基于预制箱梁过隧道的几何相容性安全研究★

谢文祥，樊元萍，赵挺生，尹璐君

(1.湖北经济学院工商管理学院,湖北 武汉 430205; 2.华中科技大学土木工程与力学学院,湖北 武汉 430074)

0 引言

近年来,我国高速铁路发展迅速,国家发改委提出构建“八纵八横”高速铁路主通道,预计到2030年,将建成总里程45 000 km高速铁路。高速铁路桥隧比较高,因而有大量的预制箱梁需要穿隧道进行架设,但采用运梁车载运箱梁通过隧道时往往受到隧道净空制约,架桥机因外部尺寸超过隧道净空而无法通过隧道的现象也普遍存在,这两个问题成为当前高速铁路建设中急需解决的技术难题。

针对预制箱梁穿隧道的问题,张晓宏等[1]总结出箱梁通过隧道时,箱梁的运输和架设应注意的要点;杨红亮[2]提出在隧道内设置预制梁场的方法;丁文长等[3-4]提出对普通运梁车进行改进设计以保证箱梁安全通过隧道的问题;李维玲等[5-6]研制900 t级低位过隧运梁车解决箱梁过隧道的问题;陈树登等[7-8]介绍了过隧道“小解体”作业和整机架桥机不解体过隧道进行架梁作业等程序;韩益民等[9-11]分析了架桥机在隧道进口时最后1榀箱梁、隧道出口首榀箱梁的施工方法;王模公等[12-13]探讨了架桥机过隧道后架桥机组装作业场地的情况、隧道出口拼装场地支架设计及验算等内容;高自茂等[14]详细分析了架桥机通过隧道的施工安全控制等内容;宋津喜等[15]指出使用运架一体式架桥机,解决隧道口狭小空间进行架梁的难题。然而,针对箱梁穿隧道几何相容性分析,鲜有涉及。

本文以西宝客专小村隧道为试验分析对象,分析箱梁过隧道几何相容性的问题,提出箱梁过隧道几何相容性安全分析的原则、程序和方法,确保预制箱梁安全通过隧道,保证客运专线桥梁、隧道工程的建设顺利完成,具有重要意义。

1 预制箱梁过隧道几何相容性安全分析

解决预制箱梁过隧道的问题,应明确预制箱梁过隧道几何相容性安全分析应遵循的原则和程序,系统解决预制箱梁过隧道的问题,预防安全事故发生。

1)几何相容性安全性分析的原则。预制箱梁过隧道静态几何相容安全性分析,应遵循“以安全距离为约束,以主体结构完整性为保障,辅助工程调整为主;以隧道最大净宽为目标,选择适宜预留高度;分析最小断面,核对变坡点,检查运行纵坡线;预留槽口后浇筑,本质安全是变形”的原则。

“以安全距离为约束,以主体结构完整性为保障,辅助工程调整为主”指因隧道仰拱填充表面平整度允许值为±1 cm,运梁车行驶过程中存在运行偏差,为预防运梁车行驶过程中碰撞隧道,预制箱梁穿隧道静态几何相容性安全距离为5 cm[16]。由于隧道仰拱填充混凝土预留高度与运梁车载运箱梁过隧道的最小安全距离呈线性关系,应以隧道内最小安全距离为约束条件,以不改变隧道和箱梁主体结构的尺寸为保障条件,提倡以施工方法的调整为主,以保证预制箱梁通过隧道的安全[17]。

“以隧道最大净宽为目标,选择适宜预留高度;分析最小断面,核对变坡点,检查运行纵坡线”指隧道仰拱位于隧道断面(通常为圆形)的下半圆内,而运梁车载运箱梁通过隧道时,安全距离位于上半圆内;为保证安全,必须使箱梁的最长边尽可能降低,降低仰拱填充混凝土的高度,使箱梁顶部接近圆直径水平中线。运梁车载运预制箱梁行经隧道最小断面、洞内变坡点等处,将造成净空变小,影响其正常通行,因而上述断面应进行仔细检查和核对,以保证桥隧工程主体结构的安全。隧道进出口纵坡度要仔细核对,不能超过运梁车最大爬坡坡度,否则将导致运梁车运梁难以正常通过。

