相鄰墩高差引起橋面高程變化的原因分析及對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響

王培傳

中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 511458

前言

高速鐵路運(yùn)營(yíng)速度快，對(duì)線(xiàn)型及其穩(wěn)定性要求極高。隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，山區(qū)高速鐵路越來(lái)越多，在鐵路跨越山谷時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高低墩現(xiàn)象，相鄰橋墩高差較大。全國(guó)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(jìn)而導(dǎo)致軌道線(xiàn)型發(fā)生變化的現(xiàn)象時(shí)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(xiàn)型變化會(huì)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)影響有多大等等。本文以合福鐵路巷坑大橋?yàn)槔?，著重分析相鄰橋墩高差引起橋面高程變化的原因及?duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響。

1 工程概況

巷坑大橋位于安徽省黃山市，橋址地勢(shì)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(jiǎn)支箱梁，線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)為客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)、雙線(xiàn)，線(xiàn)間距5.0m，本橋位于曲線(xiàn)上，曲線(xiàn)半徑12000m，設(shè)計(jì)目標(biāo)速度350km/h。軌道類(lèi)型為CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道。

墩臺(tái)及基礎(chǔ)：巷坑大橋合肥臺(tái)、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(tái)基礎(chǔ)采用9根φ1.00m的鉆孔樁基礎(chǔ)；1#墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。本橋1#墩為T(mén)構(gòu)主墩，采用矩形空心墩，墩高48.5m，2#墩采用實(shí)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(jiǎn)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(guò)程概述

該橋原1號(hào)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(kuò)大基礎(chǔ)。擴(kuò)大基礎(chǔ)于2013年7月19日開(kāi)始施工，2013年8月18日完成；墩身于2013年8月25日開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(cè)量時(shí)間為2014年8月17日，第二次CPIII測(cè)量時(shí)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(cè)量時(shí)間為2014年11月20日。CPIII點(diǎn)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(cè)量成果CPIII對(duì)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(méi)有通過(guò)任何大型機(jī)械進(jìn)行超重加載，通過(guò)對(duì)橋面的長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，除鋪軌機(jī)通過(guò)時(shí)發(fā)生較大突變化，其他時(shí)間觀(guān)測(cè)時(shí)間均相對(duì)較為穩(wěn)定，而且隨深度變化而變化，而此時(shí)通過(guò)對(duì)橋墩底部進(jìn)行觀(guān)測(cè)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(duì)照現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間安排，以及相關(guān)專(zhuān)家意見(jiàn)，分析認(rèn)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(gè)月穩(wěn)定性后才能進(jìn)行CPⅢ測(cè)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(gè)月即進(jìn)行CPⅢ測(cè)量與道床板施工，橋梁徐變沒(méi)有完成未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）巷坑大橋 1號(hào)墩基礎(chǔ)位于弱風(fēng)化千枚質(zhì)粉砂巖，地基承載滿(mǎn)足要求，經(jīng)連續(xù)觀(guān)測(cè)基礎(chǔ)沉降趨于穩(wěn)定。

（3）巷坑大橋 1號(hào)墩墩頂橋面高程在不同溫度下高程不同；同時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)分析得出：巷坑大橋1號(hào)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(shí)也說(shuō)明混凝土結(jié)構(gòu)在溫度發(fā)生變化時(shí)，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(jì)算分析

根據(jù)2015年1月～2015年5月對(duì)該橋基礎(chǔ)沉降及橋面CPⅢ測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)比溫度變化分析認(rèn)為：橋墩基礎(chǔ)觀(guān)測(cè)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(shí)，豎向伸縮變形變化在測(cè)量誤差中已包括，誤差在許可范圍內(nèi)。

計(jì)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，說(shuō)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(shí)間為2015年1月30日，此時(shí)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(duì)值為14.7mm，計(jì)算得10m弦長(zhǎng)內(nèi)高差為2mm，滿(mǎn)足軌道靜態(tài)驗(yàn)標(biāo)2mm/10m弦的要求；不滿(mǎn)足48a、480a基線(xiàn)長(zhǎng)長(zhǎng)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(shí)平均結(jié)構(gòu)溫度偏低，建議在溫度適宜時(shí)重新精調(diào)。

經(jīng)過(guò)計(jì)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(mǎn)足2mm/10m弦、10mm/240a的要求，具體精調(diào)時(shí)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(shí)橋面高程豎向變形最大為9.8mm，相鄰墩臺(tái)變形量差值最大為9.5mm，滿(mǎn)足靜態(tài)驗(yàn)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(duì)線(xiàn)路平順性的影響

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

5.1 列車(chē)行車(chē)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(dòng)車(chē)組以速度160～250km/h和國(guó)產(chǎn)CRH3動(dòng)車(chē)組以速度250～420km/h范圍通過(guò)時(shí)，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)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?xún)?nèi)，說(shuō)明高速列車(chē)運(yùn)行的安全性得到保障。

5.2 列車(chē)行車(chē)舒適性

考慮橋面溫度變形影響后，在國(guó)產(chǎn)CRH3動(dòng)車(chē)組以速度250～350km/h范圍通過(guò)時(shí)，車(chē)輛橫向、豎向舒適性均能達(dá)到“優(yōu)”；在國(guó)產(chǎn)CRH3動(dòng)車(chē)組以速度375～420km/h范圍運(yùn)行時(shí)，車(chē)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(guó)產(chǎn)CRH2動(dòng)車(chē)組以速度160～200km/h通過(guò)時(shí)，車(chē)輛的橫向、豎向舒適性達(dá)到“優(yōu)”；在國(guó)產(chǎn)CRH2動(dòng)車(chē)組以速度220～250km/h通過(guò)時(shí)，車(chē)輛的豎向舒適性達(dá)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(mǎn)足國(guó)產(chǎn)CRH2動(dòng)車(chē)組以速度160～250km/h和國(guó)產(chǎn)CRH3動(dòng)車(chē)組以速度250km/h～420km/h運(yùn)行時(shí)的安全性和良好的舒適性要求。

6 結(jié)論與建議

（1）針對(duì)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(mǎn)足2mm/10m弦、10mm/240a的要求。

（2）在以后的設(shè)計(jì)施工中，盡量減少相鄰兩橋墩的高度差，原則上不要超過(guò)20m；當(dāng)出現(xiàn)類(lèi)似工程時(shí)，應(yīng)盡量提前完成梁部施工，使全橋的沉降與徐變時(shí)間滿(mǎn)足要求并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)在工期滿(mǎn)足要求的情況下，可將軌道精調(diào)時(shí)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(mǎn)足鐵路運(yùn)營(yíng)舒適度要求。

（3）類(lèi)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(huì)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(duì)軌面平順的影響，將成為今后工作的重點(diǎn)。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(yàn)，可以為以后類(lèi)似的工程設(shè)計(jì)、施工提供參考和借鑒。