縱橫抬梁法加固線路施工安全控制措施

楊建豹

中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250001

采用頂進(jìn)法進(jìn)行橋梁施工可不中斷鐵路運(yùn)輸，但施工過(guò)程中線路的加固至關(guān)重要。D型便梁加固安全系數(shù)大、整體穩(wěn)定性好，可以在線路完全架空的狀態(tài)下進(jìn)行，但是便梁在線間距小于4.0 m［1］及道岔處無(wú)法使用。為確保不間斷行車(chē)及工程順利實(shí)施常采取縱橫抬梁法加固線路?？v橫抬梁法有以縱梁為主要受力構(gòu)件、以橫梁為主要受力構(gòu)件兩種加固體系。前者屬于梁式結(jié)構(gòu)，隨著跨度的增大縱梁受到的最大應(yīng)力呈二次方增長(zhǎng)，因此縱向最大跨度受到很大制約［2］。后者類似板式結(jié)構(gòu)，沿線路方向具有無(wú)限延伸的特點(diǎn)，可以建設(shè)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(gòu)橋工程為例，首先對(duì)縱橫抬梁加固體系中橫梁的最大容許跨度進(jìn)行計(jì)算，然后采用有限元軟件MIDAS/Civil建立實(shí)體模型，對(duì)縱梁和橫梁的變形進(jìn)行分析，找出薄弱點(diǎn)，并采取針對(duì)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(gòu)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(wú)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(gòu)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(jì)算及豎向位移數(shù)值模擬分析

2.1 橫梁最大容許跨度計(jì)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(huán)布置。計(jì)算分析時(shí)，橫梁上荷載簡(jiǎn)化為均布荷載，橫梁與縱梁連接處考慮為簡(jiǎn)支邊界。此時(shí)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(wěn)情況，結(jié)合實(shí)際布置情況計(jì)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(shí)際工程中布置I50C鋼橫梁時(shí)，跨度小于6.7 m時(shí)可滿足剛度要求，同時(shí)施工過(guò)程中還須嚴(yán)格控制橫梁懸出長(zhǎng)度。

在剛度、荷載一定的情況下，簡(jiǎn)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(shí)應(yīng)嚴(yán)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(jiǎn)化截面尺寸如圖3所示?？v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?？v橫梁參數(shù)取值見(jiàn)表1。

圖3 I50C型鋼簡(jiǎn)化截面尺寸（單位：mm）

表1 縱橫梁參數(shù)取值

縱橫抬梁加固體系總寬度5 m，總長(zhǎng)度60 m。采用MIDAS/Civil建立有限元模型（圖4），共劃分1 395個(gè)單元?？v梁、橫梁及扣軌端部采用簡(jiǎn)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(jié)果與分析

首先根據(jù)鐵路既有結(jié)構(gòu)物初始狀態(tài)，計(jì)算架設(shè)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(guī)律。中-活載作用下縱梁、橫梁的豎向位移見(jiàn)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(fā)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 施工控制措施及效果

3.1 施工控制措施

1）嚴(yán)控土方開(kāi)挖量和頂進(jìn)步距

安排專人復(fù)核施工過(guò)程中土方開(kāi)挖量和頂進(jìn)步距，防止工字鋼橫梁最大容許跨度超過(guò)6.7 m。

2）加強(qiáng)縱橫抬梁加固體系關(guān)鍵處所的檢查和整修

加強(qiáng)對(duì)縱橫抬梁加固體系關(guān)鍵處所的檢查，及時(shí)消滅設(shè)備隱患。施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)U形卡斷裂及時(shí)更換，同時(shí)把該問(wèn)題作為重點(diǎn)進(jìn)行檢查。列車(chē)通過(guò)后對(duì)縱橫梁的扣件進(jìn)行復(fù)緊，確保每一個(gè)支點(diǎn)受力均勻。同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的大值點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行整修，確保軌道的平順。

3）安設(shè)軌道豎向位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

橫梁的豎向位移會(huì)直接導(dǎo)致橋上軌道豎向位移。為隨時(shí)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(dòng)化位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。其中，SX1—SX7為瓦日上行線測(cè)點(diǎn)，XX1—XX7為瓦日下行線測(cè)點(diǎn)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

監(jiān)測(cè)分加固體系的組裝（11月9日—18日）、框構(gòu)橋頂進(jìn)（11月21日—27日）、加固體系拆除（11月30日—12月10日）三個(gè)階段進(jìn)行，重點(diǎn)分析頂進(jìn)過(guò)程中瓦日鐵路下行線單次測(cè)量豎向位移和累計(jì)豎向位移的變化。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)組織人員分析，并整修線路，確保其狀態(tài)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(jiàn)圖7?？梢钥闯觯簭募庸腆w系組裝完成（11月18日）到框構(gòu)橋開(kāi)始頂進(jìn)（11月21日）軌道單次測(cè)量豎向位移變化不明顯；從框構(gòu)橋開(kāi)始頂進(jìn)到頂進(jìn)到位（11月27日）軌道豎向位移開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，框構(gòu)橋邊緣頂進(jìn)到上下行線之間時(shí)（11月25日）下行線完全懸空，軌道豎向位移突然增大，但沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)容許值（單次測(cè)量位移變化量最大不超過(guò)5 mm），隨后軌道豎向位移趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明縱橫抬梁法加固雙線鐵路，線路完全懸空時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)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(gòu)橋開(kāi)始頂進(jìn)（11月21日）到加固體系開(kāi)始拆除（11月30日），累計(jì)豎向位移變化明顯。這說(shuō)明該階段是縱橫抬梁法加固的薄弱環(huán)節(jié)。由于施工期間監(jiān)測(cè)到位，檢查整修及時(shí)，累計(jì)位移變化量沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)限值（15 mm）。

4 結(jié)論

1）本文通過(guò)對(duì)橫梁最大容許跨度計(jì)算和數(shù)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(jù)此提出嚴(yán)格控制土方開(kāi)挖量和頂進(jìn)步距、加強(qiáng)縱橫抬梁加固體系關(guān)鍵處所的檢查和整修、對(duì)軌道豎向位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三項(xiàng)控制措施。

2）施工期間監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，從框構(gòu)橋開(kāi)始頂進(jìn)到加固體系開(kāi)始拆除是縱橫抬梁法加固的薄弱環(huán)節(jié)。由于監(jiān)測(cè)到位，線路整修及時(shí)，豎向位移變化總體可控。