铁路专用线高度不足条件下隧道口架梁施工技术研究

韩鹏

摘要： 本文针对专用铁路设计标准偏低、隧道洞口架梁作业高度不足的实际问题，介绍了“降低洞口轨道结构高度和降低架桥机作业高度”的技术改进方案，文中详细分析了此方案的安全性和可行性，通过具体实施收到良好效果，谨供同类工程参考。

Abstract： In view of the problem that the design standard of special railway is low and it is not high enough for tunnel portal girder erection operation， a technical improvement program is proposed， that is to lower the portal track structure height and the bridge girder erection machine working height. This paper analyzed the security and feasibility of this program. Good effects have been obtained after the implementation of the program. This method can provide reference for similar projects.

关键词： 铁路专线；隧道洞口；T梁架设；技术改进

Key words： special railway line；tunnel portal；T beam erection；technical improvement

中图分类号：U455.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）09-0109-06

0 引言

新建铁路当线下结构施工完成后，一般采用专用铺轨机和架桥机进行全线桥梁和轨道的铺架施工。铁路专用线多以单线形式修建，当遇到桥隧相连部位时，架桥机须在隧道洞内就位进行洞外架梁作业。中铁十七局集团铺架分公司在进行麟游至宝鸡二电厂煤炭铁路专用线铺架施工时，受设计标准偏低（隧道结构高度低于国铁设计标准）、线下工程和铺架工程分期投标、隧道等线下工程已全部完工等客观条件制约，隧道洞口高度有限，架桥机架梁作业高度严重不足，架桥机无法正常作业，给T梁架设施工带来一定困难。

為了解决架桥机安全作业，该公司技术部分提出了“降低洞内轨道结构高度及架梁作业高度的技术方案”和相应的安全措施，并进行了充分的施工及安全可行性论证，与业主给出的“破除隧道口50m范围混凝土填充层降低洞内高度架梁后重新恢复”施工方案相比，具有提前工期、降低成本的显著优势。

1 工程难点分析

1.1 隧道净空小，易造成架桥机无法正常支立

经实测，其中一座隧道顶端距离仰拱填充层顶面高度为7.473m，架桥机自然高度为7.67m（实测），正常轨道结构高度为0.512m（钢轨0.152m+橡胶垫板0.01m+III型枕0.2m+底砟0.15m），架桥机与轨道结构总高度为：7.67m+0.512m=8.182m>7.473m，无法满足正常架梁作业，如何确保架桥机在隧道内能够正常的进行作业，是本工程解决的重点。

1.2 轨道结构调整，易造成轨道结构失稳

由于正常轨道结构无法满足架桥机洞内架梁，需对轨道结构重新进行调整，如何确保调整后的轨道结构能够在架桥机行驶、作业的各种作用下轨道结构稳定，轨距、线形不发生变化，是本工程解决的问题之一。

1.3 桥头线路加固不当，易造成架桥机倾覆

由于该架梁地段桥隧过渡段间距较短，路基段仅为8.4m，施工中受环境限制，无法采用大型压路机械进行碾压，故路基填筑质量难于控制，如何确保架桥机通过或出梁过程中，不受路基承载力不足的影响，而能够顺利、平稳的进行隧道口架梁，是本工程解决的问题之二。

1.4 架桥机结构高度调整，易造成无法正常喂梁

调整架桥机的结构高度，如果太低，喂梁时，梁片将碰撞到机臂，无法通过；如果过高，还是满足不了架桥机在隧道口进行架梁作业的要求，架桥机结构高度的调整是本工程解决的问题之三。

2 JQ170型架桥机隧道口架梁方案

架桥机在正常作业状况下，主机2#柱完全位于隧道外时的最小距离计算是（见图1）：胸墙距1#车前端1.1m，2号柱后端距1#车前端14.1m，合计1.1+14.1=15.2m。通过计算，只有当桥台胸墙至隧道口间的距离>15.2m时，隧道结构尺寸的大小才不会影响到架桥机正常的架梁状态。本文以苟家岭隧道口架梁为例，实测隧道口至桥台胸墙间的距离为13.9m<15.2m，说明此时架桥机2号柱位于隧道内，需要制定相应的方案来确保2号柱顶端不与隧道洞顶相接触。

