桥涵顶进限速45 km/h线路加固体系施工改进实践

陈 宜，彭 华，蔡小培

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

铁路桥涵顶进施工中，营业线安全问题受到多方面的关注。在顶进施工中，对铁路轨道结构的加固是有关营业线安全的重要一环。本文在既有线路加固方法的基础上，结合北京铁路局的相关试验数据和结论，对加固体系进行了优化设计。

1 纵横梁结合吊轨梁加固法

纵横梁结合吊轨梁线路加固法是工字钢纵横梁对线路纵挑横抬并与吊轨梁配合使用的加固方法。施工时，首先应按3-3-3-3或3-5-3等形式铺设吊轨梁，然后设置横梁。当顶进桥涵与线路斜交时，还须加设纵梁架空线路。吊轨梁是设置在线路钢轨两侧并与之在同一水平上的钢轨束，而线路枕木则利用φ22U型螺栓和角钢或扣板悬挂在吊轨梁上。横梁设置应按轨底到桥涵顶的高度选择工字钢型号，铺设间距一般1.5 m左右。目前，在横梁下多采用加设专用小台车的施工方法，可以最大限度地减少顶进阻力，效果良好。纵横梁铺设见图1所示。横梁一端支承在箱涵顶上，另一端支承在路基枕木垛或挖孔支撑桩上。

工字钢横梁设计时，活载一般取现行机车最大轴重250 kN作为计算荷载。当线路限速不超过45 km/h时，列车冲击系数为1.11。考虑横梁的不均匀工作系数为1.3，则限速不超过45 km/h时，综合系数 β=1.11 ×1.3=1.443，取 1.5。

由于横梁铺设间距一般为1.5 m，与机车特殊荷载轴重分布间距一致，但有时横梁铺设间距更小，可近似保守认为每副轴重P作用在一根横梁上，由两条钢轨各承担一半，则工字钢横梁可按简支梁核算其强度与挠度。

横梁计算简图见图2所示。其中P为机车轴重，LP为工字钢横梁计算跨度，C为轨顶中心至横梁支点处的水平距离。

图1 纵横梁结合吊轨梁加固法示意

2 加固体系设计的试验检验

图2 横梁计算图式

为执行“营业线桥涵顶进施工限速不得低于45 km/h”规定，确认框构桥顶进施工时列车以45 km/h速度通过时的安全性能，由北京铁路局组织、相关单位配合共同完成了北京玉泉路下穿京门线立交工程纵横梁结合吊轨梁线路加固体系的安全适应性试验。

根据试验数据及分析结果，得出以下结论:列车在45 km/h及以下速度通过时，脱轨系数及轮重减载率均在容许范围内;纵横梁结合吊轨梁线路加固体系可满足列车45 km/h及以下速度通过的要求;桥上线路满足《铁路线路维修规则》的有关要求;框构顶进期间，应随时检查纵横梁连接及支点状况，一旦发现连接松动须及时紧固，发现支点木塞松动须及时打紧;框构顶进期间，须随时检查线路状态并对不良位置进行整修;若改善横梁支撑方法及连接紧固工艺，该体系会更加稳固。

3 基于加固试验的改进实践

根据北京玉泉路框构桥工程限速45 km/h条件下线路加固试验分析数据及结论，中铁六局在大秦线K337+002.5杨雁路地道桥工程的施工中，对线路加固体系进行了改进实践。

3.1 工程概况

工程位于北京市怀柔区，杨雁路地道桥在铁路里程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。杨雁路与大秦铁路方向交角为74.7°，相交处位于铁路直线段。铁路下行线为75 kg/m钢轨，上行线为60 kg/m钢轨。框构桥为2孔10.5 m。本工程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铁路北侧整体顶入就位法施工。工程示意如图3所示。

图3 杨雁路地道桥工程示意(单位:m)

