D24梁串聯架空鐵路復線頂進大跨地道橋施工設計技術

宋來存

(中鐵二十二局哈爾濱鐵路建設集團有限公司,哈爾濱 150006)

1 概述

1.1 工程概況

哈爾濱市某市政快速干道打通工程,需穿越京哈線Ⅰ級鐵路干線復線(橋位處鐵路上、下行線間距約8.12m,兩線高差約 0.6m)及兩條鐵路專用線(線間距約 6.05m),專用線鐵路與國鐵正線下行線高差 1.0 m。地道橋與正線斜交角度約 103.3°。橋位處正線上行為R=850m圓曲線,下行為緩和曲線。施工期間封閉專用線,架空正線上下行線路。橫抬梁作中支點串聯 D24梁架空鐵道線路 3D示意如圖1所示。

地道橋設置為分離雙幅式(上下行單箱分離式結構),全長 110m。單幅地道橋凈寬 19.5m,行車道寬15.0m,行車道外側設 4.0m寬人行道,內側設 0.5m寬護輪帶。全橋單幅共分 A、B、C三段,其中 B段采用預制頂進法穿越鐵道線路,兩端其他 A、C兩段采用就地現澆法施工。A段框構側墻厚 1.05m(C段框構側墻厚 1.0m),頂板厚 1.0m,底板厚 1.2m,雙幅框構凈距 2m,框構總寬 45.1m(45.0m);B段框構側墻厚1.15m,頂板厚 1.16m,底板厚 1.2m,雙幅框構凈距1.7m,框構橋總寬 45.3m。

1.2 工程特點

1.2.1 施工干擾大

圖1 橫抬梁作中支點串聯D24梁架空鐵道線路 3D示意(B′兩段頂進階段)

該工程位于繁華市區,施工場地狹小,工程量大,工期短。工程所在場地狀況復雜,地下通信、給排水、市政煤氣等網絡錯綜復雜,給施工造成了很大難度,且工程下穿 4條鐵道線路(另兩條為企業專用線),鐵路運輸繁忙,施工期間保證鐵路運營的安全尤為重要,工程的施工安全要求特別高。

1.2.2 要求工期短

(1)鐵路運輸要求:D梁架空線路要求限速 45 km/h,列車沖坡動能下降,貨運列車需減軸,框構橋施工期間嚴重制約鐵路貨運能力,因此在鐵路干線上施工必須盡量縮短線路架空時間。

(2)季節性要求:工程開工時已進入 8月份,頂進過程中挖土是個動態過程,若進入冬季施工,土表層凍結后,不便于對土壁狀況觀測,對頂進施工安全監控不利,北方地區大型地道橋不便于在秋季轉入嚴冬季節期間頂進施工;為消除春融對基坑的危害,也不便于工期延后;施工完畢若進入嚴冬,恢復線路難度也很大。

綜合上述因素,并結合合同工期,框構橋制作、頂進工期限定在了 2006年 8月中旬至當年的 11月末,節點工程的有效工期 3.5個月。

2 線路加固結構設計

2.1 方案簡介

本工程框構橋斜交跨度較大,框構頂進施工時,采用單孔 D24梁架空時跨度不能滿足要求;傳統的縱橫抬梁法架空鐵道線路,采用的是多根工字鋼橫梁在框構頂面滑動,鋼軌頂面距框構頂面間距較大(框構左幅 1.932～2.809m,框構右幅 2.064～2.926m),采用傳統縱橫抬梁法架空線路,型鋼聯結構件加工、安裝工作量大,尤其是在曲線段,很難保證鐵道線路的穩定。

經綜合方案比選,施工設計采用一根橫抬梁作為中支點,將 D梁串聯,架空鐵路復線,進行多孔大跨度框構橋的頂進施工。因八三式軍用墩桿件便于人力短距離抬運,螺栓拼裝速度快,組拼后結構承載力大,鐵路局 D24便梁、八三式軍用墩桿件儲備數量充足,故確定橫抬梁采用八三式軍用墩桿件組拼。橫抬梁作中支點架空 D24梁 3D示意見圖2。

