高速鐵路橋梁病害整治頂梁工作對軌道結(jié)構(gòu)的影響分析

方 宜 卓建成 陳 麗

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031）

高速鐵路因其速度快、運力強和安全準時等優(yōu)點成為我國大力發(fā)展的公共交通方式之一。作為中國改革發(fā)展新成果的“國家名片”，中國高速鐵路已經(jīng)實現(xiàn)了巨大的飛躍。運行速度高、線路穩(wěn)定性好已成為鐵路建設(shè)發(fā)展的基本要求［1］。高速鐵路線下結(jié)構(gòu)及軌道的穩(wěn)定性和平順性是保證高速鐵路快速安全運營的前提條件，線下工程質(zhì)量的好壞、病害發(fā)生與否將直接關(guān)系到列車的正常運營和乘客的人身安全［2］。隨著高速鐵路運營里程的不斷加大，近些年來受到施工工藝、施工經(jīng)驗、地震、極端雨雪、環(huán)境溫度變化等影響，高速鐵路線下結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)了不同程度的病害與損壞［3］，對上部軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響。因此，在對線下結(jié)構(gòu)進行修復(fù)時，應(yīng)采用適宜的保護措施來避免對上部軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的影響和調(diào)整，從而減少修復(fù)工作量和修復(fù)時間。

1 高速鐵路常見線下基礎(chǔ)病害對軌道的影響

1.1 路基不均勻沉降、翻漿冒泥

根據(jù)路基結(jié)構(gòu)分類，主要分基床病害和地基層病害?；膊『κ艿降刭|(zhì)水文、周邊環(huán)境、列車荷載、填料性質(zhì)等的影響，主要有不均勻沉降、翻漿冒泥等病害特征。地基層作為線下結(jié)構(gòu)最下部結(jié)構(gòu)，承受著基床的上部荷載，病害主要表現(xiàn)為不均勻沉降，尤其是在特殊地質(zhì)條件下表現(xiàn)更加明顯。我國既有線鐵路路基病害比較普遍，其中路基下沉和翻漿冒泥尤為嚴重［4］。

路基不均勻沉降和翻漿冒泥問題往往也會導(dǎo)致上部軌道結(jié)構(gòu)的不均勻沉降和翻漿冒泥。若軌道結(jié)構(gòu)為無砟軌道，可能導(dǎo)致軌道板下沉、開裂、翻漿冒泥等病害，采取措施修復(fù)或加固路基結(jié)構(gòu)之后，需通過扣件調(diào)高、鉆孔注漿加固等方法修復(fù)無砟軌道結(jié)構(gòu)。若軌道結(jié)構(gòu)為有砟軌道，采取措施修復(fù)或加固路基結(jié)構(gòu)之后，可通過調(diào)整道砟厚度來恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)。

1.2 橋梁裂縫、跨中撓度增大、支座病害

高速鐵路橋梁病害大致可分為3 類：（1）裂縫病害，包括溫度裂縫、結(jié)構(gòu)性裂縫、施工與材料引起的裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫等。（2）橋墩沉降、梁體錯臺和梁端轉(zhuǎn)角病害。（3）橋梁支座病害，包括支座脫空、變形、銹蝕活動支座位移超限，支座錨栓折斷等。

溫度裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫、施工與材料引起的裂縫往往對橋梁上部軌道結(jié)構(gòu)影響較小。由于橋梁結(jié)構(gòu)承載力不足或基礎(chǔ)不均勻沉降而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性裂縫，橋墩沉降、梁體錯臺和梁端轉(zhuǎn)角等多種病害引起的豎向變形，會導(dǎo)致上部軌道結(jié)構(gòu)不平順，進而影響旅客乘坐的舒適性和行車的安全性［5］。橋梁結(jié)構(gòu)在針對病害產(chǎn)生的原因進行修復(fù)和加固后，需要通過扣件調(diào)整、道床板修復(fù)甚至重構(gòu)（有砟軌道進行道砟調(diào)整）、軌道精調(diào)等措施對軌道結(jié)構(gòu)進行修復(fù)和調(diào)整。

