错位D型便梁在盾构下穿铁路施工中的应用

周冠南 宫全美 肖飞知 张柏林

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,200092,上海;2.南京地下铁道总公司,210008,南京∥第一作者,博士研究生)

在地铁隧道和城市道路下穿既有铁路时,一般采用盾构、暗挖及箱涵顶进的方法。在现有技术条件下,无论如何控制,穿越施工都不可避免地对上部土体产生扰动。当这些扰动反映到轨面时就会导致铁路线路的不平顺,对高速运行的列车产生极大威胁。因此,为确保施工及铁路安全,减少穿越施工对铁路行车影响,一般对所穿越线路架设D型便梁进行防护。由于其结构简单,拆装运输方便,对线路保护效果明显,在下穿既有线施工中得到了广泛的应用。

目前针对D型便梁的应用和理论已进行了一定的研究。文献[1-2]针对便梁动态安全特性进行试验研究及理论分析,研究了轨道结构、便梁和便梁支墩动态参数的变化对列车运行安全的影响。文献[3]利用有限元分析了列车通过便梁时的安全指标,并将理论分析结果与测试结果进行对比分析。文献[4-6]针对地铁暗挖隧道施工对既有线路的安全影响,研究了既有铁路采用D24便梁的加固方案,并提出了穿越区隧道的主要施工技术。文献[7]针对列车限速值提高至60 km/h时,便梁、列车和线路状态的影响等有关内容进行试验评估。

本文以南京地铁2号线盾构隧道下穿宁芜铁路为背景,对在实际施工中应用较少的错位D型便梁加固线路措施进行研究,对便梁应力,挠度和轨面变形进行计算,并与实际施工效果进行对比分析。研究结果对类似的下穿铁路工程有一定的借鉴和指导作用。

1 D型便梁的特点及原理

D型便梁是用于在铁路既有线下方施工时加固线路,使线路轨道结构保持正常的几何形位,确保既有线正常运营而架设的临时结构。其本质是一种特殊的桥梁结构,目的是在不中断行车的情况下,最大限度地减少轨下施工对铁路的干扰。

D型便梁分为 D12、D16、D20、D24四种型号,跨度分别为12.06 m、16.08 m、20.10 m 和24.12 m,适用于铁路下方各种跨度的穿越施工,主要组成部分包括纵梁和横梁及其连接构件。各标准跨度D型便梁纵梁(主梁)采用箱形结构,高度和宽度随跨度增大而递增;横梁宽度为0.21 m,长度为3.96 m。横梁两端通过连接板及牛腿与纵梁定位相连。横梁上设有若干孔眼,以便于安装扣件,固定钢轨。在梁底通过节点板设置斜连接系杆以增强D型便梁的整体稳定性。D型便梁结构如图1所示。

图1 D型便梁横断面结构示意图

2 错位D型便梁的应用

2.1 穿越工点概况

南京地铁2号线东延线盾构隧道左线和右线分别在K27+035和K27+000处下穿宁芜铁路(铁路里程分别为宁芜线K6+450和K6+475),左线隧道和右线隧道与宁芜铁路的交角分别为26.76°和23.70°,两隧道中心线水平间距 13.2 m,埋深8 m。盾构隧道与铁路相交段的地层主要为素填土和粉质黏土,其中盾构隧道主要位于粉质黏土层。盾构隧道与铁路相对位置及穿越土层情况如图2和图3所示。

图2 隧道下穿宁芜铁路平面示意图

图3 地质剖面图

宁芜铁路全线长121.05 km;行车密度为客车21对/天,货车28对/天;设计货车速度为80 km/h,客车速度120 km/h。盾构下穿施工直接影响宁芜铁路的行车安全,必须采取有效措施进行保护。