结合现场实际调查的情况，研究制定了保留T梁挡砟墙和不保留T梁挡砟墙两大系列方案。

2.1 不保留T梁挡砟墙方案（方案Ⅰ）

JQ170型架桥机在隧道内作业受到隧道结构尺寸的影响，架桥机只有在确保梁片能够通过的情况下，尽可能的降低到最低点，通过梁片尺寸与架桥机立柱调节销孔位置参数的对比分析得出，架梁时T梁挡砟墙暂不浇筑，凿除外露T型钢，并且将梁底支垫方木的高度由原先的20cm降低至6cm，桥梁支座的安装也改为落梁后在墩顶上进行安装，吊梁处（即距梁端3.5m）两侧各3m暂不上砟，其余部位上砟厚度为6～8cm。通过以上措施，有效的减小了梁体通过架桥机腹腔时的有效高度，架桥机净空可以下调80cm，即架桥机1、2号柱由A插销孔下调至D插销孔后插销固定（高度降低80cm，立柱销孔位置图见图2），架桥机大臂伸到架设32m梁的位置穿销固定，此时吊梁桁车底部至拖梁小车中部的高度为2.67m，满足梁片的通过间距。

为了能够满足在隧道口进行T梁架设的作业条件，除了对架桥机高度进行调整外，还需要对下面的轨道结构高度进行调整，根据轨道结构的形式，共制定了3套方案。

2.1.1 直铺钢轨铆钉固定方案（方案Ⅰ-1）

隧道内距隧道口30.2m（大臂末端至车体后端长度13.4m+大臂末端至隧道口距离1.8m+二号车的长度的一半15m=30.2m）范围内采用不铺砟、不铺枕，只铺50kg/m钢轨，在轨腰上打眼，用轨距拉杆来控制轨距，用铆钉将钢轨固定在隧道底板上的轨道结构方式，该轨道结构高度为15.2cm，轨道过渡段长度为18m，轨道结构过渡段断面图（见图3）。

桥隧过渡段的轨道结构采用常见的轨道结构，但需要采取线路加固措施，桥台上方的轨道结构同隧道内轨道结构。

通过轨道结构的调整，架桥机2号柱顶至隧道拱顶的距离为39.2cm，最窄处至隧道壁13.3cm，能够满足JQ170型架桥机架梁需求。架桥机与隧道结构关系图（见图4）。

2.1.2 K型扣件固定钢轨方案（方案Ⅰ-2）

隧道内距隧道口30.2m （大臂末端至车体后端长度13.4m+大臂末端至隧道口距离1.8m+二号车的长度的一半15m=30.2m）范围内，及桥台上方5.5m，采用直接铺设钢轨（15.2cm）+K型分开式扣件（垫板厚度2cm）的轨道结构，轨道结构高度为17.2cm，用K型分开式扣件（见图5）及轨距拉杆来确保钢轨不发生位移，每12.5m使用3根轨距拉杆，轨道过渡段长度为17m，轨道结构过渡段断面图（见图6）。桥隧过渡段的轨道结构采用常见的轨道结构，但需要采取线路加固措施。

通过轨道结构的调整，架桥机2号柱顶至隧道拱顶的距离为35.8cm，最窄处至隧道壁10.5cm，能够满足JQ170型架桥机架梁需求。架桥机与隧道结构关系图（见图7）。

2.1.3 钢板条代替轨枕固定钢轨方案（方案Ⅰ-3）

隧道内距隧道口30.2m （大臂末端至车体后端长度13.4m+大臂末端至隧道口距离1.8m+二号车的长度的一半15m=30.2m）及隧道口至胸墙13.9m范围内采用铺设20cm宽、2cm厚、250cm长的钢板条，钢轨直接焊接在钢板条上的轨道结构形式，轨道结构高度为17.2cm，同时使用轨距拉杆共同来保持轨道结构稳定，轨道过渡段长度为17m，轨道结构过渡段断面图（见图8）。

通过轨道结构的调整，架桥机2号柱顶至隧道拱顶的距離为35.8cm，最窄处至隧道壁12.6cm，能够满足JQ170型架桥机架梁需求。架桥机与隧道结构关系图（见图9）。

2.1.4 方案技术经济比较

通过对上述三个方案的综合对比分析，形成了技术经济分析表（见表1）。

以上三种方案，通过架桥机及轨道结构高度的调整后，均能够满足JQ170型架桥机在隧道口架梁的需求，但是通过从人、材、机三项综合费用的计算比较上，方案Ⅰ-2所需费用相对较低，从工期控制上，施工用时也相对较少，并且采用K型扣件将钢轨固定在隧道仰拱及桥台混凝土面上要比铆钉及钢板更加稳固，安全相对有保障。故方案Ⅰ-2明显优于方案Ⅰ-1与方案Ⅰ-3，方案Ⅰ-2纳入与方案Ⅱ的比选。

