縱橫抬梁法加固線路施工安全控制措施

楊建豹

中國鐵路濟南局集團有限公司，濟南250001

采用頂進法進行橋梁施工可不中斷鐵路運輸，但施工過程中線路的加固至關重要。D型便梁加固安全系數大、整體穩定性好，可以在線路完全架空的狀態下進行，但是便梁在線間距小于4.0 m［1］及道岔處無法使用。為確保不間斷行車及工程順利實施常采取縱橫抬梁法加固線路。縱橫抬梁法有以縱梁為主要受力構件、以橫梁為主要受力構件兩種加固體系。前者屬于梁式結構，隨著跨度的增大縱梁受到的最大應力呈二次方增長，因此縱向最大跨度受到很大制約［2］。后者類似板式結構，沿線路方向具有無限延伸的特點，可以建設大跨度橋梁。

本文以省道S103公路下穿瓦日（瓦塘—日照）鐵路框構橋工程為例，首先對縱橫抬梁加固體系中橫梁的最大容許跨度進行計算，然后采用有限元軟件MIDAS/Civil建立實體模型，對縱梁和橫梁的變形進行分析，找出薄弱點，并采取針對性措施，確保施工安全。

1 工程概況

省道S103在K982+008處采用8～18 m不同跨度的連體框構橋下穿既有瓦日雙線鐵路，由于瓦日鐵路上下行線間距為4 m，無法使用D型便梁，最終確定采用縱橫抬梁法（以橫梁為主要受力構件的加固體系）加固線路，施工期間限速45 km/h［1-2］，如圖1所示。

圖1 縱橫抬梁法加固線路平面示意

2 橫梁最大容許跨度計算及豎向位移數值模擬分析

2.1 橫梁最大容許跨度計算

縱橫梁均采用I50C工字鋼梁，橫梁沿線路方向（縱向）按0.6、0.6、1.2 m間距循環布置。計算分析時，橫梁上荷載簡化為均布荷載，橫梁與縱梁連接處考慮為簡支邊界。此時橫梁受力如圖2所示。

圖2 橫梁受力示意

不考慮工字鋼橫梁受扭矩失穩情況，結合實際布置情況計算得出工字鋼橫梁容許彎矩為488.8 kN·m，最大容許跨度L=6.7 m。因此，在實際工程中布置I50C鋼橫梁時，跨度小于6.7 m時可滿足剛度要求，同時施工過程中還須嚴格控制橫梁懸出長度。

在剛度、荷載一定的情況下，簡支梁跨度越大，橫梁跨中豎向撓度越大，因此采用縱橫抬梁法加固線路時應嚴格控制橫梁跨度以保證體系安全。

2.2 豎向位移

2.2.1 模型的建立

縱橫梁均采用I50C型鋼，其簡化截面尺寸如圖3所示。縱梁3根一束布置，縱梁距離線路中心2.2 m，采用3-5-3型扣軌。縱橫梁參數取值見表1。

圖3 I50C型鋼簡化截面尺寸（單位：mm）

表1 縱橫梁參數取值

縱橫抬梁加固體系總寬度5 m，總長度60 m。采用MIDAS/Civil建立有限元模型（圖4），共劃分1 395個單元。縱梁、橫梁及扣軌端部采用簡支邊界［3-5］。

圖4 縱橫抬梁加固體系有限元模型

2.2.2 模擬結果與分析

首先根據鐵路既有結構物初始狀態，計算架設縱橫抬梁加固體系后的初始位移，然后模擬分析線路上施加中-活載后工字鋼橫梁、縱梁豎向位移的變化規律。中-活載作用下縱梁、橫梁的豎向位移見圖5。

圖5 中-活載作用下縱梁、橫梁豎向位移云圖（單位：mm）

由圖5可以看出：縱梁最大豎向位移發生在跨中，其值約為0.70 mm，但豎向位移沿縱梁變化不大；橫梁跨中最大位移為10.71 mm。工字鋼橫梁變形較大，是加固體系的薄弱部位，可采用更大剛度的橫梁以減小跨中變形，提高結構的穩定性。

3 施工控制措施及效果

3.1 施工控制措施

1）嚴控土方開挖量和頂進步距

安排專人復核施工過程中土方開挖量和頂進步距，防止工字鋼橫梁最大容許跨度超過6.7 m。

2）加強縱橫抬梁加固體系關鍵處所的檢查和整修

加強對縱橫抬梁加固體系關鍵處所的檢查，及時消滅設備隱患。施工過程中發現U形卡斷裂及時更換，同時把該問題作為重點進行檢查。列車通過后對縱橫梁的扣件進行復緊，確保每一個支點受力均勻。同時對實時監測得到的大值點及時進行整修，確保軌道的平順。

3）安設軌道豎向位移實時監測系統

橫梁的豎向位移會直接導致橋上軌道豎向位移。為隨時掌握軌道豎向位移的變化情況，2020年11月1日在瓦日鐵路下行線橫梁上方的鋼軌軌腰布置了自動化位移監測系統。測點布置見圖6。其中，SX1—SX7為瓦日上行線測點，XX1—XX7為瓦日下行線測點。

圖6 監測點布置（單位：m）

監測分加固體系的組裝（11月9日—18日）、框構橋頂進（11月21日—27日）、加固體系拆除（11月30日—12月10日）三個階段進行，重點分析頂進過程中瓦日鐵路下行線單次測量豎向位移和累計豎向位移的變化。發現問題及時組織人員分析，并整修線路，確保其狀態良好。

3.2 控制效果

2020年11月至12月瓦日鐵路下行線軌道豎向位移變化曲線見圖7。可以看出：從加固體系組裝完成（11月18日）到框構橋開始頂進（11月21日）軌道單次測量豎向位移變化不明顯；從框構橋開始頂進到頂進到位（11月27日）軌道豎向位移開始出現波動，框構橋邊緣頂進到上下行線之間時（11月25日）下行線完全懸空，軌道豎向位移突然增大，但沒有超過設計容許值（單次測量位移變化量最大不超過5 mm），隨后軌道豎向位移趨于穩定。這說明縱橫抬梁法加固雙線鐵路，線路完全懸空時風險較大，應加強設備檢查和整修。

圖7 軌道豎向位移變化曲線

由圖7（b）可知：框構橋開始頂進（11月21日）到加固體系開始拆除（11月30日），累計豎向位移變化明顯。這說明該階段是縱橫抬梁法加固的薄弱環節。由于施工期間監測到位，檢查整修及時，累計位移變化量沒有超過設計限值（15 mm）。

4 結論

1）本文通過對橫梁最大容許跨度計算和數值模擬分析，得出工字鋼橫梁變形較大，該處是加固體系的薄弱部位。據此提出嚴格控制土方開挖量和頂進步距、加強縱橫抬梁加固體系關鍵處所的檢查和整修、對軌道豎向位移實時監測三項控制措施。

2）施工期間監測發現，從框構橋開始頂進到加固體系開始拆除是縱橫抬梁法加固的薄弱環節。由于監測到位，線路整修及時，豎向位移變化總體可控。