铁路既有线路架空技术的研究应用

文/赵乾

为了不影响既有铁路的正常运营，确保铁路行车过程中的安全，在平交道口改下穿式立交箱形桥施工作业过程中，常采用纵横梁相结合的加固方式来架空既有铁路。本文结合永城市雪枫路下穿永煤矿区车集铁路专用线施工为例，进行线路架空技术的研究。

1.概述

随着城市的发展和规模的不断扩大，既有铁路与城市主干道大型立体交叉工程越来越多，其中大多数为箱形桥下穿铁路工程。在施工过程中，为了保证既有铁路安全运营，要求多孔连体箱桥顶进至铁路路基正下方时钢梁挠度在允许的安全范围内，设置垂直于铁路的横向钢梁和平行于铁路的纵向钢梁。通过整套纵横钢梁加固系统，形成涵洞顶进期间的临时“桥梁”，确保线路安全不间断运营。

2.工程实例

2.1 项目简介。本工程实例为永城市雪枫路下穿永煤矿区车集铁路专用线施工，在永煤矿区车集铁路专用线K2+050，雪枫路与铁路相交处新建5.5m下穿铁路箱形桥，顺铁路桥长6.6m。公路与铁路基本正交，相交处铁路、公路均为直线，铁路为单线、非电气化铁路、标准P50钢轨，钢筋混凝土II型枕。经各种经济、技术比较，既有线防护采用纵横梁架空线路、顶进施工方法最可行。

2.2 线路架空原理步骤及安全注意事项

2.2.1 线路架空原理。铁路线路架空体系由支撑点（支点桩），纵向受力体系（纵向钢梁），横向受力体系（横向钢梁），连接配件组成一个立体的空间结构，根据箱形桥强度、刚度大的自身特点及纵横钢梁可拼可接的特点，合理布置混凝土支点桩，选择最匹配的纵横钢梁组合方式，满足承载要求，达到铁路不间断运营条件，纵横钢梁便于运输、可反复利用的特点也减少施工投入成本。

2.2.2 线路架空步骤。（1）对铁路既有的通信电缆做迁移防护,待防护完成后，根据施工图设计要求施工路肩支点桩，采用人工挖孔桩，灌注桩混凝土强度C25，桩径1.25m。（2）清除支点桩及箱形桥上的杂物，找平接触面，调整好接触面标高，必要时采用方木支点，将方木固定成整体，并在上部垫竹胶板。（3）清除支点桩及箱形桥端头截面处道砟，并在支点桩及箱桥上部穿插[903]横向钢梁，穿插位置为铁路轨枕之间的空隙，使其能够架空钢轨。（4）在支点桩及箱桥横向钢梁上部安放I100工字钢纵向钢梁，清除支点桩与箱形桥之间断面道砟，穿插[903]横向钢梁，[903]横向钢梁与I100工字钢纵向钢梁间采用Φ20U型高强螺栓连接。（5）检查线路是否移动，并采用硬杂木加塞[903]横向钢梁与钢轨之间缝隙，并在火车通过期间，测量纵向钢梁挠度及支点桩及箱桥处弹性变形，确保在安全范围内。（6）顶进开挖放坡，坡度采用1:0.5的坡度，控制基础标高，进行垫层土体换填，并进行强夯，满足重型压实标准且压实度不小于95%，南侧25m范围内浇筑C25钢筋混凝土基础。（7）砌筑石砌体挡土墙，挡墙砌筑完成后，拆除纵横梁，回填道砟，调整整修线路，撤除限速恢复正常行车。

2.2.3 线路架空安全注意事项。（1）施工前，采用人工开挖方法先探明地下管线位置，按照所属部门要求，对既有地埋管线做好防护，经验收后方可施工。（2）结合安全防护要求，铁路施工现场两端500m至1000m位置设置作业标防护，作业区段应设专职防护人员，发现来车时，及时通知停止作业、人员、材料等下道避车。从挖孔桩施工开始到主体箱形桥施工完毕顶进施工期间行车限速45km/h。（3）遇阴雨天气时，路基边坡要采用防雨布覆盖，做好检查静态和动态线路，频次不小于6h/次，且每次过车前后均应附加一次线路检查，确保安全稳定。（4）I100工字钢、[903]钢梁及配件,均应符合设计要求,且使用前检查确保无损伤，满足强度要求。（5）开挖顶进施工作业中，每次顶进距离不应超过lm，严禁超挖。列车通过时严禁顶进作业,I100工字钢拼接接头下用枕木和木楔顶紧。（6）每次顶进后,应重新检查线路加固情况,若出现线路高低不良问题，采取在合适位置加设木楔的方法及时恢复线路标高。每次铁路过车前后均应附加一次线路检查，确保线路几何尺寸符合标准。（7）对于变形或者有伤损经鉴定不符合要求的构件,在线路架空施工过程中严禁使用。

2.3 线路架空安全性验算

2.3.1 横向钢梁计算。横向钢梁的计算长度取4.2m,每组由2片[903]背靠背组成，横向钢梁截面特性：Wx=876cm3，Ix=13130cm4，g=112kg/m。其中每组横向钢梁都是由[903]错开组拼成的,因此共两个截面：一个是2片[903]靠在一起的截面，一个是1片[903]。因此计算时计算一组横向钢梁（2片[903]），应力计算时应按照最不利截面计算。力学模型按照简支梁结构进行建立，如图所示：

