既有鐵路病害鋼梁橋改造設(shè)計(jì)

程正楷 謝國(guó)平

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250022)

1 概述

隨著我國(guó)工程建設(shè)的高速發(fā)展，“中國(guó)速度”令世界驚嘆。尤其是我國(guó)鐵路行業(yè)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)速度由原來(lái)的120 km/h提升到350 km/h；即使是上世紀(jì)建成的京滬、京九等老舊干線，其運(yùn)營(yíng)速度也提升至160～200 km/h。然而，部分老舊橋梁已不能滿足現(xiàn)行鐵路運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)，迫切需要進(jìn)行改造，以保證鐵路運(yùn)輸安全，降低維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。

鐵路病害橋改造的思路與方案也各有不同，如寧西線采用先新建便線然后原位重建橋梁，最后拆除便線方案[1]；湯林線采用改線新建梁橋方案[2]；京承線采用原位拆除既有橋后新建橋梁方案，主要施工工藝有預(yù)制架設(shè)、預(yù)制橫移、預(yù)制頂推、支架現(xiàn)澆、移動(dòng)模架現(xiàn)澆等[3-4]。各方案、施工工藝對(duì)鐵路運(yùn)輸、施工風(fēng)險(xiǎn)、項(xiàng)目投資、運(yùn)營(yíng)后維護(hù)成本等的影響也各不相同，以京滬鐵路K528病害橋改造工程為例，通過(guò)施工方案、施工工藝的對(duì)比，從施工作業(yè)低風(fēng)險(xiǎn)、鐵路運(yùn)輸?shù)陀绊憽㈨?xiàng)目建設(shè)低投資、建成使用低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本等角度出發(fā)，對(duì)框架橋加混凝土板置換既有鐵路病害鋼梁橋進(jìn)行研究。

2 工程概況

2.1 改造前橋梁基本情況

京滬鐵路青楊至萬(wàn)德站區(qū)間內(nèi)存在兩處病害鋼梁，該處共有5股道(如圖1)，由上至下分別為京滬三線、京滬下行線、京滬上行線、京滬高鐵上、下行線(高架橋)，線間距分別為20.7，13.0，32.3 m(至高鐵橋梁中心線)。

圖1 項(xiàng)目位置平面示意(單位：m)

京滬鐵路上行線K528+645改造前，橋梁采用上承式鋼板梁(單線、電力牽引)，橋全長(zhǎng)47.3 m，橋臺(tái)采用漿砌塊石，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋高約16 m(如圖2)。原梁部結(jié)構(gòu)采用1-42 m上承式鋼板梁，后改造為1-24 m上承式鋼板梁，用途為排洪。

圖2 鋼梁橋改造前現(xiàn)狀

京滬鐵路下行線K528+588改造前，橋梁采用上承式鋼板梁(單線、電力牽引)，橋全長(zhǎng)51.8 m，橋臺(tái)采用漿砌塊石，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋高約16 m(如圖2)。該橋始建于1973年，梁部結(jié)構(gòu)采用1-21 m上承式鋼板梁，用途為排洪。

受病害橋影響，改造前兩處病害地段列車(chē)均限速45 km/h。

2.2 京滬線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：國(guó)鐵Ⅰ級(jí)。

(2)正線數(shù)目：雙線。

(3)牽引種類：電力。

(4)牽引質(zhì)量：5 500 t。

(5)線路允許速度：120 km/h。

2.3 工程地質(zhì)條件

區(qū)域內(nèi)地層穩(wěn)定，無(wú)不良地質(zhì)作用，場(chǎng)地局部地段覆蓋有薄層人工填土素填土，天然地面以下為第四系上更新統(tǒng)坡洪積卵石土及粉質(zhì)黏土，下伏基巖為太古界泰山群花崗片麻巖，地質(zhì)情況良好。

項(xiàng)目位置處地震烈度為6度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g。

2.4 改造前主要病害及問(wèn)題

(1)改造前，京滬上、下行鋼梁腐蝕嚴(yán)重，鋼梁上蓋板翹起，鋼梁縱向位移較大；橋臺(tái)與梁端頂緊，鉚釘爛頭，結(jié)構(gòu)狀態(tài)差，存在一定的安全隱患。

(2)現(xiàn)狀河溝上游斷面壓縮較大，對(duì)上游京滬三線橋臺(tái)護(hù)錐存在沖刷，改造前需采用石籠加固。

為徹底解決病害橋的危害，消除運(yùn)營(yíng)安全隱患，提高運(yùn)營(yíng)效率，降低設(shè)備管理部門(mén)的養(yǎng)護(hù)壓力，亟需對(duì)其進(jìn)行改造。

3 病害鋼梁橋改造設(shè)計(jì)思路

3.1 影響設(shè)計(jì)方案主要因素分析

(1)既有病害橋均為單孔鋼板梁式橋，橋梁建成時(shí)間悠久，既有橋梁基礎(chǔ)資料早已缺失，利用既有橋臺(tái)作為受力結(jié)構(gòu)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

