高地下水位道岔區(qū)頂進(jìn)框架線路加固設(shè)計(jì)

李文浩

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

1 工程概況

商丘市梁園路由南向北依次下穿隴海鐵路路基、鄭徐高鐵橋梁，根據(jù)平面圖顯示，道路與隴海線4條股道(2條隴海正線和2條到發(fā)線)存在交叉；自南向北各線線間距分別為5.0 m、5.5 m、5.6 m。交叉處道岔型號(hào)為9號(hào)道岔，下穿鐵路路基采用6 m+11.5 m頂進(jìn)框架穿越既有正線及道岔區(qū)，由于道岔區(qū)鐵路線間距受限，接觸網(wǎng)及信號(hào)設(shè)備十分復(fù)雜，頂進(jìn)難度較大，需合理采取縱橫抬梁架空方案，保證架空體系安全。

橋址處位于黃淮沖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦、開闊，地面高程50.00～50.90 m，相對(duì)高差0.90 m，地層以第四系全新統(tǒng)沖洪積層為主，該處地下水位較高，測(cè)時(shí)地下水埋深5.1 m，標(biāo)高45.56 m，根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，線路加固支點(diǎn)樁長(zhǎng)度需18 m，若采取人工挖孔方式，受地水位限制，施工條件不足，需進(jìn)行降水；而框架橋距離鄭徐高速鐵路橋梁較近，《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB 10182-2017)[1]規(guī)定：高鐵影響范圍內(nèi)禁止抽降水，因此，該處框架橋支點(diǎn)樁施工方案需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

2 道岔區(qū)線路加固設(shè)計(jì)

2.1 道岔區(qū)線路加固特點(diǎn)

框架橋頂進(jìn)過程中，需保證既有線路正常運(yùn)營(yíng)，道岔為機(jī)車由一股道進(jìn)入另一股道的連接設(shè)備，道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)及設(shè)備復(fù)雜[2]，對(duì)變形要求較高，線路加固必須保證道岔的所有設(shè)備與縱橫抬梁體系形成可靠連接，滿足平順性要求，保證設(shè)備正常使用。

本工程道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的終端電纜盒無法固定，須遷移、防護(hù)并完成部分電纜更換工作，無法固定的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)可加固至線路架空橫抬梁上[3]?？v橫抬梁線路加固方式相對(duì)靈活，道岔區(qū)架空支點(diǎn)樁可根據(jù)線路走向進(jìn)行異型布置，保證縱橫梁結(jié)構(gòu)體系安全。

2.2 道岔區(qū)線路加固設(shè)計(jì)

圖1 縱橫抬梁平面布置

橫抬梁在枕木底部穿越，橫抬梁間距0.6 m。橫抬梁與枕木底用木板填塞，保證橫抬梁與枕木連接緊密。為了保證道岔整體性受力，在道岔區(qū)枕木下鋪墊20 mm厚鋼板，鋼板與橫抬梁間用木板填塞。施工期間應(yīng)派專人對(duì)線路架空進(jìn)行監(jiān)護(hù)，每次列車通過后必須及時(shí)檢查，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題隨時(shí)解決，保證線路標(biāo)高、各構(gòu)件連接可靠。

2.3 縱橫梁數(shù)值模擬

采用Midas/Civil 2017有限元程序?qū)芸阵w系進(jìn)行空間分析，分別對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度與剛度進(jìn)行檢算。由于加固范圍共計(jì)4股道，分別為隴海上、下行線、四線、八線，部分區(qū)段存在道岔，計(jì)算時(shí)按不同的車道加載計(jì)算，架空系統(tǒng)沿線路方向最大間隔11m設(shè)置一道橫抬梁組，設(shè)計(jì)荷載傳力途徑為：鋼軌→橫梁→縱梁→支撐和鋼軌→橫抬梁組→支撐[5]。為了解該橋架空結(jié)構(gòu)的受力性能，精確定位支點(diǎn)樁的位置，設(shè)定合適邊界條件，對(duì)整個(gè)架空體系上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維分析?？v橫抬梁均采用Q235的鋼材，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖2 縱橫抬梁有限元模型

