金华某铁路大桥独立防撞墩设计与施工影响分析

关莎莎

(杭州铁路设计院有限责任公司,浙江 杭州 310004 )

1 工程概述

1.1 项目概况

金华航段所涉及的水域某铁路大桥净高满足7.0 m要求,净宽不能满足Ⅳ级通航要求。须对该桥梁通航孔设置相应的防撞设施,以确保通航桥梁的安全。

图1 铁路桥立面图

目前该铁路线路主要以货运为主。该铁路大桥建成于1957年,全长564.2 m。线路情况：单线,直线,P60钢轨,有缝线路。2015年,相关部门对该桥5#～9#桥墩基础进行病害整治。加固方案采用双壁钢围堰作为挡水结构,围堰分为上下两节并通过法兰盘联结,底节在加固施工完成后永久保留。

1.2 工程地质

各土层的工程地质情况见表1。

表1 地基土承载力参数

2 防撞墩设计

2.1 船舶撞击荷载标准值

根据《铁路桥涵设计规范(TB 10002—2017)》[1]船只或排筏撞击力

式中:γ为动能折减系数(s/m1/2),当船只或排筏斜向撞击墩台(指船只或排筏驶近方向与撞击点处墩台面法线方向不一致)时可采用0.2,正向撞击(指船只或排筏驶近方向与撞击点处墩台面法线方向一致)时可采用0.3;

υ为船只或排筏撞击墩台时的速度(m/s),此项速度对于船只采用航运部门提供的数据,对于排筏可采用筏运期的水流速度；

α为船只或排筏驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角,应根据具体情况确定,如有困难,可采用α=20°；

W为船只重或排筏重,kN；

C1、C2为船只或排筏的弹性变形系数和墩台的弹性变形系数,缺乏资料时可假定C1+C2=0.000 5 m/kN。

将通航500 t级船舶按照漂流物撞击考虑,本次设计中船舶撞击力按照横桥向2 474 kN考虑。

2.2 防撞墩平面布置

防撞墩平面布置遵循以下原则： 1)防撞墩设置,

在施工时,不得对原桥产生安全影响；2)桥梁为双孔单向通航孔,航道设计中心线与桥梁中心线交角尽量接近90°,在不减少原有通航尺度前提下,保证通航顺畅。根据以上原则,该铁路大桥为双孔单向通航,在通航孔范围,沿桥墩外沿,迎船行驶方向偏移10 m位置设置防撞墩,在桥梁主通航孔桥墩来船方向,上、下游侧各布置4座,共8座防撞墩。见图2。

2.3 防撞墩高程设计

防撞墩高程参照河床、水位等高程确定,防撞护弦高程结合最高最低通航水位确定,防撞墩顶标高按照百年一遇洪水位高程确定。

2.4 防撞墩结构形式

采用单桩结构防撞墩方案,其直径为2.2 m,采用钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩基嵌入岩层,入土深度约12 m。防撞墩上部外包钢板护筒,钢结构护筒需做好防腐蚀处理。防撞墩迎船舶撞击面一侧外缘设置橡胶护舷,以保护船体及防撞墩。墩顶设置太阳能信号灯,墩外侧设置警示漆。防撞墩结构配筋、入土深度等均满足受力要求[2]。

图2 防撞墩布置平面图

3 涉铁影响分析

为了从整体上把握防撞墩施工及竣工后对既有铁路桥梁的影响,结合该场地的工程地质、设计及施工方案,选用迈达斯GTS NX建立数值模型,分析新建防撞墩施工及竣工后对既有铁路桥梁的影响。

3.1 计算模型

本次计算地层岩体本构模型采用D-P模型,采用三维实体单元模拟岩土体。计算模型的边界约束为：模型底部固定约束,左右、前后侧面约束相应水平位移。计算模型中的土体参数根据地勘报告数据及参考相关工程确定。综合考虑边界效应及计算效率,模型范围：X×Y×Z方向分别取51 m×65 m×30 m。计算模型见图3。

图3 有限元整体模型

3.2 计算结果

本次影响分析分为两个工况。

工况一：钻孔桩施工过程；工况二：防撞墩竣工。

表3 新建防撞墩施工阶段引起铁路墩(施工侧)的变形 mm

从表3可以看出,钻孔桩施工及防撞墩竣工工况对既有桥墩存在一定的影响,但影响均比较小。

4 施工监测

4.1 监测标准

根据中国铁路总公司《普速铁路线路修理规则》(2019),参考线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值,结合本工程的实际情况,建议的监测项目及报警值见表4。

表4 监测的控制标准和预警标准

4.2 监测点布置

监测点布置见图4。

图4 基准点和基准控制点布置方案

4.3 监测结果(4#、5#、6#)

监测结果见图5～10。图中的监测结果中X方向为横桥向,Y方向为顺桥向,Z方向为竖向。

图5 Z3点位移变化曲线

图6 Y3点位移变化曲线

图7 Z4点位移变化曲线

图8 Y4点位移变化曲线

图9 Z5点位移变化曲线

图10 Y5点位移变化曲线

1)根据监测结果,在防撞墩钻孔施工完成之后,各个监测点的位移速率逐渐变小,X、Y方向累计位移以及Z方向累计沉降趋于稳定。

2)根据监测结果,各个测点最大累计位移均小于4 mm,表明防撞墩施工对于铁路桥的影响在安全可控范围内。

通过施工监测,达到了监控预期目的,铁路桥防撞墩施工对于铁路桥影响较小,铁路桥处于受控和安全状态。

有限元计算结果铁路桥墩横桥向水平变形略大,而监测结果反映桥墩的竖向沉降略大,分析原因在于实际桥墩顶部存在一定的横向约束造成。本工程位置地层为风化岩层,岩层的地质参数需根据经验选取,岩石参数选取也是计算结果可靠与否的重要前提[3]。

5 结 语

针对该铁路大桥通航等级提高,船舶运行繁忙及铁路安全性的特点,设置防撞墩是必要的。防撞墩设计的优劣尤其关系到桥梁的安全。目前,我国尚未建立系统的防撞墩设计理念,故应充分吸收其他国家的先进成果和经验教训,重视防撞墩设计及施工专题研究,进而设计出结构更加合理的作品。