杜功

1 引言

重載鐵路因其具有高效、環(huán)保、節(jié)能的突出特點(diǎn)，“貨運(yùn)重載”已經(jīng)成為繼“客運(yùn)高速”后的中國(guó)鐵路又一發(fā)展趨勢(shì)[1]。橋梁作為重載線(xiàn)路的重要基礎(chǔ)設(shè)備，受地形限制等客觀因素影響，需設(shè)置多處小半徑曲線(xiàn)橋梁。由于常年的維修養(yǎng)護(hù)，線(xiàn)路條件較差、道床厚度嚴(yán)重超標(biāo)、線(xiàn)橋施工精度較差，在常年大軸重與大運(yùn)量沖擊作用下造成既有重載鐵路線(xiàn)橋偏心較大[2]。通過(guò)撥道調(diào)整線(xiàn)路橫向位置，結(jié)合整治前后工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，表明整治效果明顯，以期為類(lèi)似重載鐵路小半徑曲線(xiàn)橋偏心病害整治工程項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

2 橋梁概況

中國(guó)朔黃鐵路恢河特大橋全長(zhǎng)936 m，里程k16+954-k17+890（中心里程K17+421），雙線(xiàn)橋，于1999年建成。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用28 孔32 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T 梁，該橋梁位于小曲線(xiàn)半徑R=400 m 的圓曲線(xiàn)和曲線(xiàn)長(zhǎng)度L=90m的緩和曲線(xiàn)及直線(xiàn)上，橋上線(xiàn)路最大坡度5‰，上下行超高90mm，橋墩左右線(xiàn)錯(cuò)孔布置，梁體斜置。下部結(jié)構(gòu)采用T 形橋臺(tái)、雙柱式圓端形實(shí)體橋墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)，其中雙柱墩已采用增設(shè)橫梁的方式橫向加固處理，梁體支座采用盆式橡膠支座及鑄鋼支座，橋梁實(shí)景圖如圖1所示。

圖1 橋梁實(shí)景圖

3 線(xiàn)橋偏心

3.1 線(xiàn)橋偏心的概念

理論上，直線(xiàn)橋梁上線(xiàn)路中心線(xiàn)應(yīng)和梁跨中心線(xiàn)相吻合。而曲線(xiàn)橋梁的線(xiàn)路中心線(xiàn)是曲線(xiàn)，而梁是采用“曲梁直做、以直代曲”的方式形成曲線(xiàn)橋梁，因此線(xiàn)路中心線(xiàn)與梁跨中心線(xiàn)不能完全吻合。梁跨中心線(xiàn)常按“平分中矢法”進(jìn)行布置，即在跨中處梁跨中心線(xiàn)平分矢距f。而當(dāng)線(xiàn)路相對(duì)于橋梁發(fā)生相對(duì)橫向移動(dòng)時(shí)，線(xiàn)路實(shí)測(cè)中心線(xiàn)與線(xiàn)路設(shè)計(jì)中心線(xiàn)之間的偏差e 稱(chēng)為“線(xiàn)橋偏心”，如圖2所示。

圖2 線(xiàn)橋偏心示意圖

3.2 線(xiàn)橋偏心的概況

本橋有24 孔在曲線(xiàn)上，曲線(xiàn)為左轉(zhuǎn)曲線(xiàn)，橋頭從圓曲線(xiàn)開(kāi)始，橋尾進(jìn)入直線(xiàn)段。日常養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)，道砟厚度存在不足或超厚，曲線(xiàn)段道砟厚度最大達(dá)470mm，直線(xiàn)段最小為190mm；與此同時(shí)，該橋線(xiàn)橋偏心嚴(yán)重，下行線(xiàn)第1 孔至7 孔、17 至20 孔線(xiàn)橋偏心超限，最大偏心值在第2 孔的中部，左偏118mm，直線(xiàn)段最大偏心145mm。上行線(xiàn)第1 孔至22 孔和第23 孔的尾部線(xiàn)橋偏心超限嚴(yán)重，第24 孔至28 孔的偏心值在相關(guān)規(guī)定[3]允許范圍之內(nèi)，最大偏心值在第一孔的尾部，左偏328mm，如圖3所示。

