韓立軍 上海鐵路局南京橋工段

1 工程概況

南京地鐵二號(hào)線東延線全長8.773 km，自馬群站起至九鄉(xiāng)河西側(cè)終點(diǎn)站，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道左線和右線分別在寧蕪線K6＋370和K6＋401處下穿寧蕪鐵路，與寧蕪鐵路交角分別為左線26.76°和右線23.70°，兩隧道中心線水平間距13.2 m，埋深8 m。盾構(gòu)隧道與鐵路相交段的地層主要為素填土和粉質(zhì)黏土，其中盾構(gòu)隧道主要位于粉質(zhì)黏土層。

2 D型便梁的防護(hù)架設(shè)

《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》中規(guī)定，D12、D16型便梁架法有高位、低位兩種，D20、D24型便梁架法有高、中、低、最低位四種。

圖1 D型便梁架設(shè)平面圖

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及施工設(shè)計(jì)圖紙意見，盾構(gòu)機(jī)穿越隧道時(shí)，線路加固總體方案采用“以橋就線”的方式，由于本穿越工點(diǎn)上覆土層相對(duì)較薄，隧道與鐵路的交角小，這些因素可能導(dǎo)致盾構(gòu)穿越施工時(shí)軌面的平順性無法保證。為降低工程風(fēng)險(xiǎn)，分別對(duì)兩隧道穿越鐵路節(jié)點(diǎn)處架設(shè)2孔D24型和1孔D16型組合施工便梁防護(hù)線路。由于隧道與鐵路交角較小，這就要求便梁采取錯(cuò)位架設(shè)方法，D16型和D24型縱梁組合交錯(cuò)架設(shè)，根據(jù)計(jì)算左線5/tg26.76/0.67≈15根；5/tg23.70/0.67≈17根，即左線便梁架設(shè)時(shí)中孔鋼枕錯(cuò)位15根，線便梁架設(shè)時(shí)中孔鋼枕錯(cuò)位17根。具體架設(shè)方式如圖1所示。

3 D型便梁結(jié)構(gòu)的安全性分析

3.1 計(jì)算方法

運(yùn)用通用結(jié)構(gòu)分析軟件sap2000對(duì)盾構(gòu)隧道左線便梁架設(shè)方案進(jìn)行有限元分析和計(jì)算。計(jì)算模型根據(jù)盾構(gòu)隧道左線施工時(shí)施工便梁的布置圖建立，已有的便梁防護(hù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)表明樁頂?shù)呢Q向位移僅為1 mm左右，對(duì)便梁組合結(jié)構(gòu)的影響不大，故在本次分析中可以忽略樁頂?shù)呢Q向位移。箱型縱梁和“工”字形橫梁有螺栓可靠連接，模擬為剛接?？v梁長度按實(shí)際長度考慮。

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

D24便梁長度24.5m，D16便梁長度16.4m，橫梁長3.96m。截面尺寸如圖2所示。

圖2 D型便粱截面尺寸

便梁結(jié)構(gòu)材料采用16 Mnq鋼，計(jì)算參數(shù)取值E=3.0×1011 N/m，μ=0.2，ρ=7850 kg/m3。

3.2.2 荷載

按規(guī)定采用中-活載。

3.3 控制標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1 應(yīng)力

便梁及橫梁材料均為16 Mnq，容許應(yīng)力240 MPa。

3.3.2 縱梁撓度

D16和D24鐵路便梁是按照鐵道部鋼橋規(guī)范撓度跨比1/800做的設(shè)計(jì)，D16跨中豎向位移的設(shè)計(jì)值為20 mm，D24跨中豎向位移的設(shè)計(jì)值為30 mm。但便梁作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，列車通過時(shí)限速運(yùn)行，所以《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》中規(guī)定，縱梁的撓度不超過跨度的1/400，D16縱梁允許值為40 mm，D24縱梁允許值為60 mm。

3.3.3 軌道不平順

使用D型便梁加固線路，當(dāng)下部土體由于施工失去支撐作用時(shí)，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(yùn)行時(shí)的所有荷載均有便梁承擔(dān)。而便梁作為一種臨時(shí)結(jié)構(gòu)，整體性較差、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。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(shí)限速45 km/h行駛。對(duì)軌道的偏差控制按照鐵道部《鐵路線路維修規(guī)則》中軌道動(dòng)態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值進(jìn)行規(guī)定。