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

經(jīng)計(jì)算可知，道岔位置跨中橫梁在荷載組合主+附(有車橫風(fēng))下，出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，同時(shí)，結(jié)構(gòu)豎向位移最大值也出現(xiàn)在跨中橫梁處，該不利工況下模型位移及應(yīng)力結(jié)果如圖3至圖5所示。

(1)強(qiáng)度檢算。計(jì)算結(jié)果顯示縱梁最大應(yīng)力為127.1 MPa，材料的容許應(yīng)力值為185 MPa，滿足規(guī)范要求，普通橫梁45a最大應(yīng)力為130.3 MPa，橫梁組45a最大應(yīng)力為163.2 MPa，均未超過材料容許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

(3)差異變形值。對(duì)單波長(zhǎng)范圍內(nèi)縱、橫梁相對(duì)變形情況進(jìn)行分析[7]，縱梁最大差異變形值為8.4 mm，滿足道岔有砟軌道動(dòng)態(tài)平順度11 mm的要求；橫梁最大差異變形值為4.13 mm，滿足《鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ》中道岔的拉桿及外鎖閉裝置水平方向的高低容許偏差不大于5 mm的要求。

圖3 縱梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4 橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 位移計(jì)算結(jié)果

(4)根據(jù)施工單位提供的有效位移觀測(cè)數(shù)據(jù)及應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與上述監(jiān)測(cè)位置的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，比較結(jié)果如表1、表2所示。

表1 橫梁跨中變形結(jié)果對(duì)比

表2 橫梁應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果變形、應(yīng)力變化趨勢(shì)吻合良好，本次線路加固體系鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 基于高地下水位架空方案優(yōu)化

3.1 地下水對(duì)頂進(jìn)施工的影響

線路加固中最常用的支點(diǎn)樁施工方法便是人工挖孔法，由于鐵路線路下方施工空間受限，而該工法不需要使用大型機(jī)械設(shè)備，快捷、方便，是一種實(shí)用可靠的成孔施工工藝，適用于地下水位以上的粉土、粉質(zhì)黏土、中等密實(shí)以上的砂土層[8]；但如果施工深度范圍存在潛水或承壓水的土層，人工挖孔灌注樁施工時(shí)井下作業(yè)條件差，存在塌方風(fēng)險(xiǎn)[9]，安全及施工質(zhì)量堪憂。若遇到本工程中臨近高鐵的情況，無法進(jìn)行降水作業(yè)，則必須對(duì)架空體系方案進(jìn)行優(yōu)化，以滿足線路加固需要。

3.2 支點(diǎn)轉(zhuǎn)換架空方式

以梁園路頂進(jìn)施工過程為例，提出一種新型支點(diǎn)樁施工方案：支點(diǎn)過渡轉(zhuǎn)換法。

(1)首先施工7 m人工挖孔樁，人工開挖至地下水位線以下0.5 m后成孔并灌注成樁，安裝全部縱梁和橫梁完成第一次線路架空，滿足45 km/h的列車慢行要求，并在既有箱身上放置枕木垛與橫梁相接，加固鐵路。完成臨時(shí)支點(diǎn)過渡樁后，按以下方法施工設(shè)計(jì)支點(diǎn)樁(樁長(zhǎng)L＝18 m)：設(shè)計(jì)支點(diǎn)樁采用間隔開挖施工，分兩輪完成，隔一挖一，先開挖支點(diǎn)樁鉆孔作業(yè)平臺(tái)，作業(yè)平臺(tái)形成后，采用小型回旋鉆完成下部樁基施工，架空立面如圖6所示。

