沪杭高速铁路无砟轨道结构桥梁支座更换施工技术研究

夏 铭

(中铁十一局集团沪杭高铁项目经理部，杭州 314510)

1 概况

沪杭高速铁路无砟轨道工程于2010年8月20日完成无砟轨道及跨区间无缝线路的铺设，动车联调联试的准备工作已经完成。在进行工务静态验收过程中，发现沪杭高速铁路嘉桐特大桥(40+56+40)m三跨连续梁边墩673号墩支座GTQZ－VI－7000－DX－e100上支座板发生挠曲变形，上座板纵桥向杭州一侧向下挠曲变形最大处约为12 mm，上海一侧向下挠曲变形约为8 mm。无砟轨道结构已经完成，即进入联调联试阶段，如不采取果断措施更换变形的支座，则可能在联调联试及将来的运营过程中留下巨大的安全隐患，因此沪杭客专公司领导和施工单位领导高度重视，采取果断措施更换支座。

2 更换无砟轨道上支座的限制条件及理论分析

2.1 更换支座的限制条件

在已经完成无砟轨道结构及铺设跨区间无缝线路的桥梁上更换连续梁大型支座，需要满足以下几个条件。

(1)更换桥梁支座需要将梁体顶起5～10 mm的空间，确保支座可以较为顺利地拆出和安装。

(2)桥梁顶起后，连续梁、无砟轨道结构不会发生结构受力破坏。连续梁在主墩位置桥梁底板处梁体混凝土受到的拉应力应小于桥梁混凝土的允许拉应力，无砟轨道结构也将随桥梁顶起而产生位移，在桥梁梁端位置的底座板将出现的拉应力要小于该混凝土的允许拉应力，无缝线路钢轨产生的应力应变，均要满足强度和形变要求。

(3)支座更换完成后，轨道结构的几何状态、轨道顶面高程满足高速铁路运营的要求。梁体顶起后由于受力的影响，轨道结构可能发生纵向位移而导致几何状态发生变化，特别是轨道结构高程的变化，可能导致高速铁路无法正常运营。支座重新受力后存在压缩变形量，这对无砟轨道无缝线路的几何状态可能造成较大的影响，因此在制定更换方案时必须考虑预留支座压缩变形量。

(4)在支座更换过程中要对梁体、无砟轨道结构、轨道几何尺寸进行应力应变的监控量测，保证结构的安全。

(5)更换支座的时间控制。由于支座更换难度较大，需要花较多的时间来实施更换，且在线路成型后有较多的机车车辆运行，如封锁时间过长，对线路运行有较大的影响，因此必须控制更换时间在规定的范围内。

2.2 更换支座的理论分析

(1)由于无砟轨道结构及铺轨、轨道几何状态精调工作完成，在梁体一侧顶起后，会由于无砟轨道结构受到较大的剪切应力而产生破坏，因此为了确保无砟轨道结构不被剪切破坏，在顶起梁体的过程中，两侧梁体应同时顶起，控制措施采用梁体上升位移控制，而不能采用顶起应力来控制。通过理论计算，连续梁位置顶起顶力为7 000 kN以上，简支梁端顶起顶力为5 000 kN以上，具体顶力要根据实际顶起进行量测(采用油压表读数测量顶力)。

(2)顶升应力计算。其计算假定:箱梁按照设计尺寸;底座板横截面宽2.9 m，高0.19 m;轨道板横截面宽2.55 m，高0.2 m;钢轨使用60 kg/m轨;扣件纵向阻力为30 kN/m.线，极限位移0.5 mm;两布一膜摩擦系数0.2;不考虑乳化沥青砂浆变形(计算假定与实际结构有区别，计算结果仅作参考)。

采用“桥梁博士”软件建立数学计算模型，分别计算顶起5、10 mm后需要的顶力、连续梁底部受到的最大拉应力、无砟轨道结构受到的最大拉应力、钢轨结构受到的最大拉应力，通过计算，结果如下。

顶升5 mm计算结果:连续梁底部最大拉应力为1.52 MPa，梁缝上方，轨道板上缘拉应力最大为2.63 MPa，底座板下缘压应力最大为2.48 MPa。钢轨上缘拉应力最大为 9.48 MPa，下缘压应力最大为6.27 MPa。

