乌苏市物流园道路下穿兰新铁路工程线路防护方案设计

2015-03-13努尔买买提吐尔逊

铁道建筑 2015年11期

关键词：纵梁横梁荷载

努尔买买提·吐尔逊

(中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830011)

乌苏市物流园道路下穿兰新铁路工程线路防护方案设计

努尔买买提·吐尔逊

(中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830011)

既有铁路线路防护是新增立交桥工程设计、施工中的重要部分，既有铁路线路防护方案的合理性、实用性直接影响整个工程的施工进度、工程造价及既有铁路运营安全。本文以一工程实例为依托介绍了组合工便梁防护方案的设计思路、使用条件、工作机理和优缺点，可供类似工程参考。

既有铁路组合工便梁防护

1 工程概况

乌苏市塔城路和友好路向南延伸下穿兰新铁路，与乌苏市物流园内道路衔接，下穿兰新铁路处新建立交桥为乌苏市向南扩建提供重要通道，被乌苏市交通局和乌鲁木齐铁路局项目管理所(代建方)列为2012年至2013年重点控制工程。

公路穿越铁路段位于兰新铁路乌苏(K2139+ 393.20)至四棵树(K2172+454.60)区段。铁路等级为国铁Ⅰ级，设计速度120 km/h，双线(线间距5 m)无缝线路。采用电力牵引、重型轨道(P60钢轨、Ⅲ型枕)。线路坡度为－6‰，路基高度约2 m。公路通行净高5.0 m。

该工程中采用的立交桥为2×16 m箱形桥，桥内净高6.5 m、净宽16 m、桥全长37.9 m，桥顶至轨底最小填土高度为90 cm，下穿道路与既有兰新线斜交角度30°。该桥是当时兰新线新疆境内首例在双线电气化区段新增的立交桥工程。

桥址范围内地层主要为细圆砾土，厚度＞15 m，基本承载力300 kPa，地下水位埋深＞15 m，最大季节冻土深度1.6 m。地震基本烈度8度。

2 组合工便梁防护方案

结合该工程实际情况，合理确定既有铁路线加固方案，确保铁路运营安全、有效控制投资是该工程的重点和难点。疆内铁路常用的既有线防护方案——施工便梁、纵横抬梁、桥式盾构、铁路便线等均不符合该工程实际情况。

经研究，该工程中既有铁路线路采用组合工便梁防护方案。该方案是以传统施工便梁和纵横抬梁结构为基础，通过优化受力结构及设备构件形成的新防护方案，在干线铁路新增大型立交工程中正在推广使用。其优点是:①受力明确、设备可重复使用;②施工简便，适用于单线、多线及道岔区等各种复杂情况;③线路防护跨度不受限制，经济性较优。其缺点是:①架设纵梁期需要封闭线路并停电，对电气化铁路运营造成影响;②地下水较浅时，支撑桩施工难度大。

2.1 组合工便梁的构造与受力分析

组合工便梁构造如图1所示。

图1 组合工便梁构造

组合工便梁分布体系可分为线上线路防护体系和线下支撑体系。线上线路防护体系由纵梁、横梁、制式钢枕梁、连接板及各种连接零件组成;线下支撑体系由纵梁下支撑桩、线路抗滑移桩及路基防护桩组成。传力过程为:组合工便梁在每个既有混凝土枕之间穿一根制式钢枕梁，枕梁两端分别与左右两片纵梁下翼板用8根φ22高强度螺栓连接，将线路荷载传递到纵梁，纵梁将荷载传递到支撑桩(或桥顶)。轨道与制式钢枕之间采用钢轨扣件绝缘连接，以控制线路方向和轨距，防止影响轨道电路。

2.2 组合工便梁的适用范围

1)适用于内燃机车牵引的普通铁路和电力机车牵引的电气化铁路。

2)适用于国铁干线铁路和各类铁路专用线。

3)适用于铁路单线、双线、多线、直线、曲线(R≥600 m)。施工期间限速60 km/h及以下，铁路线路基本钢轨不轻于43 kg/m。

4)适用于客货共线铁路基本建筑限界。

5)适用于铁路既有线或站场的增减桥涵施工。

3 组合工便梁设计

组合工便梁的纵梁采用6节I115型工字钢便梁(单节长度12 m)拼接成连续梁形式用来加固线路，拼接方式采用钢夹板和高强螺栓等强联结成型。横梁采用H70型钢，单节长度12 m。使用高强度螺栓等强度拼接纵梁与横梁(两根H70型钢横梁)。每隔12 m采用C25钢筋混凝土挖孔桩(支撑桩和抗移桩)对组合工便梁进行竖向支撑加固。挖孔桩施工时，铁路采用3-5-3扣吊轨梁防护。

