水庫區(qū)鐵路路基改橋技術(shù)研究

劉東亮，李 燁，祝培林

(中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件限制，二十世紀(jì)五六十年代，山區(qū)鐵路基本上依山傍河修建。鐵路線路依山就勢，蜿蜒曲折，開山修路，大橋、長隧道構(gòu)筑物很少，填方、挖方、半填半挖形式的路基很多，而且基本全是采用路塹挖方當(dāng)作填料直接填筑，級(jí)配和透水性能不良。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，江河上梯級(jí)修建水庫蓄水發(fā)電，勢頭迅猛，開發(fā)水利資源，向社會(huì)奉獻(xiàn)綠色清潔能源。水庫修建蓄水后，水面抬高，大多數(shù)沿江河修建的鐵路路基長期浸泡于水中，造成路基坍塌、溜坍、滑坡等病害，甚至中斷行車，嚴(yán)重危及鐵路運(yùn)營安全。因此，針對(duì)擬建水庫區(qū)的鐵路路基，開展分析研究，采用恰當(dāng)?shù)姆桨笇?duì)鐵路路基進(jìn)行加固、防護(hù)是非常必要的。

1 項(xiàng)目背景

擬建嘉陵江巨亭水電站壩址位于陜西省寧強(qiáng)縣巨亭鄉(xiāng)簸萁灘以下200 m的嘉陵江河道，對(duì)應(yīng)寶成鐵路位置為吳家隧道中部里程約K252+630。根據(jù)《嘉陵江巨亭水電站工程可行性研究報(bào)告》及《嘉陵江巨亭水電站工程庫區(qū)寶成鐵路安全影響評(píng)價(jià)報(bào)告》，水電站建成后最大壩高40.0 m，正常蓄水位599.00 m，設(shè)防蓄水位600.60 m[1]。路基所處的環(huán)境發(fā)生了很大變化，修建水庫前的路基形式及填料與水庫無法匹配，特別是庫區(qū)寶成鐵路6座涵洞基底位于設(shè)防水位以下，庫水將會(huì)造成橫向沖溝排洪不暢，涵址路基本體破壞、嚴(yán)重失穩(wěn)，涵洞滑移。水庫區(qū)此類路基危害發(fā)生后很難修復(fù)，即使修復(fù)，路基的穩(wěn)定性也非常差，很難保證鐵路正常運(yùn)營安全[2]。

2 路基病害產(chǎn)生的原因分析

2.1 水電站運(yùn)行模式

正常情況下，水庫在正常蓄水位599.00 m運(yùn)行。在汛期為了控制泥沙淤積，減小回水對(duì)寶成鐵路路基的影響，當(dāng)入庫流量小于300.00 m3/s時(shí)，水庫在正常蓄水位599.00 m至死水位597.00 m之間運(yùn)行；當(dāng)入庫流量大于300.00 m3/s而小于1 500.00 m3/s時(shí)，水庫水位降低至排沙水位590.00 m運(yùn)行；當(dāng)入庫流量大于1 500.00 m3/s時(shí)，水庫敞泄運(yùn)行。

2.2 路基病害產(chǎn)生機(jī)理

水電站的運(yùn)行模式，使鐵路路基反復(fù)、頻繁地處于自然河床(即鐵路原設(shè)計(jì)狀態(tài))、水位抬高(蓄水過程)、長期浸泡(常水位運(yùn)行)、水位降低(泄洪)等狀態(tài)的反復(fù)變化中。水庫修建后，水庫反復(fù)地蓄水、放水所形成的動(dòng)水壓力及庫水長期浸泡的作用，對(duì)路基填料產(chǎn)生致命的影響，將引起鐵路路基填料顆粒大量松動(dòng)、脫離，最后導(dǎo)致路基坍塌、失穩(wěn)，病害時(shí)有發(fā)生，危害鐵路運(yùn)營安全。