2.2 保留T梁挡砟墙方案（方案Ⅱ）

本方案考虑到简支T梁在预制过程中，能够一次性浇筑成形，整体性良好，根据32m T梁高度2.91m（含挡砟墙）测算架桥机的可调节高度，架桥机最低可调节下降高度为40cm，即架桥机1、2号柱由A插销孔下调至C插销孔后插销固定，大臂伸到架设32米梁的位置穿销固定，此时架桥机的高度为7.27m+0.172m（方案Ⅰ的最小轨道结构高度）=7.442m比隧道净高7.473m略微低0.031m，考虑到隧道顶部圆弧与架桥机顶部外廓形状不相匹配，同时还考虑到施工误差造成的结构高度的增加，架桥机在支立过程中势必会磕碰到隧道主体，造成机械损坏与隧道主体损伤。通过分析隧道仰拱的设计结构，决定将仰拱混凝土层向下凿30cm深的沟槽来增加隧道的净高，来满足架桥机在隧道口的架梁施工，待架梁结束后拆除轨道，重新修补隧道仰拱。根据架桥机所处的位置，决定将隧道内距隧道口30.2m（大臂末端至车体后端长度13.4m+大臂末端至隧道口距离1.8m+二号车的长度的一半15m=30.2m）部分，以隧道中心线两侧0.75m为中心，凿出一个宽36cm、深30cm的沟槽找平，将钢轨置于沟槽内，采用K型分开式扣件固定，并且将沟槽以里的隧道仰拱，整体向下凿低20cm，防止架桥机车体最底部触碰到隧道仰拱，造成机械损坏。路基过渡段同样要开槽来铺设木枕，同时要采取线路加固措施。

通过降低仰拱厚度以及轨道结构高度，架桥机2号柱顶至隧道拱顶的距离为27.2cm，最窄处至隧道壁3.2cm，能够满足JQ170型架桥机架梁需求。架桥机与隧道结构关系图（见图10）。

2.3 方案比选及推荐意见

经过对比就隧道口架梁保留T梁挡砟墙和不保留T梁挡砟墙方案进行研究分析，以下对2个方案进行比较。技术经济比较见表2。

通过两个方案的比较，方案Ⅱ需要向下凿除隧道仰拱30cm才能满足架梁需求，这样会影响到隧道的施工质量，并且恢复隧道仰拱费时费力，还无法保证仰拱修复的施工质量，对以后的维保埋下了质量隐患，并且实施周期长，工序繁琐，而方案Ⅰ-2预留T梁挡砟墙暂不浇筑，不会对结构物造成损伤，通过技术处理后，不影响梁片整体的质量评定，对使用及后期维护无影响。故单线矮小隧道口T梁架设推荐不保留T梁挡砟墙，K型扣件固定钢轨的方案。现场实施后的效果图（见图11、图12）。

3 轨道结构受力检算

为了确保轨道结构的稳定性，对选定方案Ⅰ-2的轨道结构受力情况进行简算。

3.1 主要参数

JQ170型架桥机半悬走行状态下，最大轴重为29t，即P0=290kN；所采取轨道结构的相关技术资料（见表3）。

3.2 轨道各部件受力计算

①计算刚比系数K。

由表3可知D=12000N/m，a=300mm，则

u=■=40MPa；

K=■=■=0.00125mm-1

②计算∑Pμ（N）。

由于JQ170架桥机两个转向架之间的距离比较大（为20m），所以两转向架可以认为是彼此独立，互不影响的。故只需计算1#柱底下转向架即可。转向架轮对中各车轮的轮载分布见图13。

