朔黃鐵路小半徑曲線橋梁大偏心評估與整治技術(shù)

王風(fēng) 袁磊 王新讓 許良善 李銳

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

朔黃鐵路是我國早期建設(shè)的主要重載鐵路之一。重載鐵路由于列車軸重與牽引質(zhì)量大、貨物列車密度高，在重載列車的長期作用下位于曲線上的橋梁易出現(xiàn)較大的線橋偏心，而小曲線半徑上的橋梁該問題更加突出。朔黃鐵路曲線半徑最小的恢河特大橋線橋偏心值最大達(dá)311 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出TG/GW 103—2018《普速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》［1］的規(guī)定：運營橋上線路中線與梁跨設(shè)計中線的偏差，圬工梁不應(yīng)大于70 mm。

本文就恢河特大橋線梁大偏心對橋梁和軌道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了測試分析，在此基礎(chǔ)上擬定了線梁大偏心整治方案，并對整治過程中的線橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比測試，驗證了整治效果，可為同類橋梁病害的處理提供借鑒。

1 恢河特大橋線梁大偏心分布

恢河特大橋全長936.29 m，橋跨布置28×32 m。橋梁位于曲線半徑R=400 m的圓曲線、緩和曲線和直線上，曲線為左轉(zhuǎn)曲線，圓緩點位于21#墩附近，緩直點位于24#墩附近；線路縱坡-5.0‰、-1.3‰和-9.0‰，變坡點分別位于8#墩和25#墩附近。橋墩左右線錯孔布置，梁體斜置。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，梁端設(shè)鋼支座，下部結(jié)構(gòu)采用T形橋臺、圓柱墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)。

在重載列車長期作用下恢河特大橋有砟道床無縫線路逐步出現(xiàn)了向曲線內(nèi)側(cè)（左側(cè)）的偏移，見表1。線橋偏心以運行重車的上行線更為嚴(yán)重，最大偏心值311 mm，出現(xiàn)在第1孔，運行輕車的下行線偏心程度相對較小，最大偏心值102 mm，出現(xiàn)在第2孔。從全橋范圍來看，上行線橋偏心超過限值70 mm的區(qū)段主要出現(xiàn)在第1~22孔和第28孔，多為圓曲線段，并以第1、2孔偏心值最大，均大于200 mm。

表1 恢河特大橋典型孔跨實測線橋偏心值

2 線橋偏心原因分析

橋上軌道結(jié)構(gòu)在列車橫向力作用下逐漸偏離設(shè)計中線，出現(xiàn)線橋偏心，是曲線特別是小半徑曲線橋梁的典型病害。主要原因分析如下。

1）曲線超高與列車運行速度不適應(yīng)

對于曲線上的軌道結(jié)構(gòu)，曲線外軌超高根據(jù)均衡車速設(shè)置。當(dāng)實際運營列車以不同速度通過時會產(chǎn)生過超高或欠超高，過超高時產(chǎn)生未被平衡的向心加速度，欠超高時產(chǎn)生未被平衡的離心加速度［2］，形成作用于軌道結(jié)構(gòu)的不平衡水平力。

恢河特大橋曲線半徑400 m，曲線超高100 mm，計算均衡車速為58.2 km/h。對運營期間58趟列車的運行速度進(jìn)行了統(tǒng)計分析，實測列車運行速度14.3~62.1 km/h，其中小于58.2 km/h的趟次占比82.7%。分別選取列車運行速度為15.6、27.1、33.9、39.6、49.4、60.0 km/h時的輪軸橫向力進(jìn)行統(tǒng)計分析，見表2。表中負(fù)值表示輪軸橫向力朝向曲線外側(cè)，正值表示輪軸橫向力朝向曲線內(nèi)側(cè)。