顶升10 mm计算结果:连续梁底部最大拉应力为3.22 MPa，梁缝上方，轨道板上缘拉应力最大为5.26 MPa，底座板下缘压应力最大为4.94 MPa。钢轨上缘拉应力最大为 18.95 MPa，下缘压应力最大为12.55 MPa。

通过理论计算，在梁体顶起5～10 mm的情况下，连续梁、轨道板结构及钢轨均能够满足受力的要求，不会产生裂纹等破坏作用，但当顶起10 mm及以上的情况下，轨道板上缘最大拉应力为5.26 MPa，不满足C55混凝土允许拉应力要求，即说明如果顶起高度超过10 mm，轨道板结构可能会产生受力破坏。因此为了确保结构不受到破坏，顶起高度应控制在10 mm以下，以确保结构安全。

(3)现场为了满足更换桥梁支座的要求，通过反复论证，认为要达到支座更换的条件，顶起位移至少不小于6 mm，否则无法更换支座，这与理论计算的10 mm相比，能够满足更换的条件。

3 桥梁支座更换施工方案

桥梁支座更换总体方案是:做好各方面的施工准备，封锁线路后，采用大吨位油压千斤顶将墩顶的梁体同时顶起，采用倒链将支座拉出桥梁外，凿出灌浆料后重新安装新支座就位，梁体下落，灌注灌浆料，达到强度后退出千斤顶，恢复线路通行。在更换过程中要对桥梁及轨道结构进行应力应变的监控与监测。

(1)更换支座的施工准备工作

明确施工方案，准备好大吨位千斤顶(5 000 kN千斤顶5台，使用4台，备用1台)，千斤顶位置在横桥向安装在支座轴线上，千斤顶直接安装在墩顶，千斤顶中心距支撑垫石边缘为40 cm，油压泵2台及相应的管道连接构件;厚度30 mm的大块钢板4块，用于支撑垫石顶及梁底，避免顶起时发生混凝土局部破损;操作使用的施工平台，各种应力应变元器件的安装调试，待更换支座到位并检查合格，各作业人员的分工，现场指挥与控制等。

(2)封锁线路进行加压顶起

4台油压千斤顶对应连续梁和简支梁的2个支座纵向轴线与原支座相邻位置安装，横向连续梁或简支梁位置的2台千斤顶连在同1个油压泵上，保证同一片梁体两侧顶力相同，避免形成偏载。在线路封锁的情况下，顶起分2个过程，第一个过程是先将4个支座的上板螺栓全部卸掉，在顶起前采用千分尺测量GTQZ-VI-7000-DX-e100支座上下板的间距，缓缓加油顶起，待梁体完全与支座脱离开后测量支座上下板间距，同时测量该支座的上板平直位置高程，计算支座的压缩变形量，上支座板高程作为控制更换支座的高程，以便充分考虑支座的压缩变形量;第二个过程是将油压泵回油，梁体回到原有位置后对需要更换的支座拧紧支座上板螺栓，采用支座固定装置将需要更换的支座上下板紧固起来后再加压顶起梁体，直到支座与灌浆料全部脱落开，停止顶起，开始更换支座。千斤顶顶梁布置见图1。

图1 顶梁时墩顶千斤顶布置示意

(3)支座拆除

高速铁路支座螺栓是套筒式结构，螺帽直接与支座螺栓套筒相连接，在拆除支座螺帽后，套筒留在螺栓孔内，螺帽连接杆取出后，支座板在支座螺栓套筒以外，支座较为容易拉出。完全卸掉支座上、下板螺帽后，采用倒链将需拆除的支座拉出梁体，注意:由于顶起的高度为6 mm，空间位置十分有限，且支座质量大，必须谨慎小心，避免在拆除支座时损伤梁底或支撑垫石。

