滬杭高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)橋梁支座更換施工技術(shù)研究

夏 銘

(中鐵十一局集團滬杭高鐵項目經(jīng)理部，杭州 314510)

1 概況

滬杭高速鐵路無砟軌道工程于2010年8月20日完成無砟軌道及跨區(qū)間無縫線路的鋪設(shè)，動車聯(lián)調(diào)聯(lián)試的準(zhǔn)備工作已經(jīng)完成。在進行工務(wù)靜態(tài)驗收過程中，發(fā)現(xiàn)滬杭高速鐵路嘉桐特大橋(40+56+40)m三跨連續(xù)梁邊墩673號墩支座GTQZ－VI－7000－DX－e100上支座板發(fā)生撓曲變形，上座板縱橋向杭州一側(cè)向下?lián)锨冃巫畲筇幖s為12 mm，上海一側(cè)向下?lián)锨冃渭s為8 mm。無砟軌道結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成，即進入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，如不采取果斷措施更換變形的支座，則可能在聯(lián)調(diào)聯(lián)試及將來的運營過程中留下巨大的安全隱患，因此滬杭客專公司領(lǐng)導(dǎo)和施工單位領(lǐng)導(dǎo)高度重視，采取果斷措施更換支座。

2 更換無砟軌道上支座的限制條件及理論分析

2.1 更換支座的限制條件

在已經(jīng)完成無砟軌道結(jié)構(gòu)及鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路的橋梁上更換連續(xù)梁大型支座，需要滿足以下幾個條件。

(1)更換橋梁支座需要將梁體頂起5～10 mm的空間，確保支座可以較為順利地拆出和安裝。

(2)橋梁頂起后，連續(xù)梁、無砟軌道結(jié)構(gòu)不會發(fā)生結(jié)構(gòu)受力破壞。連續(xù)梁在主墩位置橋梁底板處梁體混凝土受到的拉應(yīng)力應(yīng)小于橋梁混凝土的允許拉應(yīng)力，無砟軌道結(jié)構(gòu)也將隨橋梁頂起而產(chǎn)生位移，在橋梁梁端位置的底座板將出現(xiàn)的拉應(yīng)力要小于該混凝土的允許拉應(yīng)力，無縫線路鋼軌產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，均要滿足強度和形變要求。

(3)支座更換完成后，軌道結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài)、軌道頂面高程滿足高速鐵路運營的要求。梁體頂起后由于受力的影響，軌道結(jié)構(gòu)可能發(fā)生縱向位移而導(dǎo)致幾何狀態(tài)發(fā)生變化，特別是軌道結(jié)構(gòu)高程的變化，可能導(dǎo)致高速鐵路無法正常運營。支座重新受力后存在壓縮變形量，這對無砟軌道無縫線路的幾何狀態(tài)可能造成較大的影響，因此在制定更換方案時必須考慮預(yù)留支座壓縮變形量。

(4)在支座更換過程中要對梁體、無砟軌道結(jié)構(gòu)、軌道幾何尺寸進行應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)控量測，保證結(jié)構(gòu)的安全。

(5)更換支座的時間控制。由于支座更換難度較大，需要花較多的時間來實施更換，且在線路成型后有較多的機車車輛運行，如封鎖時間過長，對線路運行有較大的影響，因此必須控制更換時間在規(guī)定的范圍內(nèi)。

2.2 更換支座的理論分析

(1)由于無砟軌道結(jié)構(gòu)及鋪軌、軌道幾何狀態(tài)精調(diào)工作完成，在梁體一側(cè)頂起后，會由于無砟軌道結(jié)構(gòu)受到較大的剪切應(yīng)力而產(chǎn)生破壞，因此為了確保無砟軌道結(jié)構(gòu)不被剪切破壞，在頂起梁體的過程中，兩側(cè)梁體應(yīng)同時頂起，控制措施采用梁體上升位移控制，而不能采用頂起應(yīng)力來控制。通過理論計算，連續(xù)梁位置頂起頂力為7 000 kN以上，簡支梁端頂起頂力為5 000 kN以上，具體頂力要根據(jù)實際頂起進行量測(采用油壓表讀數(shù)測量頂力)。

(2)頂升應(yīng)力計算。其計算假定:箱梁按照設(shè)計尺寸;底座板橫截面寬2.9 m，高0.19 m;軌道板橫截面寬2.55 m，高0.2 m;鋼軌使用60 kg/m軌;扣件縱向阻力為30 kN/m.線，極限位移0.5 mm;兩布一膜摩擦系數(shù)0.2;不考慮乳化瀝青砂漿變形(計算假定與實際結(jié)構(gòu)有區(qū)別，計算結(jié)果僅作參考)。

采用“橋梁博士”軟件建立數(shù)學(xué)計算模型，分別計算頂起5、10 mm后需要的頂力、連續(xù)梁底部受到的最大拉應(yīng)力、無砟軌道結(jié)構(gòu)受到的最大拉應(yīng)力、鋼軌結(jié)構(gòu)受到的最大拉應(yīng)力，通過計算，結(jié)果如下。