表2 不同車速下輪軸橫向力統(tǒng)計

由表2可知：①朝向曲線外側(cè)的輪軸橫向力隨速度增加而增加，而朝向曲線內(nèi)側(cè)的輪軸橫向力隨列車速度的變化不明顯，不同速度下朝向曲線內(nèi)側(cè)的輪軸橫向力基本一致。②當(dāng)速度為15.6~49.4 km/h時，整列車所有輪對平均輪軸橫向力均為正值，說明列車通過時軌道整體受到朝向曲線內(nèi)側(cè)的橫向力。③當(dāng)速度為15.6~27.1 km/h時，90.9%~99.5%的輪軸橫向力朝向曲線內(nèi)側(cè)；當(dāng)速度為33.9~49.4 km/h時，該比例為63.6%~73.3%；當(dāng)速度為60 km/h時，該比例為59.8%。

恢河特大橋列車實際運行速度低于現(xiàn)狀超高下的均衡車速，運營狀態(tài)軌道結(jié)構(gòu)承受較大的朝向曲線內(nèi)側(cè)的橫向力，是該橋出現(xiàn)向曲線內(nèi)側(cè)線梁大偏心的直接原因。因而合理設(shè)置橋上線路外軌超高、擬定適當(dāng)?shù)牧熊囘\行速度［3］對橋上軌道結(jié)構(gòu)來說是必要的。

2）道床橫向阻力偏低

道床橫向阻力偏低是橋上出現(xiàn)線梁大偏心的根本原因。對恢河特大橋橋頭路基段和橋上普通Ⅲ型軌枕的道床橫向阻力進(jìn)行了對比測試，實測路基段和橋上道床橫向阻力平均值分別為9.0、9.1 kN/枕。橋上道床橫向阻力略高于路基段，主要與橋上護(hù)軌的作用有關(guān)，實際橋上道床提供的橫向阻力應(yīng)小于測試值，且該測試值也不滿足TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》［2］規(guī)定的重載鐵路道床橫向阻力不小于12 kN/枕的要求。

恢河特大橋道床橫向阻力偏低的客觀原因有：①道砟超厚導(dǎo)致道床面抬高、擋砟墻位于道床底部，道床肩部的擋砟塊只能勉強(qiáng)保持肩部道砟不溜塌，無法為軌道提供有效橫向阻力；②橋上道床厚度的增加導(dǎo)致道床橫向剛度減?。?-4］，道床對軌道結(jié)構(gòu)的約束能力降低；③曲線內(nèi)側(cè)道床砟肩寬度和堆高不足，部分區(qū)段肩寬約30 cm，部分軌枕端部道砟低于軌枕端頭頂面10 cm左右。由于擋砟塊的不穩(wěn)定和道床肩部形狀無法保持，道床內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)無法為軌道結(jié)構(gòu)提供足夠的橫向阻力。

3 線橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)

1）橋上軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)

大軸重列車通行產(chǎn)生的較大輪軸橫向作用力會加劇鋼軌側(cè)磨病害，進(jìn)而使得軌道幾何尺寸難以保持，最終造成軌道幾何尺寸超限、軌距加寬，導(dǎo)致曲線正矢的改變。此外，橋上道床結(jié)構(gòu)板結(jié)、臟污等劣化嚴(yán)重，道床豎向支承剛度增大，相應(yīng)地軌道結(jié)構(gòu)相對剛度減小，不利于軌道幾何尺寸的保持。

恢河特大橋除了鋼軌嚴(yán)重側(cè)磨以外，還存在由于輪軌接觸疲勞以及列車沖擊荷載導(dǎo)致的剝離掉塊和接頭傷損、鋼軌頂面不平順導(dǎo)致的接頭附近波磨，見圖1。相關(guān)病害主要出現(xiàn)在軸重、運量及線橋偏心更大的上行線。

圖1 恢河特大橋上行線鋼軌病害

2）橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)

線橋偏心影響橋梁上下部結(jié)構(gòu)的受力性能，使得偏心側(cè)梁體和墩樁活載效應(yīng)明顯增大，造成兩片梁體受力不均勻，并導(dǎo)致橫隔板受力增大。在大軸重、大運量條件下可能導(dǎo)致梁體抗裂安全性和抗傾覆穩(wěn)定性降低、橫隔板斷裂，嚴(yán)重時可能危及運營安全。