圖3 第一孔尾部線(xiàn)橋偏心示意圖（單位：mm）

3.3 線(xiàn)橋偏心的原因

本橋的線(xiàn)橋偏心多數(shù)都是向左偏移，即線(xiàn)路向曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)有較大的橫向變形，從測(cè)量數(shù)據(jù)分析，本橋所在的曲線(xiàn)變形很不規(guī)則，造成線(xiàn)橋偏心值較大且不規(guī)則的原因有以下五個(gè)方面。

（1）常年的現(xiàn)狀養(yǎng)護(hù)，起撥道沒(méi)有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)控制，原本是一條曲線(xiàn)，運(yùn)營(yíng)后變形成為若干條不規(guī)則的小曲線(xiàn)，在既有線(xiàn)上找不到原設(shè)計(jì)的曲線(xiàn)要素。

（2）線(xiàn)路條件較差。整橋基本都在400m 小半徑曲線(xiàn)內(nèi)，逐年增大的運(yùn)量形成大荷載的經(jīng)常性沖擊，線(xiàn)路變形嚴(yán)重。

（3）道床厚度嚴(yán)重超標(biāo)。道砟厚度存在不足或超厚造成了軌道的復(fù)合不平順，加劇了無(wú)縫線(xiàn)路的橫向變形。

（4）線(xiàn)橋施工精度較差。本橋的建設(shè)是在20世紀(jì)90年代末，當(dāng)時(shí)的測(cè)量精度和施工技術(shù)還較落后，規(guī)范也要求不嚴(yán)格，造成既有的線(xiàn)橋關(guān)系偏差較大。

（5）運(yùn)行速度與超高不匹配。在任何一段曲線(xiàn)軌道上，外軌超高按加權(quán)平均速度計(jì)算確定并設(shè)置后，成為固定設(shè)施，但由于列車(chē)通過(guò)的實(shí)際行駛速度，或大于加權(quán)平均速度，或小于加權(quán)平均速度，使外軌超高與行車(chē)速度不相適應(yīng)，因而不可避免地會(huì)產(chǎn)生未被平衡的離心力或向心力。

重載列車(chē)曲線(xiàn)橫向附加力的理論計(jì)算方法圖示，如圖4所示。

圖4 列車(chē)和軌道的準(zhǔn)靜態(tài)分析

根據(jù)圖4，列出鋼軌所受的豎向反力的計(jì)算公式：

式中：m——列車(chē)質(zhì)量；

g——重力加速度；

α——α=sin-1(h/s)；

h——超高；

s——軌距；

hc——軌頂面到列車(chē)重心的距離；

R——線(xiàn)路曲線(xiàn)半徑；

總曲線(xiàn)輪軌側(cè)向附加力是Y=Y0+Y1，可以得到：

綜上所述，常年的現(xiàn)狀維護(hù)、線(xiàn)路條件差、道床厚度嚴(yán)重超標(biāo)、早期施工質(zhì)量差、運(yùn)行速度與超高不匹配和常年大運(yùn)量運(yùn)輸形成的大荷載經(jīng)常性沖擊是造成重載鐵路線(xiàn)橋偏心病害的主要原因。

4 整治方案

通過(guò)整治變形的線(xiàn)路平面，達(dá)到解決恢河特大橋的線(xiàn)橋偏心值超限的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)機(jī)械清篩線(xiàn)路，適當(dāng)調(diào)整縱斷面設(shè)計(jì)的方法，解決本段線(xiàn)路道床超厚的問(wèn)題?；趾犹卮髽蛩谇€(xiàn)為左轉(zhuǎn)曲線(xiàn)，橋上的上下行線(xiàn)路都是向曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)偏離，整治方案是曲線(xiàn)全部上挑，而且是連續(xù)多處向曲線(xiàn)上股方向的大撥量，撥道后造成上行曲線(xiàn)鋼軌伸長(zhǎng)337 mm，下行曲線(xiàn)鋼軌伸長(zhǎng)176 mm。在整治恢河特大橋的線(xiàn)橋偏心前，必須進(jìn)行應(yīng)力放散，放散軌溫應(yīng)滿(mǎn)足作業(yè)安全要求。橫向撥道量大及撥道段落較長(zhǎng)的地段，在施工前也要進(jìn)行應(yīng)力放散，確保施工質(zhì)量及施工安全，施工結(jié)束后要進(jìn)行應(yīng)力回放。應(yīng)力放散時(shí)在最大撥量所在的單元軌條上加設(shè)臨時(shí)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的短軌要預(yù)留撥道造成本條曲線(xiàn)的鋼軌總伸長(zhǎng)量。

