周冠南 宮全美 肖飛知 張柏林

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,200092,上海;2.南京地下鐵道總公司,210008,南京∥第一作者,博士研究生)

在地鐵隧道和城市道路下穿既有鐵路時,一般采用盾構、暗挖及箱涵頂進的方法。在現(xiàn)有技術條件下,無論如何控制,穿越施工都不可避免地對上部土體產(chǎn)生擾動。當這些擾動反映到軌面時就會導致鐵路線路的不平順,對高速運行的列車產(chǎn)生極大威脅。因此,為確保施工及鐵路安全,減少穿越施工對鐵路行車影響,一般對所穿越線路架設D型便梁進行防護。由于其結構簡單,拆裝運輸方便,對線路保護效果明顯,在下穿既有線施工中得到了廣泛的應用。

目前針對D型便梁的應用和理論已進行了一定的研究。文獻[1-2]針對便梁動態(tài)安全特性進行試驗研究及理論分析,研究了軌道結構、便梁和便梁支墩動態(tài)參數(shù)的變化對列車運行安全的影響。文獻[3]利用有限元分析了列車通過便梁時的安全指標,并將理論分析結果與測試結果進行對比分析。文獻[4-6]針對地鐵暗挖隧道施工對既有線路的安全影響,研究了既有鐵路采用D24便梁的加固方案,并提出了穿越區(qū)隧道的主要施工技術。文獻[7]針對列車限速值提高至60 km/h時,便梁、列車和線路狀態(tài)的影響等有關內容進行試驗評估。

本文以南京地鐵2號線盾構隧道下穿寧蕪鐵路為背景,對在實際施工中應用較少的錯位D型便梁加固線路措施進行研究,對便梁應力,撓度和軌面變形進行計算,并與實際施工效果進行對比分析。研究結果對類似的下穿鐵路工程有一定的借鑒和指導作用。

1 D型便梁的特點及原理

D型便梁是用于在鐵路既有線下方施工時加固線路,使線路軌道結構保持正常的幾何形位,確保既有線正常運營而架設的臨時結構。其本質是一種特殊的橋梁結構,目的是在不中斷行車的情況下,最大限度地減少軌下施工對鐵路的干擾。

D型便梁分為 D12、D16、D20、D24四種型號,跨度分別為12.06 m、16.08 m、20.10 m 和24.12 m,適用于鐵路下方各種跨度的穿越施工,主要組成部分包括縱梁和橫梁及其連接構件。各標準跨度D型便梁縱梁(主梁)采用箱形結構,高度和寬度隨跨度增大而遞增;橫梁寬度為0.21 m,長度為3.96 m。橫梁兩端通過連接板及牛腿與縱梁定位相連。橫梁上設有若干孔眼,以便于安裝扣件,固定鋼軌。在梁底通過節(jié)點板設置斜連接系桿以增強D型便梁的整體穩(wěn)定性。D型便梁結構如圖1所示。

圖1 D型便梁橫斷面結構示意圖

2 錯位D型便梁的應用

2.1 穿越工點概況

南京地鐵2號線東延線盾構隧道左線和右線分別在K27+035和K27+000處下穿寧蕪鐵路(鐵路里程分別為寧蕪線K6+450和K6+475),左線隧道和右線隧道與寧蕪鐵路的交角分別為26.76°和23.70°,兩隧道中心線水平間距 13.2 m,埋深8 m。盾構隧道與鐵路相交段的地層主要為素填土和粉質黏土,其中盾構隧道主要位于粉質黏土層。盾構隧道與鐵路相對位置及穿越土層情況如圖2和圖3所示。

圖2 隧道下穿寧蕪鐵路平面示意圖

圖3 地質剖面圖

寧蕪鐵路全線長121.05 km;行車密度為客車21對/天,貨車28對/天;設計貨車速度為80 km/h,客車速度120 km/h。盾構下穿施工直接影響寧蕪鐵路的行車安全,必須采取有效措施進行保護。