1.3 隧道基地滲漏水、仰拱下沉、仰拱隆起

高速鐵路隧道的常見病害包括滲漏水病害、襯砌結(jié)構(gòu)裂損病害、隧道基底病害等。隧道基底滲漏水、仰拱下沉、仰拱隆起均會造成軌道結(jié)構(gòu)的下沉、抬升、軌道不平順等病害。當軌道結(jié)構(gòu)為無砟軌道時，混凝土道床會開裂。

近年來，仰拱隆起病害時有發(fā)生，有研究認為地下水和高地應(yīng)力是造成隧道仰拱隆起的主要原因［6］。針對仰拱隆起造成的軌道結(jié)構(gòu)抬升，需認真分析產(chǎn)生的原因，綜合制定隧道仰拱加固整治和軌道結(jié)構(gòu)恢復(fù)整治方案。

2 某高速鐵路地震后橋梁頂梁修復(fù)對軌道的影響分析

2.1 既有線地震后災(zāi)害簡介

某高速鐵路設(shè)計速度250 km／h，全線以鋪設(shè)有砟軌道為主，部分上跨高速鐵路地段鋪設(shè)無砟軌道。地震發(fā)生后該高速鐵路停運3 d，經(jīng)動檢車進行軌道檢測，發(fā)現(xiàn)64 km 范圍線路受影響，軌道局部有移位。為解決沿線人民群眾出行需求及時恢復(fù)運營，運營單位對受損嚴重橋梁進行臨時加固、軌道整修，經(jīng)開行綜合巡檢車驗證后恢復(fù)通車并在該區(qū)段限速運行。

經(jīng)詳細調(diào)查評估，得出主要結(jié)論：（1）位于震中較近的車站站房等5 棟建筑均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)未見明顯震損病害，主要為填充墻和隔墻飾面層開裂、剝落以及裝飾、吊頂?shù)让撀涞龋挥绊懼黧w結(jié)構(gòu)安全，但對建筑使用適用性及耐久性有一定影響，應(yīng)及時維修。（2）共13.2 km 橋梁及軌道需要進行綜合整治。9 座橋梁共229 個支座受損（其中127 個支座梁底連接螺栓剪斷，共450 顆螺栓），8 個支座防落梁裝置螺栓松動、脫落，13 個支撐墊石開裂、破損，116 處砂漿墊層開裂、破損，2 處梁體開裂破損，1 處錐體開裂。其余橋梁受地震影響較小，僅存在少量支座砂漿脫落等病害，不影響結(jié)構(gòu)安全。

2.2 橋梁復(fù)舊方案簡介

（1）針對簡支梁梁底預(yù)埋鋼板與支座上板間連接螺栓剪斷、梁體橫向滑移的病害，需起頂整孔簡支梁及相鄰兩孔簡支梁的相鄰支點。首先取下梁底防落梁擋塊，梁體起頂后取出斷裂的螺栓，抽出支座上板、固定支座以及砂漿墊層有破損開裂的支座需整個取出，檢查支座受損情況，對損壞的耐磨板進行更換。

（2）針對簡支梁支座上座板與梁底預(yù)埋鋼板間錨固螺栓大部分存在不同程度的損壞和變形的情況，為保證后期運營安全，需對螺栓進行更換。首先取下防落梁擋塊，豎向起頂一個橋墩上相鄰兩孔簡支的相鄰支點，梁體起頂后取出梁底預(yù)埋鋼板與支座上板間連接螺栓，抽出支座上板，檢查支座受損情況，對損壞的耐磨板進行更換。

（3）針對支座砂漿墊層破損的病害，首先在頂梁更換螺栓過程中，取出支座，檢查支座下板范圍內(nèi)砂漿墊層是否存在破損開裂情況并進行修復(fù)。

（4）針對支承墊石開裂的病害、梁體裂縫、梁端破損等病害，需采用轉(zhuǎn)孔灌注環(huán)氧樹脂砂漿的方法或超強高韌性樹脂混凝土對破損部位進行修復(fù)。

橋梁頂梁有2 個方案。頂升方案一：每次起頂1 個橋墩上相鄰兩孔簡支梁的相鄰支點，該方案僅適用于兩孔梁均未發(fā)生平面偏位，無需調(diào)整平面位置的情況。頂升方案二：1 次起頂一孔梁及相鄰兩孔簡支梁相鄰支點。頂梁方案如圖1所示。

