范劍雄

中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，南京 210042

1 工程概況

新建連鎮(zhèn)高速鐵路北起連云港，經(jīng)淮安、揚(yáng)州后通過鎮(zhèn)江五峰山長江大橋跨長江止于鎮(zhèn)江［1］。五峰山長江大橋是中國首座公鐵兩用懸索橋、世界首座高速鐵路懸索橋。大橋全長6 408.909 m，主橋?yàn)椋?4+84 +1 092+84+84）m 雙塔連續(xù)鋼桁梁公鐵兩用懸索橋（圖1），主橋全長1 428 m。。

圖1 五峰山長江大橋立面（單位：m）

主橋主跨為3#—4#墩，邊跨為1#—3#墩及4#—6#墩；主橋上部鋼梁每節(jié)長度14 m，共計(jì)102 節(jié)，對(duì)1#—6#墩的節(jié)段進(jìn)行編號(hào)，即E0→E51、E50'→E0'，E51 為跨中。立面位于線路3‰人字坡上［2］。

世界上已建成的主跨超千米的公鐵兩用懸索橋包括美國華盛頓橋［3］、日本南備贊瀨戶大橋、中國香港青馬大橋［4］、葡萄牙4 月25 日大橋［5］、土耳其博斯普魯斯三橋［6］。五峰山長江大橋在世界千米級(jí)懸索橋中鐵路設(shè)計(jì)運(yùn)行速度最快，連鎮(zhèn)鐵路設(shè)計(jì)行車速度達(dá)250 km/h；正線線間距4.6 m，預(yù)留兩線鐵路。高速公路雙向八車道，設(shè)計(jì)行車速度100 km/h。長江大橋段初期運(yùn)營速度為200 km/h。

五峰山長江大橋主跨1 092 m 鋼桁梁懸索橋，在我國鐵路系首次建造，屬于復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)，在荷載作用下具有強(qiáng)烈的幾何非線性。其內(nèi)力和線形對(duì)溫度、橋塔偏位、恒載誤差、施工誤差等較為敏感。根據(jù)實(shí)測成橋線形數(shù)據(jù)分析和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，靜載情況下大橋線形隨溫度變化可能形成數(shù)個(gè)坡段，對(duì)線路縱斷面、軌道幾何尺寸影響較大。與其他橋型相比，該大橋?qū)壍蓝诤爿d要求極高；在溫度、風(fēng)、列車等荷載作用下，橋梁會(huì)產(chǎn)生較大的變形［7-9］，造成布設(shè)其上的CPⅢ測點(diǎn)坐標(biāo)及軌道結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)變化中，軌道鋪設(shè)及軌道精調(diào)作業(yè)時(shí)軌道控制網(wǎng)約束困難。

本文對(duì)高速鐵路大跨度懸索鋼橋上有砟軌道鋪設(shè)線形控制技術(shù)進(jìn)行研究，分別考慮荷載和溫度的影響，對(duì)施工過程中成橋線形控制、軌道鋪設(shè)及軌道精調(diào)線形控制進(jìn)行總結(jié)。

2 大跨懸索橋成橋線形影響因素分析

施工階段主要考慮線路靜態(tài)線形，因此不涉及風(fēng)、列車荷載等影響，主要分析溫度以及鋪軌鋪砟荷載對(duì)大橋成橋線形的影響規(guī)律。

2.1 模型建立

采用西南交通大學(xué)開發(fā)的懸索橋空間計(jì)算分析軟件BNLAS 進(jìn)行計(jì)算分析。該系統(tǒng)基于非線性有限元理論，以改進(jìn)的增量迭代法為非線性迭代格式，以不平衡力和相對(duì)位移誤差的無限范數(shù)為收斂迭代準(zhǔn)則，且考慮空間單元的大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)影響，對(duì)于懸索橋的仿真計(jì)算有獨(dú)特優(yōu)勢。對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行空間桿系離散建立分析模型，并考慮纜索的重力剛度效應(yīng)。主纜規(guī)格為352股127?5.5 mm，鋼絲極限抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，彈性模量200 GPa，采用分段懸鏈線索單元進(jìn)行模擬；吊索規(guī)格為雙肢337?5.0 mm，鋼絲極限抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，彈性模量為200 GPa，采用索單元進(jìn)行模擬；鋼桁加勁梁材質(zhì)為Q370qE，彈性模量210 GPa，采用梁單元進(jìn)行模擬；主塔選用C55 混凝土，彈性模量36 GPa，采用梁單元進(jìn)行模擬。為真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，模型中考慮了主梁豎曲線、基礎(chǔ)剛度等的影響。