2.3 水庫對(duì)涵洞的影響

巨亭水電站庫區(qū)內(nèi)寶成鐵路6座涵洞，全為整體式基礎(chǔ)的泄洪涵洞，為排泄線路右側(cè)沖溝匯集的洪水而設(shè)。涵洞兩側(cè)的路基，均采用鐵路修建時(shí)路塹開挖的土石方直接填筑而成，填料強(qiáng)度和級(jí)配等較差。涵底高程均位于水庫正常蓄水位599.00 m以下，更是低于設(shè)防蓄水位600.60 m。水庫建成蓄水后，涵洞就變成了一個(gè)連通器，將線路左側(cè)的嘉陵江庫水與線路右側(cè)的沖溝聯(lián)通為一個(gè)水平面，沖溝內(nèi)的洪水不但無法通過涵洞排出進(jìn)入嘉陵江，而且使涵洞上下游兩側(cè)的路基長期浸泡在庫水中，出現(xiàn)路基坍塌失穩(wěn)病害[3]。

3 水庫區(qū)鐵路路基病害整治方法

鐵路路基病害整治常采用改良路基填料(如質(zhì)量比為3∶7灰土、沙夾石、碎石、卵石、片石、塊石等)、增設(shè)路基附屬結(jié)構(gòu)支擋邊坡、路基改橋等方法[4-5]。

根據(jù)前期研究結(jié)果，結(jié)合路基形式、路基填料，以及路基病害形成后的影響分析，巨亭水庫修建后，受庫水影響，寶成鐵路需要加固的路基分兩類：1)修建鐵路時(shí)沿江開山地段，用開挖產(chǎn)生的土石方作為填料，直接填筑，形成半填半挖、一面靠山、一面臨水的路基；2)橫向沖溝設(shè)置涵洞地段，在涵洞出入口兩側(cè)，采用路塹開挖產(chǎn)生的土石方作為填料，直接填筑路基，形成兩側(cè)填土同時(shí)浸泡于庫水中的雙面臨水路基。針對(duì)路基形成方式的差異和路基臨水面的不同，常采用增設(shè)擋墻、護(hù)坡、樁板墻等路基附屬支擋結(jié)構(gòu)加固路基邊坡，阻止庫水繼續(xù)淘挖路基，維護(hù)路基穩(wěn)定；也可采用路基改橋方案替換路基，根治庫水導(dǎo)致路基失穩(wěn)的病害，確保鐵路安全。

4 路基改橋設(shè)計(jì)

4.1 關(guān)鍵因素

將因受庫水長期浸泡填料而導(dǎo)致失穩(wěn)的路基改建為橋梁，開展橋梁方案設(shè)計(jì)和施工技術(shù)研究，首要考慮的是：施工過程中，不能中斷鐵路正常行車。

路基改橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是要選擇合適的橋梁基礎(chǔ)、墩臺(tái)形式[6-9]；施工方案設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究的重點(diǎn)為：研究墩臺(tái)與基礎(chǔ)的施工工藝，特別是要結(jié)合既有鐵路運(yùn)營的實(shí)際情況，將T梁運(yùn)、卸、架過程對(duì)鐵路運(yùn)營干擾的減少，作為關(guān)鍵技術(shù)開展研究。路基改橋，確保施工和行車安全、可靠，至關(guān)重要。

以寶成線K247+589既有1-3.50 m拱涵處路基改橋工點(diǎn)為例，闡述路基改橋的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)研究，提出路基改橋設(shè)計(jì)與施工的重點(diǎn)、難點(diǎn)及關(guān)鍵步驟的工藝。

4.2 橋梁設(shè)計(jì)