“预留槽口后浇筑,本质安全是变形”指由于隧道仰拱填充混凝土预留部分高度后浇筑,预制箱梁穿隧道静态几何相容本质安全为隧道二次衬砌等位移过大,导致隧道出现塌陷等事故。

预制箱梁过隧道动态几何相容性安全分析应遵循“以安全距离为约束,选择运梁车速度;预制箱梁过隧道,本质安全是撞击”的原则。

“以安全距离为约束,选择运梁车速度”是指根据铁道部工程管理中心规定,并参照武广高铁等建设经验,预制箱梁穿隧道动态几何相容性安全距离为20 cm[18]。运梁车运梁过隧道的行驶速度与箱梁翼缘距隧道二次衬砌的最小安全距离呈线性关系,当箱梁翼缘距隧道二次衬砌的安全距离较大时,发生箱梁碰撞隧道的几率较低,运梁车可以以较快运行速度通过隧道;当箱梁翼缘距隧道二次衬砌的安全距离较小时,由于隧道仰拱表面的平整度偏差影响,运梁车易因晃动而碰撞隧道内壁,应以低速通过隧道。

“预制箱梁过隧道,本质安全是撞击”是指因预制箱梁自重重、体积大,运梁车载运预制箱梁穿隧道,动态几何相容本质安全为箱梁撞击隧道衬砌等事故。

2)几何相容性安全分析的程序。预制箱梁过隧道几何相容性安全分析流程图如图1所示。

2 实例分析

2.1 工程概况

小村隧道是西安至兰州客运专线上一座黄土隧道,位于宝鸡市陈仓区,最小埋深16 m,最大埋深46 m,为双线黄土浅埋隧道。隧道净空宽13.3 m,高9.43 m。隧道曲线半径为8 000 m,隧道内纵坡分别为11‰和3‰的人字坡,结构示意如图2所示。

小村隧道进口相接为唐家塬特大桥,出洞口为马尾河大桥、马营大桥、淡家村特大桥、清水河特大桥4座桥梁,共有120榀32 m跨和9榀24 m跨简支箱梁。32 m及24 m(等高)简支梁采用交通运输部颁通桥(2008)8322A系列桥梁标准图。32 m箱梁计算跨度31.5 m,梁宽12 m,轨道线处梁高3.134 m,截面中心线处梁高3.084 m;24 m箱梁梁长24.6 m,计算跨度23.5 m,梁宽12 m,轨道线处梁高3.134 m,截面中心线处梁高3.084 m,箱梁断面如图3所示[19]。

2.2 预制箱梁通过隧道存在的问题

1)架桥机与隧道。 架桥机为HZQ-900型,主机长×宽×高为73.92 m×17.8 m×13.48 m,显然17.8 m(架桥机最大宽度)>13.3 m(隧道最大净宽),13.48 m(架桥机最大高度)>9.43 m(隧道最大净高),架桥机无法通过该隧道。

2)运梁车与隧道。 运梁车总体尺寸(长×宽×高)分别为38.1 m×6.837 m×3.3 m,运梁车宽6.837 m<13.3 m(隧道最大净宽),运梁车高3.3 m<9.43 m(隧道最大净高),运梁车空载可以通过隧道。

3)运梁车载运箱梁与隧道。预制标准箱梁为单箱单室等高简支箱梁,箱梁长32.6 m(32 m标准箱梁),宽12 m,箱梁高3.08 m,运梁车高3.1 m,运梁车载运箱梁工作状态高度为6.18 m(3.1+3.08),在设计隧道衬砌条件下,预制的标准箱梁无法通过该隧道,通过式(1)计算3.1 m高运梁车载运箱梁过隧道过程。根据计算分析,梁体轮廓超出二次衬砌内轮廓16 cm,见图4。