鋼桁加勁梁縱向不設(shè)置固定約束，在兩主塔下橫梁頂面設(shè)置縱向阻尼器（靜力計(jì)算按照“放松”考慮），每個(gè)墩設(shè)置豎向支座與側(cè)向抗風(fēng)支座；主塔在塔底固結(jié)，主纜在錨固點(diǎn)固結(jié)，散索鞍處采用傾斜支撐。

2.2 主纜溫度變化對(duì)線形影響

主纜溫度降低1 ℃時(shí)計(jì)算得到的橋面垂向位移分布見圖2?？芍褐骼|溫度變化對(duì)邊跨的影響較小，橋梁高程基本保持不變，而主跨各點(diǎn)高程由跨中逐漸向兩邊遞減，呈對(duì)稱分布；越靠近主跨中間，橋梁線形變化越敏感，其中E14 處高程提高1 mm，E36 處高程提高28 mm，跨中E51 處高程提高36 mm。主纜溫度降低時(shí)橋梁線形變化規(guī)律與主纜溫度升高時(shí)的變化規(guī)律相反。

圖2 橋面垂向位移分布

2.3 橋梁荷載變化對(duì)線形影響

分析鋪砟鋪軌對(duì)橋梁線形的影響時(shí)，假定在不同范圍施加單位均勻集度荷載。不同加載工況下橋面垂向位移分布見圖3。可知：在五種加載工況下，全橋與主跨加載曲線是重合的，當(dāng)全橋均勻加載1 t/m時(shí)最大位移為-126.14 mm；當(dāng)主跨跨中280 m 范圍內(nèi)均勻加載1 t/m 時(shí)最大位移為-65.22 mm。此外，靠北岸側(cè)546 m 均勻加載1 t/m 時(shí)最大位移為-100 mm，位于主跨1/3 處，即局部偏載會(huì)引起橋面最大垂向位移往偏載側(cè)移動(dòng)。

圖3 不同加載工況下橋面垂向位移分布

綜上，外部荷載的變化對(duì)大橋線形影響比較明顯，當(dāng)荷載過大或者不均勻分布時(shí)，均會(huì)對(duì)最終的成橋線形產(chǎn)生不利影響。因此，可以利用線形隨溫度變化的規(guī)律來實(shí)現(xiàn)CPⅢ控制網(wǎng)絕對(duì)約束條件下的軌道精調(diào)作業(yè)，施工過程中恒載加載采用均勻布載的方式以適應(yīng)大橋成橋線形。

3 大跨度懸索橋有砟軌道二期恒載鋪設(shè)技術(shù)

3.1 二期恒載加載方式

五峰山長江大橋主橋軌道二期恒載包括預(yù)留鐵路和連鎮(zhèn)鐵路二期恒載，其設(shè)計(jì)加載量均為9.47 t/m。預(yù)留鐵路二期恒載采用道砟加載，連鎮(zhèn)鐵路二期恒載包括鋼軌、扣件、軌枕、道砟。在施加二期恒載時(shí)主要采用均勻布載的方式。由于鋼軌、軌枕及扣件在鋪軌時(shí)均為均勻布載，軌道二期恒載加載影響大橋線形的主要因素為道砟是否均勻布載。道砟分成鋪軌前鋪砟和補(bǔ)充面砟兩部分，采用嚴(yán)格稱重和道床厚度的形式控制道砟加載量。由于橋梁線形對(duì)主跨中間的荷載變化最敏感，因此從橋梁兩側(cè)同時(shí)向主橋中間進(jìn)行二期恒載的均勻鋪設(shè)。