圖1 頂升方案示意圖

2.3 橋梁頂梁對既有軌道的影響分析

橋梁整治需要對橋梁進行頂升以更換支座螺栓、墊板及修復(fù)砂漿墊層等，其整治過程會對軌道狀況產(chǎn)生一定的影響。由于部分簡支梁梁底預(yù)埋鋼板與支座連接螺栓被剪斷，同時梁體存在平面位置偏移以及部分螺栓擰出困難的情況，所以在頂梁工作實施之前，難以確定頂梁操作的最大頂升高度。然而頂升高度不同，對軌道工程的影響也不同。通過分析頂梁高度對有砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及強度的影響，從軌道工程少受擾動的角度給出了頂梁高度的建議。

2.3.1 頂梁對軌道穩(wěn)定性的影響

頂梁地段均鋪設(shè)有砟軌道，采用60N 鋼軌、Ⅲc 型混凝土軌枕、彈條Ⅴ型扣件，特級碎石道砟，單層道床厚35 cm，無縫線路歷史最高軌溫60.3 ℃，最低軌溫-1.9 ℃，設(shè)計鎖定軌溫32±5 ℃。

（1）計算公式

軌道穩(wěn)定性采用統(tǒng)一公式［7］進行檢算，即：

式中：P——鋼軌溫度壓力；

β——軌道框架剛度系數(shù)；

EI——軌道橫向剛度；

f——軌道彎曲變形矢度，f=0.2 cm；

f0e——原始彈性彎曲矢度；

l——變形曲線長度，l=l0；

Q——等效道床阻力。

式中：R——曲線半徑；

R0p——鋼軌原始塑性彎曲曲率半徑；

l0——原始彎曲波長；

f0p——原始塑性彎曲矢度；

f0e——原始彈性彎曲矢度。

（2）計算參數(shù)

計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)表

（3）穩(wěn)定性檢算結(jié)果

根據(jù)該段無縫線路鎖定軌溫，最大溫升為60.3-27=33.3 ℃。按此溫升進行穩(wěn)定性計算，則允許的初始軌道彎曲矢度為3.08 cm。如按照最大溫升10 ℃計算，允許的初始軌道彎曲矢度為4.69 cm。根據(jù)計算結(jié)果按照不利情況考慮，軌道彎曲矢度［8］按最大的橫向偏移3 cm 考慮。經(jīng)計算，為滿足軌道穩(wěn)定性要求，頂梁時需限制頂升高度，如表2所示。

表2 允許最大頂升量表（cm）

2.3.2 頂梁對鋼軌強度的影響

針對橋梁頂升方案，鋼軌強度計算工況為：（1）工況1：頂升的橋墩一側(cè)為簡支梁，另一側(cè)為橋臺；（2）工況2：頂升的橋墩兩側(cè)均為簡支梁。工況1 為一側(cè)建立5 跨橋梁，另一側(cè)建立120 m 路基，橋梁跨徑32 m。分別計算頂升位移為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 時，鋼軌的應(yīng)力和位移。

計算模型中使用三維梁單元模擬鋼軌，橋梁用實體梁單元模型，同時，利用非線性彈簧單元線路縱向阻力模擬，并假定結(jié)構(gòu)在橋墩偏斜的變形狀態(tài)上已達到平衡狀態(tài)。

經(jīng)計算，工況1 和工況2 的鋼軌附加最大應(yīng)力值如圖2所示。

圖2 鋼軌最大應(yīng)力圖

由圖2 可知，鋼軌附加應(yīng)力值隨著頂升位移的增加而增大。軌道穩(wěn)定性計算中允許最大頂升高度需控制在23 mm 以內(nèi)，頂升高度為23 mm 時鋼軌產(chǎn)生的附加應(yīng)力為12 MPa 和25 MPa，鋼軌結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2.3.3 理論計算結(jié)論

通過以上計算，從減少有砟軌道結(jié)構(gòu)擾動的角度考慮，控制頂梁允許高度的主要影響因素為軌道的穩(wěn)定性。頂梁方案一和方案二的最大允許頂升高度如表2所示。在該頂升高度范圍內(nèi)，進行頂梁操作時軌道不需要松扣件、扒道砟及鋸軌。

