济宁市济安桥南路下穿新日铁路立交桥工程施工过渡方案研究

赵振刚

(1.北京交通大学土木建筑学院, 北京 100044；2.中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院, 济南 250022)

1 概述

随着我国铁路运营速度、行车密度、安全要求的逐步提高,既有线改造的施工难度、安全压力不断增大。主要体现在：一是必须确保既有线正常运营与安全[1],这是对改造施工的最根本要求。二是必须在给定的施工时间内进行施工。每项施工进行时间由铁路调度命令确定,提前或拖后均不允许。三是施工受到既有设备限制、牵涉面广,需多部门同时协调配合才能完成。既有线正常运行有其完整的设备和运输组织体系,施工过程中一旦改动既有线,需相应调整运输组织秩序,对既有相关设备进行有序调整、检测调试,逐步进行施工。因此,在既有线改造施工中,施工过渡方案是施工组织中的关键因素。铁路施工过渡方案是否周密、合理、可行,对运营生产安全、工程施工顺利进行以及工程造价起着决定性作用[2]。

在既有铁路上增建下穿铁路立交桥或对既有下穿铁路立交桥进行改造,常用的施工过渡方案主要有两类,第一类是在改造工点处修建施工便线,对既有线进行临时封闭施工；第二类是在工点处架设便桥,对既有线实施临时限速施工。两类过渡方案中,修建施工便线方案具有对既有线运营干扰小、安全性高、对通过能力影响小等优点,条件具备时应优先采用。

济宁市济安桥南路下穿新日铁路立交桥改造工程对既有立交桥进行拓宽改造,由双向2车道拓宽为双向6车道。根据铁路管理部门及建设单位要求,采用修建施工便线的形式进行施工过渡。

因工点西端为京杭运河特大桥,桥上既有铁路曲线和周围村庄等地形条件限制了施工便线方案的选择。通过分析施工便线选线的控制因素,提出了施工便线选线原则,对施工便线方案进行了研究比选,对京杭运河特大桥上曲线拨移量控制方法进行了总结。

2 既有线概况及对施工过渡方案的要求

济安桥南路下穿新日铁路立交桥位于山东省济宁市区西南部,新日铁路(新乡—日照)K270+832处。既有铁路为双线,济安桥南路为济宁市城市道路,双向2车道。新日铁路上跨济安桥南路,新日上行线设3-10 m钢筋混凝土梁桥,下行线设(5.5+10+5.5)m钢筋混凝土梁桥。因城市道路建设需要,济安桥南路拓宽改造为双向6车道,铁路立交桥需同步拓宽。

改造范围内既有新日铁路上行线分布有曲线3处,其中1处曲线半径1 000 m,缓和曲线长120 m,位于立交桥西侧；反向曲线2处(1对),半径4 000 m,缓和曲线长30 m,位于立交桥东侧。下行线分布有曲线1处,半径800 m,缓和曲线长100 m,位于立交桥西侧。西端的京杭运河特大桥,桥长947.6 m,上、下行曲线进入桥梁范围分别为61.43、41.52 m,均位于32 m混凝土梁地段。既有线平面示意见图1,既有立交桥照片见图2。

图1 既有线平面示意(单位：m)

图2 既有立交桥照片

既有线纵断面坡度均在限制坡度内,不控制施工便线方案选择。

该处地形以平原洼地为主,地质构造属鲁西南断块凹陷区,地层均由第四系全新统和晚更新统冲洪积土组成,以黏性土、粉土、中砂为主。抗震设防烈度6度,地震动峰值加速度0.05g,无不良地质现象。

根据铁路管理部门及建设单位要求,采用拆除既有梁桥,上下行各新建四孔(10+12+12+10) m框架桥的改造方案。为保证既有线运营安全和施工安全,施工期间采用修建施工便线的形式进行过渡,便线设计行车速度不小于80 km/h。

