既有鐵路盾構(gòu)下穿段橋梁改造工程設(shè)計及施工技術(shù)研究

摘要：為解決河底盾構(gòu)下穿鐵路鋼梁橋?qū)е聵蛄鹤冃芜^大，影響鐵路運(yùn)營安全，需對既有鐵路橋梁進(jìn)行加固改建。針對此問題，通過對橋孔MJS加固、改建兩孔框架橋兩個方案進(jìn)行了分析比選。利用有限元軟件，分析了改造方案對河道行洪影響和鐵路變形安全的影響，最終采用改建兩孔框架橋方案。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)下穿；橋梁改造；MJS加固；兩孔框架橋；有限元模擬；行洪影響

0" "引言

管線穿越鐵路時，需要對鐵路軌道變形進(jìn)行監(jiān)測，必要時要采取相關(guān)加固措施或?qū)﹁F路進(jìn)行改建，使其變形控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，從而保證鐵路運(yùn)營安全。目前，關(guān)于既有鐵路盾構(gòu)下穿段橋梁技術(shù)的研究已有不少。劉金林[1]研究了既有鐵路單孔簡支梁改建框構(gòu)架施工技術(shù)。郭曉東[2]研究了既有T梁橋改建的技術(shù)，指出在梁橋改建為框架橋時，必須對橋的行洪條件進(jìn)行驗算，以確定方案的可行性。

本文以盾構(gòu)下穿既有西泗塘橋為背景，通過有限元模擬仿真的方法，探討了設(shè)計方案。MJS（Metro Jet System）工法可運(yùn)用于水平、傾斜或垂直多方位的旋噴加固施工，對變形要求較高的工況適用性較強(qiáng)，基于此，廣州地鐵九號線下穿鐵路采用此工法加固。

1" "工程概況

既有西泗塘橋位于北郊站內(nèi)，建成于20世紀(jì)60年代，橋梁為10m單線工字鋼梁橋，橋臺為塢工結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為樁長為14m的木樁，樁間距0.9m。市政污水管盾構(gòu)直徑5m，下穿位于木樁基礎(chǔ)附近，中心深度13m，緊鄰既有橋面木樁，施工對鐵路運(yùn)營安全造成較大風(fēng)險大。

為保證盾構(gòu)工程對既有橋的影響可控，首先利用有限元仿真模擬分析盾構(gòu)施工對鐵路的影響，再根據(jù)計算結(jié)果制定具體實施方案。對既有橋梁加固考慮了兩種方案：方案一是保留既有鐵路橋梁，在其下方進(jìn)行MJS注漿加固，加固完成后進(jìn)行盾構(gòu)穿越；方案二是改建既有鐵路鋼橋為兩孔框架橋，后續(xù)進(jìn)行盾構(gòu)穿越。改建橋梁平面圖如圖1所示。

2" "方案比選

2.1" "MJS注漿加固方案

管道盾構(gòu)下穿前，對鐵路橋采用MJS進(jìn)行預(yù)注漿保護(hù)，再行穿越。加固范圍為鐵路橋邊線往外10m，盾構(gòu)底以下3m，盾構(gòu)頂以上6m，橋左右各加固至橋梁邊線處。為保護(hù)西泗塘鐵路橋，對鐵路橋樁以下4.72m范圍進(jìn)行加固。盾構(gòu)下穿橋梁加固方案如圖2所示。本方案主要6個施工步驟如下所述。

步驟一：采用鋼板樁圍堰施工南何支線西泗塘橋西側(cè)區(qū)域，預(yù)留東側(cè)半幅單向條件。步驟二：利用圍堰圍擋區(qū)域，對河底進(jìn)行MJS預(yù)注漿加固。步驟三：拆除西側(cè)鋼板樁圍堰，恢復(fù)河道。步驟四：采用鋼板樁圍堰施工南何支線西泗塘橋東側(cè)區(qū)域，保持西側(cè)半幅單向條件。步驟五：利用圍堰圍擋區(qū)域，對河底進(jìn)行MJS預(yù)注漿加固。步驟六：拆除東側(cè)鋼板樁圍堰，恢復(fù)南何支線西泗塘橋河道。

2.2" "改建兩孔框架橋方案

2.2.1" "施工步驟

在不停運(yùn)線路前提下，新建兩孔框架橋，第一孔在既有鋼梁下方現(xiàn)澆，第二孔以第一孔框架和便梁基礎(chǔ)為支撐，在D24m便梁下方現(xiàn)澆。本方案主要5個施工步驟如下所述。

