張 苒

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

框構(gòu)頂進(jìn)施工一般是為不中斷鐵路運(yùn)營而采用的技術(shù)方法。在頂進(jìn)過程中，必須對既有鐵路進(jìn)行加固，從而確保既有線行車安全和施工安全[1]。選擇線路加固方法時，應(yīng)首先考慮對運(yùn)輸影響小、保證鐵路運(yùn)營安全、施工簡便易行等因素。此外，還應(yīng)根據(jù)路基填土的性質(zhì)、頂進(jìn)橋涵的結(jié)構(gòu)尺寸、框構(gòu)頂上的覆土厚度，以及施工季節(jié)、地下水位變化等綜合狀況來考慮。

1 線路加固方法

1.1 常用方法

目前頂進(jìn)框構(gòu)橋施工通常采用的線路加固法有便梁加固法和縱橫梁加固法，它們從構(gòu)造與受力上分別稱為便梁加固體系和縱橫梁加固體系[2]。

便梁加固法是用便梁將線路架起，便梁通過支座支撐在梁端支撐樁頂部，將線路與便梁聯(lián)結(jié)成新的結(jié)構(gòu)體系，以保證線路穩(wěn)定運(yùn)營的加固方法。便梁最常見形式為D型便梁[3]。便梁受力的整體性較好，但對支撐基礎(chǔ)的要求較高，目前常用的D型便梁最大跨度為24 m。此外，使用便梁加固覆土厚度須在1 m以上。適用于曲線半徑R≥400 m的單線或雙線，線間距根據(jù)不同跨度有不同的限制值。施工期間限速45 km/h。便梁形式如圖1(a)。

隨著框構(gòu)跨度的增大以及橋位處雙線、多線的線間距和覆土厚度的限制，當(dāng)便梁加固法不適用時，可考慮使用縱橫梁加固法?？v橫梁加固法是將工字鋼在頂進(jìn)橋位處沿平行、垂直線路方向橫抬縱挑、立體交叉。橫梁承托枕底或軌底，采用“U”形卡具與架在其上的縱梁連接，結(jié)合吊軌、支撐樁、抗橫移樁、防護(hù)樁來加固線路，實(shí)現(xiàn)線路在橋位處架空的條件下列車通行。新的結(jié)構(gòu)隨挖隨頂，直到就位。

縱橫梁法由于配合采用支撐樁、抗橫移樁、防護(hù)樁及對橋位處路基進(jìn)行注漿加固等措施，因而可以保證線路加固體系的穩(wěn)定性?？v橫梁受力體系可在縱、橫向無限延伸[4]，以滿足不同線別、跨度、交角及地質(zhì)條件的頂進(jìn)施工要求，見圖1(b)。

圖1 常用的2種線路加固方法(單位：cm)

1.2 縱橫梁加固法設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)對頂進(jìn)框構(gòu)橋進(jìn)出口兩側(cè)的路基進(jìn)行防護(hù)。

2)應(yīng)在頂進(jìn)前方側(cè)的路基邊坡處設(shè)一排支撐樁來固定橫梁。支撐樁距框構(gòu)前進(jìn)方向最外側(cè)的線路中心約4 m左右。

3)應(yīng)在框構(gòu)頂進(jìn)的前進(jìn)方向支撐梁的外側(cè)設(shè)置一排帶有冠梁的抗橫移樁，以保證線路橫向穩(wěn)定。樁徑、長度、配筋等應(yīng)根據(jù)框構(gòu)頂進(jìn)時的最大橫向力確定。

4)線路加固段應(yīng)全部換成長木枕，并在軌底設(shè)置墊板，以固定軌面。

5)線路加固段下設(shè)橫抬縱挑工字鋼承重體系，工字鋼一般采用 I40 或 I50。橫抬梁工字鋼下設(shè)槽鋼作為滑道，其鋪設(shè)間距一般不大于1.5 m，并與枕木間距相匹配。橫抬梁之間應(yīng)以短木頂死；縱挑梁2根或3根一組分設(shè)于每股線路兩側(cè)，并于線路加固的末端架在專門設(shè)置的枕木垛上[5]。

安裝橫梁時，相鄰橫梁的接頭錯開1.5 m及以上?？郯迓菟ú坏酶哂谛熊囅藿纭绍夐g的吊梁、螺栓和扣板等不得侵占護(hù)輪軌輪緣槽位置。

6)按組成3-5(7)-3形式扣軌加固線路，兩端伸出箱涵邊墻外3～5 m，為保行車安全，需加設(shè)臨時梭頭。當(dāng)新增結(jié)構(gòu)位于道岔區(qū)時，線路上扣軌應(yīng)盡量在每個角落設(shè)置，還應(yīng)根據(jù)需要增加輔助橫梁，尤其是叉心處，以保證道岔的穩(wěn)定性[6]。