（1）為改善線(xiàn)路平面條件，本次線(xiàn)路設(shè)計(jì)考慮了對(duì)線(xiàn)間距、線(xiàn)橋偏心的調(diào)整，曲線(xiàn)整治及接觸網(wǎng)桿等建筑限界的調(diào)整?；静捎门c現(xiàn)場(chǎng)線(xiàn)形相擬合的方式，適當(dāng)調(diào)整曲線(xiàn)要素，來(lái)達(dá)到優(yōu)化線(xiàn)路平面、調(diào)整線(xiàn)橋偏心的目的。用全站儀直接測(cè)量法，得出梁的中心線(xiàn)方程，并且和鐵路既有線(xiàn)中心的坐標(biāo)相比較，可得出每跨既有橋梁的偏心值，綜合考慮整橋每跨的偏心值，來(lái)調(diào)整相應(yīng)的直線(xiàn)方向和曲線(xiàn)元素，即：①每350 m～500 m 設(shè)置一個(gè)CP Ⅱ控制點(diǎn)及水準(zhǔn)基點(diǎn)，每30m 左右設(shè)置一個(gè)CP Ⅲ控制點(diǎn)；②測(cè)基平；③測(cè)縱斷面（直線(xiàn)地段50m、曲線(xiàn)地段20m、變坡點(diǎn)等特征點(diǎn)）；④采用軌道分中法進(jìn)行線(xiàn)路平面、線(xiàn)間距測(cè)量；⑤測(cè)量線(xiàn)橋偏心；6 測(cè)量接觸網(wǎng)桿、信號(hào)機(jī)、信號(hào)基座、坡度標(biāo)、里程標(biāo)等線(xiàn)路既有設(shè)備的平面位置。

（2）為改善線(xiàn)路縱斷面條件，線(xiàn)路清篩地段嚴(yán)格按照限坡、坡長(zhǎng)、起落道量以及橋梁等的控制要求，限制坡度以不大于原有最大坡度為原則，坡段盡可能設(shè)計(jì)為長(zhǎng)大坡段，大修地段與非大修地段的連接順坡，應(yīng)設(shè)在大修地段以外，其順坡率不應(yīng)大于2.0‰。由于線(xiàn)路清篩可能引起接觸網(wǎng)導(dǎo)高、拉出值超標(biāo)，不能滿(mǎn)足電力機(jī)車(chē)受電弓的正常運(yùn)行，應(yīng)事先通知供電部門(mén)調(diào)查確認(rèn)接觸網(wǎng)設(shè)備調(diào)整工作量并配合作業(yè)；由于線(xiàn)路清篩引起信號(hào)機(jī)基座抬高或個(gè)別信號(hào)機(jī)基座侵入清篩范圍，個(gè)別信號(hào)電纜影響機(jī)械清篩作業(yè)時(shí)，要提前通知電務(wù)部門(mén)確認(rèn)配合。

4 整治方案實(shí)施

由于重載鐵路恢河特大橋出現(xiàn)的線(xiàn)橋偏心病害中下行線(xiàn)線(xiàn)橋偏心值超限都比上行線(xiàn)小，所以下行線(xiàn)是一次調(diào)整到位。其中，病害較嚴(yán)重的恢河特大橋上行線(xiàn)軌道線(xiàn)形分兩次調(diào)整到位，主要線(xiàn)形調(diào)整歷程如表1及圖5所示。

表1 恢河特大橋軌道線(xiàn)形調(diào)整過(guò)程一覽表

圖5 恢河特大橋軌道線(xiàn)形調(diào)整量示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量調(diào)查的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，恢河特大橋所在曲線(xiàn)起點(diǎn)之間的夾直線(xiàn)，因常年運(yùn)營(yíng)，已經(jīng)發(fā)生了很大的變形，將不規(guī)則的夾直線(xiàn)調(diào)整為直線(xiàn)。為了解決線(xiàn)橋偏心問(wèn)題，設(shè)定了不同的曲線(xiàn)轉(zhuǎn)角和曲線(xiàn)半徑和緩。