图1 架空线路立面图

图2 架空线路平面图

图3 横向钢梁简支结构力学模型

荷载计算。荷载包括列车活载、自重静载。列车活载取特种活载（重25t，间距1.5m）。自重静载包括每股道线路自重及横向钢梁自重。

恒载:钢轨和轨枕：0.05t/m×0.6m×2+0.23t=0.29t；横向钢梁由2片[903]组成,自重荷载为:q=0.112t；活载:按中一活载25t特种活载计算以每轴重由3根抬梁承担p=25t/3=8.33t。冲击系数取1.5,因此P活=8.33t×1.5=12.50t,F=（P活+O.29t）/2=6.4t。支反力:F1=F2=64+（1.12×4.2）/2=66.35KN；则跨中最大弯矩:M=66.35×2.1-64×0.75-（1.12×2.12）/2=88.87KN。验算：Q=M/Wx=88.87×1000/876=101.45Mpa＜[Q]=210Mpa。因此，[903]横向钢梁强度满足要求。f=[5ql4/384EI+Fa（3l2-4a2）/24EI]=[5×1120×4.24/384×210×109×13130×108+64000×1.35（3×4.22-4×1.352）/24×210×109×13130×108]=0.006mπ×4.2/400=0.011m；因此，[903]横向钢梁刚度满足要求。

2.3.2 纵向钢梁计算。验算跨度取L=9m。列车限速按45km/h。

（1）荷载计算。1)恒载计算

图4 纵梁简支结构模型

恒载考虑钢轨、轨枕、抬梁及纵梁自重，钢轨、轨枕、抬梁间隔0.6m，所以取0.6m为一个单元进行计算。简支结构模型如下：钢轨、轨枕自重荷载：F=（0.05t/m×0.6m×2+0.23t)/2=0.145t；一组[903]的自重荷载:q=0.112t；支反力：F1’=F2’=1.45+1.12×4.2/2=3.8KN。2）活载计算中-活载换算均布活载：当L=9m，α=0.5，查表知K=144.67t/m；冲击系数:μ=1+n[（40+L）=1+0.185×28/（40+10）l=1.1，所 以：F=（K×0.6m）×μ2=4.841t，支反力:F1”=F2”=48.41KN。（2）纵梁计算，纵梁按跨度9m的简支梁计算，工钢截面特性：I=787228cm4；W=13900cm3简支梁均布荷载q为：q=ql+q工钢=（Fl+F2）×16/9+q工钢=（3.8+48.1）×16/9+3.75=96.57KN/m。1）反力、内力计算：R左=R右=434.57KNMmax=ql2/8=977.77KN.M。2）应力、挠度计算：Qmax=M/Wx=977.77×1000/13900=70.34Mpa＜[Q]=190Mpa，f=5ql4/384EI=5×96570×94/（384×210×109×787228×10-8）=0.005mπl/400=0.0225m。）剪力计算，假定端部剪力全部由腹板承受，tmax=1.5R左/（hd）=1.5×434.57×1000/（0.92×0.019）×10-6=37.3Mpa，π0.75[σ]=127.5Mpa

2.3.3 支点桩计算。支点桩采用桩径Φ1.25m的挖孔桩，钢筋混凝土桩帽，桩长7m。桩帽尺寸：2×2×0.5m。地质为：粉砂，中密。作用于桩帽顶面的竖向力：Fk=434.57KN。桩基桩帽自重:Gk=（3.14×0.6252×7+2×2×0.5)×25=264.6KN，单桩所承受的竖向力：Qk=(FK+Gk)/n=(434.57+264.6)/1=699KN，单桩竖向承载力特征值：Ra=u pψsqsials+ψpqpaAp，u p—桩身周长3.927m；ψs—大直径桩侧阻效应系数（0.8/D）1/3=0.8618；qsia—桩侧土的侧阻力特征值40Kpa；ls—桩长7m；ψp--大直径桩端阻效应系数（0.8/D）1/3=0.8618；qpa—极限端阻力特征值450Kpa；Ap—桩端面积1.227m2，单桩竖向承载力特征值：Ra=3.14×0.8618×40×7+0.8618×450×1.227=1233KN，Qk=699KN＜Ra=1233KN。因此，单桩承受的竖向力小于单桩竖向承载力特征值，所以支点桩采用桩长7m，桩径1.25m的挖孔桩满足施工要求。

2.3.4 梁体验算说明。计算时未考虑纵梁辅助受力情况,使得验算结果更趋于安全。纵横梁连接采用了高强螺栓和高强夹板,在计算过程中可看作等强联结,按等强联结进行了考虑验算。

2.3.5 验算结果。通过对纵向钢梁、横向钢梁和支点桩的计算,考虑多种因素可得,纵横梁线路架空加固方案的主要承受荷载构件是安全、可行的，具有很高的安全储备系数。

3.结论

本文结合永城市雪枫路下穿永煤矿区车集铁路专用线施工实例，分析了纵横梁架空线路施工方法的原理、流程及安全注意事项，并通过力学分析验证，纵横梁架空线路施工方法是安全可靠的。该施工方法，在国铁和地方铁路上均有采用，实践证明是行之有效的，具有较高的推广价值。

引用出处

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