該橋的設(shè)計控制條件為外梁的受力?，F(xiàn)場實測結(jié)果表明，線橋偏心狀態(tài)下的橋梁實際受力已變?yōu)閮?nèi)梁受力控制。計算設(shè)計“中-活載”作用下偏心狀態(tài)受力較不利的內(nèi)梁檢定承載系數(shù)為0.97，小于規(guī)范限值1.00。

4 整治方案

橋梁線梁大偏心的整治應(yīng)從如下三方面展開：

1）消除線橋偏心。常用的有移梁法和撥道法。移梁法主要在橋面以下作業(yè)，通過豎向頂升和水平頂推梁體實現(xiàn)梁體相對軌道結(jié)構(gòu)的移位，京秦線289號橋［5］線橋偏心的整治即采用移梁法。撥道法直接在橋面進(jìn)行作業(yè)，通過調(diào)整軌排幾何線形降低線橋偏心，作業(yè)難度低于移梁法，京九下行線茨園特大橋等［6-8］的線橋偏心整治采用撥道法。

2）減小軌道結(jié)構(gòu)不平衡水平力。主要通過設(shè)置與實際列車運行速度相適應(yīng)的曲線外軌超高來實現(xiàn)，曲線外軌超高應(yīng)根據(jù)均方根速度計算并設(shè)置。均方根速度V j計算式為［2］

式中：N i為一晝夜各類列車趟數(shù)；Q i為各類列車質(zhì)量；Vi為實測各類列車速度。

3）提高軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性。采用的主要方式有：通過加密軌枕、配套采用加強(qiáng)型扣件［9］提高軌排的橫向剛度；通過增設(shè)枕端帽提高道床橫向阻力；采用聚氨酯或道砟膠固化技術(shù)提升道床穩(wěn)定性；對于橋面道砟超厚的區(qū)段，通過降低道床厚度來提高枕肩橫向阻力。

恢河特大橋現(xiàn)階段首先采取撥道法調(diào)整軌道平面線形，并通過道床機(jī)械清篩適當(dāng)調(diào)整線路縱向斷面，消除線橋偏心和道砟超厚病害。

由于線橋偏心整治撥道量大，涉及專業(yè)多，且工序復(fù)雜，按先易后難的原則，分多次進(jìn)行撥道整治。首先整治偏心量相對較小的下行線，再對偏心量較大的上行線進(jìn)行整治。下行線一次撥道，上行線分兩次撥道。

上行線最大撥道量305 mm（第一次撥道量158 mm，第二次撥道量147 mm，見圖2），下行線最大撥道量115 mm。撥道后上行曲線鋼軌伸長337 mm，下行曲線鋼軌伸長176 mm，因而在偏心整治前的應(yīng)力放散時，在最大撥道量所在的單元軌條上加設(shè)臨時緩沖區(qū)。緩沖區(qū)的短軌預(yù)留一定伸長量，該伸長量按撥道造成的本條曲線的鋼軌總伸長量擬定。

圖2 恢河特大橋上行線兩次撥道量示意

5 整治效果

對恢河特大橋線梁大偏心整治期間與整治后的軌道和橋梁結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行觀測。

1）軌道結(jié)構(gòu)受力

軌道結(jié)構(gòu)觀測共進(jìn)行了四次，分別為第一次撥道前后，第二次撥道后和撥道完成后6個月。測試內(nèi)容為輪軌力參數(shù)和軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)。

①輪軌力參數(shù)。撥道前后四次測試的橋上第一孔跨中斷面輪軌力參數(shù)最大值見表3?？梢姡簱艿狼昂筝喼販p載率基本相當(dāng)，脫軌系數(shù)、輪軸橫向力略有減小，且撥道完成半年后基本穩(wěn)定。