該工點(diǎn)位于R-500 m的曲線及-1.1‰的下坡坡道上，旅客列車設(shè)計(jì)行車速度為70 km/h。

4.2.1 橋梁選擇

考慮五個(gè)主要因素：1)確保運(yùn)梁、卸梁、架梁的方便和安全[10-14]；2)橋梁跨度要適應(yīng)線路半徑R-500 m曲線；3)橋梁跨度與線路架空的D型便梁跨度相對(duì)應(yīng)[15]；4)橋梁全長范圍能將涵洞段路基完全置換；5)確保橋臺(tái)設(shè)置及臺(tái)后路基的穩(wěn)定、安全。

基于上述因素，經(jīng)研究比選，采用于K247+574.00設(shè)2×24 m+1×16 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁作為設(shè)計(jì)方案，將路基改建為橋梁，按切線法在曲線上布設(shè)T梁，橋梁全長76.36 m，如圖1所示。橋梁采用的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，采用梁場集中預(yù)制、價(jià)購、火車運(yùn)輸。T梁單片預(yù)制，具有結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕，運(yùn)梁、卸梁、架梁輕便，列車運(yùn)輸中易于滿足隧道限界要求等諸多優(yōu)點(diǎn)。橋臺(tái)基礎(chǔ)底置于基巖上，臺(tái)后路基與橋臺(tái)錐坡均位于基巖面以下、水庫設(shè)防水位600.50 m以上，確保了橋臺(tái)和路基的穩(wěn)定、安全。

4.2.2 橋梁墩臺(tái)

橋梁墩臺(tái)的選擇，主要考慮施工過程不中斷鐵路行車因素，并盡量減少施工對(duì)列車運(yùn)行的影響。橋墩選用門式框架墩[16-17]，適當(dāng)加大橫梁跨度，將墩柱設(shè)于列車限界外，距線路中心不小于2.50 m，避免墩柱施工受列車運(yùn)營影響。墩柱矩形截面縱橋向長3.00 m、橫橋向?qū)?.00 m、柱高23.00 m，橫梁長9.50 m、寬4.00 m、高2.00 m。橋墩不設(shè)基礎(chǔ)、墩柱直接嵌入基巖、樁柱一體，挖孔施工。選用挖方內(nèi)設(shè)T臺(tái)，縮減橋臺(tái)長度與高度，減少土方開挖、降低施工難度，減小錐坡高度與長度，增加橋臺(tái)和臺(tái)后路基穩(wěn)定性。

4.2.3 線路架空

路基改橋，墩臺(tái)澆筑與橋梁架設(shè)施工，須在線路架空條件下進(jìn)行。設(shè)計(jì)分別采用挖孔樁、已建成的墩臺(tái)支撐16 m,24 m跨度D型便梁架空線路。

5 施工工藝設(shè)計(jì)

5.1 施工方案與施工步驟

總體施工方案：線路架空條件下，先后、依次完成橋梁墩臺(tái)、架梁，最后拆除線路架空，恢復(fù)線路。

主要施工步驟：挖孔樁施工→挖孔樁支撐便梁架空線路→墩臺(tái)施工→墩臺(tái)支撐便梁架空線路→卸梁→落梁→拆除線路架空→平推架梁→施工橋面系→恢復(fù)線路。

5.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

架空線路、墩臺(tái)施工、卸梁、架梁，是路基改橋施工技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，需高度重視，重點(diǎn)把控。

5.2.1 墩臺(tái)施工

1)首次架空線路。

依據(jù)橋梁布孔，在每孔橋梁跨度中間位置定位設(shè)置挖孔樁，支撐D型便梁，架空線路，為墩臺(tái)施工不中斷列車運(yùn)營創(chuàng)造條件。設(shè)3×24 m+1×16 m D型便梁，架空線路。從0號(hào)臺(tái)開始，采用挖孔樁支撐便梁架空線路，施工0號(hào)臺(tái)；依次類推，直至完成4個(gè)墩臺(tái)施工。每次架空線路，均采用人工開挖挖孔樁。挖孔樁直徑1.20 m，挖孔樁中心橫向距線路中心2.40 m，采用厚0.25 m的鋼筋混凝土護(hù)壁防護(hù)，確保安全。挖孔樁施工完成、混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，點(diǎn)內(nèi)安裝D型便梁支撐于挖孔樁上架空線路，開展墩臺(tái)施工。線路架空在天窗點(diǎn)內(nèi)完成，挖孔樁施工在列車運(yùn)行間隙完成，如圖2所示。