(4)对梁底及支座灌浆料进行处理

梁底处理主要是对支座板顶位置处的梁底进行平整、打磨等清洁处理，确保支座上板与梁底有较好的结合面，支座底部的灌浆料必须全部凿出，露出支撑垫石较为平整的混凝土面。

(5)支座安装就位

将事先准备好的支座就位，注意支座在安装前采用支座紧固装置将支座上板与下板连接牢固，确保支座整体性安装就位。就位后支座上板与梁底螺栓连接，将支座吊起来，开启油压泵回油，使连续梁和简支梁端缓缓下落，直到支座顶面设计高程为止(应考虑支座受力后的压缩变形量)。

(6)灌注支座灌浆料

对更换的支座和其他3个支座进行全面检查，确定无误后灌注支座灌浆料，一般2 h后即可退出千斤顶，检查完线路几何尺寸，确保线路无误后即可开通线路。

4 桥梁支座更换过程中的监测与监控

支座更换的检测与监控包括3个方面，一是对梁体、底座板、轨道板、钢轨的应力应变的监测;二是对轨道、底座板、轨道板纵向位移及钢轨顶面高程的监测;三是对顶起高度的监控。

对梁体、底座板、轨道板、钢轨的应力应变的监测是采取提前在这些需要监测的位置安装应力应变片，并将这些元器件接入测量器具，与电脑相连，在顶升过程中直接测量出各部位的应力应变情况，随时判断各结构体所处的受力状态，以确保作业过程中结构体的安全，以结构体的应力应变不超过设定的标准值为限度。

对轨道结构的几何状态及高程的监控，主要采用电子水准仪、千分尺进行现场测量。

桥梁顶起的高度既是更换的必要条件，同时也是控制结构是否发生破坏的关键环节，因此在顶起过程中由现场技术负责人进行控制，以确保结构的安全。现场采用千分尺对顶起高度进行现场监控。

在此次的支座更换过程中，聘请了铁科院专家到现场实施支座更换各工况的计算及应力应变的监测监控，并通过最终监控量测的数据对计算的结果进行验证。

5 桥梁支座更换后的效果

桥梁支座更换后，桥梁、无砟轨道底座板、轨道板及乳化沥青砂浆层没有出现裂纹，底座板、轨道板及钢轨没有出现纵向位移，轨道恢复后几何状态良好，钢轨顶面高程比更换前高出0.2 mm，轨距没有发生变化，效果比较理想。

但是整个支座更换过程用时较长，从2010年8月30日8∶00开始顶升梁体，到当天晚上11:30才恢复轨道结构，共计用时15.5 h，如在已经运营的线路上进行支座更换，是不会允许有这么长的要点时间的，因此必须对更换的过程进行更进一步的研究，以压缩支座更换的时间。如能将支座更换的时间压缩到8 h以内，则今后在无砟轨道营运线上进行支座更换将变成可能。要更好地控制好更换的时间，首先要做好各个方面的充分准备，方案、工具、人员均要安排到位，作业平台要十分安全、可靠，方便作业，可以压缩的时间空间主要是顶升、拆除既有支座、凿出灌浆料及安装支座等几个工序方面。另外在支座更换期间，由于更换支座时间较长，且有大吨位千斤顶的支撑，工程列车在减速的情况下通过还没有更换完支座的梁段，对梁体、无砟轨道结构及支座、千斤顶影响较小，安全上是可控的，说明将来在高速铁路运营条件下更换支座技术上是可行的。

6 结语

嘉桐特大桥成功完成支座更换的工程实践表明，高速铁路无砟轨道结构上，采用大吨位千斤顶顶起梁体更换支座，技术上是可行的。但在过程中要严格控制顶起的高度，梁体两侧分别同时顶起，控制其相对顶起位移量，确保梁体、无砟轨道结构不受剪切破坏，这是在更换过程中必须严控的。更换中要加强梁体、无砟轨道结构应力、应变的监测，更换完成后对无砟轨道结构的几何尺寸做全面检查，确保几何状态良好后才能开通线路。

［1］中华人民共和国铁道部.铁建设［2008］47号 新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［2］中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国铁道部.TB/T1853—1995 铁路桥梁铸钢支座［S］.北京:中国铁道出版社，1995.

［4］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T17955—2000球型支座技术条件［S］.北京:中国标准出版社，2000.