3.4 計(jì)算工況

便梁體系從其實(shí)質(zhì)而言可以認(rèn)為是一種橋梁結(jié)構(gòu)，軌道與橫梁構(gòu)成橋面鋪裝系。對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析必須考慮所有工況下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。針對(duì)本工程的實(shí)際情況，選取以下三種情況進(jìn)行計(jì)算分析：

(1)軌排與下部道床完全脫空，列車荷載經(jīng)橫梁全部傳遞至縱梁。

(2)由于盾構(gòu)施工控制較好，地面沉降極小，軌排與下部道床仍保持良好接觸，道床可給予軌排堅(jiān)實(shí)的支撐；

(3)盾構(gòu)施工在地面產(chǎn)生不可忽略的沉降槽，在沉降槽影響范圍以內(nèi)土體脫空，列車荷載全部由橫梁承擔(dān)，在此影響范圍以外道床參與承載。

為便于說明，分別將以上三種工況簡稱為全脫空，無脫空和半脫空。

3.5 全脫空時(shí)便梁結(jié)構(gòu)安全性分析

3.5.1 縱梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

為確保便梁結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下自身強(qiáng)度滿足使用要求，對(duì)列車以v=45 km/h通過時(shí)縱梁承受彎矩和應(yīng)力進(jìn)行檢算。為便于表示，取斷面上三跨便梁，自左至右分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)便梁，取各便梁最大彎矩值進(jìn)行整理，得出縱梁應(yīng)力最大值。如圖3、圖4、圖5和表1所示。

圖3 1號(hào)（D16）縱梁彎矩包絡(luò)圖

圖4 2號(hào)（D24）縱梁彎矩包絡(luò)圖

圖5 3號(hào)（D24）縱梁彎矩包絡(luò)圖

表1 全脫空最大彎矩及最大應(yīng)力表

從表1可知，在列車荷載經(jīng)橫梁全部傳遞至縱梁的情況下，各組縱梁應(yīng)力均小于規(guī)范要求，縱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5.2 便梁縱梁跨中撓度分析

縱梁撓度的大小對(duì)便梁能否安全承受列車荷載，保證軌道的幾何狀態(tài)至關(guān)重要。以計(jì)算得到的縱梁在列車以45 km/h的速度通過時(shí)最大撓度值與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 全脫空最大撓度及梁跨比表

在軌排全脫空的情況下，列車荷載在D16和D24型便梁縱梁上產(chǎn)生的跨中撓度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5.3 軌面變形

由于便梁架設(shè)時(shí)錯(cuò)檔布置，兩側(cè)左右兩縱梁分別為D16和D24錯(cuò)架，橫梁在兩側(cè)變量上支撐的位置不同，兩股鋼軌的支撐剛度并不一致。當(dāng)列車通過時(shí)，由列車傳遞至兩側(cè)的荷載有所差異，由此鋼軌及便梁上產(chǎn)生的撓度也不相同。兩側(cè)鋼梁撓曲量的不同使左右兩股鋼軌頂面發(fā)生扭曲。在本結(jié)構(gòu)體系中表現(xiàn)為列車通過便梁時(shí)，會(huì)產(chǎn)生三角坑。三角坑將會(huì)引起車輛的側(cè)滾和側(cè)擺，極易引起輪載變動(dòng)。嚴(yán)重的三角坑，將導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)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(yán)重危及行車安全。列車以45 km/h通過時(shí)，以2.4 m基長度量的三角坑最大為17 mm。與軌道動(dòng)態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值中對(duì)應(yīng)的v≤120 km/h正線及到發(fā)線Ⅳ級(jí)限速標(biāo)準(zhǔn)比較可知，在軌排全脫空的情況下，D24和D16錯(cuò)架導(dǎo)致鋼軌的縱向變化值超過規(guī)定限制，可能會(huì)對(duì)列車運(yùn)行安全產(chǎn)生影響。

3.6 無脫空時(shí)便梁結(jié)構(gòu)安全性分析

3.6.1 縱梁和橫梁的應(yīng)力分析

對(duì)列車以V=45 km/h通過時(shí)縱梁承受彎矩和應(yīng)力進(jìn)行檢算，取各縱梁彎矩最大值進(jìn)行整理，如表3所示。

表3 無脫空最大彎矩及最大應(yīng)力表

從表3可知，當(dāng)軌排與下部道床仍保持良好接觸時(shí)，列車荷載由便梁結(jié)構(gòu)與道床共同承擔(dān)，列車荷載在縱梁上產(chǎn)生的彎矩和應(yīng)力遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，縱梁結(jié)構(gòu)安全性很高。但這種工況要求盾構(gòu)推進(jìn)產(chǎn)生的地面沉降較小，一般情況下下部必須采取其他輔助措施，否則較難達(dá)到。

