相鄰墩高差引起橋面高程變化的原因分析及對鐵路運營的影響

王培傳

中鐵隧道局集團有限公司 廣東 廣州 511458

前言

高速鐵路運營速度快，對線型及其穩(wěn)定性要求極高。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，山區(qū)高速鐵路越來越多，在鐵路跨越山谷時，經(jīng)常會出現(xiàn)高低墩現(xiàn)象，相鄰橋墩高差較大。全國范圍內(nèi)跨山谷橋梁因相鄰橋墩高差引起橋面高程的變化，進而導(dǎo)致軌道線型發(fā)生變化的現(xiàn)象時而發(fā)生。是什么原因?qū)е碌臉蛎娓叱贪l(fā)生的變化，以及橋面高程變化引起的軌道線型變化會對鐵路運營影響有多大等等。本文以合福鐵路巷坑大橋為例，著重分析相鄰橋墩高差引起橋面高程變化的原因及對鐵路運營的影響。

1 工程概況

巷坑大橋位于安徽省黃山市，橋址地勢呈V形，跨越山區(qū)河流、道路，橋跨布置為72+72mT型剛構(gòu)+1-24m簡支箱梁，線路標(biāo)準(zhǔn)為客運專線、雙線，線間距5.0m，本橋位于曲線上，曲線半徑12000m，設(shè)計目標(biāo)速度350km/h。軌道類型為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

墩臺及基礎(chǔ)：巷坑大橋合肥臺、2#墩基礎(chǔ)分別采用9根、10根φ1.25m的鉆孔樁基礎(chǔ)；福州臺基礎(chǔ)采用9根φ1.00m的鉆孔樁基礎(chǔ)；1#墩采用擴大基礎(chǔ)。本橋1#墩為T構(gòu)主墩，采用矩形空心墩，墩高48.5m，2#墩采用實心墩，墩高8.5m，1#墩和2#墩高差為40m。

72+72mT構(gòu)連續(xù)梁為懸臂澆筑，梁體為變截面單箱單室結(jié)構(gòu)。24m簡支箱梁為支架澆筑。

全橋立面圖如下圖1：

圖1 全橋立面圖

2 橋梁施工過程概述

該橋原1號墩為鉆孔樁施工[1]，受地下水影響，造成部分不合格，后變更為三層擴大基礎(chǔ)。擴大基礎(chǔ)于2013年7月19日開始施工，2013年8月18日完成；墩身于2013年8月25日開始施工，2013年11月8日完成；T構(gòu)0#塊施工于2013年11月9日開始施工，2013年12月26日完成。全橋于2014年8月9日合龍。全橋2014年9月5日開始施工底座板，2014年9月18日完成道床板施工，2014年9月25日鋪軌。

全橋第一次CPIII測量時間為2014年8月17日，第二次CPIII測量時間為2014年9月28日，由于數(shù)據(jù)偏差較小，采用第一次成

果，第三次CPIII測量時間為2014年11月20日。CPIII點的數(shù)值變化體現(xiàn)，具體數(shù)值如下表所示：

表2.1 巷坑大橋測量成果CPIII對照表

從上表中可以算出1#墩墩頂高程變化最大值為9.5mm，2#墩墩頂變化最大值為1.9mm。

3 橋面高程變化原因的初步分析

巷坑大橋24m箱梁采用支架現(xiàn)澆法施工[1]，在鋪軌之前，橋面沒有通過任何大型機械進行超重加載，通過對橋面的長期觀測發(fā)現(xiàn)，除鋪軌機通過時發(fā)生較大突變化，其他時間觀測時間均相對較為穩(wěn)定，而且隨深度變化而變化，而此時通過對橋墩底部進行觀測發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合施工規(guī)范并對照現(xiàn)場施工時間安排，以及相關(guān)專家意見，分析認為產(chǎn)生橋面高程變化的原因如下：

（1）根據(jù)規(guī)范[2]要求，連續(xù)梁或剛構(gòu)橋合龍后2～3個月穩(wěn)定性后才能進行CPⅢ測量與道床板施工，該橋因特殊原因，在履行相關(guān)手續(xù)后全橋合龍后1個月即進行CPⅢ測量與道床板施工，橋梁徐變沒有完成未達到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）巷坑大橋 1號墩基礎(chǔ)位于弱風(fēng)化千枚質(zhì)粉砂巖，地基承載滿足要求，經(jīng)連續(xù)觀測基礎(chǔ)沉降趨于穩(wěn)定。

（3）巷坑大橋 1號墩墩頂橋面高程在不同溫度下高程不同；同時數(shù)據(jù)顯示高程變化隨溫度的變化成周期變化。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析得出：巷坑大橋1號墩墩頂橋面高程變化是由溫差導(dǎo)致墩柱混凝土收縮而產(chǎn)生的。同時也說明混凝土結(jié)構(gòu)在溫度發(fā)生變化時，存在收縮現(xiàn)象。溫差越大，墩柱高度越高，墩柱所產(chǎn)生的高度變化也就越大。