頂升5 mm計算結(jié)果:連續(xù)梁底部最大拉應(yīng)力為1.52 MPa，梁縫上方，軌道板上緣拉應(yīng)力最大為2.63 MPa，底座板下緣壓應(yīng)力最大為2.48 MPa。鋼軌上緣拉應(yīng)力最大為 9.48 MPa，下緣壓應(yīng)力最大為6.27 MPa。

頂升10 mm計算結(jié)果:連續(xù)梁底部最大拉應(yīng)力為3.22 MPa，梁縫上方，軌道板上緣拉應(yīng)力最大為5.26 MPa，底座板下緣壓應(yīng)力最大為4.94 MPa。鋼軌上緣拉應(yīng)力最大為 18.95 MPa，下緣壓應(yīng)力最大為12.55 MPa。

通過理論計算，在梁體頂起5～10 mm的情況下，連續(xù)梁、軌道板結(jié)構(gòu)及鋼軌均能夠滿足受力的要求，不會產(chǎn)生裂紋等破壞作用，但當(dāng)頂起10 mm及以上的情況下，軌道板上緣最大拉應(yīng)力為5.26 MPa，不滿足C55混凝土允許拉應(yīng)力要求，即說明如果頂起高度超過10 mm，軌道板結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生受力破壞。因此為了確保結(jié)構(gòu)不受到破壞，頂起高度應(yīng)控制在10 mm以下，以確保結(jié)構(gòu)安全。

(3)現(xiàn)場為了滿足更換橋梁支座的要求，通過反復(fù)論證，認(rèn)為要達到支座更換的條件，頂起位移至少不小于6 mm，否則無法更換支座，這與理論計算的10 mm相比，能夠滿足更換的條件。

3 橋梁支座更換施工方案

橋梁支座更換總體方案是:做好各方面的施工準(zhǔn)備，封鎖線路后，采用大噸位油壓千斤頂將墩頂?shù)牧后w同時頂起，采用倒鏈將支座拉出橋梁外，鑿出灌漿料后重新安裝新支座就位，梁體下落，灌注灌漿料，達到強度后退出千斤頂，恢復(fù)線路通行。在更換過程中要對橋梁及軌道結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)控與監(jiān)測。

(1)更換支座的施工準(zhǔn)備工作

明確施工方案，準(zhǔn)備好大噸位千斤頂(5 000 kN千斤頂5臺，使用4臺，備用1臺)，千斤頂位置在橫橋向安裝在支座軸線上，千斤頂直接安裝在墩頂，千斤頂中心距支撐墊石邊緣為40 cm，油壓泵2臺及相應(yīng)的管道連接構(gòu)件;厚度30 mm的大塊鋼板4塊，用于支撐墊石頂及梁底，避免頂起時發(fā)生混凝土局部破損;操作使用的施工平臺，各種應(yīng)力應(yīng)變元器件的安裝調(diào)試，待更換支座到位并檢查合格，各作業(yè)人員的分工，現(xiàn)場指揮與控制等。

(2)封鎖線路進行加壓頂起

4臺油壓千斤頂對應(yīng)連續(xù)梁和簡支梁的2個支座縱向軸線與原支座相鄰位置安裝，橫向連續(xù)梁或簡支梁位置的2臺千斤頂連在同1個油壓泵上，保證同一片梁體兩側(cè)頂力相同，避免形成偏載。在線路封鎖的情況下，頂起分2個過程，第一個過程是先將4個支座的上板螺栓全部卸掉，在頂起前采用千分尺測量GTQZ-VI-7000-DX-e100支座上下板的間距，緩緩加油頂起，待梁體完全與支座脫離開后測量支座上下板間距，同時測量該支座的上板平直位置高程，計算支座的壓縮變形量，上支座板高程作為控制更換支座的高程，以便充分考慮支座的壓縮變形量;第二個過程是將油壓泵回油，梁體回到原有位置后對需要更換的支座擰緊支座上板螺栓，采用支座固定裝置將需要更換的支座上下板緊固起來后再加壓頂起梁體，直到支座與灌漿料全部脫落開，停止頂起，開始更換支座。千斤頂頂梁布置見圖1。

圖1 頂梁時墩頂千斤頂布置示意

(3)支座拆除

高速鐵路支座螺栓是套筒式結(jié)構(gòu)，螺帽直接與支座螺栓套筒相連接，在拆除支座螺帽后，套筒留在螺栓孔內(nèi)，螺帽連接桿取出后，支座板在支座螺栓套筒以外，支座較為容易拉出。完全卸掉支座上、下板螺帽后，采用倒鏈將需拆除的支座拉出梁體，注意:由于頂起的高度為6 mm，空間位置十分有限，且支座質(zhì)量大，必須謹(jǐn)慎小心，避免在拆除支座時損傷梁底或支撐墊石。