3.2 道砟鋪設(shè)方法

在主橋鋼桁梁與引橋混凝土簡支梁間伸縮縫上方設(shè)置上砟通道后，采用分節(jié)、分階段推進(jìn)的方式進(jìn)行主橋懸索鋼橋的鋪軌前鋪砟，連鎮(zhèn)鐵路和預(yù)留鐵路同步進(jìn)行道砟運(yùn)輸，采用16 輛普通自卸汽車，分為4 組并編號(hào)（圖4）。道砟運(yùn)輸過程中控制發(fā)車時(shí)間間隔，保證每組車隊(duì)一輛裝車、一輛在途、一輛在引橋等待、一輛主橋卸砟，每輛車對(duì)空車、重車均稱重記錄以控制道砟量。

圖4 主橋道砟攤鋪示意（單位：m）

主橋連鎮(zhèn)鐵路正線與預(yù)留鐵路橋面道砟鋪設(shè)各分11 個(gè)節(jié)段，共分3 個(gè)階段進(jìn)行：①根據(jù)劃分好的節(jié)段，由邊跨向中跨分塊按序號(hào)鋪設(shè)，連鎮(zhèn)鐵路正線與預(yù)留鐵路同時(shí)對(duì)稱攤鋪道砟，直至同時(shí)達(dá)到3.75 t/m；②道砟運(yùn)輸車通過連鎮(zhèn)鐵路側(cè)駛?cè)腩A(yù)留鐵路側(cè)卸砟，從北向南依次對(duì)道砟進(jìn)行攤鋪，攤鋪完成后預(yù)留鐵路道砟厚度約60 cm，達(dá)到設(shè)計(jì)加載量9.47 t/m；③預(yù)留鐵路道砟攤鋪完成后，將連鎮(zhèn)鐵路底砟攤鋪整平并壓實(shí)，控制平整度和壓實(shí)度達(dá)到鋪軌條件。

連鎮(zhèn)鐵路軌道二期恒載扣除鋼軌、軌枕、扣件及鋪軌前鋪砟荷載，尚剩余道砟4.184 t/m。在鋪軌完成后，采用機(jī)車牽引老K 車均勻布載。每節(jié)老K 車裝砟量均經(jīng)過稱重并在主橋鋼桁梁范圍內(nèi)卸砟，保持道砟加載量在4.184 t/m。根據(jù)大機(jī)搗固后線路道床情況，人工配合挖機(jī)在主橋鋼桁梁范圍內(nèi)勻砟，確保道床滿足設(shè)計(jì)斷面及荷載要求。

3.3 軌道鋪設(shè)方法

連鎮(zhèn)鐵路底砟攤平壓實(shí)后，利用主橋擋砟墻所在位置反算線路中心，采用工程專用線在橋面線路中心設(shè)置鋪軌機(jī)走行標(biāo)示線。利用CPG500 鋪軌機(jī)組進(jìn)行單枕連續(xù)法鋪枕鋪軌作業(yè)，作業(yè)時(shí)按照先下行線后上行線的順序完成雙線鋪軌。設(shè)置大橋伸縮調(diào)節(jié)器時(shí)，前期直接鋪設(shè)長軌，并在梁縫簡支梁側(cè)設(shè)置短軌連接，根據(jù)橋梁伸縮縫的變化及時(shí)更換短軌。待兩端線路完成應(yīng)力放散及鎖定作業(yè)后，拆除鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的軌道線路，根據(jù)實(shí)測氣溫及梁縫情況按設(shè)計(jì)完成擋砟板焊接，采用預(yù)留伸縮量鋪設(shè)法完成SA60?1800B 型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的插鋪及焊接鎖定作業(yè)，使設(shè)計(jì)伸縮量為 ± 900 mm 的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器實(shí)際伸縮量與主橋鋼桁梁伸縮量（-820～+940 mm）一致，確保高速列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。

4 大跨度懸索橋軌道線形精調(diào)技術(shù)

4.1 軌道線形精調(diào)技術(shù)方法

4.1.1 基于環(huán)境溫度驅(qū)動(dòng)的CPⅢ網(wǎng)隨測隨用方案

采用CPⅢ網(wǎng)測量存在以下難題：①大跨度鋼桁梁結(jié)構(gòu)變形較大，導(dǎo)致CPⅢ網(wǎng)測量的技術(shù)指標(biāo)難以滿足規(guī)范限值要求；②鋼桁梁懸索橋結(jié)構(gòu)因溫度等環(huán)境因素的變化產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致CPⅢ控制點(diǎn)的位置不穩(wěn)定；③軌道精調(diào)的精度要求難以達(dá)到規(guī)范要求。