4 高程變化計算分析

根據(jù)2015年1月～2015年5月對該橋基礎(chǔ)沉降及橋面CPⅢ測量數(shù)據(jù)，對比溫度變化分析認為：橋墩基礎(chǔ)觀測沉降是穩(wěn)定的、混凝土的壓縮、徐變已基本收斂的，故引起橋墩豎向伸縮變形與環(huán)境溫度差有關(guān)。墩矮時，豎向伸縮變形變化在測量誤差中已包括，誤差在許可范圍內(nèi)。

計算橋墩在不同的溫差下橋墩的伸縮變形量，及相鄰橋墩間的變形量的差值，與軌道靜態(tài)驗收標(biāo)準(zhǔn)對比，說明橋墩高度受環(huán)境溫度影響的程度。

橋墩高程隨溫度變化如下表所示

經(jīng)調(diào)查，巷坑大橋最后一次精調(diào)時間為2015年1月30日，此時橋梁結(jié)構(gòu)溫度為2℃，而最冷月平均結(jié)構(gòu)溫度0.4℃，最大溫降1.6℃；最熱月平均結(jié)構(gòu)溫度33.2℃，最大溫升31.2℃。1#墩最熱月豎向變形升高15.1mm，與相鄰墩最大變形差絕對值為14.7mm，計算得10m弦長內(nèi)高差為2mm，滿足軌道靜態(tài)驗標(biāo)2mm/10m弦的要求；不滿足48a、480a基線長長波平順度的要求，大于標(biāo)準(zhǔn)2mm/8a、10mm/240a(a取 0.65m)，旅客舒適度一般，因此最后一次精調(diào)時平均結(jié)構(gòu)溫度偏低，建議在溫度適宜時重新精調(diào)。

經(jīng)過計算，本橋在13℃～20℃范圍內(nèi)重新精調(diào)，相鄰墩身的變形差能滿足2mm/10m弦、10mm/240a的要求，具體精調(diào)時結(jié)構(gòu)溫度如下表所示：

從上表中看出，在結(jié)構(gòu)溫度為13～20℃范圍內(nèi)精調(diào)鎖定后，最大升降溫時橋面高程豎向變形最大為9.8mm，相鄰墩臺變形量差值最大為9.5mm，滿足靜態(tài)驗收標(biāo)準(zhǔn)高低的容許偏差10mm/240a(a取0.65m)的平順度要求。

5 對線路平順性的影響

根據(jù)西南交通大學(xué)溫度變化下的車橋耦合動力仿真試驗得出主要結(jié)論如下：

5.1 列車行車安全性

考慮橋面溫度變形影響后，巷坑大橋2×72mT構(gòu)橋在CRH2動車組以速度160～250km/h和國產(chǎn)CRH3動車組以速度250～420km/h范圍通過時，動車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，說明高速列車運行的安全性得到保障。

5.2 列車行車舒適性

考慮橋面溫度變形影響后，在國產(chǎn)CRH3動車組以速度250～350km/h范圍通過時，車輛橫向、豎向舒適性均能達到“優(yōu)”；在國產(chǎn)CRH3動車組以速度375～420km/h范圍運行時，車輛橫向、豎向舒適性基本為“良”。

考慮橋面溫度變形影響后，在國產(chǎn)CRH2動車組以速度160～200km/h通過時，車輛的橫向、豎向舒適性達到“優(yōu)”；在國產(chǎn)CRH2動車組以速度220～250km/h通過時，車輛的豎向舒適性達到“優(yōu)”，橫向舒適性基本為“良”。

綜上所述，巷坑大橋2×72mT構(gòu)橋具有足夠的豎向和橫向剛度，能夠滿足國產(chǎn)CRH2動車組以速度160～250km/h和國產(chǎn)CRH3動車組以速度250km/h～420km/h運行時的安全性和良好的舒適性要求。

6 結(jié)論與建議

（1）針對本橋而言，應(yīng)在環(huán)境溫度13℃～20℃范圍內(nèi)重新精調(diào)，相鄰墩身的變形差能滿足2mm/10m弦、10mm/240a的要求。

（2）在以后的設(shè)計施工中，盡量減少相鄰兩橋墩的高度差，原則上不要超過20m；當(dāng)出現(xiàn)類似工程時，應(yīng)盡量提前完成梁部施工，使全橋的沉降與徐變時間滿足要求并達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時在工期滿足要求的情況下，可將軌道精調(diào)時間安排在年平均溫度范圍內(nèi)，以減少溫度變化而引起的軌道面上下升降與標(biāo)準(zhǔn)面的差，以滿足鐵路運營舒適度要求。

（3）類似巷坑大橋相鄰墩高差大于20m的橋梁在高速鐵路橋梁工程中會經(jīng)常出現(xiàn)，如何降低相鄰墩高差引起的橋面高程變化對軌面平順的影響，將成為今后工作的重點。巷坑大橋由于相鄰墩高差引起的橋面高程變化得到了很好的解決，并得到設(shè)備接管單位和鐵路總公司的肯定。希所積累的施工經(jīng)驗，可以為以后類似的工程設(shè)計、施工提供參考和借鑒。