“橋式盾構”頂進影響行車速度的原因分析及臨時提速措施

饒國慶, 林運唐

(南昌鐵路天河建設股份有限公司 ，江西南昌 330001)

“橋式盾構”頂進影響行車速度的原因分析及臨時提速措施

饒國慶, 林運唐

(南昌鐵路天河建設股份有限公司 ，江西南昌 330001)

利用“橋式盾構”法進行既有線框架橋頂進施工，可大大提高普通頂進行車限制速度，極大地減少施工對運輸的干擾。但由于受盾構結構本身和施工誤差的影響，受頂進擾動部分的線路路基會不同程度地產生變形，從而影響列車的通過速度。文章通過分析，找出了影響行車速度的原因，逐一進行計算量化，并對臨時提速可采取的措施進行了詳細分析，可為“橋式盾構”頂進施工提供參考。

橋式盾構； 行車速度； 原因； 提速

新建公路下穿既有鐵路框架橋施工，一般采用先行將既有鐵路利用工字鋼、軌束梁或D型鋼便梁將軌道加固，隨后將滿足設計強度的框架橋分節段采用中繼間法頂進施工，以保證列車的通行。但該工法要求列車限速至25～45 km/h。為了提高運輸效率，普遍采用“橋式盾構”工法施工，該工法可使列車運車速度提高至60～80 km/h。本文以萍鄉市濱河路下穿鐵路框架橋為例，對“橋式盾構”工法頂進施工影響列車運行速度的因素進行分析，并提出相應的解決方案，使列車運行速度提高至120 km/h以上。

1 工程概況

萍鄉市濱河路下穿鐵路框架橋，為1-15.0 m框架橋，框架橋頂板厚0.9 m，底板厚1.2 m，邊墻厚均為1.3 m，框架橋與滬昆鐵路線正交，全長33.06 m(包括1條沉降縫0.06 m)，分二節采用中繼間“橋式盾構”法頂進，穿越包括滬昆上

下行線在內的四股道，施工期間，列車限速60 km/h。

2 盾構構造

橋式盾構[1-2](以下簡稱為盾構)由立柱、主梁、子盾構、盾構殼體、液壓推進系統、液壓反拉系統六大部分組成，其外型像橋，故名“橋式盾構”(圖1)。盾構裝配在框架橋前端，起著施工支護和頂進導向作用。盾構長度應根據地質情況以及確保盾構中心土自然支立為依據。盾構體內中心土坡面一般應保持在1∶0.75，使中心土與盾構能共同平衡周邊土壓，形成穩固的支護體系。立柱、主梁具有足夠的強度及剛度，牢固承受列車及線路荷載。子盾構擔負減阻板的牽引及掘進面的小斷面化，被牽引的減阻板則將上部摩阻力拆分。反拉系統負責盾構及框架橋頂進時拉住減阻板，使得減阻板上的線路相對靜止，控制其橫向位移。

圖1 盾構結構(單位：mm)

3 列車限速原因分析

經分析，影響行車運行安全的線路變形主要為因施工引起的豎橫向變形。因此，“橋式盾構”法頂進始終堅持“行車不頂進，頂進不行車”的施工原則，具體按兩種情況分析。

3.1 第一種情況

當線路位于盾構體上方時“橋式盾構法”頂進影響列車運行速度的主要原因。

3.1.1 引起線路豎向變形的原因

3.1.1.1 盾構體結構變形引起的豎向位移

立柱和主梁在頂進過程中由于受列車動載和其上部線路恒載的影響，均不同程度會出現局部變形，尤其是主梁因荷載產生的撓度勢必使線路本身產生同步位移。因盾構主梁撓度而產生的豎向變形量約為1.2 mm,具體計算如下：

(1)荷載。

恒載+活載

q=(1.82+13.03)×104=1.485×105N/m

(2)撓度。

按簡支單孔計算應力及撓度：

Lp=5.4 mE=2.1×106N/mm2

I=6.65084×108mm4

=1.18×10-3m=1.2 mm

(3)立柱總體穩定性。

盾構體立柱總體、局部壓桿穩定，具體檢算如下：

立柱頂面垂直力按雙孔連續梁計算：

h=0.6 mLp=5.4 mq=1.485×105N/m

N=2×0.625×1.485×105×5.4=

1.002×106N= 1002 kN

I=2.68187×109mm4L=6.98 m

立柱壓桿穩定臨界值：

Pj=π2EI/L2=

3.142×2.1×106×2.68187×109/(6.98×103)2=

1.14×109N=1.14×106kN

Pj>N

∴總體穩定

(4)立柱單肢穩定性。

Iya為單肢y軸慣性矩;La為單肢計算長度;Pya為單肢不失穩的最大壓力。

Iya=3.795×106mm4La=1.865 m

3.142×2.1×106×3.795×106/(1.865×103)2=

2.26×107N=2.26×104kN

Pja>N

∴局部穩定

3.1.1.2 盾構立柱下基底承載力不足引起盾構體下沉

運用“橋式盾構”法進行頂進施工，對路基土體最小允許承載力要求較高，一般設計要求不能小于180 kPa，如地基允許承載力能夠達到上述要求，盾構體本身不易產生下沉。但在實際頂進過程中，地質情況時有變化，在列車荷載作用下，盾構體立柱基底應力易超出實際地基允許承載應力，造成盾構體本身下沉，進而使相應線路產生豎向變形。

