Rd的檢算。

速度系數(shù)α=■=■=0.024

軌下墊板的接觸面積F=190*290mm=55100mm2

Rd=R0（1+α）=（1+0.024）■

=■=73653N

？孜s=■=1.34MPa<[？孜s]=1.4MPa

滿足承壓要求。

3.3 檢算結(jié)論

經(jīng)過以上檢算，所采用軌道結(jié)構(gòu)各部件所受應(yīng)力均未超過標準允許值，滿足架橋機通過要求。

4 橋頭線路加固措施

橋臺尾部至隧道口路基過渡段由于路基填筑過程中受環(huán)境、地理位置的限制，無法采用大型壓路機械進行碾壓，并且所填土質(zhì)較差，均為濕陷性黃土，所以過渡段的路基承載力比較薄弱，線路鋪設(shè)時應(yīng)考慮采用線路加固措施來確保架梁施工的安全。線路加固方式應(yīng)根據(jù)路基填筑質(zhì)量情況選定，主要有如下幾種加固方式：①軌道加固：臨時增加軌撐、軌距拉桿、護軌等；②單穿加固：每個枕木空加穿一根枕木；③對穿加固：每個枕木空對穿兩根枕木；④扣軌加固：分別將枕木兩頭及軌道中心用43kg/m鋼軌沿線路縱向?qū)⒕€路加固成整體。

根據(jù)茍家?guī)X隧道出口與中嶺溝中橋間路基實測承載力及沉降量數(shù)據(jù)分析，本段線路選擇采用單穿枕木加固方式，過渡段線路加固圖（見圖14）；同時，為防止橋臺翼緣板受力不均開裂，在翼緣板下方加設(shè)支撐來保證作業(yè)安全，翼緣板支撐圖（見圖15）。

線路加固方法：將3.1m長岔枕穿入枕木間隙，同樣采用K型扣件與鋼軌連接，使用軌距拉桿來固定軌距，確保鋼軌不發(fā)生位移，枕木空隙全部采用道砟填實，并逐根將枕木下方道砟搗固密實，調(diào)整好線路的方向、水平、高低。存在空吊板時，可用木板將枕木與鋼軌間的間隙墊實，使其能均勻受力。為防止路基因荷載作用下小幅下沉，需在橋頭備上足夠的道砟，以便及時整修線路。

5 方案實施

新建麟游至寶雞二電廠鐵路專用線設(shè)計為單線鐵路，線路全長87.1km，全線共有11座隧道，35座橋梁，線路最大坡度為20‰，隧道口架梁最大坡度為16‰，困難地段隧道口架梁位于半徑為1200m的緩和曲線上。隧道凈空?。ńㄖ藿?.55m），隧道區(qū)段均屬于黃土溝梁低中山區(qū)，隧橋間距較短，隧道口場地狹窄，交通十分不便。橋梁采用通橋（2012）2101-I型，32mT梁高2.91m（含擋砟墻），24mT梁高2.51m（含擋砟墻），現(xiàn)采用的JQ170型架橋機，正常作業(yè)高度為7.40m，長度為64.3m。根據(jù)實地對隧道結(jié)構(gòu)斷面、橋隧過渡段長度進行量測，以及架橋機正常作業(yè)下的結(jié)構(gòu)尺寸的核實發(fā)現(xiàn)，該架橋機因部分架橋機機體需在隧道內(nèi)支立，隧道凈空小，將無法在何家灣隧道口、楊家山隧道口、茍家?guī)X隧道口按照正常作業(yè)高度進行隧道口的T梁架設(shè)。

中鐵十七局集團鋪架分公司公司采用了本研究成果，在何家灣隧道口、楊家山隧道口、茍家?guī)X隧道口架梁施工中，分別采用了降低洞內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)高度和降低架橋機作業(yè)高度的技術(shù)改進方案，取得了成功，工期提前20天，節(jié)省破除隧道洞口混凝土填充找平層混凝土及恢復(fù)費用10.2萬元。

6 結(jié)束語

經(jīng)過寶麟鐵路單線隧道洞口T梁架設(shè)方案的研究和實施證明，所采用的“降低洞口軌道結(jié)構(gòu)高度和降低架橋機作業(yè)高度的方法”安全可靠，該技術(shù)2015年度經(jīng)山西省科技廳專家技術(shù)鑒定達到國內(nèi)先進水平，可在類似工程中借鑒。

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