3 施工过渡方案控制因素和选线原则

3.1 控制因素

3.1.1京杭运河特大桥上线路中线与梁跨设计中线偏差

工点西端为京杭运河特大桥,既有上、下行曲线进入桥梁范围分别为61.43、41.52 m。因该曲线距离立交桥工点较近,设置施工便线将不可避免地对京杭运河特大桥上曲线进行拨移改造。

根据《铁路桥隧建筑物修理规则》(铁运[2010]38号)第3.1.2条的规定,桥上线路中线与梁跨设计中线的偏差不应大于50 mm。经现场测量,整正后既有京杭运河特大桥上线路中线与梁跨设计中线既有偏差为9～47 mm,详见表1,个别点已接近偏差限值。如何控制京杭运河特大桥上曲线拨移量,避免桥上线路偏差超限是施工过渡方案的设计难点。

表1 既有京杭运河特大桥上线路中线与梁跨设计中线偏差

3.1.2 沿线村庄

线路南侧为张口屯村房屋及农田,施工便线应尽量避免拆除房屋,减少对农田的占压。

3.1.3 立交桥处施工线间距

为预留出施工作业场地,在K270+832既有桥处,既有线与施工便线间距要求不小于20 m。

3.2 选线原则

3.2.1 控制京杭运河特大桥上线路拨移量

根据《铁路桥隧建筑物修理规则》(铁运[2010]38号)的要求,施工便线选线时应控制京杭运河特大桥上线路拨移量,使拨移后桥上线路中线与梁跨设计中线偏差在规定的50 mm限值以内。

3.2.2 减少便线工程量

在满足施工便线设计行车速度不小于80 km/h及布置施工场地要求的前提下,减少施工便线长度,节约利用土地,减少便线工程量及投资。

4 施工过渡方案比选

4.1 方案说明

结合既有线路条件和沿线地形、村庄分布,研究了2种施工过渡方案。其中,Ⅰ方案在既有线南侧修建施工便线进行过渡,Ⅱ方案在既有线北侧修建施工便线进行过渡,过渡步骤分述如下。

4.1.1 Ⅰ方案

(1)在既有下行线南侧修建下行施工便线,进行下行线施工过渡。

为控制运河特大桥上线路偏移量,将西端曲线交点沿切线东移,曲线半径增大至1 200 m,缓和曲线长采用120 m,ZH点里程K270+139；在立交桥处便线设置为曲线,与既有线间距不小于20 m,曲线半径2 000 m,缓和曲线长70 m；立交桥东侧设曲线与既有线相接,曲线半径2 500 m,缓和曲线长60 m。

(2)封闭该段既有下行线,进行下行桥梁改造施工。

(3)上行线设便线过渡至桥梁改造完成后的下行线。西端曲线半径增大至1 200 m,缓和曲线长220 m。东端设反向曲线与既有上行线连接,曲线半径8 000 m,缓和曲线长40 m,夹直线长50 m。

(4)封闭该段既有上行线,进行上行桥梁改造施工。

(5)恢复上行线及下行线。

Ⅰ方案平面示意见图3。

图3 Ⅰ方案线路平面示意(单位：m)

本方案施工便线对既有京杭运河特大桥上曲线进行拨移改造,经计算改造后线路与桥梁中线偏差最大值28 mm,符合《铁路桥隧建筑物修理规则》(铁运[2010]38号)的规定要求。本方案新建施工便线1.25 km,拨移既有线路1.68 km,填土方113 450 m3,主要工程投资949.592 9万元。

4.1.2 Ⅱ方案

(1)在既有上行线北侧修建上行施工便线,进行上行线施工过渡。

京杭运河特大桥上线路的曲线半径1 000 m、缓和曲线长90 m、ZH点里程K270+126.19维持既有不变,东侧缓和曲线及切线边绕既有圆曲线圆心旋转延伸；在立交桥处便线设置为曲线,与既有线线间距不小于20 m,曲线半径1 200 m,缓和曲线长90 m；立交桥东侧设曲线与既有上行线相接,曲线半径2 000 m,缓和曲线长60 m。

