箱涵下穿既有運(yùn)營(yíng)高速鐵路關(guān)鍵施工技術(shù)研究

吳 斌

（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530000）

0 引言

該文以柳州市航二路延長(zhǎng)線市政道路下穿柳南客專(zhuān)的工程為背景，對(duì)該工程線路加固方法進(jìn)行分析，基于箱涵頂進(jìn)施工技術(shù)難點(diǎn)，建立施工過(guò)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及建立施工過(guò)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)，以期能夠給類(lèi)似工程項(xiàng)目的施工提供參考。

1 工程概況

柳州市航二路延長(zhǎng)線為城市主干路，從柳工大道西側(cè)的規(guī)劃路口起，道路沿西東走向與柳工大道相交，直線依次下穿柳州西鵝貨運(yùn)中心、柳州南編組站Ⅳ場(chǎng)、Ⅰ場(chǎng)，至柳南客運(yùn)專(zhuān)線止。框架于K1+691.49處與柳南客專(zhuān)正線74°斜交，下穿柳南客專(zhuān)正線2股道，線路為有砟軌道，采用為P60鋼軌，雙向線路間距4.6m。相交段鐵路位于緩和曲線范圍，經(jīng)實(shí)測(cè)線路縱坡是水平的，曲線最小半徑為1200m，最大超高值為8cm，最大曲線內(nèi)側(cè)加寬值7.9mm。航二路延長(zhǎng)線下穿柳南客專(zhuān)采用兩座間距2m分離并排框架，框架長(zhǎng)度為24m，寬14.4m，高9.6m，左右幅均采用預(yù)制頂進(jìn)施工，框架中心線與航二路道路中心線重合?？蚣茉诹峡蛯?zhuān)下行線工作坑內(nèi)預(yù)制，向柳南客專(zhuān)上行線方向頂進(jìn)。

2 箱涵下穿鐵路線路加固技術(shù)

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

技術(shù)難點(diǎn)有2個(gè)：①因?yàn)榭瓦\(yùn)專(zhuān)線的線上施工僅能在夜間列車(chē)運(yùn)行“天窗”時(shí)間段，時(shí)間緊，施工環(huán)境條件較差，要求所采用的線路加固方案要盡量減少封鎖要點(diǎn)的次數(shù)及時(shí)長(zhǎng)。②同時(shí)要保障線路加固施工措施安全，線路加固體系變形及應(yīng)力狀態(tài)可控，在列車(chē)限速45km/h的車(chē)況下能夠安全穩(wěn)定地行駛。

2.2 線路加固技術(shù)分析

2.2.1 架空縱梁的選擇

以往箱涵下穿普通鐵路線路加固的縱梁一般采用工字形型鋼[1]，但對(duì)高速鐵路來(lái)說(shuō)，由于速度差異較大，對(duì)線路的承載力、變形及安全穩(wěn)定性的要求更高。參考現(xiàn)有鐵路線路加固方法并結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)目的線路縱梁加固采用預(yù)制式的D24、D20、D16型便梁[2]，共4孔，D型便梁可以重復(fù)性利用，工廠化加工制作，規(guī)格統(tǒng)一。長(zhǎng)期的施工實(shí)踐證明，其具有施工安裝簡(jiǎn)便、強(qiáng)度高及抗傾覆能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在列車(chē)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力荷載作用下抗彎曲能力強(qiáng)，能夠滿足高速鐵路對(duì)線路加固的技術(shù)參數(shù)要求。