2.2 便梁加固措施

本穿越工點上覆土層相對較薄,隧道與鐵路的交角小,影響范圍大,又存在鐵路動荷載的影響。這些綜合因素可能導致盾構穿越施工時軌面的平順性無法保證。為降低工程風險,分別對兩隧道穿越鐵路節(jié)點處架設3孔D24型和D16型組合施工便梁防護線路。由于隧道與鐵路交角較小,便梁結構需錯位布置。其中,中間一跨的D24型便梁錯13檔布置,兩側便梁采用D24和D16相對應錯1檔布置。中間一跨便梁支墩采用1.5 m直徑的人工挖孔樁,樁長為26 m;人工挖孔樁間用長11.3 m的連梁連接。兩側支墩采用獨立基礎,采用6.0 m連梁連接。人工挖孔樁、獨立基礎和連梁均采用C30鋼筋混凝土。由于本工程中便梁錯位布置,為防止列車通過時鐵路兩側便梁產(chǎn)生的撓度差異較大,在與挖孔樁對應的另一側縱梁下部設置臨時支座。便梁架設現(xiàn)場和平面設計分別如圖4和圖5。

圖4 便梁架設施工

2.3 控制標準

從保證便梁結構的穩(wěn)定性和列車行車安全性出發(fā),設計及計算時主要按以下標準控制。

2.3.1 縱梁的應力

縱梁均為16Mnq鋼,容許應力240 MPa。

2.3.2 縱梁撓度

D16和D24便梁是按照鐵道部鋼橋規(guī)范撓跨比1/800做的設計。D16跨中豎向位移的設計值為20 mm,D24跨中豎向位移的設計值為30 mm。但便梁作為臨時結構,列車通過時需限速,所以《鐵路工務安全規(guī)則》[8]中規(guī)定,縱梁的撓度不超過跨度的1/400。D16縱梁撓度允許值為40 mm,D24縱梁撓 度允許值為60 mm。

圖5 便梁結構平面設計圖

2.3.3 軌道不平順

使用D型便梁加固線路時,當線路下部土體由于盾構施工擾動失去支撐作用時,鋼軌直接作用在便梁的橫梁上,原有的路基、軌枕失去了支撐能力,列車運行時的所有荷載(包括鋼軌重量)均由便梁承擔。而便梁作為一種臨時結構,整體性相對較差、豎向剛度小,軌道的穩(wěn)定性與直接作用在路基上相比大大降低,從而影響列車的正常運營,危及行車安全。因此我國現(xiàn)行的鐵路規(guī)章中明確規(guī)定,列車通過便梁時限速45 km/h行駛。對軌道的偏差控制按照鐵道部《鐵路線路維修規(guī)則》[9]中軌道動態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值進行規(guī)定。

3 數(shù)值模型建立

3.1 計算模型

運用有限元軟件SAP對盾構隧道右線穿越鐵路時的便梁架設方案進行分析和計算。計算模型根據(jù)盾構隧道右線施工時施工便梁的布置圖建立。箱形縱梁和“工”字形橫梁有螺栓可靠連接,模擬為剛接。縱梁長度按實際長度考慮。便梁的縱梁和橫梁全部采用空間梁單元進行模擬。

按照施工實際情況考慮,在盾構施工時產(chǎn)生的沉降槽影響范圍以內土體脫空,列車荷載全部由橫梁承擔,在此影響范圍以外道床參與承載,沉降槽按照南京地區(qū)盾構施工經(jīng)驗取隧道軸線兩側7.0 m。在盾構施工影響區(qū)域外側施加彈簧模擬道床的承載作用。

建立有限元模型如圖6所示。為便于分析,分別將圖6中所示的縱梁由左至右編為1號、2號、3號。

3.2 計算參數(shù)選取

3.2.1 結構參數(shù)

縱梁與橫梁幾何參數(shù)與材料參數(shù)均按實際值輸入。D24便梁長度24.5 m,D16便梁長度16.4 m,橫梁長3.96 m。縱梁和橫梁截面尺寸見圖7。

