烏蘇市物流園道路下穿蘭新鐵路工程線路防護方案設計

努爾買買提·吐爾遜

(中鐵一院集團 新疆鐵道勘察設計院有限公司，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方案設計

努爾買買提·吐爾遜

(中鐵一院集團 新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

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

既有鐵路 組合工便梁 防護

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為烏蘇市向南擴建提供重要通道，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為2×16 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 組合工便梁防護方案

結(jié)合該工程實際情況，合理確定既有鐵路線加固方案，確保鐵路運營安全、有效控制投資是該工程的重點和難點。疆內(nèi)鐵路常用的既有線防護方案——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，通過優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)及設備構(gòu)件形成的新防護方案，在干線鐵路新增大型立交工程中正在推廣使用。其優(yōu)點是:①受力明確、設備可重復使用;②施工簡便，適用于單線、多線及道岔區(qū)等各種復雜情況;③線路防護跨度不受限制，經(jīng)濟性較優(yōu)。其缺點是:①架設縱梁期需要封閉線路并停電，對電氣化鐵路運營造成影響;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體系和線下支撐體系。線上線路防護體系由縱梁、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)燃機車牽引的普通鐵路和電力機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螺栓等強聯(lián)結(jié)成型。橫梁采用H70型鋼，單節(jié)長度12 m。使用高強度螺栓等強度拼接縱梁與橫梁(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。

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

頂至挖孔樁0.5 m時，箱形橋上面的支點要墊好墊牢，確認線路完全穩(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 變形控制標準

既有線防護設計以安全、可靠、經(jīng)濟為目標，以符合鐵路運輸安全、適應現(xiàn)場施工環(huán)境、達到各項防護指標、與鐵路維修需求相匹配為原則。而組合工便梁防護方案的各項指標完全符合該工程的既有線防護設計原則。在組合工便梁防護設計中控制軌道變形是設計的重點。經(jīng)理論分析及工程實踐驗證，頂進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級標準(保養(yǎng)標準)作為組合工便梁變形控制標準，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《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)和《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(TB 10002.2—99)設計，按《鐵路鋼橋制造規(guī)范》(TB 100212—98)制造、檢查、驗收。組合工便梁材質(zhì)選用Q345B鋼制作，基本容許應力為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。

應力σz=(M1+M2)hz/(2IX)=17.9 MPa＜170 MPa;撓度 fz=5(q1+q2)L4z/(384EIX)=0.5＜5 mm。應力與撓度均滿足規(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?？v梁強度滿足行車要求，軌道不會出現(xiàn)三角坑。

4.2.2 橫梁變形控制

在箱形橋頂進過程中，由于依次拆除A，B排支撐樁，橫梁支點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，在每個縱梁支撐點和縱梁跨中設置2根H70型鋼橫梁。在箱形橋頂進過程中拆除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。橫梁強度滿足行車要求，軌道不會出現(xiàn)三角坑。實際工作中橫梁兩端由高強螺栓固定在縱梁下，按兩端固結(jié)計算，則其強度、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，采用混凝土護壁支護，從上至下邊開挖邊分節(jié)澆筑，樁底部用擴底鋼護筒成孔。每個挖孔樁基礎內(nèi)插入4根I20b工字鋼，并用 C15混凝土填實。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，在箱形橋頂進時，橋頂與橫梁之間設置了減阻滑輪，橫梁末端設置了抗滑移樁。當施工操作不當，軌道發(fā)生橫向變形時，還可通過箱形橋上設置的反拉系統(tǒng)恢復鐵路線形。

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設計的應用，解決了新疆地區(qū)同類施工設計的難點，為今后類似工程的設計提供了成功經(jīng)驗。目前，大型立體交叉工程項目愈來愈多，既有鐵路線防護關鍵技術(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［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［M］.北京:高等教育出版社，1994.

［6］鋼結(jié)構(gòu)設計手冊編委會.鋼結(jié)構(gòu)設計手冊［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)線施工安全管理實施細則［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［2006］177號 鐵路工務安全規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

(責任審編 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