(2)為確保既有線的運(yùn)營(yíng)安全，改造施工方案應(yīng)優(yōu)先考慮成熟、可靠的施工工藝，重點(diǎn)研究預(yù)制架設(shè)(含預(yù)制拼裝、預(yù)制橫移)和支架現(xiàn)澆施工工藝。

(3)對(duì)既有線路進(jìn)行加固，應(yīng)充分征求設(shè)備管理部門(mén)的意見(jiàn)，優(yōu)選路內(nèi)成熟的線路加固措施[5-6]，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

(4)因橋梁高度較高(約16 m)，既有鋼梁的拆除方案宜盡量與設(shè)計(jì)方案相結(jié)合，以優(yōu)化拆除方案，降低施工難度及風(fēng)險(xiǎn)。

(5)因既有病害橋上游橋臺(tái)護(hù)錐存在水害，設(shè)計(jì)方案應(yīng)重點(diǎn)研究水害的影響因素，并提出治理方法，從根源上消除病害[7-8]。

3.2 確定比選方案

針對(duì)影響設(shè)計(jì)方案的主要因素，在與鐵路局設(shè)備管理單位進(jìn)行深入溝通、現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，初步確定了以下方案。

(1)新建橋梁改建方案。

(2)施工工藝應(yīng)比選預(yù)制和現(xiàn)澆施工工藝。

(3)采用D型便梁加固線路，便梁跨度選用12～24 m。

(4)結(jié)合比選方案對(duì)拆除方案進(jìn)行優(yōu)化。

(5)挖除獨(dú)立孤山，拓寬河溝，進(jìn)行河道鋪砌，以消除既有橋臺(tái)護(hù)錐水害問(wèn)題。

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、建設(shè)條件及上述分析的結(jié)果，決定重點(diǎn)研究D型便梁加固下的新建預(yù)制架設(shè)梁式橋和新建支架現(xiàn)澆框架橋的方案。

3.3 比選方案介紹

(1)梁式橋方案

為降低施工對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，考慮采用原位新建3-16 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋方案。該方案主要包括架設(shè)D型便梁、拆除既有梁、拆除既有橋臺(tái)、局部拆除既有路基、新建橋墩臺(tái)、架設(shè)新梁、臺(tái)后回填以及鐵路通信、信號(hào)、電力、電氣化設(shè)施的遷改及防護(hù)等。方案總體布置如圖3所示。

圖3 Ⅰ方案總體布置(高程單位：m；尺寸單位：cm)

(2)框架橋方案

為減少拆除工程、減少施工對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的干擾時(shí)間，盡量保證不拆兩側(cè)既有橋臺(tái)結(jié)構(gòu)，充分利用橋下凈寬、凈空，考慮分別采用于上行線既有橋下新建1-16 m鋼筋混凝土框架橋，下行線既有橋下新建1-15 m鋼筋混凝土框架橋方案。該方案主要包括D型便梁架設(shè)、既有梁拆除、支架框架現(xiàn)澆、新建框架填充與既有橋臺(tái)空隙以及鐵路通信、信號(hào)、電力設(shè)施的遷改及防護(hù)等(如圖4所示)。

圖4 Ⅱ方案總體布置(高程單位：m；其余：cm)

上述兩個(gè)方案均壓縮了既有河道過(guò)水?dāng)嗝妫柩a(bǔ)充水文檢算[9-10]內(nèi)容。限于篇幅，不再詳述其過(guò)程。

3.4 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

(1)梁式橋方案優(yōu)點(diǎn)

①?gòu)氐紫『Γ熊?chē)可恢復(fù)常速。

②改建實(shí)施后養(yǎng)護(hù)維修成本低。

(2)梁式橋方案缺點(diǎn)

①施工需拆除既有橋臺(tái)及部分路基，橋梁高度約16 m，拆除工程量大，拆除難度大。

②改建后橋臺(tái)高約16 m，且需在既有線運(yùn)營(yíng)條件下回填，臺(tái)后填土工后沉降難以控制，建議運(yùn)營(yíng)后設(shè)置過(guò)渡時(shí)間。

③新建橋梁架設(shè)風(fēng)險(xiǎn)大，京滬鐵路為繁忙干線，宜優(yōu)先考慮整孔橫移就位方案[11]，而本項(xiàng)目橋梁高度約為16 m，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

④施工周期長(zhǎng)，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)干擾大。本項(xiàng)目既有橋要拆除，又需新建橋梁，且孔數(shù)較多，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)造成極大的影響。

⑤需對(duì)鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行遷改，施工難度較大。

⑥項(xiàng)目總投資較大。

(3)框架橋方案優(yōu)點(diǎn)

①?gòu)氐紫『Γ熊?chē)可恢復(fù)常速。

②改建實(shí)施后養(yǎng)護(hù)維修成本低。

③既有橋臺(tái)不需要拆除，且不影響既有路基，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的干擾相對(duì)較小。

④現(xiàn)澆施工，為常規(guī)施工工藝，風(fēng)險(xiǎn)小。

⑤項(xiàng)目投資相對(duì)較小。

(4)框架橋方案缺點(diǎn)