2)墩臺(tái)施工。

在挖孔樁支撐D型便梁、架空線路狀態(tài)下，施工墩柱、橫梁和頂帽。墩柱位于地面以下部分采用人工挖孔施工，用厚0.25 m的矩形鋼筋混凝土護(hù)壁防護(hù)。挖孔樁施工完成后，現(xiàn)澆施工墩柱混凝土，墩柱混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，立模澆筑橫梁和頂帽混凝土。一個(gè)墩施工完成后，調(diào)整D型便梁架空線路的位置，完成其他墩施工。同理，調(diào)整線路架空位置，人工開挖，現(xiàn)澆混凝土，完成橋臺(tái)施工。為減少現(xiàn)場D型便梁的使用數(shù)量、節(jié)約施工成本，墩臺(tái)施工，同一型號(hào)的D型便梁只使用一組，采用一組便梁按施工順序逐一架空線路、反復(fù)倒用的模式，完成線路架空與墩臺(tái)施工。墩臺(tái)施工均在列車運(yùn)行間隙完成。

本項(xiàng)目通過應(yīng)用BIM技術(shù)提高了信息化管理水平，在施工過程中實(shí)現(xiàn)了“四節(jié)一環(huán)?！钡念A(yù)期目的，且已順利通過住建部綠色施工科技示范工程的中期檢查。

5.2.2 卸梁

工廠預(yù)制、價(jià)購運(yùn)輸?shù)腡梁經(jīng)火車運(yùn)輸?shù)竭_(dá)施工地點(diǎn)前方車站后，用軌道平板車運(yùn)抵施工地點(diǎn)，與設(shè)計(jì)T梁梁跨對(duì)孔停車、卸梁。T梁結(jié)構(gòu)高度2.10 m，平板車高于軌面1.50 m，軌面距路肩高0.80 m，T梁頂距路肩高差近4.40 m。如此大的高差，卸梁過程中容易失穩(wěn)導(dǎo)致T梁側(cè)翻，安全風(fēng)險(xiǎn)巨大。

卸梁前，在距線路左側(cè)8.00 m左右位置，填土、夯實(shí)修建平臺(tái)，其上縱橫交錯(cuò)、分層搭設(shè)2.50 m(長)×2.50 m(寬)×4.40 m(高)的枕木垛，高度與軌道車平板基本平齊；同時(shí)在距中心右側(cè)5.00 m外填筑平臺(tái)，位于鐵路行車限界以外，為架梁時(shí)存放架空線路的D型便梁使用。枕木垛上T梁兩端支點(diǎn)附近，鋪設(shè)滑道?；酪欢伺c平板車相連接，另一端支撐于枕木垛上。緊接著，平穩(wěn)地將T梁從軌道平板車上滑移至枕木垛上，安全卸梁。卸梁施工在天窗點(diǎn)內(nèi)完成。

5.2.3 落梁

使用千斤頂支撐T梁，逐層抽取枕木垛的枕木，直到抽完最后一層木枕，將T梁平穩(wěn)地落至平臺(tái)上。平臺(tái)上T梁底搭設(shè)滑道，長度連通至已施工完成的墩臺(tái)頂帽。