便梁結構材料采用 16Mnq鋼,計算參數(shù)取值E=2.0×105MPa,μ=0.3,ρ=7 850 kg/m3。

圖6 便梁結構三維有限元模型示意圖

圖7 便梁截面尺寸示意圖

3.2.2 荷載

作用在便梁上的荷載按規(guī)定采用中-活載,以45 km/h速度通過便梁。荷載形式如圖8所示。

圖8 中-活載示意圖

4 計算結果分析

4.1 縱梁內力

對列車以v=45 km/h通過時縱梁承受的彎矩和應力進行檢算?？v梁彎矩包絡圖如圖9所示。取各縱梁彎矩最大值進行整理,得出縱梁應力最大值,如表1所示。

圖9 縱梁彎矩包絡圖

表1 縱梁最大彎矩與應力

計算結果表明,列車荷載在縱梁上產(chǎn)生的彎矩和內力均滿足使用要求。其中,中間一跨D24便梁(2號)由于下部土體完全脫空,列車通過時其產(chǎn)生的彎矩最大;而兩側的D16(1號)和D24(3號)便梁的一部分在盾構隧道施工影響范圍以外,道床參與承載,列車通過時在縱梁上產(chǎn)生的彎矩相對較小。同時,在D24便梁縱梁中設置的臨時支座有效地減小了跨中撓度,如圖9(b)、(c)所示,對整個結構安全較為有利。

4.2 便梁縱梁跨中撓度

將計算得到的縱梁在列車以45 km/h的速度通過時的最大撓度值與控制標準進行比較,結果如圖10與表2所示。

圖10 縱梁最大撓度

由表2可知,列車荷載在D16和D24型施工便梁縱梁產(chǎn)生的跨中撓度值小于容許值,滿足使用要求。其中,中間一跨D24縱梁的撓度最大為18.31 mm,兩側兩跨縱梁相對較小,分別為14.8 mm和11.35 mm。

表2 縱梁最大撓度

4.3 軌面變形

由于便梁架設時錯檔布置,橫梁在兩側便梁上支撐的位置不同,兩股鋼軌的支撐剛度并不一致。當列車通過時,由列車傳遞至兩側的荷載有所差異,由此在鋼軌及便梁上產(chǎn)生的撓度也不盡相同。在本結構體系中表現(xiàn)為列車通過便梁時(假設列車由紫金山方向開向滄波門方向),先是右股鋼軌的變形高于左股鋼軌,接著是左股鋼軌的變形高于右股鋼軌。如此重復變化三次,產(chǎn)生三角坑。而三角坑將會引起車輛的側滾和側擺,極易引起輪載變動。嚴重的三角坑將導致車輛轉向架呈三輪支撐一輪懸浮的惡劣狀態(tài),甚至引起車輛傾覆脫軌,嚴重危及行車安全。因此,必須將軌道不平順限定在一定程度之內,一旦發(fā)現(xiàn)超限,立即予以消除。圖11為列車以45 km/h通過便梁結構時兩側軌道的不平順值。

圖11 軌面不平順

由圖11可見,列車以45 km/h通過時,鋼軌縱向高低變化值最大為21.5 mm,水平差最大為8.4 mm。隨列車運行,以2.4 m基長度量的三角坑最大為4 mm。與軌道動態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值中對應的v≤120 km/h正線及到發(fā)線Ⅳ級限速標準比較可知,在采用本設計方案的情況下,軌道的各項不平順指標均小于規(guī)定限制,列車運行安全。

5 施工效果

表3所示為右線盾構穿越鐵路時中間一跨D24便梁防護的線路中軌面累計沉降量。從表中可以看出,盾構穿越引起的軌面沉降量最大僅為4 mm,遠小于計算值,均在控制范圍內。

表3 各主要監(jiān)測點累計沉降量 mm

6 結語

(1)理論計算表明,當列車以45 km/h的速度通過錯位D型便梁時,便梁縱梁的應力及撓度均滿足使用要求,所防護的線路軌面變形在控制要求范圍內;

(2)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,盾構穿越鐵路施工中,對既有線路進行D型便梁加固能夠有效地控制盾構施工引起的軌面變形,降低工程風險;

(3)當隧道與鐵路交角較小時,須使用錯位D型便梁。而由于便梁錯位產(chǎn)生的兩側縱梁撓度和軌面變形差異,可通過在縱梁相應位置處設置臨時支座予以減小。

[1]郭相武.鐵路便梁動態(tài)特性的試驗研究[J].鐵道建筑技術,2004(5):23.

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[8]中華人民共和國鐵道部.鐵路工務安全規(guī)則[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

[9]中華人民共和國鐵道部.鐵路線路維修規(guī)則[M].北京:中國鐵道出版社,2001.