2.2.2 D型便梁支承方式選擇

D型便梁的支墩采用孔樁，孔樁嵌入地基承載層內(nèi)，其良好的承載能力及安全穩(wěn)定性能夠滿足要求。因?yàn)樵擁?xiàng)目箱涵下穿雙線高速鐵路，如果將孔樁支墩設(shè)置于D型便梁的支座下方，則須在線路上行線與下行線之間設(shè)置5排共10個(gè)支墩。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際是需要在施工過(guò)程中，保證鐵路的持續(xù)運(yùn)營(yíng)。同時(shí)按《南寧鐵路局高速鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全管理實(shí)施細(xì)則（試行）》有關(guān)規(guī)定，鐵路營(yíng)業(yè)線上的施工，均需要晚上封鎖線路后實(shí)施，然而孔樁支墩施工持續(xù)工期長(zhǎng)，意味著孔樁施工將長(zhǎng)時(shí)間對(duì)動(dòng)車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)造成影響，安全防護(hù)成本高。該項(xiàng)目采取在營(yíng)業(yè)線設(shè)備安全界限外側(cè)設(shè)置孔樁支墩，采用截面尺寸為16m×2m×1.8m（長(zhǎng)×寬×高）預(yù)應(yīng)力砼橫抬梁作D型便梁的支撐梁，橫抬梁在線路外的一側(cè)預(yù)制后頂進(jìn)就位，頂進(jìn)前對(duì)運(yùn)營(yíng)線路臨時(shí)加固，從而減少頂進(jìn)施工對(duì)線路的行車(chē)干擾[3]。

其施工流程：樁基施工→線路應(yīng)力放散→線路臨時(shí)加固橫抬梁頂進(jìn)就位→調(diào)整枕距軌枕間距（按670mm左右的間距調(diào)整好軌枕間距，并將多余的軌枕抽出）→穿入橫梁（在調(diào)整好的軌枕間距內(nèi)扒除部位道碴并穿入橫梁，同時(shí)墊好橡膠支座，上好鋼軌扣件）→吊運(yùn)縱梁并就位（將橫梁兩端頭及以外的道砟清除，分別將縱梁就位，并安裝連接板及牛腿）→擰緊配件→全面檢查并放通線路→基坑開(kāi)挖及支護(hù)→隧道框架預(yù)制及頂進(jìn)就位→路基回填及線路恢復(fù)→拆除D便梁→臨時(shí)加固線路，抽出橫抬梁→恢復(fù)線路。

線路加固后根據(jù)支護(hù)形式，采用放坡開(kāi)挖基坑（加固線路下路基及道床），使線路完全架空，如圖1所示。邊坡坡率為1∶1（分為兩級(jí)），坡面采用土釘墻噴錨支護(hù)。

圖1 柳南客專(zhuān)施工立面圖

2.3 D便梁的監(jiān)測(cè)技術(shù)

D便梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要有應(yīng)力應(yīng)變、撓度、振動(dòng)參數(shù)，監(jiān)測(cè)設(shè)備分別為應(yīng)變傳感系統(tǒng)、靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)和測(cè)振系統(tǒng)，同時(shí)為了更直觀地觀測(cè)D便梁形態(tài)變化，利用高清攝像系統(tǒng)采集不同工況下的D便梁圖像。4種監(jiān)測(cè)設(shè)備具體安裝步驟如下。

2.3.1 應(yīng)變傳感系統(tǒng)

2.3.1.1 測(cè)點(diǎn)選擇

由于框架橋頂進(jìn)方向完全覆蓋第三孔D20便梁，為了分析所有工況，同時(shí)考慮監(jiān)測(cè)工作量和便利性，因此選擇上行線第三孔內(nèi)外兩側(cè)D20便梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)階段分為兩個(gè)階段，即橫抬梁未頂進(jìn)就位前和D便梁調(diào)整到橫抬梁后，橫抬梁未頂進(jìn)就位前測(cè)點(diǎn)位置選擇為便梁跨中翼緣內(nèi)側(cè)上部，D便梁調(diào)整到橫抬梁之后測(cè)點(diǎn)選擇為便梁兩端翼緣內(nèi)側(cè)上部。