(4)對梁底及支座灌漿料進行處理

梁底處理主要是對支座板頂位置處的梁底進行平整、打磨等清潔處理，確保支座上板與梁底有較好的結(jié)合面，支座底部的灌漿料必須全部鑿出，露出支撐墊石較為平整的混凝土面。

(5)支座安裝就位

將事先準(zhǔn)備好的支座就位，注意支座在安裝前采用支座緊固裝置將支座上板與下板連接牢固，確保支座整體性安裝就位。就位后支座上板與梁底螺栓連接，將支座吊起來，開啟油壓泵回油，使連續(xù)梁和簡支梁端緩緩下落，直到支座頂面設(shè)計高程為止(應(yīng)考慮支座受力后的壓縮變形量)。

(6)灌注支座灌漿料

對更換的支座和其他3個支座進行全面檢查，確定無誤后灌注支座灌漿料，一般2 h后即可退出千斤頂，檢查完線路幾何尺寸，確保線路無誤后即可開通線路。

4 橋梁支座更換過程中的監(jiān)測與監(jiān)控

支座更換的檢測與監(jiān)控包括3個方面，一是對梁體、底座板、軌道板、鋼軌的應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測;二是對軌道、底座板、軌道板縱向位移及鋼軌頂面高程的監(jiān)測;三是對頂起高度的監(jiān)控。

對梁體、底座板、軌道板、鋼軌的應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測是采取提前在這些需要監(jiān)測的位置安裝應(yīng)力應(yīng)變片，并將這些元器件接入測量器具，與電腦相連，在頂升過程中直接測量出各部位的應(yīng)力應(yīng)變情況，隨時判斷各結(jié)構(gòu)體所處的受力狀態(tài)，以確保作業(yè)過程中結(jié)構(gòu)體的安全，以結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力應(yīng)變不超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值為限度。

對軌道結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài)及高程的監(jiān)控，主要采用電子水準(zhǔn)儀、千分尺進行現(xiàn)場測量。

橋梁頂起的高度既是更換的必要條件，同時也是控制結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此在頂起過程中由現(xiàn)場技術(shù)負(fù)責(zé)人進行控制，以確保結(jié)構(gòu)的安全?，F(xiàn)場采用千分尺對頂起高度進行現(xiàn)場監(jiān)控。

在此次的支座更換過程中，聘請了鐵科院專家到現(xiàn)場實施支座更換各工況的計算及應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測監(jiān)控，并通過最終監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)對計算的結(jié)果進行驗證。

5 橋梁支座更換后的效果

橋梁支座更換后，橋梁、無砟軌道底座板、軌道板及乳化瀝青砂漿層沒有出現(xiàn)裂紋，底座板、軌道板及鋼軌沒有出現(xiàn)縱向位移，軌道恢復(fù)后幾何狀態(tài)良好，鋼軌頂面高程比更換前高出0.2 mm，軌距沒有發(fā)生變化，效果比較理想。

但是整個支座更換過程用時較長，從2010年8月30日8∶00開始頂升梁體，到當(dāng)天晚上11:30才恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)，共計用時15.5 h，如在已經(jīng)運營的線路上進行支座更換，是不會允許有這么長的要點時間的，因此必須對更換的過程進行更進一步的研究，以壓縮支座更換的時間。如能將支座更換的時間壓縮到8 h以內(nèi)，則今后在無砟軌道營運線上進行支座更換將變成可能。要更好地控制好更換的時間，首先要做好各個方面的充分準(zhǔn)備，方案、工具、人員均要安排到位，作業(yè)平臺要十分安全、可靠，方便作業(yè)，可以壓縮的時間空間主要是頂升、拆除既有支座、鑿出灌漿料及安裝支座等幾個工序方面。另外在支座更換期間，由于更換支座時間較長，且有大噸位千斤頂?shù)闹?，工程列車在減速的情況下通過還沒有更換完支座的梁段，對梁體、無砟軌道結(jié)構(gòu)及支座、千斤頂影響較小，安全上是可控的，說明將來在高速鐵路運營條件下更換支座技術(shù)上是可行的。

6 結(jié)語

嘉桐特大橋成功完成支座更換的工程實踐表明，高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)上，采用大噸位千斤頂頂起梁體更換支座，技術(shù)上是可行的。但在過程中要嚴(yán)格控制頂起的高度，梁體兩側(cè)分別同時頂起，控制其相對頂起位移量，確保梁體、無砟軌道結(jié)構(gòu)不受剪切破壞，這是在更換過程中必須嚴(yán)控的。更換中要加強梁體、無砟軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變的監(jiān)測，更換完成后對無砟軌道結(jié)構(gòu)的幾何尺寸做全面檢查，確保幾何狀態(tài)良好后才能開通線路。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)［2008］47號 新建時速300～350 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB/T1853—1995 鐵路橋梁鑄鋼支座［S］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T17955—2000球型支座技術(shù)條件［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.