(2)封闭该段既有上行线,进行上行桥梁改造施工。

(3)下行线设便线过渡至桥梁改造完成后的上行线。西端曲线圆心不变,半径维持800 m,缓和曲线长维持100 m。东端设反向曲线与既有下行线连接,曲线半径1 800 m,缓和曲线长30 m,夹直线长50 m。

(4)封闭该段既有下行线,进行下行桥梁改造施工。

(5)恢复下行线及上行线。

Ⅱ方案平面示意见图4。

图4 Ⅱ方案线路平面示意(单位：m)

本方案京杭运河特大桥上曲线维持既有不动,新建施工便线1.64 km,拨移既有线路1.23 km,填土方127 593 m3,主要工程投资1 088.786 4万元。

4.2 方案优缺点分析及推荐意见(表2)

4.2.1 优缺点分析

(1)Ⅰ方案对在既有下行线南侧修建施工便线,对西端京杭大运河特大桥上曲线进行拨移调整。优点是线路顺直,平面条件好,对铁路运营安全有利,新建施工便线长度短,工程投资省。缺点是线路拨移长度较长,施工要点时间长。

表2 施工便线主要工程数量及投资比较

(2)Ⅱ方案在既有上行线北侧修建施工便线,京杭大运河特大桥上下行曲线均维持既有位置不变。优点是拨移线路较短,施工要点时间短。缺点是施工便线不顺直,平面条件差,对铁路运营安全不利,新建便线长度长,工程投资高。

4.2.2 推荐意见

2个施工过渡方案中,Ⅰ方案具有线路顺直、平面条件好、对铁路运营安全有利、工程投资省等优点,推荐采用Ⅰ方案。

5 桥上曲线拨移量控制

在上述施工过渡方案中,在对京杭运河特大桥上曲线进行拨移改造时,如何控制线路中线与梁跨设计中线偏差是方案研究的难点。上述2个方案中采取了不同的控制方法,分述如下。

5.1 Ⅰ方案

本方案根据铁路平面曲线模型,通过坐标计算的方式,列出曲线半径、缓和曲线长、ZH点位置3个曲线要素的可能组合,计算不同组合下桥上线路中线与梁跨设计中线偏差值,其中偏差值最小的方案即为最优方案。

5.1.1 铁路平面曲线模型[1]

铁路正线平面曲线一般为两端设有缓和曲线的圆曲线,缓和曲线采用3次抛物线形[1]。主要参数有交点坐标、转向角α、曲线半径R、缓和曲线长l0、控制桩里程等。平面曲线参数示意见图5。

图5 平面曲线参数示意

曲线上任一点(不含另一侧的缓和曲线)在切线坐标系中坐标x,y为

当l

当l>l0时,

x=Rsinα1+my=R(1-cosα1)+p

式中x——沿切线方向x值；

y——垂直切线方向支距值；

α——转向角；

R——圆曲线半径；

l0——缓和曲线长；

l——任一点至ZH点的曲线长。

5.1.2 拨移量控制方法

通过对曲线半径R、缓和曲线长l0、ZH点位置3个曲线要素进行综合匹配,求出各里程点处线路中线与梁跨设计中线偏差。各里程点偏差总和最小时,即为最优化的曲线要素组合。

以本工程为例,因下行线JD位置不确定,则可优化的曲线要素有3个：曲线半径R、缓和曲线长l0、ZH点位置。上行线因两端直线边已确定,JD位置已确定,可优化的曲线要素有2个：曲线半径R、缓和曲线长l0。

(1)下行线优化过程

①计算既有曲线各里程点既有支距值y0

例如：既有下行线ZH点里程K270+146.98,曲线半径R=800 m,缓和曲线长l0=100 m,桥台胸墙里程K270+188.50。按上述公式计算,桥台胸墙处既有支距值y0=149 mm。

②计算各里程点拨移量、偏差值,求出偏差值总和作为优选指标

因拨移量较小,各点拨移量等于支距差值y-y0,拨移后各点的偏差值等于既有偏差值与拨移量之和。例如：设计下行线ZH点里程K270+139,曲线半径R=1 200 m,缓和曲线长l0=120 m,桥台胸墙里程K270+188.50,既有线路中线与梁跨设计中线偏差值为9 mm。按上述公式计算,桥台胸墙处y=140 mm,拨移量y-y0=140-149=-9 mm,即支距差值为-9 mm。则改造后+188.50处偏差值为9+(-9)=0 mm。