2.2 便梁加固措施

本穿越工点上覆土层相对较薄,隧道与铁路的交角小,影响范围大,又存在铁路动荷载的影响。这些综合因素可能导致盾构穿越施工时轨面的平顺性无法保证。为降低工程风险,分别对两隧道穿越铁路节点处架设3孔D24型和D16型组合施工便梁防护线路。由于隧道与铁路交角较小,便梁结构需错位布置。其中,中间一跨的D24型便梁错13档布置,两侧便梁采用D24和D16相对应错1档布置。中间一跨便梁支墩采用1.5 m直径的人工挖孔桩,桩长为26 m;人工挖孔桩间用长11.3 m的连梁连接。两侧支墩采用独立基础,采用6.0 m连梁连接。人工挖孔桩、独立基础和连梁均采用C30钢筋混凝土。由于本工程中便梁错位布置,为防止列车通过时铁路两侧便梁产生的挠度差异较大,在与挖孔桩对应的另一侧纵梁下部设置临时支座。便梁架设现场和平面设计分别如图4和图5。

图4 便梁架设施工

2.3 控制标准

从保证便梁结构的稳定性和列车行车安全性出发,设计及计算时主要按以下标准控制。

2.3.1 纵梁的应力

纵梁均为16Mnq钢,容许应力240 MPa。

2.3.2 纵梁挠度

D16和D24便梁是按照铁道部钢桥规范挠跨比1/800做的设计。D16跨中竖向位移的设计值为20 mm,D24跨中竖向位移的设计值为30 mm。但便梁作为临时结构,列车通过时需限速,所以《铁路工务安全规则》[8]中规定,纵梁的挠度不超过跨度的1/400。D16纵梁挠度允许值为40 mm,D24纵梁挠 度允许值为60 mm。

图5 便梁结构平面设计图

2.3.3 轨道不平顺

使用D型便梁加固线路时,当线路下部土体由于盾构施工扰动失去支撑作用时,钢轨直接作用在便梁的横梁上,原有的路基、轨枕失去了支撑能力,列车运行时的所有荷载(包括钢轨重量)均由便梁承担。而便梁作为一种临时结构,整体性相对较差、竖向刚度小,轨道的稳定性与直接作用在路基上相比大大降低,从而影响列车的正常运营,危及行车安全。因此我国现行的铁路规章中明确规定,列车通过便梁时限速45 km/h行驶。对轨道的偏差控制按照铁道部《铁路线路维修规则》[9]中轨道动态几何尺寸容许偏差管理值进行规定。

3 数值模型建立

3.1 计算模型

运用有限元软件SAP对盾构隧道右线穿越铁路时的便梁架设方案进行分析和计算。计算模型根据盾构隧道右线施工时施工便梁的布置图建立。箱形纵梁和“工”字形横梁有螺栓可靠连接,模拟为刚接。纵梁长度按实际长度考虑。便梁的纵梁和横梁全部采用空间梁单元进行模拟。

按照施工实际情况考虑,在盾构施工时产生的沉降槽影响范围以内土体脱空,列车荷载全部由横梁承担,在此影响范围以外道床参与承载,沉降槽按照南京地区盾构施工经验取隧道轴线两侧7.0 m。在盾构施工影响区域外侧施加弹簧模拟道床的承载作用。