大秦线机车车辆轴重25 t，列车有220节车厢，列车通过间隔时间为10 min，时速80 km/h。桥涵顶进及线路加固、拆除线路加固设备慢行施工期间限速45 km/h。因此，对线路加固体系的安全适应性较以往要求更高，须结合既有结构和试验分析数据，对加固结构进行改进。

3.2 线路加固设计

北京局加固体系试验证明，按结构强度、挠度条件设计的线路加固体系，整体的安全性良好。本工程继续采用此方法进行线路加固设计，同时根据试验经验进行局部改进。

铁路列车活载图式选用“中-活载”，活载取现行机车最大轴重为25 t进行计算。根据大秦线万吨重载列车将对线路产生连续超长时间冲击振动破坏的特点，并结合现场具体条件，横向工字钢间距选用更加保守的0.8 m。结构最大弯矩为

结合经验，横梁选用I45a工字钢，查得:截面模量Wx45=1 430 cm3，对x轴惯性矩 Ix45=32 200 cm4。得到结构最大弯曲应力为

其中容许应力［σ］为170 MPa。由式(2)可以得LP≤4 m，即横梁最大可悬空跨度为4 m。顶进挖土量须严格控制以保证悬空跨度在此范围内。

设计横梁的挠度为

由式(3)可见，设计横梁挠度满足要求。根据实际情况，支撑桩(挖孔桩φ1.25 m)间距按5.2 m设计，设置在大秦上行线南侧路肩及两线间。因此，纵梁及吊轨梁计算跨度取5.2 m。“中-活载”按跨中弯矩影响线确定最不利位置，荷载如图4所示。

图4 计算活载图式(单位:m)

偏保守考虑，大秦线上行、下行线路外侧均采用双工字钢与单根并用作为一组纵梁，线间采用双工字钢作为一组纵梁，共三道纵梁。纵梁选用I56a工字钢，截面惯性矩 I56=65 600 cm4，截面抵抗矩 W56=2 340 cm3。

由于吊轨梁顶面不得高于主轨顶面，故选用50 kg/m旧钢轨。Wx=251 cm3，Ix=2 037 cm4。结构选用常用3-5-3形式。

由于横梁最大可悬空跨度为4 m，按最不利情况即上行线吊轨梁与其南侧纵梁承重的图式进行检算。实际上，纵横梁结合吊轨梁加固体系的受力是非常复杂的，理论计算繁琐。这里选用一种较简便的近似计算方法进行纵梁、吊轨梁检算。

根据活载图式，荷载P总=4×220=880 kN。假定上行线南侧纵梁上的集中荷载为P1，上行线两轨两侧吊轨梁上的集中荷载分别为P2，上行线两轨中间吊轨梁上的集中荷载为 P3，相对应的惯性矩分别为 I1，I2，I3，挠度为 f1，f2，f3。由于横梁布置间距密，悬空跨度小，近似认为纵梁、吊轨梁的挠度相等。

各截面的惯性矩为:I1=196 800 cm4、I2=6 111 cm4、I3=10 185 cm4。考虑各截面处的挠度相同f1=f2=f3。即

考虑荷载总和为

联立公式(4)和公式(5)，代入参数可得

大秦上行线南侧路肩支撑桩间距L=5.2 m，桩直径为1.25 m，两桩体间的净空为5.20-1.25=3.95 m，横梁根数n=3.95/0.8+1=5.9根，取6根。所以计算跨度内纵梁及吊轨梁与6根横梁联结，列车荷载通过横梁传递给纵梁。纵梁及荷载分布见图5所示。

图5 纵梁受力图式(单位:m)