2.3.1.2 設(shè)備安裝

首先利用卷尺找到便梁的中點(diǎn)位置，并噴漆做好標(biāo)記；將應(yīng)變傳感器安裝到配套基座上，清洗好便梁上的污漬，并利用膠水或者其他材料將基座連同應(yīng)變傳感器固定在便梁上，注意便梁中點(diǎn)位置以基座中點(diǎn)對(duì)應(yīng)；便梁內(nèi)側(cè)的信號(hào)接收線要鐵軌下部穿過(guò)，必要時(shí)采取一定程度的包裹保護(hù)措施，防止線路磨損破壞；信號(hào)收集模塊集結(jié)箱安裝在上行線行車(chē)安全限界之外，并做好標(biāo)識(shí)和保護(hù)措施；信號(hào)線鏈接到集結(jié)箱，并通過(guò)電腦對(duì)信號(hào)接收系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確保監(jiān)測(cè)時(shí)設(shè)備完好。

2.3.1.3 監(jiān)測(cè)

通過(guò)鐵路部門(mén)獲取列車(chē)的大致載重、通過(guò)時(shí)間點(diǎn)以及速度，并提前到達(dá)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，在列車(chē)通過(guò)前1min內(nèi)開(kāi)啟監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取列車(chē)通過(guò)時(shí)D便梁的應(yīng)變變化，并通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換公式，求出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

2.3.2 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)

2.3.2.1 測(cè)點(diǎn)選擇

考慮到受力特點(diǎn)和安裝可行性，選擇上行線第三孔外側(cè)D20便梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)為與應(yīng)變傳感器錯(cuò)開(kāi)，橫抬梁未頂進(jìn)就位前測(cè)點(diǎn)位置選擇為便梁跨中翼緣外側(cè)側(cè)上部，D便梁調(diào)整到橫抬梁之后測(cè)點(diǎn)選擇為便梁兩端翼緣外側(cè)上部。

2.3.2.2 設(shè)備安裝

首先在便梁翼緣和腹板上各焊接一個(gè)固定螺栓，具體位置需要靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)；清洗測(cè)點(diǎn)，并在翼緣部位涂一層石膏；將設(shè)備對(duì)準(zhǔn)螺栓之后，扭緊螺帽，將設(shè)備與便梁連接為一體；在周?chē)鷮ふ乙粋€(gè)穩(wěn)定且與測(cè)點(diǎn)高程相近的點(diǎn)安裝其他配套設(shè)備；在行車(chē)安全限界之外安裝信號(hào)收集模塊集結(jié)箱，并調(diào)試設(shè)備。

2.3.2.3 監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)時(shí)間與應(yīng)變傳感系統(tǒng)一致。

2.3.3 測(cè)振系統(tǒng)

2.3.3.1 測(cè)點(diǎn)選擇

測(cè)振系統(tǒng)分為水平測(cè)振和豎直測(cè)振2個(gè)立方體傳感器，2個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)位置選擇靠近靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的兩側(cè)。

2.3.3.2 設(shè)備安裝

測(cè)點(diǎn)位置的翼緣部位焊接一個(gè)固定螺栓，并在附近涂好

石膏；將傳感器對(duì)準(zhǔn)螺栓，并扭好螺帽；在行車(chē)安全限界之外安裝信號(hào)收集模塊集結(jié)箱，并調(diào)試設(shè)備。

2.3.3.3 監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)時(shí)間與應(yīng)變傳感系統(tǒng)一致，監(jiān)測(cè)完成后由配套分析系統(tǒng)，導(dǎo)出速度、加速度、振動(dòng)振幅、振動(dòng)系數(shù)等有關(guān)參數(shù)。

3 箱涵下穿鐵路頂進(jìn)施工技術(shù)

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

技術(shù)難點(diǎn)有以下2點(diǎn)：1）箱涵下穿頂進(jìn)施工時(shí)頂進(jìn)線路偏位難以準(zhǔn)確控制，特別是在頂進(jìn)過(guò)程出現(xiàn)頂進(jìn)線路偏移需要及時(shí)調(diào)整，從而避免既有運(yùn)營(yíng)鐵路線路的失穩(wěn)。2）由于箱涵頂進(jìn)施工是一個(gè)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)施工情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2 基于自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人的頂進(jìn)線路智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.2.1 設(shè)備布置