本次軌道線(xiàn)形調(diào)整主要對(duì)圓曲線(xiàn)段進(jìn)行，經(jīng)兩次調(diào)整，恢河特大橋上行線(xiàn)的線(xiàn)橋偏心值全部調(diào)整到《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》允許的范圍之內(nèi)。具體設(shè)計(jì)情況如下：既有曲線(xiàn)半徑為400 m，本次調(diào)整為399.97 m，緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)90 m 不變，在K17+750 處設(shè)240″的右轉(zhuǎn)角。上行線(xiàn)軌道線(xiàn)形累積最大調(diào)整量305 mm，發(fā)生在0#臺(tái)附近（K16+960）。其次還有第11 孔（K17+330）和第19 孔（K17+600）附近撥道量較大，累計(jì)調(diào)整量分別為224 mm 和150 mm。第24 孔（K17+740）位于直緩點(diǎn)附近，累計(jì)調(diào)整量29 mm；恢河特大橋下行線(xiàn)所在的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)要素不變，即半徑404.5 m，緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)90 m，調(diào)整后的最大撥量在K17+585 處右撥119 mm，調(diào)整后線(xiàn)橋偏心值全部符合規(guī)定的要求。在軌道線(xiàn)形調(diào)整施工的同時(shí)，對(duì)相應(yīng)區(qū)段的道床進(jìn)行清篩、搗固處理。

5 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為了確保軌道線(xiàn)形調(diào)整作業(yè)期間的線(xiàn)橋設(shè)備安全，掌握小半徑曲線(xiàn)橋上線(xiàn)路偏心發(fā)展的規(guī)律，為該類(lèi)病害機(jī)理的研究提供數(shù)據(jù)支撐以及驗(yàn)證線(xiàn)橋偏心整治效果，對(duì)本橋軌道線(xiàn)形調(diào)整及后續(xù)運(yùn)營(yíng)期間的特征區(qū)段軌道和該橋設(shè)備特點(diǎn)及線(xiàn)橋偏心、道砟厚度不均病害的情況，在上行線(xiàn)分別選擇線(xiàn)橋偏心最大和道砟厚度最小的區(qū)段進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，以評(píng)估軌道線(xiàn)形調(diào)整對(duì)線(xiàn)橋設(shè)備的影響及其后續(xù)發(fā)展情況。

5.1 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：列車(chē)運(yùn)行安全參數(shù)測(cè)試、鋼軌橫向位移測(cè)試、動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大測(cè)試，具體內(nèi)容包括：輪軌垂向力和橫向力、輪重減載率、輪軸橫向力、鋼軌橫向位移、鋼軌動(dòng)態(tài)軌距變化量參數(shù)。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)內(nèi)容具體包括：①墩頂橫向振幅；②梁體跨中撓度；③梁體跨中混凝土應(yīng)變；④梁體跨中橫向、豎向振幅；⑤梁體跨中橫向、豎向加速度；⑥支座縱向位移；⑦列車(chē)速度。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性，通過(guò)撥道前后共進(jìn)行了三次測(cè)試，各測(cè)試了二十余趟列車(chē)，對(duì)重車(chē)線(xiàn)列車(chē)運(yùn)行安全參數(shù)、鋼軌橫向位移、動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大進(jìn)行了測(cè)試。針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性，通過(guò)測(cè)試上行重車(chē)線(xiàn)橋梁在運(yùn)營(yíng)列車(chē)通過(guò)時(shí)的工作狀態(tài)，分析軌道線(xiàn)形調(diào)整前后橋梁設(shè)備受力狀態(tài)的變化，評(píng)價(jià)其對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

5.2.1 軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

恢河特大橋橋面軌道線(xiàn)形調(diào)整前后，共進(jìn)行了三次軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試。上行線(xiàn)第一次撥道前測(cè)試運(yùn)營(yíng)列車(chē)19 趟，速度范圍為15.3～62.1km/h；第一次撥道后測(cè)試運(yùn)營(yíng)列車(chē)22 趟，速度范圍為40.7～60.9km/h；第二次撥道后測(cè)試運(yùn)營(yíng)列車(chē)19趟，速度范圍為14.3～60.5km/h；在運(yùn)營(yíng)列車(chē)C80 作用下，撥道前后列車(chē)脫軌系數(shù)與行車(chē)速度的變化趨勢(shì)，如圖6、圖7所示，撥道前后運(yùn)營(yíng)列車(chē)安全參數(shù)極值對(duì)比，如表2所示。