以該工程盾構立柱基底應力檢算為例：

恒載+活載N=988.9 kN

A=1.094×5.4=5.91 m2

σ=N/A=988.9/5.91=167.3 kPa〈[σ0]=180 kPa

即該工程地質情況在頂進過程不會出現盾構體因基底承載力不足而產生下沉。3.1.1.3 盾構體頂部封閉鋼板與減阻鋼板之間安裝構造間隙

盾構體在拼裝過程，因所用鋼板不可能完全平順，盾構頂部封閉鋼板與減阻板間因其局部變形極易造成不密貼，形成間隙，該間隙在上部荷載和鋼板自身彈性作用下不密貼部分易造成反復張合(也有可能荷載不能將間隙壓實或壓實后不再反彈的情況)，從而引起線路同步豎向變形，根據以往施工經驗，由此引起的線路變形量約為1 mm左右。

3.1.1.4 子盾構掘進人工挖土誤差產生的線路豎向變形

子盾構掘進時受作業面限制，必須采用人工掏土，人工掏土作業很難做到絕對平順，加之每個子盾構前端土體又很難完全一致，故此難免造成子盾構上方土體出現局部超挖現象，以至形成間隙，個別地段如遇較大堅固物體，清除時會在線路下方形成空洞。該受力情況較復雜，根據地質情況不同，有的間隙空洞會形成小土拱，在列車荷載作用下可能暫時不下沉，從而線路觀測不到明顯的變形，但為確保施工時行車的絕對安全，防止路基本體出現突變，利用“橋式盾構”法頂進施工時，對線路必須利用軌束梁進行簡易加固，當子盾構頂進挖土出現坍土時，假定局部坍空按0.8 m直徑范圍計，線路變形情況在軌束梁作用下，其豎向變形相當小。計算如下：

扣軌(2+3)的撓度：q=1.1×105N/m

L=1.5 mE=2.1×106N/mm2

I=5×1.489×107=7.445×107mm4

fc=5qL4/384EI=

5×1.1×105×1.54/(384×2.1×106×106×7. 445×107×10-12)=

4.64×10-5m=0.0464 mm

撓跨比=0.0464/1500=1/32328<1/900，說明局部坍空不會出現軌面三角坑現象。

考慮軌束梁為臨時結構，其基礎一般不做特殊處理，在列車荷載作用下會出現2～3 mm下沉，因此相應線路也會出現相應變形。根據以往施工經驗，此間隙造成的線路豎向變形約為2～3 mm。

3.1.1.5 線路簡易加固后枕底吊空間隙

利用“橋式盾構”頂進施工，為確保出現局部坍方時線路安全，頂進部位線路均利用軌束梁進行了簡易加固，但簡易加固橫穿短軌時對線路枕底道碴會局部擾動，扣軌加固完后，由于搗固作業面狹小，部分枕底會出現吊空現象，根據以往施工經驗，吊空值約為1 mm左右，此吊空間隙行車時會使線路產生豎向變形。

3.1.2 引起線路橫向變形的原因[3]

3.1.2.1 施工引起的道床橫向阻力減少

施工引起的線路道床橫向阻力減少主要表現在以下兩方面：

(1)扣軌簡易加固使碴肩堆碴不足而引起的道床阻力減少。

(2)頂進時道床橫向阻力減少。

依據規范，列車運行過程列車搖擺力為5.5×103N/m，單根Ⅱ型枕橫向摩阻力為9.01×103N，以該工程為例，整個橋跨為17.6 m，橋上共有Ⅱ型枕34根，其橫向阻力3.063×105N，列車搖擺力為9.68×104N。

以上兩種情況雖減少了道床橫向阻力，但在線路盡量振搗密實和荷載相同的情況下，道床與軌枕之間的摩擦力遠大于列車搖擺力，即使線路軌枕有局部吊空，列車搖擺力也不會造成線路發生橫向變形。

3.1.2.2 框架橋頂進時由于框架橋頂部扁鐵與減阻板間摩擦有時會引起線路橫向位移

根據以往施工經驗，此橫向位移值約在3～5 mm，該橫向位移僅在頂進時才會產生，因此每頂完一頂后須立即整修線路方向，且在框架橋頂進時必須準確、及時控制反拉系統，線路橫向變形才能得到有效控制。