结构挠度满足挠度条件要求。

按同样方法对两侧吊轨梁进行检算。集中荷载P2作用下，两侧吊轨梁上的分布荷载、弯矩、应力及挠度分别为 P2分，M2max，σ2，f2max。计算如下

以下对纵梁进行检算，其分布荷载为

近似计算跨中最大弯矩

最大弯曲应力

纵梁结构的强度满足要求。

结构最大挠度为

按同样方法对中间吊轨梁进行检算。集中荷载P3作用下，中间吊轨梁上的分布荷载、弯矩、应力及挠度分别为 P3分，M3max，σ3，f3max。计算如下

通过计算，纵梁及吊轨梁挠度值基本相等，与所设前提条件吻合。由于恒载相对活载较小，此设计检算未考虑恒载作用。另外，对横梁、纵梁、吊轨梁的作用活载选择，已经预留安全系数。顶进时，横梁工字钢下加垫专用小台车，对纵梁、吊轨梁有减载作用。

图6 线路加固体系施工平面示意

通过计算分析并结合施工条件及相关经验，将纵横梁结合吊轨梁线路加固体系设计如下:横梁按宽出桥体两侧边墙外端各6 m布置，横向布置范围37 m，共计47根，每根长21～23 m，选用I45a工字钢;纵梁共3道，大秦线上、下行线路外侧均采用双工字钢与单根并用共两道，线间采用双工字钢为一道，选用I56a工字钢，每道纵梁长度48 m，两端各伸出桥体两侧边墙外11.5 m;吊轨梁采用50 kg/m钢轨，形式3-5-3，长50 m，两端各伸出桥体两侧边墙外12.5 m;纵梁与横梁、吊轨梁与枕木及横梁均采用φ22U型螺栓卡和盖板牢固连接。工程线路加固体系施工平面示意，如图6所示。

3.3 施工工艺及改进实践要点

大秦线桥涵顶进施工时，线路加固施工工艺流程为:施工准备→铺设吊轨梁→穿横梁工字钢→铺设纵梁工字钢→顶进线路防护→拆除线路加固设备→线路恢复。准备阶段，还对线路加固工艺进行了改进。由于既有线路基为砂加卵石填筑，为防止顶进期间塌方，线路加固前特对路基进行注浆加固。注浆加固后的路基，有效改善了松散的性状，有效增加了黏结性。

优化后的线路加固体系提高了横梁工字钢等级，减小了横梁工字钢间距，保证了横梁工字钢的跨空强度，提高了线路加固体系整体刚度;提高了纵梁工字钢等级并成束布置，提高了线路加固体系整体刚度;改善了横梁工字钢支撑方法，设置了支撑桩，线路加固体系更加稳固。

框构顶进期间，需指派专人随时检查掌控纵横梁连接及支撑状况，一旦发现连接松动及时紧固，发现木楔松动及时打紧。此外，还指派专人随时检查线路状态，以便及时整修。大秦线K337+002.5杨雁路地道桥工程，顶进工期20 d，已于2006年9月建成通车。桥涵顶进施工过程中，列车运行状态良好。

4 结论

本文基于铁路线路加固中经常采用的纵横梁结合吊轨梁法，根据线路加固试验数据做了相应改进，较好地解决了大秦线万吨重载列车连续冲击荷载作用下，限速45 km/h的营业线线路加固难题，保证了顶进地道桥施工期间铁路的安全运营。既有线路加固体系的设计、施工的改进实践，效果良好。本文所提出的线路加固体系改进方案，对于类似线路加固工程，具有重要的参考价值。

［1］铁道部第四勘测设计院桥隧处.桥涵顶进设计与施工［M］.北京:中国铁道出版社，1983.

［2］冯卫星，王克丽.地道桥设计与施工［M］.石家庄.河北科学技术出版社，2000.

［3］铁道部第三勘测设计院.桥梁设计通用资料［M］.北京:中国铁道出版社，1994.

［4］李廉锟.结构力学(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，1996.

［5］刘鸿文.材料力学(第四版)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［6］赵风华，黄金林.钢结构设计原理［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［7］高印强.顶进式框架桥施工中的线路加固检算［J］.铁道建筑，2002(4):15-17.