同理，隨后依次、繼續(xù)卸、落第二片T梁。落梁在列車運(yùn)行間隙完成。其他孔跨的T梁卸、落采用同樣方法完成。

5.2.4 架梁

橋梁墩臺(tái)全部完成施工，需要改變便梁支撐位置，二次架空線路。架梁前，首先將支撐于挖孔樁上的D型便梁拆移，改由橋梁墩臺(tái)支撐、重新架空線路，D型便梁架空線路的長度與T梁跨度正好對(duì)應(yīng)。然后局部鑿除挖孔樁混凝土，鑿除長度大于3.50 m，以滿足T梁平推過程中所需的空間要求。最后將鐵路線上，與設(shè)計(jì)T梁跨度位置對(duì)應(yīng)長度的鋼軌準(zhǔn)確定位并切開，為平推、架設(shè)T梁創(chuàng)造空間條件。架空線路、長鋼軌切開，均在天窗點(diǎn)內(nèi)完成，如圖3所示。

2)橋梁拼裝。

在二次架空線路的同時(shí)，拼裝T梁。在線路左側(cè)平臺(tái)上，T梁兩端支點(diǎn)位置設(shè)置滑道，與墩臺(tái)位置頂帽上的支撐墊石準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。首先，將分兩次從軌道平板車上卸下來的兩片T梁，在平臺(tái)上完成橫向拼接，現(xiàn)澆橫梁、并張拉橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。然后，在完成兩片T梁拼裝的T梁頂鋪設(shè)道碴、混凝土枕木和鋼軌，鋼軌長度與橋梁跨度對(duì)應(yīng)，也與二次架空線路時(shí)切開的線路鋼軌長度完全相同、位置準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。為架梁做好準(zhǔn)備。該工序在列車運(yùn)行間隙完成。

3)橋梁架設(shè)。

首先，采用拖拉法，將位于線路上橋跨設(shè)計(jì)位置的D型便梁，連同其架空的鐵路線路(含鋼軌和枕木)一起，橫線路方向拉出線位，置于線路右側(cè)平臺(tái)上。然后，使用千斤頂施加動(dòng)力，將位于線路左側(cè)平臺(tái)上完成拼鋪的T梁(T梁底設(shè)移梁小車，以減小摩擦力)，整體平推，推至橋梁墩、臺(tái)位置，準(zhǔn)確定位，最后安裝支座，完成T梁架設(shè)，如圖4所示。本工序在天窗點(diǎn)內(nèi)完成。

以上是完成一孔T架設(shè)的施工步驟與技術(shù)方案。循環(huán)上述流程，即可完成所有T梁的架設(shè)。當(dāng)然，路改橋還有LKJ數(shù)據(jù)的修改與恢復(fù)、線路架空前后的應(yīng)力放散及與應(yīng)力回散鎖定、四電遷改配合、線路恢復(fù)養(yǎng)護(hù)、既有鐵路線的安全等需另外完成。

6 結(jié)論

目前，巨亭水庫寶成鐵路路基改橋設(shè)計(jì)與施工已經(jīng)完成，并安全、順利運(yùn)營4年有余，發(fā)揮了良好的工程效應(yīng)，確保了寶成鐵路運(yùn)營安全；水電站為社會(huì)持續(xù)奉獻(xiàn)清潔能源，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。路基改橋設(shè)計(jì)具有以下關(guān)鍵技術(shù)特征：

1)采用路基改橋方案可徹底根治因水庫、江河水長期浸泡引起的坍塌、滑移失穩(wěn)的鐵路路基病害。

2)D型便梁架空線路，為在不中斷鐵路行車條件下，開展墩臺(tái)施工和T梁架設(shè)提供了保障。

3)枕木垛搭建與滑道的設(shè)置，為卸梁和平推架設(shè)T梁提供了便利。

4)千斤頂配合逐層抽取枕木垛枕木的落梁方案，確保了落梁安全。

5)整體拼裝T梁、平推架設(shè)T梁、整體拖拉架空D型便梁的施工技術(shù)方案，簡化了施工工序、便利了施工，極大地縮短了施工天窗點(diǎn)時(shí)間，確保了施工和鐵路運(yùn)營安全。