高速铁路大跨度悬索钢桥有砟轨道铺设线形控制技术

范剑雄

中国铁路上海局集团有限公司 南京铁路枢纽工程建设指挥部，南京 210042

1 工程概况

新建连镇高速铁路北起连云港，经淮安、扬州后通过镇江五峰山长江大桥跨长江止于镇江［1］。五峰山长江大桥是中国首座公铁两用悬索桥、世界首座高速铁路悬索桥。大桥全长6 408.909 m，主桥为（84+84 +1 092+84+84）m 双塔连续钢桁梁公铁两用悬索桥（图1），主桥全长1 428 m。。

图1 五峰山长江大桥立面（单位：m）

主桥主跨为3#—4#墩，边跨为1#—3#墩及4#—6#墩；主桥上部钢梁每节长度14 m，共计102 节，对1#—6#墩的节段进行编号，即E0→E51、E50'→E0'，E51 为跨中。立面位于线路3‰人字坡上［2］。

世界上已建成的主跨超千米的公铁两用悬索桥包括美国华盛顿桥［3］、日本南备赞濑户大桥、中国香港青马大桥［4］、葡萄牙4 月25 日大桥［5］、土耳其博斯普鲁斯三桥［6］。五峰山长江大桥在世界千米级悬索桥中铁路设计运行速度最快，连镇铁路设计行车速度达250 km/h；正线线间距4.6 m，预留两线铁路。高速公路双向八车道，设计行车速度100 km/h。长江大桥段初期运营速度为200 km/h。

五峰山长江大桥主跨1 092 m 钢桁梁悬索桥，在我国铁路系首次建造，属于复杂的超静定结构，在荷载作用下具有强烈的几何非线性。其内力和线形对温度、桥塔偏位、恒载误差、施工误差等较为敏感。根据实测成桥线形数据分析和理论计算发现，静载情况下大桥线形随温度变化可能形成数个坡段，对线路纵断面、轨道几何尺寸影响较大。与其他桥型相比，该大桥对轨道二期恒载要求极高；在温度、风、列车等荷载作用下，桥梁会产生较大的变形［7-9］，造成布设其上的CPⅢ测点坐标及轨道结构处于动态变化中，轨道铺设及轨道精调作业时轨道控制网约束困难。

本文对高速铁路大跨度悬索钢桥上有砟轨道铺设线形控制技术进行研究，分别考虑荷载和温度的影响，对施工过程中成桥线形控制、轨道铺设及轨道精调线形控制进行总结。

2 大跨悬索桥成桥线形影响因素分析

施工阶段主要考虑线路静态线形，因此不涉及风、列车荷载等影响，主要分析温度以及铺轨铺砟荷载对大桥成桥线形的影响规律。

2.1 模型建立

采用西南交通大学开发的悬索桥空间计算分析软件BNLAS 进行计算分析。该系统基于非线性有限元理论，以改进的增量迭代法为非线性迭代格式，以不平衡力和相对位移误差的无限范数为收敛迭代准则，且考虑空间单元的大位移和大转动影响，对于悬索桥的仿真计算有独特优势。对实际结构构件进行空间杆系离散建立分析模型，并考虑缆索的重力刚度效应。主缆规格为352股127ϕ5.5 mm，钢丝极限抗拉强度1 860 MPa，弹性模量200 GPa，采用分段悬链线索单元进行模拟；吊索规格为双肢337ϕ5.0 mm，钢丝极限抗拉强度1 770 MPa，弹性模量为200 GPa，采用索单元进行模拟；钢桁加劲梁材质为Q370qE，弹性模量210 GPa，采用梁单元进行模拟；主塔选用C55 混凝土，弹性模量36 GPa，采用梁单元进行模拟。为真实反映结构的实际情况，模型中考虑了主梁竖曲线、基础刚度等的影响。

钢桁加劲梁纵向不设置固定约束，在两主塔下横梁顶面设置纵向阻尼器（静力计算按照“放松”考虑），每个墩设置竖向支座与侧向抗风支座；主塔在塔底固结，主缆在锚固点固结，散索鞍处采用倾斜支撑。

2.2 主缆温度变化对线形影响

主缆温度降低1 ℃时计算得到的桥面垂向位移分布见图2。可知：主缆温度变化对边跨的影响较小，桥梁高程基本保持不变，而主跨各点高程由跨中逐渐向两边递减，呈对称分布；越靠近主跨中间，桥梁线形变化越敏感，其中E14 处高程提高1 mm，E36 处高程提高28 mm，跨中E51 处高程提高36 mm。主缆温度降低时桥梁线形变化规律与主缆温度升高时的变化规律相反。

图2 桥面垂向位移分布

2.3 桥梁荷载变化对线形影响

分析铺砟铺轨对桥梁线形的影响时，假定在不同范围施加单位均匀集度荷载。不同加载工况下桥面垂向位移分布见图3。可知：在五种加载工况下，全桥与主跨加载曲线是重合的，当全桥均匀加载1 t/m时最大位移为-126.14 mm；当主跨跨中280 m 范围内均匀加载1 t/m 时最大位移为-65.22 mm。此外，靠北岸侧546 m 均匀加载1 t/m 时最大位移为-100 mm，位于主跨1/3 处，即局部偏载会引起桥面最大垂向位移往偏载侧移动。