①施工周期較長(zhǎng)，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)干擾大，自既有結(jié)構(gòu)拆除起至框架現(xiàn)澆施工完成及混凝土達(dá)強(qiáng)度止，方可拆除便梁，恢復(fù)線路[12]。

②為滿足排洪要求，需對(duì)河道進(jìn)行全斷面鋪砌。

3.5 推薦方案

綜上所述，結(jié)合京滬鐵路的重要性，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全，推薦采用框架橋方案，并進(jìn)一步對(duì)框架橋方案進(jìn)行優(yōu)化，降低該方案實(shí)施對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響與風(fēng)險(xiǎn)。

4 方案優(yōu)化

4.1 研究?jī)?nèi)容

框架橋方案現(xiàn)澆施工周期長(zhǎng)，施工工序?yàn)榧茉O(shè)便梁→拆除鋼梁→框架現(xiàn)澆→養(yǎng)護(hù)→道床回填→拆除便梁→恢復(fù)行車(chē)。施工方案對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)干擾仍然較大，需進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)方案研究?jī)?yōu)化，調(diào)整施工工序，縮短便梁的架設(shè)時(shí)間，從而減輕施工對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的干擾，降低鐵路運(yùn)營(yíng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 優(yōu)化方案

因填土施工難度大，壓實(shí)困難，難以滿足規(guī)范及設(shè)備管理部門(mén)的要求，且存在較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，結(jié)合前期施工工序，為縮短便梁架設(shè)時(shí)間，合理的施工工序應(yīng)為框架現(xiàn)澆→架設(shè)便梁→拆除鋼梁→混凝土板現(xiàn)澆→養(yǎng)護(hù)→道床回填→拆除便梁→恢復(fù)行車(chē)。該施工工序勢(shì)必要求框架結(jié)構(gòu)整體位于既有梁下，降低框架結(jié)構(gòu)高度，而本項(xiàng)目橋梁高約16 m，具備降低凈高的條件，經(jīng)對(duì)水文重新進(jìn)行檢算，優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案滿足排洪要求。

框架上混凝土板設(shè)計(jì)方案有以下幾種。

①預(yù)制架設(shè)空心結(jié)構(gòu)橫移方案，該方案輔助措施較大，本項(xiàng)目橋下凈空較高，實(shí)施難度大。

②現(xiàn)澆空心結(jié)構(gòu)方案，模板搭設(shè)，鋼筋綁扎時(shí)間周期較長(zhǎng)。

③現(xiàn)澆實(shí)體混凝土板方案，該方案工程量大，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高[13-15]，但對(duì)鐵路影響周期短。

現(xiàn)澆實(shí)體混凝土板方案具有對(duì)鐵路影響時(shí)間最短、施工難度最低、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度不大等優(yōu)點(diǎn)，故最終采用框架上現(xiàn)澆實(shí)體混凝土板方案。

優(yōu)化方案后總體布置如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后框架橋方案總體布置(高程單位：m；其余：cm)

采用該方案后，框架橋施工無(wú)需封鎖線路、要點(diǎn)作業(yè)，不受鐵路運(yùn)營(yíng)影響，大大縮短營(yíng)業(yè)線施工周期，極大降低施工難度與施工風(fēng)險(xiǎn)。

5 建設(shè)效果

(1)方案優(yōu)化后，縮短了營(yíng)業(yè)線施工周期(見(jiàn)表1、表2)。

表1 優(yōu)化前營(yíng)業(yè)線施工時(shí)間 d

表2 優(yōu)化前營(yíng)業(yè)線施工時(shí)間 d

(2)新建框架橋垂直鐵路方向?qū)?.6 m，既有鋼梁外輪廓寬2.75 m，便梁寬4.94 m，方案優(yōu)化后，新建框架可作為便梁架設(shè)及鋼梁拆除的作業(yè)平臺(tái)，減少施工輔助工程，降低鋼梁拆除工作難度。

(3)項(xiàng)目建成后，可從根本上解決既有橋病害，鐵路運(yùn)營(yíng)恢復(fù)常速，運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修工作量小，有效的提升了鐵路運(yùn)營(yíng)能力。

另外，該設(shè)計(jì)方案還包括對(duì)上游河道斷面進(jìn)行清理，橋下河道進(jìn)行全斷面鋪砌，消除原有橋臺(tái)護(hù)錐受沖刷問(wèn)題，本項(xiàng)目自2015年建成至今，未見(jiàn)水害，大大降低了設(shè)備管理部門(mén)的防洪壓力。

圖6 改造后現(xiàn)場(chǎng)情況

6 結(jié)論與建議

既有鐵路病害鋼梁橋改造方案需要考慮的影響因素眾多，應(yīng)縮短對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響周期，降低對(duì)行車(chē)的干擾，盡量采用常規(guī)施工方案，降低施工難度，降低或消除施工風(fēng)險(xiǎn)，故設(shè)計(jì)方案可實(shí)施性為首要考慮的因素。

另外，既有鐵路病害鋼梁橋改造方案選擇應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況，充分利用現(xiàn)場(chǎng)條件，結(jié)合線路特點(diǎn)，為項(xiàng)目的實(shí)施提供進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)省投資的目的。