圖2 橫抬梁作中支點架空D24梁 3D示意

2.2 橫抬梁頂面 D梁支座反力計算

最不利工況:上下行雙孔重載會車,列車限速 45 km/h,B2(B′2)框構前端頂至下行 D梁外側,1∶1放坡至上行線 D梁下,橫抬梁跨度達到 10.50m。

2孔 D24梁自重 469.02kN

線上鋼軌及軌枕自重 25×2×0.6+42×4.0=198kN

由中-活載2孔重載,x=5.154m。

即圖示受力狀態下橫抬梁處中-活載引起的支座反力 R2、R3最大 :R2=1171kN,R3=1097kN。

沖擊及折減系數為 0.161(按 v=45km/h計算)。

最不利組合:上下行同時達到 2孔重載。

D24型施工便梁 2孔串聯,中支點處最大支座反力在如圖3所示位置(x=5.154m):

圖3 2孔重載時 D24梁剪力圖

此工況簡化:2組 D梁串聯,兩孔重載時,中支點簡化為 2個豎直向下集中荷載作用在橫抬梁上,每個集中荷載大小為列車動荷載和 D梁 +線路自重,即

而施工過程中通過監測,未出現上下行同時 2孔重載工況,實際出現的最不利組合為一線 2孔重載 +另線 2孔滿載,較上述檢算工況安全,2孔滿載(即 2孔串聯 D梁均布 80kN/m荷載)時,2個中支點反力的合力

設計檢算時偏安全地采用第一種工況檢算,即上下行復線同時達到 2孔重載。

2.3 橫抬梁前支點彈簧支座處理

挖土前在黏土頂面夯 200mm厚砂夾碎石,其上垂直橫抬梁方向密鋪 4000mm×150mm×150mm木方,橫抬梁置于木方上。中等密實的黃土性亞黏土基床系數參考數值 K0=39240～49050kN/m3,本工程取中值為 44145kN/m3。

橫抬梁縱向按 500mm間距設置彈簧支座,寬 4m支撐底面橫向設置 3個豎向彈簧支座,則每個彈簧支座的彈簧系數[1]為

橋位處土層為中等密實的黃土性亞黏土且無地下水,適合小放坡開挖快速頂進框構施工。框構持續頂進時采用 1∶0.75放坡開挖(頂進過程中因故暫停時采用 1∶1放坡)。挖土頂推框構至橫抬梁下時,橫抬梁落在框構頂面滑道上。橫抬梁受力計算跨度取10.5m,現場施工觀測各工況下均未達到此跨度,模型滿足安全性要求。

2.4 橫抬梁電算分析結果(圖4、表1)

圖4 橫抬梁最不利受力階段力學模型及內力

表1 橫抬梁控制截面內力計算[2～4]數據

3 橫抬梁安裝及框構橋頂進作業

3.1 橫抬梁線外預拼

框構頂進段在曲線外側限界外開槽預制,而在曲線內側限界外平整場地后,吊車配合人工分段預拼橫抬梁主梁。橫抬梁主梁由 3疊 5組八三桿件栓接拼裝,各組主梁沿縱向設間隔 3.5m由一根①號八三桿件在腹部貫穿連接,保證橫抬梁的整體剛度,安放 D梁中支點支座處該貫穿橫桿加密布置。

橫抬梁頂部 D梁中支座處按高程采用焊接構件調整支座高度。

橫抬梁聯結螺栓采用 φ10.9b高強螺栓,用扭矩扳手分 2次施擰。為保證高強螺栓重復使用,終扭扭矩定為 570N?m。

3.2 線下穿入橫抬梁

線路封鎖后,在 B框構橫抬梁處各采用一孔 D梁架空上下行線路后,解除封鎖,施工期間列車限速慢行,挖除橫抬梁處土方至設計高程,夯填 200mm厚碎石墊層,墊層頂面垂直橫抬梁軸線方向密鋪長 400mm、橫截面 150mm×150mm的松木方,木方上順橫抬梁縱軸線方向鋪木板,避免橫抬梁穿入過程中擾動木方,將線外預拼裝好的橫抬梁主梁穿入線路下方對位。