在不同的溫度、日照等外界環(huán)境因素下，橋上CPⅢ控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)是不斷變化的，會(huì)影響橋上高速鐵路軌道的線形精調(diào)工作?？紤]外界環(huán)境的變化在一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)周期性，提出了一種利用環(huán)境變化數(shù)據(jù)分析的CPⅢ網(wǎng)測設(shè)技術(shù)，在環(huán)境條件相近的時(shí)間段采用“CPⅢ網(wǎng)復(fù)測一遍、軌道精調(diào)線形測量一遍、大機(jī)精搗一遍”的方案，以實(shí)現(xiàn)CPⅢ網(wǎng)的絕對(duì)約束。

為解決環(huán)境溫度變化下CPⅢ網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)難以滿足規(guī)范限差要求的問題，現(xiàn)場采用快速測量方法。選取溫度相對(duì)穩(wěn)定的無風(fēng)或微風(fēng)環(huán)境，首日凌晨進(jìn)行CPⅢ網(wǎng)復(fù)測并評(píng)估后提交數(shù)據(jù)，次日凌晨根據(jù)首日復(fù)測結(jié)果進(jìn)行軌道線形檢測并提交數(shù)據(jù)，第三日凌晨將設(shè)計(jì)的精搗方案輸入大機(jī)進(jìn)行精搗，以此循環(huán)作業(yè)使線路達(dá)到有砟軌道靜態(tài)驗(yàn)收精度要求。在最后一次大機(jī)精搗作業(yè)后，在溫度相對(duì)穩(wěn)定的無風(fēng)或微風(fēng)環(huán)境，首日凌晨進(jìn)行CPⅢ網(wǎng)復(fù)測并評(píng)估后提交數(shù)據(jù)，次日凌晨利用首日復(fù)測結(jié)果進(jìn)行軌道線形檢測，使線路在相對(duì)穩(wěn)定的CPⅢ網(wǎng)絕對(duì)約束下形成理想設(shè)計(jì)線形。

4.1.2 基于測量基準(zhǔn)點(diǎn)的軌道線形動(dòng)態(tài)調(diào)整

線路經(jīng)靜態(tài)驗(yàn)收合格滿足聯(lián)調(diào)聯(lián)試條件后，經(jīng)過160 km/h軌檢車和250 km/h動(dòng)車組對(duì)軌道狀態(tài)進(jìn)行檢測和評(píng)估，再采用靜態(tài)調(diào)整的方式對(duì)軌道進(jìn)行精調(diào)。為降低施工成本和提高動(dòng)態(tài)調(diào)整的及時(shí)性，以最后大機(jī)精搗后驗(yàn)證的軌道線形作為懸索鋼橋上軌道基準(zhǔn)線形，并以此制定測量基準(zhǔn)點(diǎn)方案，作為動(dòng)態(tài)調(diào)整和養(yǎng)護(hù)維修的依據(jù)，及時(shí)解決動(dòng)態(tài)驗(yàn)收中發(fā)現(xiàn)的各類偏差。

1）測量基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置

測量基準(zhǔn)點(diǎn)分上下行線進(jìn)行編號(hào)，從大橋北岸1#墩開始，依次往南進(jìn)行編號(hào)。貼紙長80 mm，寬30 mm，以大橋橫橋向?yàn)殚L度方向張貼。從大橋北岸1#墩開始，至6#墩結(jié)束，每隔3.5 m 張貼一張（圖5），貼紙沿著擋砟墻頂面最外側(cè)張貼，確保貼紙頂面和側(cè)面均在一個(gè)平面。為了確保橫向距離的精度，在兩擋砟墻測點(diǎn)的中點(diǎn)用工程專用線橫向拉線，與左右線外側(cè)鋼軌相交處即為鋼軌測量基準(zhǔn)點(diǎn)，在鋼軌上用紅白油漆做標(biāo)記，確保兩擋砟墻基準(zhǔn)點(diǎn)和兩鋼軌基準(zhǔn)點(diǎn)，四個(gè)點(diǎn)處于一條直線上，保證距離最短。