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，找到頂推箱涵頂進(jìn)路線的中線PQ，其中Q為頂推箱涵頂進(jìn)方向的對(duì)側(cè)且為穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)。N和M分別為頂推箱涵底板中線中線上的前端和后端，A、B、C、D為頂推箱涵頂板下部靠近頂角的部位。為了能夠采用全站儀對(duì)頂進(jìn)過(guò)程的偏移和高差進(jìn)行監(jiān)控，需要六個(gè)棱鏡分別安裝在A、B、C、D、M、N六個(gè)部位。

3.2.2 監(jiān)控

在Q點(diǎn)將全站儀設(shè)站完畢，以備監(jiān)測(cè)箱涵頂進(jìn)過(guò)程中頂進(jìn)線路的偏位。

3.2.3 系統(tǒng)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要編制能控制全站儀測(cè)試并讀取其中數(shù)據(jù)的程序，并能做如下操作：輸入P（XP，YP，ZP）點(diǎn)和Q（XQ，YQ，ZQ）點(diǎn)坐標(biāo)，并代入方程Y=aX+b，（其中Y為P、Q點(diǎn)縱坐標(biāo)；X為P、Q點(diǎn)橫坐標(biāo);a為點(diǎn)PQ連線確定的在XY平面內(nèi)直線的斜率；b為點(diǎn)PQ連線確定的在XY平面內(nèi)直線的縱軸截距）求出a和b的值；在頂進(jìn)之前通過(guò)程序控制全站儀對(duì)A、B、C、D、M、N（圖2）6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行初始化掃描，記為A0（XA0，YA0，ZA0），B0（XB0，YB0，ZB0），C0（XC0，YC0，ZC0），D0（XD0，YD0，ZD0），M0（XM0，YM0，ZM0），N0（XN0，YN0，ZN0），其中X、Y、Z分別代表基于空間三維坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)及高程坐標(biāo)。

圖2 智能監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

當(dāng)頂進(jìn)進(jìn)行到第i階段時(shí)，控制全站儀依次對(duì)6個(gè)點(diǎn)A、B、C、D、M、N進(jìn)行掃描，記為Ai（XAi，YAi，ZAi），Bi（XBi，YBi，ZBi），Ci（XCi，YCi，ZCi），Di（XDi，YDi，ZDi），Mi（XMi，YMi，ZMi），Ni（XNi，YNi，ZNi），其中X、Y、Z分別代表基于空間三維坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)及高程坐標(biāo)。

第i階段頂推箱涵4個(gè)頂角的高差分別為ΔAi=ZAi-ZA0，ΔBi=ZBi-ZB0、ΔCi=ZCi-ZC0，ΔDi=ZDi-ZD0。

若ΔAi為負(fù)值，輸出A頂角下沉ΔAi，若ΔAi為0，輸出A頂角高差沒(méi)有變化，若ΔAi為正值，輸出A頂角上升ΔAi。

若ΔBi為負(fù)值，輸出B頂角下沉ΔBi，若ΔBi為0，輸出B頂角高差沒(méi)有變化，若ΔBi為正值，輸出B頂角上升ΔBi。

若ΔCi為負(fù)值，輸出C頂角下沉ΔCi，若ΔCi為0，輸出C頂角高差沒(méi)有變化，若ΔCi為正值，輸出C頂角上升ΔCi。

若ΔDi為負(fù)值，輸出D頂角下沉ΔDi，若ΔDi為0，輸出D頂角高差沒(méi)有變化，若ΔDi為正值，輸出D頂角上升ΔDi。

將XMi、XNi分別代入Y=aX+b，求得Y′Mi、Y′N(xiāo)i，再將YMi、YNi分別代入Y=aX+b，求得X′Mi、X′N(xiāo)i。

若Y′Mi=YMi，輸出頂推箱涵后端沒(méi)有偏移中線；否則輸出頂推箱涵后端偏移值，如公式（1）所示。

式中：XMi、YMi分別為M點(diǎn)初始橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)，X′Mi、Y′Mi分別為M點(diǎn)頂進(jìn)第i階段的橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)。