3.3 D梁在橫抬梁上就位

橫抬梁主梁就位后,線路缺口處橫抬梁上采用枕木垛加固線路,封鎖下行線路,施工影響范圍內電化區間停電,下行線路上 D梁順線路方向縱移,橫抬梁上安裝 D梁支座等附屬設施,下行線路上另一孔 D梁就位,將 2孔丙位 D梁在橫抬梁頂面串聯安裝,開通線路,列車限速慢行。上行線路也按照此程序完成該段線路架空。

因鐵路干線上施工封鎖時間緊,每條線路封鎖期間需安裝 4片 D梁的主梁,故采用列車救援吊安裝。

整個橫抬梁僅在 D梁支座下調坡處采用鋼板焊制小構件,其余均為八三式軍用墩桿件栓接。

3.4 框構頂面滑道設置

橫抬梁在框構滑道上的支座布置見圖5,橫抬梁在原狀土上的下臥層處置見圖6。

圖5 橫抬梁在框構滑道上的支座布置

圖6 橫抬梁在原狀土上的下臥層處置

框構預制完畢,對應橫抬梁位置現澆 4000mm寬、100mm厚 C25混凝土調整層,其上鋪 3條 500mm寬、10mm厚 Q235鋼帶,鋼帶接頭毛刺倒角磨光后點焊連接,橫抬梁下形成 3條下滑道,分別位于橫抬梁 3條主梁下方。

將 500mm×500mm聚四氟乙烯橡膠板涂黃油后扣放在下滑道上,20mm厚鋼板壓在四氟板上,形成上滑板,各塊上滑板布置間距約 2000mm。

框構上橫抬梁后及時將上滑板喂入下滑道與橫抬梁主梁之間,橫抬梁與上滑板間采用木方填隙,橫抬梁壓在上滑板上,并逐段將前方下滑道鋼板清理后涂抹黃油。

3.5 框構頂進

框構橋頂進至線路下方后,短進尺加快頂進,列車通過時停止挖土和頂進。

橫抬梁端部上框構以后,隨頂進及時清理下滑道鋼板上的雜物,并按要求涂抹潤滑劑后,及時安裝橫抬梁上滑板裝置,避免橫抬梁上框構后長時間不安上滑板,人為增大橫抬梁跨度,隨框構頂進,及時將后端滑板拆除,避免增加橫抬梁正彎矩。

框構內采用挖掘機順坡開挖,按規定要求放坡,頂進停頓期間,及時修坡至設計坡度,杜絕逆坡開挖和不按規定放坡。

施工期間派專人巡視邊坡土體、D梁支座、橫抬梁和 D梁連接件等,發現問題及時處理。

施工期間嚴格執行《鐵路技術管理規程》和鐵路局有關營業線施工管理文件,確保施工安全、有序進行。

4 結語

D梁及軍用八三墩桿件在鐵路局系統儲備量大、既有線施工使用頻繁、制式器材設計及安拆速度快,經過該工程實際施工檢驗,此工法滿足工程工期緊、安全要求高、經濟合理的目標要求,對類似條件工程施工有一定的參考價值。

該工程 2006年 8月中旬中標進場,當年 11月中旬頂進節段全部就位,提前兌現關鍵節點工期,為兌現合同工期奠定了基礎。施工期間,鐵路部門相關單位派人現場密切配合,將相互干擾降至最低,有效地保證了工程工期、安全、質量,且突破了鐵路緩和曲線上不能使用 D24梁的限制。

今后需注意的問題:該工程橋位處為中密黃土性亞黏土,若砂性土質上采用此工法施工,應在橫抬梁相應影響范圍內采用水泥攪拌樁進行土體加固;大跨度框構橋的頂進糾偏以預防為主,確保軸線及高程滿足設計和規范要求。

該 D梁串聯架空鐵路復線技術于 2008年初再次成功應用于大慶市通讓線 K409地道橋施工。

[1] 中國船舶工業總公司第九設計院編.彈性地基梁及矩形板計算[M].北京:國防工業出版社,1983.

[2] 夏志斌,姚誎.鋼結構設計:方法與例題[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[3] JGJ82—91,鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規程[S].

[4] GB50017— 2003,鋼結構設計規范[S].