既有鐵路斜交蓋板涵接長方案探討

張大軍 曾凡根 劉志軍

（中鐵二院貴陽勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴陽 550002）

既有鐵路改造及增建二線設(shè)計施工中，經(jīng)常需要對既有線涵洞進行接長。接長涵洞施工會干擾既有線行車。尤其是對于斜交角度較大（25°～45°）、孔徑較大（3～6 m）的蓋板涵，進出口梯形蓋板拆除、防護的安全風(fēng)險極高，防護工作量大，報批手續(xù)繁瑣，周期長，工期緊。國內(nèi)學(xué)者對涵洞接長進行了相應(yīng)的研究［1-3］，主要集中在防護措施選擇、施工方案選擇且大多數(shù)針對正交涵洞，對斜交蓋板涵的具體接長方案較少涉及。斜交蓋板涵由于原涵洞采用的通用圖計算假定與接長后不符而需特殊考慮。選擇合適的接長方案，對降低施工安全風(fēng)險、縮短施工周期、確保行車安全、降低成本均有重要意義。本文對增建渝懷二線21座斜交涵洞出入口蓋板及邊墻分別建立MIDAS有限元模型，分析其接長后的受力特點，并結(jié)合計算結(jié)果總結(jié)5種接長方案。

1 既有涵接長分析

1.1 工程背景

增建渝懷二線為客貨共線鐵路，設(shè)計速度120 km/h，秀山至懷化段共有接長斜交蓋板涵21座，見表1。既有斜交蓋板涵根據(jù)通用圖《叁橋5013》和《叁橋5014》設(shè)計。按通用圖中計算假定的說明，中間涵節(jié)蓋板填土高為軌底至蓋板頂土厚，出入口梯形蓋板填土高為梯形蓋板頂實際填土厚，活載亦按照分布擴散后的實際情況取用。增建二線后，既有涵原梯形蓋板填土厚度發(fā)生了較大變化。有必要對接長后的出入口梯形蓋板及邊墻進行驗算，確定既確保安全又方便施工的最優(yōu)方案。

表1 斜交蓋板涵統(tǒng)計

1.2 既有涵出入口蓋板及邊墻分析

接長斜交蓋板涵孔徑、角度、填土高度均不同，為分析不同情況下的受力，針對每個涵洞出入口蓋板及邊墻建立MIDAS有限元模型。出入口梯形蓋板按簡支結(jié)構(gòu)采用板單元建模［4］，荷載包括自重、豎向土壓力、活載引起的土壓力。邊墻按懸臂結(jié)構(gòu)采用梁單元建模，荷載包括自重、豎向土壓力、水平土壓力、活載引起的土壓力。

表2 典型涵洞梯形蓋板及邊墻驗算結(jié)果

1.3 計算結(jié)果

將21個涵洞計算結(jié)果匯總統(tǒng)計，表2給出了每種孔徑典型涵洞梯形蓋板及邊墻的鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力及裂縫寬度，表3給出了統(tǒng)計結(jié)果?？芍?，95%的斜交蓋板以及50%的邊墻考慮接長增加的荷載后相關(guān)指標(biāo)不能滿足規(guī)范要求，必須采取相應(yīng)的措施。

表3 梯形蓋板及邊墻強度及裂縫驗算統(tǒng)計

2 接長方案探討

目前對于斜交蓋板涵梯形蓋板多采用拆除方案，但梯形蓋板由于角度問題往往比常規(guī)正交涵洞伸入路基下方范圍大，對既有線的擾動也比常規(guī)正交涵洞大，往往需要中斷行車予以施工［5-7］。通過計算發(fā)現(xiàn)，梯形蓋板和邊墻不一定同時不滿足規(guī)范要求，接長方案應(yīng)根據(jù)具體情況采用不同措施。根據(jù)渝懷二線斜交接長涵洞的實際情況，本文給出了5種接長方案。

2.1 方案1——蓋板上設(shè)置新蓋板

從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)填土高度增加后，既有蓋板強度不足，若簡單拆換，需清除斜交蓋板上部填土，既有線邊坡防護困難，邊坡溜坍難以控制。當(dāng)新蓋板板頂至軌底填土高度滿足規(guī)范要求時，利用既有梯形蓋板，鏡像設(shè)置新梯形蓋板，使其與既有蓋板構(gòu)成矩形，其上設(shè)新蓋板，新蓋板兩端設(shè)支撐樁，避免拆除既有梯形蓋板，從而消除安全隱患，加快了施工進度。該方案見圖1。

圖1 蓋板上設(shè)置新蓋板

2.2 方案2——邊墻外設(shè)置防護樁

當(dāng)填土高度增加導(dǎo)致水平土壓力超出梯形蓋板邊墻承載能力時，為避免拆除邊墻，可采用在邊墻外側(cè)設(shè)置防護樁，消除因拆除梯形蓋板邊墻帶來的安全風(fēng)險。該方案見圖2

圖2 邊墻外設(shè)置防護樁

2.3 方案3——涵內(nèi)套設(shè)鋼筋混凝土框架涵

當(dāng)蓋板或邊墻強度不足，但是涵內(nèi)凈空富余量較大，內(nèi)套框架不影響排洪或者立交功能時，可采用涵內(nèi)套設(shè)鋼筋混凝土框架涵方式，徹底消除因拆除、開挖帶來的安全風(fēng)險，既節(jié)約投資，又加快施工進度。該方案見圖3。

圖3 涵內(nèi)設(shè)置鋼筋混凝土框架涵

2.4 方案4——受拉側(cè)粘貼碳纖維布

當(dāng)梯形蓋板邊墻、蓋板強度滿足要求，但裂縫寬度不滿足規(guī)范要求時，避免簡單拆換帶來安全風(fēng)險，采用粘貼碳纖維布對既有蓋板或邊墻進行補強，安全可靠性高，施工簡便，工期短，對既有鐵路運營影響小。

2.5 方案5——拆除斜交蓋板或涵節(jié)

當(dāng)方案1至方案4不滿足現(xiàn)場要求時，可選擇拆除、新建方案。由于涉及到蓋板頂一定范圍土體清除，所以對既有線影響較大。平金艷［8］在朔黃鐵路復(fù)線肅黃段12座斜交涵洞蓋板抽換中采取了同一個天窗時間內(nèi)實現(xiàn)拖出舊蓋板安裝新蓋板的方法，此方法雖操作簡單，投入較少，但若發(fā)生一次性操作不到位，易引起后續(xù)通車中斷。因此渝懷二線采用先實施防護樁、支承樁、架設(shè)D型便梁等防護措施后拆除斜交蓋板或涵節(jié)。該方案見圖4。

通過采用以上5種方法，渝懷二線21座斜交蓋板涵洞均已施工完畢，安全可靠，工期滿足施工組織要求。

圖4 拆除斜交蓋板或涵節(jié)

3 結(jié)語

斜交蓋板涵接長是既有線涵洞接長中一個特殊的門類，由于斜交部分在受力方面與正交部分不同，接長之前的首要任務(wù)是對原斜交結(jié)構(gòu)進行驗算。

本文依托增建渝懷二線21座斜交涵洞接長，對蓋板、涵身的裂縫以及應(yīng)力進行了數(shù)值分析。然后依據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場實際總結(jié)出5種斜交蓋板涵接長方案，涵蓋了大部分既有鐵路斜交涵洞接長的情形。實踐證明，這5種方案能有效應(yīng)對斜交蓋板涵接長中遇到的問題，對既有鐵路影響小，施工安全，可供類似工程借鑒。