烏蘇市物流園道路下穿蘭新鐵路工程線路防護(hù)方案設(shè)計

努爾買買提·吐爾遜

(中鐵一院集團(tuán) 新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

烏蘇市物流園道路下穿蘭新鐵路工程線路防護(hù)方案設(shè)計

努爾買買提·吐爾遜

(中鐵一院集團(tuán) 新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

既有鐵路線路防護(hù)是新增立交橋工程設(shè)計、施工中的重要部分，既有鐵路線路防護(hù)方案的合理性、實(shí)用性直接影響整個工程的施工進(jìn)度、工程造價及既有鐵路運(yùn)營安全。本文以一工程實(shí)例為依托介紹了組合工便梁防護(hù)方案的設(shè)計思路、使用條件、工作機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)，可供類似工程參考。

既有鐵路 組合工便梁 防護(hù)

1 工程概況

烏蘇市塔城路和友好路向南延伸下穿蘭新鐵路，與烏蘇市物流園內(nèi)道路銜接，下穿蘭新鐵路處新建立交橋?yàn)闉跆K市向南擴(kuò)建提供重要通道，被烏蘇市交通局和烏魯木齊鐵路局項目管理所(代建方)列為2012年至2013年重點(diǎn)控制工程。

公路穿越鐵路段位于蘭新鐵路烏蘇(K2139+ 393.20)至四棵樹(K2172+454.60)區(qū)段。鐵路等級為國鐵Ⅰ級，設(shè)計速度120 km/h，雙線(線間距5 m)無縫線路。采用電力牽引、重型軌道(P60鋼軌、Ⅲ型枕)。線路坡度為 －6‰，路基高度約2 m。公路通行凈高5.0 m。

該工程中采用的立交橋?yàn)?×16 m箱形橋，橋內(nèi)凈高6.5 m、凈寬16 m、橋全長37.9 m，橋頂至軌底最小填土高度為90 cm，下穿道路與既有蘭新線斜交角度30°。該橋是當(dāng)時蘭新線新疆境內(nèi)首例在雙線電氣化區(qū)段新增的立交橋工程。

橋址范圍內(nèi)地層主要為細(xì)圓礫土，厚度＞15 m，基本承載力300 kPa，地下水位埋深＞15 m，最大季節(jié)凍土深度1.6 m。地震基本烈度8度。

2 組合工便梁防護(hù)方案

結(jié)合該工程實(shí)際情況，合理確定既有鐵路線加固方案，確保鐵路運(yùn)營安全、有效控制投資是該工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。疆內(nèi)鐵路常用的既有線防護(hù)方案——施工便梁、縱橫抬梁、橋式盾構(gòu)、鐵路便線等均不符合該工程實(shí)際情況。

經(jīng)研究，該工程中既有鐵路線路采用組合工便梁防護(hù)方案。該方案是以傳統(tǒng)施工便梁和縱橫抬梁結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)及設(shè)備構(gòu)件形成的新防護(hù)方案，在干線鐵路新增大型立交工程中正在推廣使用。其優(yōu)點(diǎn)是:①受力明確、設(shè)備可重復(fù)使用;②施工簡便，適用于單線、多線及道岔區(qū)等各種復(fù)雜情況;③線路防護(hù)跨度不受限制，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。其缺點(diǎn)是:①架設(shè)縱梁期需要封閉線路并停電，對電氣化鐵路運(yùn)營造成影響;②地下水較淺時，支撐樁施工難度大。

2.1 組合工便梁的構(gòu)造與受力分析

組合工便梁構(gòu)造如圖1所示。

圖1 組合工便梁構(gòu)造

組合工便梁分布體系可分為線上線路防護(hù)體系和線下支撐體系。線上線路防護(hù)體系由縱梁、橫梁、制式鋼枕梁、連接板及各種連接零件組成;線下支撐體系由縱梁下支撐樁、線路抗滑移樁及路基防護(hù)樁組成。傳力過程為:組合工便梁在每個既有混凝土枕之間穿一根制式鋼枕梁，枕梁兩端分別與左右兩片縱梁下翼板用8根φ22高強(qiáng)度螺栓連接，將線路荷載傳遞到縱梁，縱梁將荷載傳遞到支撐樁(或橋頂)。軌道與制式鋼枕之間采用鋼軌扣件絕緣連接，以控制線路方向和軌距，防止影響軌道電路。