步驟一：既有管線遷改，施作水上鋼棧橋作業(yè)平臺。步驟二：在河道兩側(cè)中設(shè)置圍堰，圍堰上方設(shè)置φ1.25m鋼管用作臨時過水，保證兩側(cè)水系通暢。步驟三：既有鐵路鋼梁橋下方采用MJS加固后施工框架橋，框架橋底板先澆筑對撐間混凝土，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后拆除既有混凝土對撐，澆筑完整底板。施工過程中，需要采用鋼管對撐臨時支撐橋臺，同步右側(cè)架設(shè)D16m便梁，施工高壓旋噴樁及條形基礎(chǔ)，施工期間需停用道岔。步驟四：基坑抽水，拆除鋼梁，在西側(cè)橋臺與箱身之間回填混凝土；以中間框架橋和右側(cè)條形基礎(chǔ)為支墩，架設(shè)D24m便梁；鑿除東側(cè)橋臺，在既有橋臺木樁加固區(qū)采用袖閥管注漿加固，并在便梁下方現(xiàn)澆東側(cè)5.3m框架橋。步驟五：框架橋到達(dá)設(shè)計強(qiáng)度后，箱涵三角區(qū)和條基三角區(qū)回填，拆除D24m便梁，恢復(fù)線路。

2.2.2" "方案特點分析

本方案中，既有鋼梁采用整體移除，D24m便梁采取整體架設(shè)。既有鋼梁為明橋面木枕橋，待第一孔框架橋達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，在天窗點內(nèi)整孔吊裝拆除既有鋼梁，同步在北側(cè)平臺設(shè)置D24m便梁滑軌，將D24m便梁連同鋼軌、混凝土軌枕一次滑移到設(shè)計位置。D型便梁適用于既有線路或站場的橋涵施工，其最大優(yōu)勢是在不中斷行車[3]。線路架空后，拆除右側(cè)橋臺，可以采用定向、靜力爆破將舊墩、臺、梁拆除，在既有橋臺下方采用注漿加固，現(xiàn)澆右側(cè)第二孔框架橋[4]。改建兩孔框架橋方案示意圖如圖3所示。

2.3" "有限元模擬分析

為從整體上把握合流污水一期復(fù)線工程盾構(gòu)區(qū)間管道施工，對既有鐵路橋臺和路基的影響，考慮到管道涉鐵路段下穿鐵路橋臺，結(jié)合工程地質(zhì)條件等，選用有限元軟件Midas GTX NX對管道盾構(gòu)施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬與分析。

2.3.1" "模型建立

在建模過程中，基于合流污水一期復(fù)線工程盾構(gòu)區(qū)間隧道涉鐵專項報告，同時考慮了盾構(gòu)井掘進(jìn)、盾構(gòu)管片施工對既有鐵路橋臺的影響?？紤]本工程實際情況，采用齊次邊界條件。模型底部施加完全固定約束，側(cè)面施加法向固定約束，不施加切向約束。模型的上表面為自由邊界，無約束。方案二中土體豎向等值線云圖如圖4所示。

2.3.2" "方案模擬與選取

為了全過程分析合流污水管下穿南何支線鐵路西泗塘橋時，鐵路橋臺與路基頂?shù)淖冃吻闆r，通過利用Midas GTS NX模擬方案一和方案二的施工過程，分析下穿鐵路節(jié)點的變形情況。模擬過程中地層損失率取為0.3%。

依據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（TB10314—2021）中的規(guī)定，普速鐵路墩臺豎向位移控制值限值為+3mm和-8mm，水平控制限值為±7mm。通過模擬計算得到方案二變形值滿足規(guī)范要求限值，故采用方案二。兩種方案有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果如表1所示。

3" "行洪影響分析

本工程涉及的西泗塘河道為防汛河道，依據(jù)《上海市防汛條例》相關(guān)規(guī)定，必須進(jìn)行涉河影響分析，否則將影響鐵路橋改建方案的可行性。本工程施工影響為原鐵路橋上下游各40m范圍內(nèi)，計算區(qū)域確定為西泗塘串聯(lián)水系范圍，重點研究區(qū)域為西泗塘走馬塘以北，蕰藻浜以南范圍河段。