图3 不同加载工况下桥面垂向位移分布

综上，外部荷载的变化对大桥线形影响比较明显，当荷载过大或者不均匀分布时，均会对最终的成桥线形产生不利影响。因此，可以利用线形随温度变化的规律来实现CPⅢ控制网绝对约束条件下的轨道精调作业，施工过程中恒载加载采用均匀布载的方式以适应大桥成桥线形。

3 大跨度悬索桥有砟轨道二期恒载铺设技术

3.1 二期恒载加载方式

五峰山长江大桥主桥轨道二期恒载包括预留铁路和连镇铁路二期恒载，其设计加载量均为9.47 t/m。预留铁路二期恒载采用道砟加载，连镇铁路二期恒载包括钢轨、扣件、轨枕、道砟。在施加二期恒载时主要采用均匀布载的方式。由于钢轨、轨枕及扣件在铺轨时均为均匀布载，轨道二期恒载加载影响大桥线形的主要因素为道砟是否均匀布载。道砟分成铺轨前铺砟和补充面砟两部分，采用严格称重和道床厚度的形式控制道砟加载量。由于桥梁线形对主跨中间的荷载变化最敏感，因此从桥梁两侧同时向主桥中间进行二期恒载的均匀铺设。

3.2 道砟铺设方法

在主桥钢桁梁与引桥混凝土简支梁间伸缩缝上方设置上砟通道后，采用分节、分阶段推进的方式进行主桥悬索钢桥的铺轨前铺砟，连镇铁路和预留铁路同步进行道砟运输，采用16 辆普通自卸汽车，分为4 组并编号（图4）。道砟运输过程中控制发车时间间隔，保证每组车队一辆装车、一辆在途、一辆在引桥等待、一辆主桥卸砟，每辆车对空车、重车均称重记录以控制道砟量。

图4 主桥道砟摊铺示意（单位：m）

主桥连镇铁路正线与预留铁路桥面道砟铺设各分11 个节段，共分3 个阶段进行：①根据划分好的节段，由边跨向中跨分块按序号铺设，连镇铁路正线与预留铁路同时对称摊铺道砟，直至同时达到3.75 t/m；②道砟运输车通过连镇铁路侧驶入预留铁路侧卸砟，从北向南依次对道砟进行摊铺，摊铺完成后预留铁路道砟厚度约60 cm，达到设计加载量9.47 t/m；③预留铁路道砟摊铺完成后，将连镇铁路底砟摊铺整平并压实，控制平整度和压实度达到铺轨条件。

连镇铁路轨道二期恒载扣除钢轨、轨枕、扣件及铺轨前铺砟荷载，尚剩余道砟4.184 t/m。在铺轨完成后，采用机车牵引老K 车均匀布载。每节老K 车装砟量均经过称重并在主桥钢桁梁范围内卸砟，保持道砟加载量在4.184 t/m。根据大机捣固后线路道床情况，人工配合挖机在主桥钢桁梁范围内匀砟，确保道床满足设计断面及荷载要求。

3.3 轨道铺设方法

连镇铁路底砟摊平压实后，利用主桥挡砟墙所在位置反算线路中心，采用工程专用线在桥面线路中心设置铺轨机走行标示线。利用CPG500 铺轨机组进行单枕连续法铺枕铺轨作业，作业时按照先下行线后上行线的顺序完成双线铺轨。设置大桥伸缩调节器时，前期直接铺设长轨，并在梁缝简支梁侧设置短轨连接，根据桥梁伸缩缝的变化及时更换短轨。待两端线路完成应力放散及锁定作业后，拆除钢轨伸缩调节器设计范围内的轨道线路，根据实测气温及梁缝情况按设计完成挡砟板焊接，采用预留伸缩量铺设法完成SA60⁃1800B 型钢轨伸缩调节器的插铺及焊接锁定作业，使设计伸缩量为 ± 900 mm 的钢轨伸缩调节器实际伸缩量与主桥钢桁梁伸缩量（-820～+940 mm）一致，确保高速列车运行的安全性和平稳性。

4 大跨度悬索桥轨道线形精调技术

4.1 轨道线形精调技术方法

4.1.1 基于环境温度驱动的CPⅢ网随测随用方案

采用CPⅢ网测量存在以下难题：①大跨度钢桁梁结构变形较大，导致CPⅢ网测量的技术指标难以满足规范限值要求；②钢桁梁悬索桥结构因温度等环境因素的变化产生较大变形，导致CPⅢ控制点的位置不稳定；③轨道精调的精度要求难以达到规范要求。

在不同的温度、日照等外界环境因素下，桥上CPⅢ控制点的三维坐标是不断变化的，会影响桥上高速铁路轨道的线形精调工作。考虑外界环境的变化在一段时间内呈现周期性，提出了一种利用环境变化数据分析的CPⅢ网测设技术，在环境条件相近的时间段采用“CPⅢ网复测一遍、轨道精调线形测量一遍、大机精捣一遍”的方案，以实现CPⅢ网的绝对约束。