圖6 撥道前后運(yùn)營(yíng)列車(chē)脫軌系數(shù)對(duì)比

圖7 撥道前后運(yùn)營(yíng)列車(chē)輪重減載率對(duì)比

表2 撥道前后運(yùn)營(yíng)列車(chē)安全參數(shù)極值對(duì)比表

試驗(yàn)結(jié)果顯示：撥道前脫軌系數(shù)、輪重減載率分別為0.92、0.22，第一次撥道后分別為0.90、0.20，第二次撥道后分別為0.78、0.23；根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定：脫軌系數(shù)和輪重減載率的安全限值分別為1.2 和0.65，撥道前后各項(xiàng)安全參數(shù)均小于安全限值。撥道前后，輪重減載率變化不太明顯，而脫軌系數(shù)有所減小。

5.2.2 橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

恢河特大橋第1 孔梁橋面軌道線(xiàn)形調(diào)整分兩側(cè)次完成，該孔梁跨中兩次調(diào)整量分別為144mm 和143mm，跨中累積調(diào)整量287mm。在運(yùn)營(yíng)列車(chē)C64、C70、C80 作用下，第1孔橋跨結(jié)構(gòu)在兩次軌道線(xiàn)形調(diào)整前后實(shí)測(cè)跨中橫向振幅與行車(chē)速度變化趨勢(shì)，如圖8、圖9所示及跨中橫向振幅最大值與行車(chē)速度關(guān)系，如表3所示。

圖8 第一次撥道前后運(yùn)營(yíng)列車(chē)橫向振幅對(duì)比

圖9 第二次撥道前后運(yùn)營(yíng)列車(chē)橫向振幅對(duì)比

表3 運(yùn)營(yíng)列車(chē)作用下?lián)艿狼昂罂缰凶畲髾M向振幅與行車(chē)速度關(guān)系表

試驗(yàn)結(jié)果顯示：實(shí)測(cè)兩次撥道前后第一孔梁體跨中橫向振幅，第一次撥道前梁體跨中橫向振幅最大，C64、C70、C80 列車(chē)作用下第1 孔梁體跨中最大橫向振幅分別為1.13mm、0.85mm 和1.15mm，均小于規(guī)范[5]所規(guī)定的貨列重車(chē)（V ≤80km/h）下32m 預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中橫向振幅通常值2.54mm 和安全限值3.56mm；各類(lèi)貨列重車(chē)作用下，梁體跨中橫向振幅呈現(xiàn)隨行車(chē)速度增大而增加的趨勢(shì)，但幅值在通常值和安全限值范圍內(nèi)，測(cè)試車(chē)速范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)梁體橫向共振現(xiàn)象；與撥道前相比，兩次撥道后梁體跨中橫向最大振幅均呈減小的趨勢(shì)；C80 列車(chē)作用下，第一次撥道后由1.15mm 減小為0.78mm，第二次撥道后較撥道前略有增加，由0.75mm 增大為1.01mm，但仍小于第一次撥道前實(shí)測(cè)值。

6 結(jié)語(yǔ)

論文以中國(guó)朔黃重載鐵路恢河特大橋小半徑曲線(xiàn)橋梁線(xiàn)橋偏心整治為背景展開(kāi)研究，通過(guò)線(xiàn)橋偏心概念和原因分析、偏心整治方案設(shè)計(jì)、實(shí)施、整治結(jié)果以及對(duì)整治前后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，主要結(jié)論如下：

重載鐵路小半徑曲線(xiàn)橋梁線(xiàn)橋偏心可以采用搗固車(chē)撥道調(diào)整線(xiàn)路橫向位置進(jìn)行整治，同時(shí)要有序的安排縱斷面整治，通過(guò)機(jī)械清篩線(xiàn)路，適當(dāng)調(diào)整縱斷面設(shè)計(jì)的方法，解決本段線(xiàn)路道床超厚的問(wèn)題。撥道前后輪重減載率變化不太明顯，而撥道后脫軌系數(shù)從0.92 降低到0.78。兩次撥道后第1 孔梁體跨中橫向振幅與撥道前相比均呈減小趨勢(shì)，第一次撥道后由1.15mm 減小為0.78mm。第二次撥道后較撥道前略有增加，由0.75mm 增大為1.01mm，但仍小于第一次撥道前實(shí)測(cè)值，表明了線(xiàn)橋偏心病害對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能、橋梁運(yùn)營(yíng)性能產(chǎn)生不利影響。該工程實(shí)例的成功實(shí)施表明，通過(guò)搗固車(chē)撥道整治線(xiàn)橋偏心病害，整治效果較為明顯，可以為類(lèi)似工程提供參考。