3.2 第二種情況

當線路位于框架橋頂時線路變形情況分析。

框架橋身頂進至線路下方時，線路結構橫向變形情況同上述分析，上述線路豎向變形僅有減阻板與框架橋頂間隙和枕底吊空間隙情況存在，還有框架橋身頂面制作不完全水平，頂進過程由于框架橋頂不平順勢必造成線路隨之起伏，產生豎向變形。根據以往施工經驗，此變形數值約在3～5 mm之間，但此種變形可在框架橋預制時加強框架橋頂平順處理，也可通過頂進過程中觀測線路來控制其變形量，每完一頂約400～1000 mm后立即整修線路水平，待線路整修好后方可繼續頂進。

根據“橋式盾構”法頂進施工時可能產生的豎、橫向變形情況分析，頂進時線路變形主要為線路高低方向的變化，線路高低誤差較未擾動線路動態指標會增加4～5 mm。根據線路維修規則軌道動態幾何尺寸容許偏差管理值有關規定，線路保養標準當速度為160≥v>120 km/h時，線路高低容許偏差值為6 mm, 速度為120≥v>100 km/h時，線路高低容許偏差值為8 mm, 速度為v<100 km/h時，線路高低容許偏差值為12 mm。線路方向也是據此分析。故此，采用“橋式盾構”法頂進施工，考慮線路變形的最不利情況下，線路最高允許通過速度應控制在100 km/h以下，為確保行車安全，頂進施工期間線路限制速度取60～80 km/h。

4 臨時提速措施

“橋式盾構”法頂進施工期間如需臨時停止頂進將線路限速提高，則應根據要求按提速線路所處不同位置進行不同的處理。

4.1 當需提高限速的線路位于框架橋頂面時

當需提高限速線路位于框架橋頂正上方時，此時線路上簡易加固的軌束梁均可拆除，框架橋頂上線路頂進時所引起的僅有枕底吊空和減阻板與路基本體間存在少量微小間隙，會使線路產生變形，影響列車通過速度。此間隙在經過短時振搗和列車碾壓作用下，線路幾何狀態均可完全恢復至限速前的幾何狀態，即此時線路可恢復常速運行，整個線路的處理時間約需3 d。

4.2 當需提高限速的線路位于盾構體正上方時

如需提速的線路位于盾構體正上方， 也存在線路位于子盾構箱及主梁橫梁上方兩種情況，其處理方式也不相同。當線路位于盾構主梁上方時，線路及盾構體處理措施如下：

(1)將線路簡易加固的鋼軌拆除，補充道碴，恢復線路幾何狀態；

(2)將子盾構收回至子盾構箱內，并用編織袋裝填砂卵石將子盾構箱前端按1∶1.5坡度封堵，以確保前方土體在列車碾壓下不至溜坍；

(3)對盾構結構本身焊縫情況進行檢查，并對出現變形的焊縫進行補焊加強。

經過上述處理并經過短時(2 d左右)列車碾壓后，基本可將枕底吊空間隙及減阻板與路基土體間間隙消除，但在活載作用下的撓度始終存在，加之盾構體本身為臨時鋼結構，其結構本身在荷載作用下也可能會出現微小變形。因此，當線路位于盾構主梁上時雖經上述處理，其動態情況下變形仍會較未擾動路基本體情況大幾毫米，其最大通過速度自然應比常速要低。為確保行車安全，如需提速的線路位于盾構主梁上時，按線路維修規則相應動態標準，線路最大通過速度應比常速低兩個等級，即如設計時速為200 km/h的線路，其最大通過速度以120～140 km/h為宜。

如提速的線路位于子盾構箱上，必須將其頂出線路下方，再比照上述方法進行線路處理和提高限速。

采取“橋式盾構”法頂進施工時，無論線路處于何處上方，整個加固、整理線路的時間均必須提前3 d以上即停止相關頂進作業，方可處理至上述通過速度標準。因處理線路時停止頂進作業，除會增加架拆線路扣軌、線路整理、盾構處理等大量工作項目而增加成本外，最大困難即長時間停工，會使框架橋身與路基四周土體間的摩擦力大大增加，給后續頂進工作增加很大難度，如非遇很特殊情況，此種處理方案應盡量避免使用。

5 結論

通過對影響“橋式盾構”法頂進施工列車運行速度的原因進行逐一分析，列舉了在不同工況條件下，提高列車運行速度的措施，可為“橋式盾構”工法提供施工參考。

[1] 李家穩,韓寶明,施仲衡,等. 管棚和盾構法框架橋設計與施工技術的研究[J]. 鐵道標準設計, 2009(4).

[2] 危君安. 橋式盾構在既有線上的應用[J]. 四川建材, 2009(2).

[3] 孫曉科. 橋式盾構法施工參數對上方無縫線路的影響[J]. 山西建筑, 2008(30).

饒國慶(1975～)，男，學士，工程師，從事鐵路線橋隧道施工;林運唐(1979～)，男，碩士研究生，工程師，從事鐵路線橋隧道施工。

U455.43

B

[定稿日期]2015-03-26