当计算轮对分别为1、2、3、4、5时，各部分计算值见表4。

取表4中∑Pμ（N）最大值为222780.9N。

③计算静弯矩M0。

M0=■∑P？滋=44556180（N*mm）

④计算动弯矩Md。

架桥机可以看做是内燃机车，运行速度为0～6km/h，则运行条件下轨底弯曲应力的速度系数公式为：

？琢=■=■=0.024

f=1.25则：

Md=M0（1+？琢）f=57031910.4（N*mm）

⑤计算钢轨的动弯应力？灼1d和？灼2d。

？灼1d=■=201.5MPa<[？滓s]=324

？灼2d=■=235.7MPa<[？滓s]=324

通过计算，上述轨底及轨头抗弯强度符合检算条件。

⑥木枕抗压强度检算。

由于采用的是木枕，其抗弯性能较好，故只检算其抗压强度。

计算∑Pη（N）：

计算方式和计算∑Pμ（N）的一样，计算结果见表5。

取表5中∑Pη（N）最大值为383612N。

⑦木枕动压力Rd的检算。

速度系数α=■=■=0.024

轨下垫板的接触面积F=190*290mm=55100mm2

Rd=R0（1+α）=（1+0.024）■

=■=73653N

？孜s=■=1.34MPa<[？孜s]=1.4MPa

满足承压要求。

3.3 检算结论

经过以上检算，所采用轨道结构各部件所受应力均未超过标准允许值，满足架桥机通过要求。

4 桥头线路加固措施

桥台尾部至隧道口路基过渡段由于路基填筑过程中受环境、地理位置的限制，无法采用大型压路机械进行碾压，并且所填土质较差，均为湿陷性黄土，所以过渡段的路基承载力比较薄弱，线路铺设时应考虑采用线路加固措施来确保架梁施工的安全。线路加固方式应根据路基填筑质量情况选定，主要有如下几种加固方式：①轨道加固：临时增加轨撑、轨距拉杆、护轨等；②单穿加固：每个枕木空加穿一根枕木；③对穿加固：每个枕木空对穿两根枕木；④扣轨加固：分别将枕木两头及轨道中心用43kg/m钢轨沿线路纵向将线路加固成整体。

根据苟家岭隧道出口与中岭沟中桥间路基实测承载力及沉降量数据分析，本段线路选择采用单穿枕木加固方式，过渡段线路加固图（见图14）；同时，为防止桥台翼缘板受力不均开裂，在翼缘板下方加设支撑来保证作业安全，翼缘板支撑图（见图15）。

线路加固方法：将3.1m长岔枕穿入枕木間隙，同样采用K型扣件与钢轨连接，使用轨距拉杆来固定轨距，确保钢轨不发生位移，枕木空隙全部采用道砟填实，并逐根将枕木下方道砟捣固密实，调整好线路的方向、水平、高低。存在空吊板时，可用木板将枕木与钢轨间的间隙垫实，使其能均匀受力。为防止路基因荷载作用下小幅下沉，需在桥头备上足够的道砟，以便及时整修线路。

5 方案实施

新建麟游至宝鸡二电厂铁路专用线设计为单线铁路，线路全长87.1km，全线共有11座隧道，35座桥梁，线路最大坡度为20‰，隧道口架梁最大坡度为16‰，困难地段隧道口架梁位于半径为1200m的缓和曲线上。隧道净空小（建筑限界6.55m），隧道区段均属于黄土沟梁低中山区，隧桥间距较短，隧道口场地狭窄，交通十分不便。桥梁采用通桥（2012）2101-I型，32mT梁高2.91m（含挡砟墙），24mT梁高2.51m（含挡砟墙），现采用的JQ170型架桥机，正常作业高度为7.40m，长度为64.3m。根据实地对隧道结构断面、桥隧过渡段长度进行量测，以及架桥机正常作业下的结构尺寸的核实发现，该架桥机因部分架桥机机体需在隧道内支立，隧道净空小，将无法在何家湾隧道口、杨家山隧道口、苟家岭隧道口按照正常作业高度进行隧道口的T梁架设。

中铁十七局集团铺架分公司公司采用了本研究成果，在何家湾隧道口、杨家山隧道口、苟家岭隧道口架梁施工中，分别采用了降低洞内轨道结构高度和降低架桥机作业高度的技术改进方案，取得了成功，工期提前20天，节省破除隧道洞口混凝土填充找平层混凝土及恢复费用10.2万元。

6 结束语

经过宝麟铁路单线隧道洞口T梁架设方案的研究和实施证明，所采用的“降低洞口轨道结构高度和降低架桥机作业高度的方法”安全可靠，该技术2015年度经山西省科技厅专家技术鉴定达到国内先进水平，可在类似工程中借鉴。

参考文献：

[1]卢朋，刘新社.铁路工程铺架技术与管理.中国铁道出版社，2007.

[2]TB 10415—2003 ， J286—2004，铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].

[3]中华人民共和国铁道部.《铁路架桥机架梁暂行规程》铁建设[2006]181号文[S].中国铁道出版社，2006.

[4]中铁工程机械研究设计院有限公司.《JQ170架桥机说明书》.2007.