重载铁路顶进线路加固技术

2011-02-15汪甜

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2011年3期

汪甜

( 中铁六局集团天津铁建公司，天津 300222)

1 工程概况

大秦线K337 +002．5 杨雁路地道工程位于北京市怀柔区，是京承高速杨宋立交-雁栖湖工程的一部分。该工程在铁路里程K337 +002．5 处下穿大秦线，既有大秦线铁路东西走向，为双线电气化铁路，杨雁路方向与铁路方向交角为74．7°，铁路位于直线段，两线轨面高程均为43．99 m，下行线为75 kg/m 轨，上行线为60 kg/m 轨。桥体总高度8．1 m，结构净高度6．2 m，使用高度≥5．0 m，斜长24．779 m，正长23．900 m，公路方向总长18．666 m。跨度10．5 m-10．5 m 两孔。轨底距桥顶最小厚度为800 mm，施工采用线路外预制箱体，在不中断铁路行车的条件下从大秦下行线北侧整体顶入就位法施工。

大秦线是我国运煤主干线，它的特点是荷载大，连续冲击力大( C80 车厢约220 节) ;列车通过的间隔时间短，约为每10 min 对开上下行列车，时速为80 km/h。由于施工期间限速45 km/h，因此对于桥涵顶进及线路加固、拆除和线路加固设备提出了更高的要求。在K337 +002．5 杨雁路地道桥工程施工中，对以往线路加固体系进行了技术改进，总结了一套切实可行的、能够保证限速45 km/h 条件下重载既有线行车安全的线路加固方法。

2 加固特点

采用浇筑支撑桩、防护桩、抗移桩，对桥体外侧路基注浆加固的线路加固体系可以满足大秦重载线路施工慢行限制速度45 km/h 通过，同时将横梁间距改为0．8 m，可有效提高线路加固体系的整体刚度，减少对既有线行车的影响［1］。

保留部分既有混凝土枕，保持线路轨距及水平，提高线路稳定系数; 列车以45 km/h 的速度通过时，有效控制车辆的脱轨系数;对既有线路的扰动小，使道床及轨道的刚度损失减小，保证了线路的稳定，线路加固体系拆除方便，减少了因拆除引起的线路不稳定，线路恢复的时间短，质量高［2］。

大秦重载线路顶进桥涵上既有线路限速45 km/h。顶进桥涵顶面与既有轨底有足够的空间( 至少0．8 m) 穿工字钢横梁。对单线或多股既有线进行加固。桥涵与既有线路斜交。

3 加固方案计算

3．1 加固方法

根据北京铁路局试验数据的分析，如线路加固体系中横梁动挠度值的大小以及列车脱轨系数等，运用常用的线路加固安全检算法进行计算，最终确定加固形式和横梁布设方案。此种线路加固形式是: 枕木上铺设与线路平行的扣轨，枕木下加工字钢横梁，以U 型螺栓联结形成平面网格状结构，线路加固施工平面图见图1，使线路加固体系的刚度增大，以提高施工及行车的安全系数。

图1 线路加固施工平面图(单位:mm)

3．2 线路加固体系稳定计算

3．2．1 挠度计算

根据中国铁道出版社出版的《桥涵顶进设计与施工》介绍，当限速不超过40 km/h，列车冲击系数为1．15。限速不超过45 km/h 时，列车冲击系数取1．20。考虑横梁的不均匀工作系数1．3，则综合系数β =1．56，此时设计荷载取β ×P = 1．56P。

活载取现行机车最大轴重P =25 t 作为计算荷载。工字钢横梁按简支梁设计核算，其强度和挠度计算，见图 2。M = (1/2) β · P · C = 0．78P · C，б = M/W ≤ ［б］，f =0．5 。选用I45a 工字钢，WX=1 430 cm3，IX=32 240 cm4。б = M/W = {0．78 ×25 ×104×( LP-1．5) ×{(0．78P·C·) /(24EI) } ×(3LP-4C2) ≤L/400。即M = (1/2) β·P·C = 0．78·25·( LP-1．5)·0．5} /1 430 ≤［б］=170 MPa，得LP=3．99 m。按0．8 m 间距布置I45a 横梁，最大允许跨度3．99 m，按现行规定，跨度控制在0．5 m 以内，挖土量控制在此范围内能够保证加固体系的强度要求。