2.2 組合工便梁的適用范圍

1)適用于內(nèi)燃機(jī)車牽引的普通鐵路和電力機(jī)車牽引的電氣化鐵路。

2)適用于國鐵干線鐵路和各類鐵路專用線。

3)適用于鐵路單線、雙線、多線、直線、曲線(R≥600 m)。施工期間限速60 km/h及以下，鐵路線路基本鋼軌不輕于43 kg/m。

4)適用于客貨共線鐵路基本建筑限界。

5)適用于鐵路既有線或站場的增減橋涵施工。

3 組合工便梁設(shè)計

組合工便梁的縱梁采用6節(jié)I115型工字鋼便梁(單節(jié)長度12 m)拼接成連續(xù)梁形式用來加固線路，拼接方式采用鋼夾板和高強(qiáng)螺栓等強(qiáng)聯(lián)結(jié)成型。橫梁采用H70型鋼，單節(jié)長度12 m。使用高強(qiáng)度螺栓等強(qiáng)度拼接縱梁與橫梁(兩根H70型鋼橫梁)。每隔12 m采用C25鋼筋混凝土挖孔樁(支撐樁和抗移樁)對組合工便梁進(jìn)行豎向支撐加固。挖孔樁施工時，鐵路采用3-5-3扣吊軌梁防護(hù)。

頂進(jìn)時隨頂進(jìn)逐漸清除橋頂以上全部填土及道砟，使線路完全架空。頂進(jìn)時按頂鎬行程，每次頂進(jìn)不大于1 m，在箱身前進(jìn)后頂鎬活塞回復(fù)原位，在空擋處加入頂鐵，以待下次開鎬。如此循環(huán)往復(fù)，直到箱身就位。當(dāng)箱形橋頂進(jìn)到橫抬梁下1.0 m時，停止頂進(jìn)，將橫抬梁伸出端支承于箱形橋頂板(橋頂鋪設(shè)枕木，搭設(shè)滑車)，使橋頂盡早支承橫抬梁。

頂至挖孔樁0.5 m時，箱形橋上面的支點(diǎn)要墊好墊牢，確認(rèn)線路完全穩(wěn)定時方可拆除挖孔樁。拆除前將縱橫梁支起，拆掉樁頂木方以卸載，避免拆除混凝土樁時因撞到梁而危及線路。

4 變形控制

4.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

既有線防護(hù)設(shè)計以安全、可靠、經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，以符合鐵路運(yùn)輸安全、適應(yīng)現(xiàn)場施工環(huán)境、達(dá)到各項防護(hù)指標(biāo)、與鐵路維修需求相匹配為原則。而組合工便梁防護(hù)方案的各項指標(biāo)完全符合該工程的既有線防護(hù)設(shè)計原則。在組合工便梁防護(hù)設(shè)計中控制軌道變形是設(shè)計的重點(diǎn)。經(jīng)理論分析及工程實(shí)踐驗(yàn)證，頂進(jìn)施工時引起的軌道變形主要可分為豎向變形和橫向變形。

將《鐵路線路修理規(guī)則》中“軌道動態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值”中的Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)(保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn))作為組合工便梁變形控制標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 軌道動態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值

組合工便梁按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)和《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.2—99)設(shè)計，按《鐵路鋼橋制造規(guī)范》(TB 100212—98)制造、檢查、驗(yàn)收。組合工便梁材質(zhì)選用Q345B鋼制作，基本容許應(yīng)力為170 MPa，材料彈性模量約為206 GPa。

4.2 組合工便梁豎向變形控制

組合工便梁的豎向變形主要包括縱梁變形、橫梁變形和支撐樁下沉變形等。

組合工便梁所承受荷載分為中—活載及恒載兩部分。荷載傳遞過程為:列車荷載→線路鋼軌→制式鋼枕梁(橫梁)→縱梁→支撐樁(箱形橋)。

4.2.1 縱梁變形控制

為簡化計算，縱梁跨度(支撐點(diǎn)距離)Lz取6 m，每單片縱梁視為承受活載(107 kN/m)+恒載(20 kN/m)的1/2的簡支梁體系。活載 q1=53.5 kN/m，恒載 q2包括結(jié)構(gòu)自重、線路設(shè)備自重，q2=10 kN/m;縱梁慣性矩IX=1.057 9×1010mm4，高度hz=1 150 mm。

縱梁為等截面簡支梁，且梁的跨度遠(yuǎn)大于橫梁截面高度，故剪力對梁位移的影響很小，可忽略不計。在線路加固范圍內(nèi)，H20制式鋼枕梁每隔約0.6 m與線路兩側(cè)縱梁聯(lián)結(jié)，而荷載通過制式鋼枕梁傳遞至縱梁。據(jù)此假定縱梁主要受分布荷載作用產(chǎn)生彎曲變形。

跨中最大彎矩Mz=q1L2z/8=241 kN·m;沖擊系數(shù)1+μ=1.179;沖擊荷載 M1=1.179Mz=284 kN·m;自重荷載M2=q2L2z/8=45 kN·m。

應(yīng)力σz=(M1+M2)hz/(2IX)=17.9 MPa＜170 MPa;撓度 fz=5(q1+q2)L4z/(384EIX)=0.5＜5 mm。應(yīng)力與撓度均滿足規(guī)范要求。

另外，對縱梁整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性(加勁肋的設(shè)置)、梁截面積(考慮梁上下翼緣因聯(lián)結(jié)螺栓截面削弱的影響)等做了檢算。縱梁強(qiáng)度滿足行車要求，軌道不會出現(xiàn)三角坑。