7)所有加固用的扣軌、枕木、橫抬梁、縱挑梁相聯(lián)結(jié)處均需以緊固卡予以固定。

8)為保證橫抬梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)至少在橫抬梁的始末端以角鋼在其頂部焊接成縱平聯(lián)[7]。

9)在頂進(jìn)中，由于框構(gòu)高程的變化，帶動土體引起軌面高程變化。為便于隨時調(diào)整，可在橫梁與枕木間用1～5 cm厚的木板墊塞，槽鋼與箱涵頂板間也以木楔墊塞。

10)軌道與橫抬梁間要加設(shè)絕緣墊板，以避免對電器信號的干擾。

2 有限元模型設(shè)計(jì)分析

2.1 工程概況

既有鐵路為雙線，線路中心距4.5 m，橫梁間距0.9 m，三根縱梁間距分別為5 m，5.25 m，橫梁上架設(shè)縱梁?？驑?gòu)高度10 m，前懸臂板寬4 m，土體穩(wěn)定摩擦角45°。橫梁兩端固定在支撐樁上。橫梁縱梁選用型鋼如下：°

1)橫梁采用Q235工字鋼(I40b)；

2)縱梁采用Q235工字鋼(兩個一組 I45b)。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

1)自重：型鋼重度76.9 kN/m3。

2)二期恒載：含軌道、枕木、扣件等，荷載通過軌道、扣件傳到橫梁節(jié)點(diǎn)上，折算到每個節(jié)點(diǎn)荷載為0.369 kN。

4)地基豎向比例系數(shù)m0取40 MPa/m2。

2.3 模型建立

應(yīng)用MIDAS/Civil 2015有限元分析軟件建立縱橫梁加固體系的空間有限元模型(如圖2)，分析縱梁和橫梁在列車活載作用下的受力與變形狀態(tài)。用虛擬梁單元模擬車道，空間梁單元模擬縱梁和橫梁。橫梁與縱梁之間采用彈性連接，位移協(xié)同，釋放轉(zhuǎn)角自由度；橫梁與路基彈性連接，彈性系數(shù)為K0；橫梁端部與支撐樁、抗橫移樁固接。

圖2 縱橫梁加固體系有限元模型

2.4 設(shè)計(jì)指標(biāo)

1)強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，需對縱梁及橫梁的強(qiáng)度進(jìn)行檢算。橫梁、縱梁均作為在一個主平面內(nèi)變形的純彎構(gòu)件，按規(guī)范公式(4.2.1—2) 、(4.2.1—6)、(4.2.1—7)分別檢算構(gòu)件的法向應(yīng)力、剪應(yīng)力和換算應(yīng)力。

Q235qD鋼容許應(yīng)力為：軸向應(yīng)力[σ]=135 MPa；彎曲應(yīng)力[σw]=140 MPa；剪應(yīng)力[τ]=80 MPa。縱橫抬梁結(jié)構(gòu)為臨時結(jié)構(gòu)，根據(jù)TB 10091—2017第3.2.8條，取容許應(yīng)力提高系數(shù)1.2；提高后的軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力容許值分別為162，168，96 MPa。

2)剛度指標(biāo)

根據(jù)鐵總運(yùn)[2014]272號《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》[10]附表3-3規(guī)定了撓跨比，即梁體在靜活載下的撓度應(yīng)不大于跨度的1/400。

3)構(gòu)件的整體穩(wěn)定

根據(jù)TB 10091—2017第4.2.2條檢算橫梁和縱梁的整體穩(wěn)定性。

2.5 工況分析

針對頂進(jìn)過程中3種不利工況進(jìn)行建模計(jì)算。以下工況的縱、橫梁架空區(qū)均為頂進(jìn)過程中的框構(gòu)邊墻外側(cè)土體剝落區(qū)。

工況1：頂進(jìn)過程中，單股道下方土體掏空，線路位于懸空段中部，橫梁架空跨度為6 m，計(jì)算模型如圖3。

圖3 工況1模擬

工況2：頂進(jìn)過程中兩股道下方土體均掏空，橫梁架空跨度為6 m，兩股道與架空邊緣等距，計(jì)算模型如圖4。

圖4 工況2模擬

工況3：在始終不對線路進(jìn)行注漿加固情況下，框構(gòu)頂進(jìn)就位，即框構(gòu)頂進(jìn)方向兩側(cè)土體自然剝落，橫梁14 m跨度懸挑。三根縱梁分別采用3根 I45b工字鋼，即加強(qiáng)了縱梁。計(jì)算模型如圖5。