3.6.2 便梁縱梁跨中撓度分析

計(jì)算得到縱梁在列車以45 km/h的速度通過時(shí)的最大撓度值與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，如表4所示。

表4 無脫空最大撓度及梁跨比表

當(dāng)軌排與下部道床保持良好接觸時(shí)，列車荷載在D16和D24型施工便梁縱梁產(chǎn)生的跨中撓度值遠(yuǎn)小于容許值。

3.6.3 軌面變形

列車以45 km/h通過時(shí)，鋼軌縱向高低變化值最大為4.4 mm，水平差為2 mm。隨列車運(yùn)行，以2.4 m基長度量的三角坑最大為1.3 mm。與軌道動(dòng)態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值中對(duì)應(yīng)的v≤120 km/h正線及到發(fā)線Ⅳ級(jí)限速標(biāo)準(zhǔn)比較可知，在地面沉降量極小的情況下，鋼軌的各項(xiàng)不平順指標(biāo)均小于規(guī)定限制，列車運(yùn)行安全。

3.7 半脫空時(shí)便梁結(jié)構(gòu)安全性分析

3.7.1 縱梁和橫梁的應(yīng)力分析

對(duì)列車以V=45km/h通過時(shí)縱梁承受彎矩和應(yīng)力進(jìn)行檢算，取各縱梁彎矩最大值進(jìn)行整理，如表5所示。

表5 半脫空最大彎矩及最大應(yīng)力表

從表5可知，列車荷載在縱梁上產(chǎn)生的彎矩和內(nèi)力均符合要求，但兩側(cè)的縱梁彎矩和應(yīng)力較小，中間一跨D24便梁較大。這主要是由于中間一組D24便梁位于沉降槽影響范圍以內(nèi)，下部土體脫空，列車荷載全部由橫梁承擔(dān)。而兩側(cè)D型便梁在此影響范圍以外，道床參與承載，荷載在縱梁上的作用相對(duì)較小。

3.7.2 便梁縱梁跨中撓度分析

計(jì)算得到縱梁在列車以45 km/h的速度通過時(shí)的最大撓度值與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，如表6所示。

表6 半脫空最大撓度及梁跨比表

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，但由于沉降槽的作用，同樣呈現(xiàn)出中間跨D24便梁撓度大，兩側(cè)便梁撓度小的特點(diǎn)。

3.7.3 軌面變形

列車以45 km/h通過時(shí)，鋼軌縱向高低變化值最大為20.2 mm，水平差最大為14.9 mm。隨列車運(yùn)行，以2.4 mm基長度量的三角坑最大為4 mm。與軌道動(dòng)態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值中對(duì)應(yīng)的v≤120 km/h正線及到發(fā)線Ⅳ級(jí)限速標(biāo)準(zhǔn)比較可知，鋼軌的各項(xiàng)不平順指標(biāo)均小于規(guī)定限制，列車運(yùn)行安全。

4 結(jié)束語

(1)通過上述三種情況的理論計(jì)算和現(xiàn)場測量的比較，結(jié)果表明：無脫空和半脫空二種情況下，當(dāng)列車以45 km／h的速度通過錯(cuò)位D型便梁時(shí)，縱梁撓度和應(yīng)力均在限值以內(nèi)；地面沉降以及D24、D16兩梁錯(cuò)架對(duì)軌道不平順影響較小，在控制要求范圍內(nèi)；因此在盾構(gòu)穿越過程中，必須加強(qiáng)對(duì)沉降槽影響范圍內(nèi)地面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如有超限變形，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)修作業(yè)，避免軌排下方土體產(chǎn)生過大沉降，使軌道高低變化值超限。

(2)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)穿越鐵路施工中，對(duì)既有線路進(jìn)行D型便梁加固能夠有效地控制盾構(gòu)施工引起的軌面變形，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

(3)當(dāng)隧道與鐵路交角較小時(shí)，須使用錯(cuò)位D型便梁。而由于便梁錯(cuò)位產(chǎn)生的兩側(cè)縱梁撓度和軌面變形差異，可通過在縱梁相應(yīng)位置處設(shè)置臨時(shí)支座予以減小。