顶进时随顶进逐渐清除桥顶以上全部填土及道砟，使线路完全架空。顶进时按顶镐行程，每次顶进不大于1 m，在箱身前进后顶镐活塞回复原位，在空挡处加入顶铁，以待下次开镐。如此循环往复，直到箱身就位。当箱形桥顶进到横抬梁下1.0 m时，停止顶进，将横抬梁伸出端支承于箱形桥顶板(桥顶铺设枕木，搭设滑车)，使桥顶尽早支承横抬梁。

顶至挖孔桩0.5 m时，箱形桥上面的支点要垫好垫牢，确认线路完全稳定时方可拆除挖孔桩。拆除前将纵横梁支起，拆掉桩顶木方以卸载，避免拆除混凝土桩时因撞到梁而危及线路。

4 变形控制

4.1 变形控制标准

既有线防护设计以安全、可靠、经济为目标，以符合铁路运输安全、适应现场施工环境、达到各项防护指标、与铁路维修需求相匹配为原则。而组合工便梁防护方案的各项指标完全符合该工程的既有线防护设计原则。在组合工便梁防护设计中控制轨道变形是设计的重点。经理论分析及工程实践验证，顶进施工时引起的轨道变形主要可分为竖向变形和横向变形。

将《铁路线路修理规则》中“轨道动态质量容许偏差管理值”中的Ⅰ级标准(保养标准)作为组合工便梁变形控制标准，见表1。

表1 轨道动态质量容许偏差管理值

组合工便梁按《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)和《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2—99)设计，按《铁路钢桥制造规范》(TB 100212—98)制造、检查、验收。组合工便梁材质选用Q345B钢制作，基本容许应力为170 MPa，材料弹性模量约为206 GPa。

4.2 组合工便梁竖向变形控制

组合工便梁的竖向变形主要包括纵梁变形、横梁变形和支撑桩下沉变形等。

组合工便梁所承受荷载分为中—活载及恒载两部分。荷载传递过程为:列车荷载→线路钢轨→制式钢枕梁(横梁)→纵梁→支撑桩(箱形桥)。

4.2.1 纵梁变形控制

为简化计算，纵梁跨度(支撑点距离)Lz取6 m，每单片纵梁视为承受活载(107 kN/m)+恒载(20 kN/m)的1/2的简支梁体系。活载 q1=53.5 kN/m，恒载 q2包括结构自重、线路设备自重，q2=10 kN/m;纵梁惯性矩IX=1.057 9×1010mm4，高度hz=1 150 mm。

纵梁为等截面简支梁，且梁的跨度远大于横梁截面高度，故剪力对梁位移的影响很小，可忽略不计。在线路加固范围内，H20制式钢枕梁每隔约0.6 m与线路两侧纵梁联结，而荷载通过制式钢枕梁传递至纵梁。据此假定纵梁主要受分布荷载作用产生弯曲变形。

跨中最大弯矩Mz=q1L2z/8=241 kN·m;冲击系数1+μ=1.179;冲击荷载 M1=1.179Mz=284 kN·m;自重荷载M2=q2L2z/8=45 kN·m。

应力σz=(M1+M2)hz/(2IX)=17.9 MPa＜170 MPa;挠度 fz=5(q1+q2)L4z/(384EIX)=0.5＜5 mm。应力与挠度均满足规范要求。

另外，对纵梁整体稳定性、局部稳定性(加劲肋的设置)、梁截面积(考虑梁上下翼缘因联结螺栓截面削弱的影响)等做了检算。纵梁强度满足行车要求，轨道不会出现三角坑。

4.2.2 横梁变形控制

在箱形桥顶进过程中，由于依次拆除A，B排支撑桩，横梁支点将从支撑桩顶部逐步向箱形桥顶面过渡，所以受力形式发生变化。个别支点还存在支撑不到位而失效的可能性，因此对横梁的要求非常高。横梁位于纵梁底部与桥顶之间。若选用的横梁尺寸大，将会降低箱形桥的高度，压缩公路通行高度。故为了减少横梁尺寸、提高线路稳定性，在每个纵梁支撑点和纵梁跨中设置2根H70型钢横梁。在箱形桥顶进过程中拆除A排支撑桩时，横梁悬空跨度最大，对横梁最不利。若此时能控制横梁变形，也能保证其它工况下的横梁稳定。计算采用的线路横断面如图2所示。