图2 线路加固计算简图

计算挠度是否满足要求，即f ≤LP/400。f = {(0．78P·C·LP2) /(24EI) } × (3LP-4C2) ＜LP/400 ，挠度满足使用要求。

3．2．2 纵梁和轨束梁检算

根据中国铁道出版社出版的《桥涵顶进设计与施工》介绍，当限速不超过40 km/h，列车冲击系数为1．15。限速不超过45 km/h 时，列车冲击系数β 取1．20。

I63a 工字钢惯性距I=93 916 cm4，截面抵抗W =2 982 cm3。50 kg/m 钢轨惯性距I=2 037 cm4，单根截面面积A =65．8 cm2，重心至轨底( 头) 距离7．1 cm(8．1 cm) 。钢材弹性模量E =2．1 ×105MPa，抗弯许用应力［б］=170 MPa，容许最大挠度fmax≤LP/300。

纵梁计算跨度取7．2 m。列车标准活载按跨中弯距影响线确定最不利位置如图3。

(1) 纵梁检算。因横梁布置距离、跨度小，故控制杆件为纵梁。按一行线“悬空”通过列车检算( 实际上每根横梁下均有小台车) 。因为当框架桥顶进穿过两行线路时，每根横梁下均安放小台车，即使在桥上会车也不是最不利情况。现按两线间和路肩纵梁(4 根工字钢) 承重，扣轨梁部分承重的图式进行检算。

此时桥上总荷载Qβ =1 320 kN。假定每组纵梁上的集中荷载为Pg。每组3 轨束梁上的集中荷载为P3，每组5 轨束梁上的集中荷载为P5。因此荷载均匀分布在纵梁和扣轨轨束梁上，起传力作用的横梁变形很小，故纵梁、轨束梁产生的挠度均应该相等。

图3 跨中弯距影响线确定最不利位置图(单位:m)

每组工字钢梁挠度fg= pgl3/48EIg，每组3 轨束梁挠度f3= p3l3/48EI3，每组5 轨束梁挠度f5=p5l3/48EI5。经计算，Ig=187 832 cm4，I3=6 291．2 cm4，I5=10 510．4 cm4。将各I 值和E、l 值分别代入上列各式，并根据fg= f3= f5与静力平衡条件可得

(1) 、(2) 、(3) 式联立解得: pg= 621．78 kN; p3=20．83 kN ; p5=34．79 kN。因每组纵梁(2 根I60 工字钢) 与9 根横梁联结，列车荷载经由钢轨通过横梁传递给纵梁( 见图4) ，所以纵梁上分布荷载为:p =pg/9 = 69 kN。最大弯距Mmax= npLP/8 =558．9 kN·m( n = 9) 。最大弯曲应力σ = Mmax/W =93．7 MPa ＜［σW］。最大挠度fmax= (5n2+2) PLP3/384nEIg=15．3 mm ＜LP/300 =24 mm。

图4 纵梁受力图式(单位:m)

以上检算未考虑恒载，原因在于横载相对活载很小，并且在施工过程中横梁一端搭在预制的框架桥上，框架桥顶进时每根工字钢下加垫专用小台车，形成支点，对纵梁有减载作用，实际产生的应力、挠度都应比计算结果小。

(2) 轨束梁检算。以同样方法计算得:每组3 轨束梁的最大弯曲应力σ =61．6 MPa ＜［σW］，最大挠度fmax=15．3 mm ＜LP/300 。每组5 轨束梁的最大弯曲应力σ =62．6 MPa ＜［σW］，最大挠度fmax=15．3 mm ＜LP/300 。根据计算，加固体系强度和挠度变化满足使用要求。经过两种计算方法检算，大秦线K337 +002．5 地道桥工程的线路加固体系是满足要求的，这为下一步顶进工作做出了充分准备，后来的顶进施工及线路恢复也证明了这一点。