建立有限元模型如图6所示。为便于分析,分别将图6中所示的纵梁由左至右编为1号、2号、3号。

3.2 计算参数选取

3.2.1 结构参数

纵梁与横梁几何参数与材料参数均按实际值输入。D24便梁长度24.5 m,D16便梁长度16.4 m,横梁长3.96 m。纵梁和横梁截面尺寸见图7。

便梁结构材料采用 16Mnq钢,计算参数取值E=2.0×105MPa,μ=0.3,ρ=7 850 kg/m3。

图6 便梁结构三维有限元模型示意图

图7 便梁截面尺寸示意图

3.2.2 荷载

作用在便梁上的荷载按规定采用中-活载,以45 km/h速度通过便梁。荷载形式如图8所示。

图8 中-活载示意图

4 计算结果分析

4.1 纵梁内力

对列车以v=45 km/h通过时纵梁承受的弯矩和应力进行检算。纵梁弯矩包络图如图9所示。取各纵梁弯矩最大值进行整理,得出纵梁应力最大值,如表1所示。

图9 纵梁弯矩包络图

表1 纵梁最大弯矩与应力

计算结果表明,列车荷载在纵梁上产生的弯矩和内力均满足使用要求。其中,中间一跨D24便梁(2号)由于下部土体完全脱空,列车通过时其产生的弯矩最大;而两侧的D16(1号)和D24(3号)便梁的一部分在盾构隧道施工影响范围以外,道床参与承载,列车通过时在纵梁上产生的弯矩相对较小。同时,在D24便梁纵梁中设置的临时支座有效地减小了跨中挠度,如图9(b)、(c)所示,对整个结构安全较为有利。

4.2 便梁纵梁跨中挠度

将计算得到的纵梁在列车以45 km/h的速度通过时的最大挠度值与控制标准进行比较,结果如图10与表2所示。

图10 纵梁最大挠度

由表2可知,列车荷载在D16和D24型施工便梁纵梁产生的跨中挠度值小于容许值,满足使用要求。其中,中间一跨D24纵梁的挠度最大为18.31 mm,两侧两跨纵梁相对较小,分别为14.8 mm和11.35 mm。

表2 纵梁最大挠度

4.3 轨面变形

由于便梁架设时错档布置,横梁在两侧便梁上支撑的位置不同,两股钢轨的支撑刚度并不一致。当列车通过时,由列车传递至两侧的荷载有所差异,由此在钢轨及便梁上产生的挠度也不尽相同。在本结构体系中表现为列车通过便梁时(假设列车由紫金山方向开向沧波门方向),先是右股钢轨的变形高于左股钢轨,接着是左股钢轨的变形高于右股钢轨。如此重复变化三次,产生三角坑。而三角坑将会引起车辆的侧滚和侧摆,极易引起轮载变动。严重的三角坑将导致车辆转向架呈三轮支撑一轮悬浮的恶劣状态,甚至引起车辆倾覆脱轨,严重危及行车安全。因此,必须将轨道不平顺限定在一定程度之内,一旦发现超限,立即予以消除。图11为列车以45 km/h通过便梁结构时两侧轨道的不平顺值。

图11 轨面不平顺

由图11可见,列车以45 km/h通过时,钢轨纵向高低变化值最大为21.5 mm,水平差最大为8.4 mm。随列车运行,以2.4 m基长度量的三角坑最大为4 mm。与轨道动态几何尺寸容许偏差管理值中对应的v≤120 km/h正线及到发线Ⅳ级限速标准比较可知,在采用本设计方案的情况下,轨道的各项不平顺指标均小于规定限制,列车运行安全。

5 施工效果

表3所示为右线盾构穿越铁路时中间一跨D24便梁防护的线路中轨面累计沉降量。从表中可以看出,盾构穿越引起的轨面沉降量最大仅为4 mm,远小于计算值,均在控制范围内。

表3 各主要监测点累计沉降量 mm

6 结语

(1)理论计算表明,当列车以45 km/h的速度通过错位D型便梁时,便梁纵梁的应力及挠度均满足使用要求,所防护的线路轨面变形在控制要求范围内;

(2)现场监测数据表明,盾构穿越铁路施工中,对既有线路进行D型便梁加固能够有效地控制盾构施工引起的轨面变形,降低工程风险;

(3)当隧道与铁路交角较小时,须使用错位D型便梁。而由于便梁错位产生的两侧纵梁挠度和轨面变形差异,可通过在纵梁相应位置处设置临时支座予以减小。

[1]郭相武.铁路便梁动态特性的试验研究[J].铁道建筑技术,2004(5):23.

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[5]马文天.南京地铁南京站过站区隧道施工技术[J].铁道标准设计,2003(10):57.

[6]陈周斌,吴祖福,董光炎.浅埋隧道下穿铁路的线路加固措施与效果分析[J].铁道标准设计,2005(3):27.

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[8]中华人民共和国铁道部.铁路工务安全规则[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[9]中华人民共和国铁道部.铁路线路维修规则[M].北京:中国铁道出版社,2001.