當(dāng)YQ＜YP且a＜0時(shí)，若Y′Mi＜YMi，輸出M點(diǎn)為右偏，否則輸出M點(diǎn)左偏；若YQ＜YP且a＞0時(shí)，若Y′Mi＜YMi，輸出M點(diǎn)為左偏，否則輸出M點(diǎn)右偏；若YQ＞YP且a＜0時(shí)，若Y′Mi＜YMi，輸出M點(diǎn)為左偏，否則輸出M點(diǎn)右偏；若YQ＞YP且a＞0時(shí)，若Y′Mi＜YMi，輸出M點(diǎn)為右偏，否則輸出M點(diǎn)左偏。

同理，若Y′N(xiāo)i=YNi，輸出頂推箱涵前端沒(méi)有偏移中線；否則輸出頂推箱涵前端偏移值，如公式（2）所示。

式中：XNi、YNi分別為M點(diǎn)初始橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)，X′N(xiāo)i、Y′N(xiāo)i分別為N點(diǎn)頂進(jìn)第i階段的橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)。

當(dāng)YQ＜YP且a＜0時(shí)，若Y′N(xiāo)i＜YNi，輸出N點(diǎn)為右偏，否則輸出N點(diǎn)左偏；當(dāng)YQ＜YP且a＞0時(shí)，當(dāng)Y′N(xiāo)i＜YNi，輸出N點(diǎn)為左偏，否則輸出N點(diǎn)右偏；當(dāng)YQ＞YP且a＜0時(shí)，若Y′N(xiāo)i＜YNi，輸出N點(diǎn)為左偏，否則輸出N點(diǎn)右偏；當(dāng)YQ＞YP且a＞0時(shí)，若Y′N(xiāo)i＜YNi，輸出N點(diǎn)為右偏，否則輸出N點(diǎn)左偏。

3.3 預(yù)制箱涵頂推過(guò)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)

在預(yù)制頂推箱涵上，安裝了用于監(jiān)測(cè)箱涵高差變化的4個(gè)360°棱鏡、用于監(jiān)測(cè)箱涵頂推偏移量的2個(gè)360°棱鏡、用于監(jiān)測(cè)頂推過(guò)程箱涵應(yīng)力的4個(gè)應(yīng)變傳感器以及用于接收應(yīng)變數(shù)據(jù)的信號(hào)接收器；在既有鐵路上安裝了用于監(jiān)測(cè)軌道變形的布里淵分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；在預(yù)制頂推箱涵對(duì)側(cè)，安裝了用于讀取棱鏡讀數(shù)的自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人、用于控制自動(dòng)機(jī)器人的PC電腦、用于捕捉頂推過(guò)程視頻圖像的高清攝像頭；在預(yù)制頂推箱涵對(duì)側(cè)穩(wěn)定處，設(shè)置了用于監(jiān)控頂推整個(gè)過(guò)程的可視化監(jiān)控室。

4 結(jié)論

航二路延長(zhǎng)線下穿柳南客專(zhuān)框架頂進(jìn)工程已經(jīng)順利完成，采用了上述D型便梁+預(yù)應(yīng)力混凝土橫抬梁線路加固體系以及D便梁應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)方法，不但保證了架空線路的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，還加快了施工進(jìn)度，并在一定程度上節(jié)約了工程施工成本。在箱涵頂進(jìn)施工過(guò)程中，采用智能自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及頂進(jìn)過(guò)程可視化監(jiān)控技術(shù)，不但能夠?qū)崟r(shí)糾偏箱涵頂進(jìn)偏位，保證頂進(jìn)施工的可靠性，還能進(jìn)行施工過(guò)程全天候遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。