4 施工工艺流程及操作要点

4．1 施工准备

为确保框构立交桥顶进期间线路运营的安全，在设计提供的方案基础上进行加强，采用吊轨梁加固与纵、横梁抬梁加固结合的办法，对该段线路进行加固。线路加固施工前，完成防护桩、支撑桩、顶进抗移桩施工，施工采用人工挖孔。

4．2 吊轨梁加固

该段线路为混凝土轨枕，大秦下行线为75 kg/m 轨，上行线为60 kg/m 轨。框架桥宽为25 m，采用3-5-3 式吊轨梁，吊轨梁延伸出箱体两端外侧各12．5 m，两股线路各50 m，共计100 m。吊轨梁采用P50 钢轨，吊轨梁与其下面的枕木采用Φ22U 型螺栓卡和盖板连接在一起，形成整体结构( 如图5) 。

框架地道桥两侧线路应力放散锁定，为防止顶进过程中线路爬行，框架桥两端各100 m 范围的钢轨螺栓全部拧紧加固。

抽换钢筋混凝土轨枕，对两股线路各50 m 范围内，更换为Ⅰ类普通木岔枕，长度3．3 m，共需更换232根，( 横梁加固范围内间距0．4 m，其余为0．5 m) 要点限速后利用列车间隔按照隔六抽一的方式进行。为保证既有线轨距及行车安全，将既有轨枕隔三留一，保留部分既有混凝土枕，保证轨距及水平。

铺设吊轨梁。吊轨梁采用3-5-3 式共需钢轨1 100 m，三扣吊轨卡928 套，五扣吊轨卡464 套，组装采用穿袖式，接头错开2 m 以上，并与主轨接头错开摆放，吊轨梁顶面低于主轨顶面25 mm，并与枕木连接牢固，吊轨梁两端设置木梭头。

图5 加固整体结构示意图(单位:cm)

4．3 横梁加固

横梁按照宽出桥体外端各6 m 布置，采用I45a 工字钢，间距0．8 m，横向长度为37 m，共计47 根。每道横梁长度为24 m，工字钢接头用20 mm 的钢板焊接牢固，横梁一端伸出大秦上行线路中心8．5 m，接头相错1．5 m，与抗移桩上工字钢焊接牢固。横梁与枕木及吊轨梁连接牢固，横梁下部采用木楔和滑梁小车与桥体顶部接触，以减少顶进时的横向阻力。

铺设横梁。采用间隔式抽穿，在慢行点内进行，并与枕木和吊轨梁牢固密贴，在钢轨外端路间和线间，以枕木头和厚木板作为支撑点，要求铺设平整牢固。

4．4 纵梁加固

横梁铺设后，大秦上、下行线路外侧均采用双工字钢与单根并用作为一组纵梁( I63a 工字钢) ，线间纵梁采用双( I60) 工字钢作为一组纵梁。纵梁长度48 m，两端各伸出框构桥外端11．5 m，纵梁与横梁采用Φ22U 型螺栓卡和盖板连接牢固，形成整体结构。

首先在大秦上行线南侧路肩与两线间设置Φ1．25 m 混凝土支撑桩各6 根。双工字钢与单根并用作为一组纵梁，接头用20 mm 的钢板焊接，纵梁要求平整顺直，纵梁连接接头错开不小于1．5 m。为防止纵梁横向位移，在纵梁与枕木间，用100 mm×100 mm 方木作为支撑，并用木楔打紧。为防止双纵梁上下错动，在两纵梁间设置方木固定。纵梁铺设后，全面检查各部分连接是否牢固，线路的轨距水平方向是否正确。全面检查后，方可进行顶进作业。