4.2.2 橫梁變形控制

在箱形橋頂進(jìn)過程中，由于依次拆除A，B排支撐樁，橫梁支點(diǎn)將從支撐樁頂部逐步向箱形橋頂面過渡，所以受力形式發(fā)生變化。個別支點(diǎn)還存在支撐不到位而失效的可能性，因此對橫梁的要求非常高。橫梁位于縱梁底部與橋頂之間。若選用的橫梁尺寸大，將會降低箱形橋的高度，壓縮公路通行高度。故為了減少橫梁尺寸、提高線路穩(wěn)定性，在每個縱梁支撐點(diǎn)和縱梁跨中設(shè)置2根H70型鋼橫梁。在箱形橋頂進(jìn)過程中拆除A排支撐樁時，橫梁懸空跨度最大，對橫梁最不利。若此時能控制橫梁變形，也能保證其它工況下的橫梁穩(wěn)定。計算采用的線路橫斷面如圖2所示。

圖2 線路橫斷面(單位:cm)

一處橫梁(2根)所承受的縱梁最大受力跨度 Lh為6 m，活載p1=107×6=642 kN;恒載p2=20×6= 120 kN。

2根橫梁慣性矩 I'X=0.474 2×1010mm4，高度 hh=700 mm;活載作用力 F1=p1/2=321 kN;恒載作用力F2=p2/2=60 kN。

彎矩Mh=321×1.20×4.77/5.97=308 kN·m。沖擊系數(shù) 1+μ=1.179;沖擊荷載 M'1=1.179Mh= 364 kN·m;自重荷載M'2=60×1.2=72 kN·m。

應(yīng)力σh=(M'1+M'2)hh/(2I'X)=32.2＜170 MPa。撓度fh=(F1+F2)×1.2×(3×5.972－4×1.22)/ (48EI'X)=1.0＜5 mm。

另外，對橫梁剛度、穩(wěn)定性等做了檢算。橫梁強(qiáng)度滿足行車要求，軌道不會出現(xiàn)三角坑。實(shí)際工作中橫梁兩端由高強(qiáng)螺栓固定在縱梁下，按兩端固結(jié)計算，則其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性更大。

4.2.3 支撐樁下沉變形控制

該工程中支撐樁采用圓形挖孔樁，其內(nèi)徑1.5 m，采用混凝土護(hù)壁支護(hù)，從上至下邊開挖邊分節(jié)澆筑，樁底部用擴(kuò)底鋼護(hù)筒成孔。每個挖孔樁基礎(chǔ)內(nèi)插入4根I20b工字鋼，并用 C15混凝土填實(shí)。施工過程記錄數(shù)據(jù)表明，支撐樁頂部最大下沉－3 mm，符合《鐵路線路修理規(guī)則》要求。

4.3 橫向變形控制

軌道橫向變形主要分為軌距變形和軌道整體橫向變形。為了控制軌距變形，在基本軌和制式鋼枕之間采取了軌距限位扣件來實(shí)時調(diào)整軌距。由于既有混凝土枕不予拆除，也保證了軌距不變。

為控制軌道整體橫向變形，在箱形橋頂進(jìn)時，橋頂與橫梁之間設(shè)置了減阻滑輪，橫梁末端設(shè)置了抗滑移樁。當(dāng)施工操作不當(dāng)，軌道發(fā)生橫向變形時，還可通過箱形橋上設(shè)置的反拉系統(tǒng)恢復(fù)鐵路線形。

施工過程記錄數(shù)據(jù)表明，軌距最大偏差值－3，+2 mm，直線遠(yuǎn)視直順，無甩彎，符合《鐵路線路修理規(guī)則》要求。

5 結(jié)語

該工程中組合工便梁防護(hù)設(shè)計的應(yīng)用，解決了新疆地區(qū)同類施工設(shè)計的難點(diǎn)，為今后類似工程的設(shè)計提供了成功經(jīng)驗(yàn)。目前，大型立體交叉工程項目愈來愈多，既有鐵路線防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)難題有待深入研究，以為大型立交工程提供技術(shù)支持。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)［2006］146號 鐵路線路修理規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(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 10002.2—99 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，1999.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10212—98 鐵路鋼橋制造規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［5］李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1994.

［6］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編委會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1989.

［7］烏魯木齊鐵路局.烏鐵總函［2008］164號 烏魯木齊鐵路局鐵路營業(yè)線使用D型施工便梁安全管理辦法(試行)［S］.烏魯木齊:烏魯木齊鐵路局，2008.

［8］烏魯木齊鐵路局.烏鐵總［2010］174號 烏魯木齊鐵路局鐵路營業(yè)線施工安全管理實(shí)施細(xì)則［S］.烏魯木齊:烏魯木齊鐵路局，2010.

［9］中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)［2006］177號 鐵路工務(wù)安全規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

(責(zé)任審編 李付軍)

U449.83;U445.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.39

2015-07-13;

:2015-09-05

努爾買買提·吐爾遜(1978— )，男，工程師。

1003-1995(2015)11-0139-03