淝大河铁路桥下沉治理架空体系施工方案数值模拟研究

雷小磊 焦永超 胡水木

摘要：淝大河铁路桥位于淮南市张集矿区的北侧，原桥梁为钢筋混凝土框架结构.受张集矿工作面采动的影响，淝大河铁路桥出现了下沉，现已经进行了一次桥体的加宽、地基和局部结构加固、在桥面堆积一定高度的矸石等处理.为确保淝大河铁路桥的运营安全，受施工方委托，我单位对拟采用的架空体系施工的治理方案进行了数值模拟，根据分析结果，给出了客观的治理方案改善建议，为项目的施工提供了坚强的理论保证.

关键词：铁路桥;架空体系;数值模拟

中图分类号：U448.13  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）06-0090-04

1 工程概况

淝大河铁路桥位于淮南市张集矿区的北侧，原桥梁为钢筋混凝土框架结构，尺寸为14m×20m×8m，框架结构4m×3m，2001年投入使用.受张集矿工作面采动的影响，淝大河铁路桥将大量下沉.经过对下沉预测的研究论证，2008年，该桥已进行了一次桥体的两边加宽各5m、地基和局部结构加固、在桥面堆积高度约4.7m的矸石等处理[1].过对张集矿工作面开采沉陷的预计，该桥在第一次加固处理后的5-7年仍将发生沉陷过程，预计最大下沉量约0.8m-3m.基于上述预计，制定了本次治理方案，方案拟采用整体增高的增加新箱体架空体系施工设计方法进行治理，确保铁路运营安全.

2 桥梁下沉治理架空体系施工方案

2.1 加高橋梁施工方案

经过方案优化设计，对原有桥梁的上部进行挡碴墙的施工，箱体的施工流程为：由两侧到中间箱体[2].

2.1.1 挡碴墙工程

铁路路堤两侧施工高度为4.66m的锚杆式挡墙，作为运矸通道的支护挡墙.挡墙内边距离轨道中心线分别为6.5m和4.9m，挡墙由20a槽钢作为立柱，其间距为1m，沿立柱高度方向每隔1m设置横梁，采用12.6槽钢作为横梁.立柱柱脚通过化学锚栓固定于桥面之上.立柱之间铺装4mm厚花纹钢板作为挡墙围护结构.自上而下，施工4道注浆锚杆，最终形成锚杆式挡墙支护结构.最上方设置一道拉筋，直径28mm，长度为11.4m，东侧挡墙最底部1道锚杆长度1m，直径25mm，其余锚杆长度均为2.5m，直径25mm;西侧挡墙最底部锚杆长度1m，直径25mm，其余锚杆长度均为4.1m，直径25mm.杆材采用直径25mm的HRB400带肋钢筋.锚杆孔直径为75mm，灌浆材料选用M35的水泥砂浆，锚杆设计抗拉力为100kN，锚固时对锚杆施加50kN的预应力.

施工时，先沿现有路肩边缘，向下钻孔，插入立柱槽钢，然后开挖挡墙外侧边坡，挖至锚杆设计深度时，即进行锚杆钻孔、注浆锚杆安装作业，并施加预紧力.待挡墙两侧矸石全部挖除时，在立柱底端安装柱脚，通过在桥面施工化学锚栓的方式，将立柱柱脚固定于桥面.

2.1.2 两侧新箱体工程

待锚杆式挡墙施工完成后，即两侧箱体上方矸石全部清理完成后，在原两侧框架上方，再新建一层框架，高度为4.5m，跨度6.96m，顶底板厚度640mm，侧墙厚度680mm.新建框架底板与原框架相连.为防止采动过程中上下框架发生滑移，在上下框架之间设置抗剪键.

2.1.3 中间新箱体工程

待两侧箱体施工完成，第一次下沉结束后，两侧箱体顶面与轨面高差约1m左右，具备了中间箱体施工条件.采用军用梁支撑结构体系，将铁路轨道架起，在两侧箱体上架设枕木垛，然后再横向布置工字钢横梁，将轨道采用扣轨方式固定于横梁之上.临时轨道支撑结构如图2所示.清除中间锚杆式挡墙及中间填料，在原有桥面之上施工2×3个高度4.5m，跨度6.96m，宽度分别为4m和5m的钢筋混凝土框架箱体.侧墙与顶底板厚度与两侧新建加高箱体一致.

2.2 架空体系及施工方案

中间箱体线路加固“3-5-3”扣轨加纵横梁加固法简称“3-5-3”扣轨加纵横梁加固法.即中间箱体施工完毕线路恢复后，恢复原有护轮轨，将原有护轮轨拆除后进行扣轨施工，枕木撤换为木枕，中间箱体线路外侧采用两组“二扣一”，中间箱体线路内侧采用一组“三扣二”的组合加固方式.

根据设计方案，当加高桥梁的箱体施工完成，达到设计起道高度后，采用“3-5-3”扣轨加纵横梁加固法进行线路加固和架空线路，拆除挡碴墙等施工程序.[3]

“3-5-3”扣轨加纵横梁加固施工：将木枕的间距由现有0.6m减小0.1mm，调整为0.5m，扣轨采用P50钢轨，单根长度12.5m，线路外侧、内侧进行组合，扣轨、线路外侧、内侧与木枕相连，采用Ф25的“U”型螺栓和80×8扁铁将轨束夹紧处理;横梁采用I63铺设，共计41根，均匀布置在纵梁上，单根长度18m（三段进行拴接），间距0.5m;纵梁采用I45铺设，共计2根，均匀布置在线路两侧.采用Ф25的“U”型螺栓和钢扣板将纵梁、横梁和扣轨结构联为一个整体，纵梁下设枕木垛支撑.线路加固平面图如图3所示.

3 架空体系施工方案数值模拟分析

3.1 数值模拟分析基本假定

4 结束语

根据淝大河铁路桥下沉治理架空体系施工方案，结合有限元软件ANSYS的特点，我们在计算中做出的模型和受力模拟假设，经过数值分析，设计方案中纵梁的强度和挠度满足施工需要，横梁的强度和挠度均能满足施工需要，数值模拟分析，为桥梁下沉治理架空体系的施工提供了坚实的理论保证，确保了淝大河铁路桥的运营安全.

参考文献：

〔1〕张春生，刘鹏.桥梁加固技术综述[J].价值工程，2015（24）：239-240，241.

〔2〕杨建增，于春生.饱和松散地层沉陷区路桥工程治理关键技术[J].煤矿安全，2013（5）：108-110.

〔3〕徐刚年，王有志，王世民，王来永.东明黄河公路大桥主梁加固关键施工技术[J].桥梁建设，2017（5）：101-106.

〔4〕祁辉，朱宏伟，李廷刚，马伟斌.哈尔滨地铁哈农区间下穿铁路桥施工过程模拟分析[J].铁道建筑，2012（3）：27-29.

〔5〕牛洪刚.城市公路桥梁抗倾覆验算与加固改造的设计方案研究[J].公路工程，2018（2）：129-133，269.