圖6 支點(diǎn)樁局部架空立面示意

(2)除兩端支點(diǎn)樁外，其余支點(diǎn)樁鉆孔平臺(tái)以下14 m采用混凝土灌注樁，樁頂以上安裝直徑1.2 m鋼結(jié)構(gòu)樁，上方穿設(shè)橫抬梁組，橫梁與樁頂之間采用枕木與硬雜木板填塞密實(shí)并打緊，兩端支點(diǎn)樁上部4 m立模澆筑混凝土。首輪支點(diǎn)完成后，回填鉆樁平臺(tái)路基缺口并夯實(shí)，按同樣方法施工第二輪剩余支點(diǎn)樁，施工完成后回填夯實(shí)鉆樁平臺(tái)路基缺口，完成過渡支點(diǎn)與設(shè)計(jì)支點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過渡過程如圖7所示。

圖7 支點(diǎn)樁過渡方案立面布置

3.3 頂進(jìn)施工時(shí)序分析

線路架空完成后，邊頂進(jìn)新建箱身A，邊鑿除新建箱身A處拼裝鋼結(jié)構(gòu)支點(diǎn)樁，待箱身頂進(jìn)至原拼裝鋼結(jié)構(gòu)支點(diǎn)樁位置后，在箱頂該位置設(shè)置滑動(dòng)支座，安裝滑道，直至頂進(jìn)至設(shè)計(jì)位置。在滑動(dòng)支座下安裝鋼支撐[10]，防止應(yīng)力過大。

邊頂進(jìn)新建箱身B，邊鑿除新建箱身B處拼裝鋼結(jié)構(gòu)支點(diǎn)樁，待箱身頂進(jìn)至原拼裝鋼結(jié)構(gòu)支點(diǎn)樁位置后，在箱頂該位置設(shè)置滑動(dòng)支座，安裝滑道，直至頂進(jìn)設(shè)計(jì)位置，滑動(dòng)支座下同樣安裝鋼支撐，防止應(yīng)力過大。

頂進(jìn)就位后，新建箱身左右側(cè)路基回填砂夾碎石加5%水泥，箱身間距采用M10砂漿填充，箱頂回填道砟，頂進(jìn)施工過程如圖8所示。

圖8 頂進(jìn)施工過程

3.4 工藝優(yōu)勢(shì)及難點(diǎn)

(1)采取支點(diǎn)轉(zhuǎn)換過渡方式能夠有效解決地下水位過高，人工挖孔樁實(shí)施困難的問題，既可避免大范圍降水，又能有效保證架空體系的穩(wěn)定性。

(2)人工開挖面以上部分采取拼裝鋼結(jié)構(gòu)樁，在頂進(jìn)過程中，拆除方便，避免人工鑿樁對(duì)縱橫梁體系及既有線的擾動(dòng)。

(3)因線路加固是在道岔上進(jìn)行，加固設(shè)備與普通線路不同，需要專門加工制作，為保證線路的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向位移及平面扭轉(zhuǎn)，縱橫梁間需加設(shè)剪刀撐[11]。

(4)商丘站西咽喉區(qū)實(shí)施頂進(jìn)框架，涉及轉(zhuǎn)轍機(jī)及信號(hào)機(jī)遷改，要點(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)鐵路行車存在一定的干擾，需協(xié)調(diào)鐵路信號(hào)、通信部門[12]，盡量縮短工期，減少對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)影響。

4 結(jié)束語

本工程結(jié)合鐵路線路特點(diǎn)、地下水位情況等因素，針對(duì)性地采用了異型縱橫抬梁、過渡支點(diǎn)樁、臨時(shí)鋼支撐等組成的線路加固系統(tǒng)。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了采取分次架空進(jìn)行線路加固是安全可靠的，既解決了地下水位過高無法完全采用人工挖孔樁的局限性，又能有效保證鐵路道岔區(qū)的線路平順性；施工過程中拼裝式鋼結(jié)構(gòu)樁拆除方便，無需進(jìn)行大范圍支點(diǎn)樁鑿除，能有效避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等不利情況，很好地解決了高地下水位區(qū)域道岔區(qū)頂進(jìn)框架線路加固困難的問題，能對(duì)同類型既有線框架橋設(shè)計(jì)提供參考。