2.4 橋梁頂升軌道監(jiān)測

為監(jiān)測橋梁頂升復(fù)舊過程中鋼軌的實時狀態(tài)，選取橋梁頂升處鋼軌進行應(yīng)力和位移監(jiān)測。

選取頂梁同時還需要縱向糾偏的最不利工況，考慮到道砟、軌道對主梁縱向的約束，需要監(jiān)測縱向頂推對鋼軌和梁體應(yīng)力的影響。測點1為軌道應(yīng)力監(jiān)測，傳感器安裝在軌道的腹板側(cè)面。測點2 為梁體應(yīng)力擾動監(jiān)測，安裝在腹板端部中間區(qū)域，用于評價縱向頂推力對梁體應(yīng)力影響規(guī)律。

縱向糾偏過程中的梁體應(yīng)力擾動及軌道應(yīng)力變化監(jiān)測結(jié)果表明：不利工況下，梁體縱向糾偏11.8 mm時，引起軌道應(yīng)力增量為18 MPa。總體來看，縱向糾偏對軌道應(yīng)力影響較小。

2.5 工程實施結(jié)果

該高速鐵路地震后修復(fù)工作于11月進行，當時軌溫較低（溫升小于10 ℃）。根據(jù)理論計算結(jié)果，對橋梁進行頂梁復(fù)舊。部分地段采用頂梁方案一，頂升高度控制在2.3 cm 以內(nèi)，部分地段采用頂梁方案二，頂升高度控制在2.1 cm 以內(nèi)。頂梁過程中對軌道幾何狀態(tài)進行了監(jiān)測，鋼軌應(yīng)力及位移均在允許范圍內(nèi)。

橋梁整治工作主要是橋梁頂升及更換支座螺栓等。頂梁過程在一定程度上影響了頂升橋墩附近道床縱橫向阻力的變化。頂升及糾偏過程中，線路高程和平面位置發(fā)生改變，且無縫線路鋼軌未被鋸斷，導(dǎo)致鋼軌應(yīng)力重新分布。完成橋梁復(fù)舊后，對一定范圍內(nèi)的無縫線路重新進行了放散及鎖定。

完成橋梁復(fù)舊工程后，軌道整治復(fù)舊工程主要包括：軌檢測量、局部地段補砟、道床搗固及整形、軌道精調(diào)整理，直到軌道幾何狀態(tài)恢復(fù)到地震前的狀態(tài)，即軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差及軌道動態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值應(yīng)滿足相關(guān)要求。該高速鐵路地震后復(fù)舊工作為斷道施工，全程用時13 d，目前已恢復(fù)運營一年多，運營狀況良好。

3 結(jié)論

（1）針對高速鐵路線下設(shè)施和軌道結(jié)構(gòu)的病害問題，需要先分析其產(chǎn)生的原因，并據(jù)此制定線下結(jié)構(gòu)加固及軌道結(jié)構(gòu)恢復(fù)的綜合整治方案。

（2）在治理高速鐵路線下結(jié)構(gòu)病害時，需通過整治方案設(shè)計，采取保護性措施避免對上部軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的影響和擾動，從而減少整體修復(fù)工作量，縮短修復(fù)時間。

（3）無論軌道結(jié)構(gòu)是否存在病害，在對線下結(jié)構(gòu)進行病害整治時，均需制定詳細的監(jiān)測方案，對施工過程中的線下結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化、受力情況和軌道狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以確保工程和運營的安全。

（4）本文通過數(shù)據(jù)分析高速鐵路頂梁高度對軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及強度的影響，從減少軌道結(jié)構(gòu)受擾動的角度，提出了不同頂梁方案在不同軌溫下的頂梁高度建議。后續(xù)按照建議頂梁高度實施頂梁操作，同時對橋梁和軌道幾何狀態(tài)進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，鋼軌應(yīng)力及位移均在允許范圍內(nèi)，這驗證了軌道適應(yīng)性理論計算結(jié)果的正確性。研究成果可為橋梁病害整治頂梁修復(fù)提供參考和借鑒。