圖5 工況3模擬

2.6 計(jì)算結(jié)果對比分析

提取工況1、工況2、工況3中的橫梁、縱梁在主力(恒載+活載)工況下的應(yīng)力、位移，其對比如表1。

表1 應(yīng)力、位移對比

由表1結(jié)果可知，工況3中，橫、縱梁的應(yīng)力與位移均已嚴(yán)重超限，因此，對線路進(jìn)行注漿加固很有必要。建立工況3加固后的模型，如圖6。加固后土體穩(wěn)定摩擦角61°，縱梁架空跨度5.5 m。

圖6 工況3注漿加固模型

工況3注漿加固后橫梁最大彎曲正應(yīng)力197 N/mm2，最大豎向位移-16.6 mm ；縱梁最大彎曲正應(yīng)力-87 N/mm2，最大豎向位移-13.3 mm。橫梁應(yīng)力、位移超限。再進(jìn)行縱向注漿加固，對橫梁受力改善幾乎沒有作用。

因而在此基礎(chǔ)上，將橫梁改用 I45b，橫梁最大彎曲正應(yīng)力148 N/mm2， 最大豎向位移-13.6 mm;縱梁最大彎曲正應(yīng)力-85.7 N/mm2，最大豎向位移-9 mm?？梢钥闯?，加強(qiáng)橫梁可使結(jié)構(gòu)滿足要求。

將線間距增大為5 m，仍加強(qiáng)縱橫梁，頂進(jìn)方向兩側(cè)土體注漿至縱梁架空跨度5.5 m，計(jì)算的結(jié)構(gòu)在頂進(jìn)就位狀態(tài)下橫梁最大彎曲正應(yīng)力為147 N/mm2， 最大豎向位移-14 mm ；縱梁最大彎曲正應(yīng)力-82 N/mm2，最大豎向位移-9 mm。

由結(jié)果可知，此時橫梁位移已達(dá)到容許值，線間距再增大設(shè)計(jì)將不能滿足要求。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1)橫梁最大應(yīng)力與位移均出現(xiàn)在架空段跨中部附近，縱梁在架空段的布置位置對橫梁受力影響顯著。

2)單軌道置于架空段中部相對于兩軌道于架空段中心對稱布置時橫梁受力更不利，即鐵路股道位于架空段的具體位置對橫梁的受力影響較大。

3)垂直線路方向橫梁架空段長度為6 m時，橫梁位移、應(yīng)力均已接近規(guī)范限制，橫向懸空長度大于6 m時，需加固線路或增大結(jié)構(gòu)剛度。

4)頂進(jìn)過稱中的結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)為頂進(jìn)就位時，頂進(jìn)方向框構(gòu)兩側(cè)土體自然滑空，結(jié)構(gòu)受力、變形均超限。此時需要同時加強(qiáng)縱、橫梁，并對線路進(jìn)行注漿加固才能滿足設(shè)計(jì)要求。

5)縱橫梁同時加強(qiáng)，頂進(jìn)過程對線路注漿加固，最大能滿足的線間距為5 m，此時橫梁位移達(dá)到極限。

3.2 建議

1)頂進(jìn)施工中隨著頂進(jìn)方向架空跨度的增大，橫梁需要配合縱梁來加固線路，并應(yīng)盡量增加前懸臂段長度，以縮小橫梁架空跨度。

2)縱梁應(yīng)盡可能平行線路布置，以增強(qiáng)對橫梁的整體約束。

3)為減小頂進(jìn)方向兩側(cè)土體掏空段，即減小縱梁架空跨度，頂進(jìn)過程中應(yīng)對線路進(jìn)行注漿加固，增大路基土體內(nèi)摩擦角。

4)當(dāng)橫梁架空跨度達(dá)到最大，致使橫梁應(yīng)力、位移均超限時，加強(qiáng)縱梁與減小縱梁架空跨度對橫梁受力改善不明顯，加強(qiáng)橫梁或減小橫向架空跨度對優(yōu)化其受力狀態(tài)作用顯著。

5)在大線間距框構(gòu)頂進(jìn)時應(yīng)加強(qiáng)縱梁或增設(shè)縱梁，以增大對橫梁的支撐剛度，減小橫梁跨度。

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[10]中華人民共和國鐵道部.鐵總運(yùn)[2014]272號 普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則 [S].北京：中國鐵道出版社，2014.