2.3 预制箱梁过隧道施工相关结构设备几何相容安全性分析

根据几何相容性安全分析原则“以隧道最大净宽为目标,选择适宜预留高度,分析最小断面,核对变坡点,检查运行纵坡线”,分析隧道进口端暗洞洞口与唐家塬特大桥宝鸡台背墙顶面高差为0.85 m,则此处坡度为0.85/23=3.7%;隧道出口端暗洞洞口与马尾河大桥西安台尾背墙顶面高差0.6 m,则此处坡度为0.6/32=1.9%,均满足运梁车最大爬坡坡度5%的要求(运梁车负载允许坡率5%)。

分析隧道进口为2.1%下行坡,隧道进口暗洞内为1.1%上行坡,运梁车运梁行驶一半至隧道进口变坡点为不利状态,运梁车行驶到此处箱梁跨中抬高(0.021×1 630+0.011×1 630)÷2=26 cm,通过计算发现此工况隧道净空为12.4 cm,不能安全通过。

(1)

其中,b为箱梁顶部隧道内净宽;h为运梁车高度+箱梁高度;r为隧道上半断面半径;h1为内轨顶面至无砟轨道底面高度;h2为内轨顶面至上半断面圆弧中心高差。

隧道进口暗洞内为1.1%上行坡,出口暗洞内为0.3%下行坡。运梁车运梁行驶一半至隧道暗洞内人字坡顶时为不利状态,运梁车行驶到此处箱梁尾部抬高0.011×1 630=18 cm,通过计算发现此工况隧道净空为15.8 cm,不能安全通过。

隧道的出口和出口方向暗洞内纵坡分别是1.88%和0.3%。运梁车运梁行驶一半至隧道出口变坡点为不利状态,运梁车行驶到此处箱梁跨中抬高(1 630×0.018 8+1 630×0.003)÷2=18 cm,通过计算发现此工况隧道净空为15.8 cm,不能安全通过。

分析隧道转弯半径为8 000 m,32.6 m箱梁运输过程中箱梁跨中、角点存在碰撞隧道的风险,箱梁跨中处矢高为1.6 cm,转弯半径内侧处箱梁跨中安全距离为19.3 cm,转弯半径外侧角点安全距离为20.9 cm,可安全通过,如图5所示。

2.4 预制箱梁过隧道施工几何冲突处理对策

1)架桥机过隧道工况。若选择运架一体设备进行架梁,则可以自行通过隧道,无需将架桥机“小解体”。但另外购买一台运架一体机,需2 000万元左右。为节约成本,将现有架桥机超宽部分拆除,通过隧道后重新组装,然后进行箱梁的架设。架设完毕后,架桥机“小解体”后运回梁场。

2)运梁车载运箱梁过隧道工况。降低隧道仰拱填充混凝土高度的方法,不仅具有对预制箱梁和隧道的安全与质量影响较小,而且具有简易可行、费用低和施工周期短等优点,故该项目采用该方法,该方法要求预制箱梁通过隧道最小安全距离为不小于20 cm。隧道进口断面净空按设计尺寸扩大8 cm,则实际净空为20.4 cm,箱梁可以安全通过,如图6所示。除隧道进口外的断面按设计尺寸扩大5 cm,则隧道进口暗洞内、隧道出口处实际净空均为20.8 cm,箱梁可以安全通过。为保证运行安全,运梁车运行至隧道转弯半径处须降低运行速度至0.28 m/s[20]。

3 结语

目前,客运专线建设过程中存在运梁车运梁无法通过隧道的问题,本章采用案例分析法、文献研究法,分析运架设备通过隧道存在的问题,提出预制箱梁过隧道几何相容性安全分析的原则、流程和方法。

分析表明:

1)预制箱梁过隧道静态几何性相容性安全分析应遵循“以安全距离为约束,以主体结构完整性为保障,辅助工程调整为主;以隧道最大净宽为目标,选择适宜预留高度;分析最小断面,核对变坡点,检查运行纵坡线;预留槽口后浇筑,本质安全是变形”的原则。预制箱梁过隧道动态几何相容性安全分析应遵循“以安全距离为约束,选择运梁车速度;预制箱梁过隧道,本质安全是撞击”的原则。明确了预制箱梁过隧道几何相容性分析的流程。

2)指出由于隧道仰拱填充后浇筑方法具有安全、操作简单、造价低等优点,可作为首选方法之一。