为解决环境温度变化下CPⅢ网技术指标难以满足规范限差要求的问题，现场采用快速测量方法。选取温度相对稳定的无风或微风环境，首日凌晨进行CPⅢ网复测并评估后提交数据，次日凌晨根据首日复测结果进行轨道线形检测并提交数据，第三日凌晨将设计的精捣方案输入大机进行精捣，以此循环作业使线路达到有砟轨道静态验收精度要求。在最后一次大机精捣作业后，在温度相对稳定的无风或微风环境，首日凌晨进行CPⅢ网复测并评估后提交数据，次日凌晨利用首日复测结果进行轨道线形检测，使线路在相对稳定的CPⅢ网绝对约束下形成理想设计线形。

4.1.2 基于测量基准点的轨道线形动态调整

线路经静态验收合格满足联调联试条件后，经过160 km/h轨检车和250 km/h动车组对轨道状态进行检测和评估，再采用静态调整的方式对轨道进行精调。为降低施工成本和提高动态调整的及时性，以最后大机精捣后验证的轨道线形作为悬索钢桥上轨道基准线形，并以此制定测量基准点方案，作为动态调整和养护维修的依据，及时解决动态验收中发现的各类偏差。

1）测量基准点设置

测量基准点分上下行线进行编号，从大桥北岸1#墩开始，依次往南进行编号。贴纸长80 mm，宽30 mm，以大桥横桥向为长度方向张贴。从大桥北岸1#墩开始，至6#墩结束，每隔3.5 m 张贴一张（图5），贴纸沿着挡砟墙顶面最外侧张贴，确保贴纸顶面和侧面均在一个平面。为了确保横向距离的精度，在两挡砟墙测点的中点用工程专用线横向拉线，与左右线外侧钢轨相交处即为钢轨测量基准点，在钢轨上用红白油漆做标记，确保两挡砟墙基准点和两钢轨基准点，四个点处于一条直线上，保证距离最短。

图5 测量基准点（单位：cm）

2）建网方案

测量基准标志张贴和喷涂完成后，统一以测量基准标志中心与挡砟墙外侧边重合点为基准，采用电子水准仪测量该点与线路靠挡砟墙一侧钢轨轨顶面相对高差作为高程控制数据；采用卷尺测量该点与钢轨靠挡砟墙侧轨头最中间的横向距离作为平面控制数据。

4.2 成桥线形结果验证

4.2.1 工后成桥线形对比

取气象温度29 ℃时的现场实测桥面数据，换算为轨面高程，并与原设计轨面高程进行对比，见图6。边跨段成桥轨面高程与原设计基本符合。与原设计轨面相比，主跨段成桥轨面高程呈跨中低、两侧高的形态。其中，跨中最大负偏差为-49 mm（E50），南北两侧主跨最大正偏差分别为89 mm（E21）、90 mm（E32'）。由此可知，实际成桥线形与原设计存在偏差，其中最不利点位于E21、E50 及E32'处，但偏差值在合理范围内，可考虑进一步拟合调整桥上线路纵断面，以适应大桥实际成桥线形纵断面。

图6 设计轨面与实测轨面高程对比

4.2.2 动检车实测数据

连镇铁路设计速度250 km/h，按照TB 10716—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》，动检车必须在设计车速1.1倍（即275 km/h）的基础上完成检测。

1）轨道几何形态

采用综合检测列车对淮镇段进行现场检测，结果见表1。可知，五峰山长江大桥的上下行线平均TQI值分别为3.1、3.2 mm，远小于允许偏差，表明五峰山大跨悬索桥有砟轨道铺设精度满足高速铁路轨道几何标准要求。

表1 五峰山长江大桥250 km·h-1 TQI检测结果

2）动车组动力学响应

采用综合检测列车CRH380AJ⁃0203 对连镇铁路五峰山长江大桥上下行正线进行检测，检测结果见表2。可知，实测脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂向力均符合评判标准；转向架未出现横向失稳，横向稳定性符合规范要求；车体垂向横向平稳性指标等级均为优，符合评判标准。表明五峰山长江大桥有砟轨道的行车平顺性、舒适性和安全性均满足要求，成桥线形达到预期目标。

表2 五峰山长江大桥动车组动力学响应检测结果

5 结论

1）环境温度、附加荷载对大跨度悬索桥成桥线形存在较为明显的影响，施工时应当合理控制温度与荷载条件，以满足成桥线形设计要求。

2）采用轨道二期恒载均匀布载方案，可减轻施工荷载误差对成桥线形的影响。采用基于环境温度驱动的CPⅢ网随测随用方案与基于测量基准点的轨道线形动态调整技术，可忽略温度变化对测量精度的影响，并及时动态调整，控制线路线形达到设计要求。

3）经过现场测试，五峰山长江大桥主桥悬索钢桥上有砟轨道TQI 值小于7 mm，动检车275 km/h 达速通过满足预期目标，验证了本文提出的高速铁路大跨度悬索桥有砟轨道线形控制技术的合理性，可为今后类似线路施工提供参考。