依次计算出各里程点的偏差值,并以偏移值总和作为拨移方案的优选指标。

③优选方案

为求得最优的拨移方案,可假定各种不同的曲线半径R、缓和曲线长l0、拨移后ZH点里程3个要素组合进行优选。分别计算出各组合的优选指标—“各里程点偏差值总和”,最小的方案即为最优方案。

上述优选过程较繁琐,可利用Excel表格或编写程序的方式解决。表3为Excel格式的下行线曲线要素优化,从表中可以看出,在前10个偏差值总和最小的方案中,当曲线半径R=1 200 m、缓和曲线长l0=120 m、ZH点里程为K270+139时,各里程点偏差值总和最小,因此该方案为最优方案,在设计中予以采用。

表3 下行线曲线要素优化

(2)上行线优化过程

因上行线两端直线边已确定,则JD位置已确定,需优化的曲线要素减少为2个：曲线半径R、缓和曲线长l0,ZH点里程通过计算得出。

表4为上行线曲线要素优化,因曲线交点固定,可选的拨移方案只有6个。从表中可以看出,当曲线半径R=1 200 m、缓和曲线长l0=220 m、ZH点里程为K270+109.77时,各里程点偏差量总和最小,因此该方案为最优方案,在设计中予以采用。

表4 上行线曲线要素优化

从表3、表4中可以看出,桥上线路中线与桥梁中线偏差均在《铁路桥隧建筑物修理规则》(铁运[2010]38号)规定的限值50 mm以内,满足设计要求,且大部分里程点的偏差值得到了减小、改善。

5.2 Ⅱ方案

Ⅱ方案利用圆曲线的特性,即将曲线一端缓和曲线和直线边绕既有圆曲线圆心旋转时,不影响既有的曲线。本方案将施工便线设置在既有线北侧,京杭运河特大桥上线路的曲线半径、缓和曲线长、ZH点里程维持既有不变,东侧缓和曲线、直线边绕既有圆曲线圆心旋转延伸,不需要对特大桥上线路进行改动,也就不必考虑桥上线路中心与梁跨设计中心偏差控制问题了。

6 结语

图6 济安桥南路立交桥竣工后照片

济宁市济安桥南路下穿新日铁路立交桥工程于2009年6月开工,2010年4月竣工,改造工作顺利完成(图6)。施工过渡方案细致周到、简便易行、可实施性强,对运营干扰小,保证了项目顺利实施,得到了铁路运营主管部门、施工单位的认可。其中,桥上曲线拨移量控制是本设计的关键点,对类似的既有线改造施工过渡设计具有一定的参考价值,所采用的2种方法可根据工点实际情况选用。

[1] 朱成燐.铁道工程测量学[M].北京：中国铁道出版社,1989.

[2] 李明华.既有线改造的过渡与拨接施工[J].铁道标准设计,2000(1)：40-42.

[3] 中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院. 济宁市济安桥南路下穿新日铁路立交桥工程施工设计说明书[R].济南：中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,2008.

[4] GB50090—2006 铁路线路设计规范[S].

[5] 赵振刚.铁牛庙站改造施工过渡方案研究[J].铁道货运,2010(3)：24-26.

[6] 卢茂胜.哈尔滨站改造施工过渡方案的研究[J].铁道标准设计,2011(2)：12-14.

[7] 霍翼.石太客运专线太原东站改造施工过渡方案[J].铁道标准设计,2010(2)：53-55.

[8] 于大厂.铁路既有线改造施工安全管理[J].铁道劳动安全卫生与环保,2004(31)：272-274.

[9] 李东力.铁路运营线改造实施阶段的基建管理[J].中国铁路,1999(1)：43-46.

[10] 尹光明.铁路既有线改造施工中拨接方法的合理选用[J].铁道标准设计,2003(5)：17-19.