表3 兩次撥道前后實測輪軌力參數(shù)最大值

②軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)。撥道前后四次測試的橋上第一孔跨中斷面軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)最大值見表4?？梢姡旱谝淮螕艿篮筌壍罓顟B(tài)還未穩(wěn)定，內(nèi)軌橫移、外軌橫移、軌距變化量均有一定幅度增加；第二次撥道在軌道結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定后進(jìn)行動態(tài)測試，與第一次撥道前相比，橋上斷面鋼軌橫移最大值從1.81 mm降低到1.58 mm，動態(tài)軌距擴(kuò)大量從3.02 mm降低到2.90 mm，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有一定改善。第四次測試時橋上斷面外軌橫移及動態(tài)軌距量較大，可能與扣件及軌距拉桿狀態(tài)有關(guān)。

表4 兩次撥道前后實測軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)最大值 mm

2）橋梁結(jié)構(gòu)受力

橋梁結(jié)構(gòu)觀測共進(jìn)行了四次，分別為第一次撥道前后和第二次撥道前后。測試內(nèi)容為梁體振動參數(shù)和撓度、應(yīng)力。

①梁體振動參數(shù)。兩次撥道前后第一孔跨中斷面梁體實測振動參數(shù)最大值見表5?？梢姡簩崪y梁體跨中橫向振幅、橫向加速度和豎向加速度最大值均小于規(guī)范限值；與第一次撥道前相比，第二次撥道后梁體跨中橫向振幅和豎向加速度最大值總體減小，橫向加速度在第一次撥道前后變化不大，但第二次撥道后有所增大。

表5 兩次撥道前后實測梁體振動參數(shù)最大值

②梁體撓度與應(yīng)變。兩次撥道前后第一孔跨中斷面實測左梁和右梁的撓度與應(yīng)變對比見圖3，撓度比和應(yīng)變比最大值見表6?？梢姡弘S著軌道由曲線內(nèi)側(cè)（左側(cè)）向外側(cè)（右側(cè)）調(diào)整，左、右梁撓度比和應(yīng)變比均呈減小的趨勢，以第一次撥道完成后最為明顯。撓度比最大值由1.126減小為1.082，運營40 d后再次測試時繼續(xù)減小至1.045，第二次撥道完成后測試時增大至1.092；應(yīng)變比最大值則由1.109減小為第二次撥道后的0.963。

圖3 撥道前后實測跨中左、右梁撓度和應(yīng)變對比

表6 兩次撥道前后實測梁體撓度比和應(yīng)變比

3）軌枕位置觀測

對撥道完成后軌枕橫向位置的觀測結(jié)果表明，撥道完成一年后軌道結(jié)構(gòu)又發(fā)生了向曲線內(nèi)側(cè)的偏移，偏移量為69~94 mm，平均值為83 mm，說明僅調(diào)整軌道幾何形位不能達(dá)到徹底消除小半徑曲線橋梁線梁大偏心問題。在撥道、落道的同時，采取調(diào)整外軌超高、道砟膠固化等措施減小運營列車作用下軌道結(jié)構(gòu)的不平衡水平力、提高軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性是必要的。

6 結(jié)論

1）線橋偏心是小半徑曲線上橋梁的典型病害之一，相應(yīng)軌道結(jié)構(gòu)存在較為嚴(yán)重的側(cè)磨、剝離及波磨，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外梁活載分配有變化，大偏心時對偏心側(cè)梁體受力較為不利，且影響橫隔板受力。

2）曲線超高與運營列車速度不適應(yīng)是小半徑曲線橋梁線梁大偏心的直接原因，道床橫向阻力偏低是該病害出現(xiàn)的根本原因。

3）恢河特大橋采用撥道、落道的方式對線梁大偏心進(jìn)行整治，整治完成后的道床穩(wěn)定性得到了一定改善，偏心側(cè)梁體受力改善明顯，但軌道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性仍難以保持。軌道結(jié)構(gòu)幾何形位的調(diào)整不足以徹底解決小半徑曲線橋梁線梁大偏心問題，需進(jìn)一步采取措施減小運營狀態(tài)軌道結(jié)構(gòu)不平衡水平力，提高其橫向穩(wěn)定性。