3.1" "分析思路

本橋位于城區(qū)內(nèi)部，防洪排澇分析同時也決定方案的可行性。通過水文分析計算并結(jié)合數(shù)學(xué)模型，確定工程圍堰施工過程及工程建設(shè)后對西泗塘防洪排澇的影響。所采用的資料為：流域水文站實測水文資料及規(guī)劃河道橫斷面資料，實測和調(diào)查河道對應(yīng)水位資料及論證河段設(shè)計資料。行洪影響評價的工作內(nèi)容主要包括水文資料的審查與分析、水文分析計算及成果合理性分析等。采用非均勻流計算數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實測斷面資料，推求天然及工程建成后的水位、流速及流態(tài)變化情況，對工程范圍河段的行洪影響進(jìn)行分析論證。根據(jù)上述分析計算成果，對工程影響區(qū)域內(nèi)各影響對象進(jìn)行綜合分析評價。

3.2" "一維河網(wǎng)水動力分析

依據(jù)MIKE11 HD模型用于河網(wǎng)調(diào)蓄計算理論，數(shù)模計算范圍的選取，除了考慮相近河段水文測站的布設(shè)情況外，還應(yīng)包含建設(shè)項目可能影響的范圍及模型進(jìn)出口邊界穩(wěn)定所需的河道范圍，且數(shù)模計算范圍不應(yīng)小于評價河段范圍。將本次計算區(qū)域確定為西泗塘串聯(lián)水系范圍，將重點研究區(qū)域為西泗塘走馬塘以北，西泗塘入蕰藻浜以南范圍。

本次數(shù)學(xué)模型采用相關(guān)工程制圖，其斷面形態(tài)以實測數(shù)據(jù)及施工設(shè)計圖紙為參照，其中實測斷面工況較為不利。本方案施工跨汛，非汛期采用全幅圍堰，汛期前完成兩孔箱涵中的一孔，利用該孔導(dǎo)流。本方案全幅圍堰結(jié)構(gòu)為臨時結(jié)構(gòu)，在項目施工完成后拆除。工況1為非汛期全幅圍堰施工工況，工況2為汛期工程建設(shè)前工況，工況3為汛期工程建設(shè)后工況，工況4為汛期單孔橋涵導(dǎo)流工況。

經(jīng)過分析可知，西泗塘河段連接蕰藻浜，區(qū)域匯入河道均設(shè)有閘泵控制，此河段受泵閘調(diào)度影響明顯。通過蘊(yùn)南片泵閘的聯(lián)合調(diào)度，利用周邊南北向河道分擔(dān)西泗塘的河道來水量，對西泗塘行洪影響不大。

3.3" "局部二維水動力分析

為保障施工期間河道行洪安全，結(jié)合工程河段地形資料，采用丹麥水工所研發(fā)的Mike 21軟件水動力模塊，建立工程河段平面二維水流數(shù)學(xué)模型，分析圍堰施工以及工程建設(shè)對河道流速分布的影響。為研究施工期間圍堰平面布置對局部河道流速分布的影響，以一維模型模擬結(jié)果作為邊界條件，建立局部二維水動力模型，研究工程段范圍內(nèi)工程施工前后的流場變化。數(shù)模計算的主要研究范圍為工程區(qū)域河段，包含圍堰工程范圍及其上下游各400m，地形采用本次實測斷面資料。

經(jīng)模擬計算得到西泗塘工程建設(shè)后，遭遇30年一遇設(shè)計暴雨（“639”雨型）工程所在上下游流速及流場分布數(shù)據(jù)。工程建設(shè)后設(shè)計暴雨下流速、流場分布如圖6所示。從圖6的模擬結(jié)果可知，鐵路橋改造后箱涵上下游局部最大流速為0.5m/s。據(jù)此建議對上下游30m范圍河床采取防護(hù)措施。

4" "結(jié)束語

西泗塘橋改造工程時間緊、施工環(huán)境復(fù)雜，本文以盾構(gòu)下穿既有西泗塘橋為背景，通過有限元模擬仿真的方法，對鐵路橋梁加固改建方案等方面進(jìn)行比選研究。得到如下成果：

大直徑盾構(gòu)穿越鐵路橋梁影響既有鐵路運(yùn)營安全，在不中斷運(yùn)營既有鐵路前提下，進(jìn)行鋼梁橋改建為框架橋方案可行。鋼梁整孔拆除后，為不中斷鐵路運(yùn)營，采用D24m便梁帶鋼軌和混凝土枕整孔滑移至設(shè)計位置，可解決緊張施工場地?zé)o法使用大型吊裝機(jī)械的問題。

為保證既有線安全，需對既有橋臺設(shè)置鋼支撐。對框架橋底板分次澆筑，以確保橋臺穩(wěn)定。對行洪影響進(jìn)行綜合分析可知，河道內(nèi)改建框架橋施工對防洪排澇影響不大，方案可行。

參考文獻(xiàn)

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