圖5 測量基準(zhǔn)點(diǎn)（單位：cm）

2）建網(wǎng)方案

測量基準(zhǔn)標(biāo)志張貼和噴涂完成后，統(tǒng)一以測量基準(zhǔn)標(biāo)志中心與擋砟墻外側(cè)邊重合點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用電子水準(zhǔn)儀測量該點(diǎn)與線路靠擋砟墻一側(cè)鋼軌軌頂面相對(duì)高差作為高程控制數(shù)據(jù)；采用卷尺測量該點(diǎn)與鋼軌靠擋砟墻側(cè)軌頭最中間的橫向距離作為平面控制數(shù)據(jù)。

4.2 成橋線形結(jié)果驗(yàn)證

4.2.1 工后成橋線形對(duì)比

取氣象溫度29 ℃時(shí)的現(xiàn)場實(shí)測橋面數(shù)據(jù)，換算為軌面高程，并與原設(shè)計(jì)軌面高程進(jìn)行對(duì)比，見圖6。邊跨段成橋軌面高程與原設(shè)計(jì)基本符合。與原設(shè)計(jì)軌面相比，主跨段成橋軌面高程呈跨中低、兩側(cè)高的形態(tài)。其中，跨中最大負(fù)偏差為-49 mm（E50），南北兩側(cè)主跨最大正偏差分別為89 mm（E21）、90 mm（E32'）。由此可知，實(shí)際成橋線形與原設(shè)計(jì)存在偏差，其中最不利點(diǎn)位于E21、E50 及E32'處，但偏差值在合理范圍內(nèi)，可考慮進(jìn)一步擬合調(diào)整橋上線路縱斷面，以適應(yīng)大橋?qū)嶋H成橋線形縱斷面。

圖6 設(shè)計(jì)軌面與實(shí)測軌面高程對(duì)比

4.2.2 動(dòng)檢車實(shí)測數(shù)據(jù)

連鎮(zhèn)鐵路設(shè)計(jì)速度250 km/h，按照TB 10716—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》，動(dòng)檢車必須在設(shè)計(jì)車速1.1倍（即275 km/h）的基礎(chǔ)上完成檢測。

1）軌道幾何形態(tài)

采用綜合檢測列車對(duì)淮鎮(zhèn)段進(jìn)行現(xiàn)場檢測，結(jié)果見表1?？芍?，五峰山長江大橋的上下行線平均TQI值分別為3.1、3.2 mm，遠(yuǎn)小于允許偏差，表明五峰山大跨懸索橋有砟軌道鋪設(shè)精度滿足高速鐵路軌道幾何標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 五峰山長江大橋250 km·h-1 TQI檢測結(jié)果

2）動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

采用綜合檢測列車CRH380AJ?0203 對(duì)連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋上下行正線進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表2?？芍?，實(shí)測脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂向力均符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；轉(zhuǎn)向架未出現(xiàn)橫向失穩(wěn)，橫向穩(wěn)定性符合規(guī)范要求；車體垂向橫向平穩(wěn)性指標(biāo)等級(jí)均為優(yōu)，符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。表明五峰山長江大橋有砟軌道的行車平順性、舒適性和安全性均滿足要求，成橋線形達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表2 五峰山長江大橋動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)響應(yīng)檢測結(jié)果

5 結(jié)論

1）環(huán)境溫度、附加荷載對(duì)大跨度懸索橋成橋線形存在較為明顯的影響，施工時(shí)應(yīng)當(dāng)合理控制溫度與荷載條件，以滿足成橋線形設(shè)計(jì)要求。

2）采用軌道二期恒載均勻布載方案，可減輕施工荷載誤差對(duì)成橋線形的影響。采用基于環(huán)境溫度驅(qū)動(dòng)的CPⅢ網(wǎng)隨測隨用方案與基于測量基準(zhǔn)點(diǎn)的軌道線形動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)，可忽略溫度變化對(duì)測量精度的影響，并及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，控制線路線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）經(jīng)過現(xiàn)場測試，五峰山長江大橋主橋懸索鋼橋上有砟軌道TQI 值小于7 mm，動(dòng)檢車275 km/h 達(dá)速通過滿足預(yù)期目標(biāo)，驗(yàn)證了本文提出的高速鐵路大跨度懸索橋有砟軌道線形控制技術(shù)的合理性，可為今后類似線路施工提供參考。