盾構下穿鐵路施工中D型便梁的應用

韓立軍 上海鐵路局南京橋工段

1 工程概況

南京地鐵二號線東延線全長8.773 km，自馬群站起至九鄉河西側終點站，采用盾構法施工，盾構隧道左線和右線分別在寧蕪線K6＋370和K6＋401處下穿寧蕪鐵路，與寧蕪鐵路交角分別為左線26.76°和右線23.70°，兩隧道中心線水平間距13.2 m，埋深8 m。盾構隧道與鐵路相交段的地層主要為素填土和粉質黏土，其中盾構隧道主要位于粉質黏土層。

2 D型便梁的防護架設

《鐵路工務安全規則》中規定，D12、D16型便梁架法有高位、低位兩種，D20、D24型便梁架法有高、中、低、最低位四種。

圖1 D型便梁架設平面圖

根據現場實際情況及施工設計圖紙意見，盾構機穿越隧道時，線路加固總體方案采用“以橋就線”的方式，由于本穿越工點上覆土層相對較薄，隧道與鐵路的交角小，這些因素可能導致盾構穿越施工時軌面的平順性無法保證。為降低工程風險，分別對兩隧道穿越鐵路節點處架設2孔D24型和1孔D16型組合施工便梁防護線路。由于隧道與鐵路交角較小，這就要求便梁采取錯位架設方法，D16型和D24型縱梁組合交錯架設，根據計算左線5/tg26.76/0.67≈15根；5/tg23.70/0.67≈17根，即左線便梁架設時中孔鋼枕錯位15根，線便梁架設時中孔鋼枕錯位17根。具體架設方式如圖1所示。

3 D型便梁結構的安全性分析

3.1 計算方法

運用通用結構分析軟件sap2000對盾構隧道左線便梁架設方案進行有限元分析和計算。計算模型根據盾構隧道左線施工時施工便梁的布置圖建立，已有的便梁防護工程實測數據表明樁頂的豎向位移僅為1 mm左右，對便梁組合結構的影響不大，故在本次分析中可以忽略樁頂的豎向位移。箱型縱梁和“工”字形橫梁有螺栓可靠連接，模擬為剛接?？v梁長度按實際長度考慮。

3.2 計算參數選取

3.2.1 結構參數

D24便梁長度24.5m，D16便梁長度16.4m，橫梁長3.96m。截面尺寸如圖2所示。

圖2 D型便粱截面尺寸

便梁結構材料采用16 Mnq鋼，計算參數取值E=3.0×1011 N/m，μ=0.2，ρ=7850 kg/m3。

3.2.2 荷載

按規定采用中-活載。

3.3 控制標準

3.3.1 應力

便梁及橫梁材料均為16 Mnq，容許應力240 MPa。

3.3.2 縱梁撓度

D16和D24鐵路便梁是按照鐵道部鋼橋規范撓度跨比1/800做的設計，D16跨中豎向位移的設計值為20 mm，D24跨中豎向位移的設計值為30 mm。但便梁作為臨時結構，列車通過時限速運行，所以《鐵路工務安全規則》中規定，縱梁的撓度不超過跨度的1/400，D16縱梁允許值為40 mm，D24縱梁允許值為60 mm。

3.3.3 軌道不平順

使用D型便梁加固線路，當下部土體由于施工失去支撐作用時，鋼軌直接作用在便梁的橫梁上，原有的路基、軌枕失去了支撐能力，列車運行時的所有荷載均有便梁承擔。而便梁作為一種臨時結構，整體性較差、豎向剛度小，軌道的穩定性與直接作用在路基上相比大大降低。因此我國現行的鐵路規章中明確規定，列車通過便梁時限速45 km/h行駛。對軌道的偏差控制按照鐵道部《鐵路線路維修規則》中軌道動態幾何尺寸容許偏差管理值進行規定。

3.4 計算工況

便梁體系從其實質而言可以認為是一種橋梁結構，軌道與橫梁構成橋面鋪裝系。對其進行結構安全性分析必須考慮所有工況下結構的響應。針對本工程的實際情況，選取以下三種情況進行計算分析：

(1)軌排與下部道床完全脫空，列車荷載經橫梁全部傳遞至縱梁。

(2)由于盾構施工控制較好，地面沉降極小，軌排與下部道床仍保持良好接觸，道床可給予軌排堅實的支撐；

(3)盾構施工在地面產生不可忽略的沉降槽，在沉降槽影響范圍以內土體脫空，列車荷載全部由橫梁承擔，在此影響范圍以外道床參與承載。

為便于說明，分別將以上三種工況簡稱為全脫空，無脫空和半脫空。

3.5 全脫空時便梁結構安全性分析

3.5.1 縱梁結構的應力分析

為確保便梁結構在列車荷載作用下自身強度滿足使用要求，對列車以v=45 km/h通過時縱梁承受彎矩和應力進行檢算。為便于表示，取斷面上三跨便梁，自左至右分別為1號、2號、3號便梁，取各便梁最大彎矩值進行整理，得出縱梁應力最大值。如圖3、圖4、圖5和表1所示。

圖3 1號（D16）縱梁彎矩包絡圖

圖4 2號（D24）縱梁彎矩包絡圖

圖5 3號（D24）縱梁彎矩包絡圖

表1 全脫空最大彎矩及最大應力表

從表1可知，在列車荷載經橫梁全部傳遞至縱梁的情況下，各組縱梁應力均小于規范要求，縱梁結構應力完全滿足設計要求。

3.5.2 便梁縱梁跨中撓度分析

縱梁撓度的大小對便梁能否安全承受列車荷載，保證軌道的幾何狀態至關重要。以計算得到的縱梁在列車以45 km/h的速度通過時最大撓度值與控制標準進行比較，如表2所示。

表2 全脫空最大撓度及梁跨比表

在軌排全脫空的情況下，列車荷載在D16和D24型便梁縱梁上產生的跨中撓度均滿足設計要求。

3.5.3 軌面變形

由于便梁架設時錯檔布置，兩側左右兩縱梁分別為D16和D24錯架，橫梁在兩側變量上支撐的位置不同，兩股鋼軌的支撐剛度并不一致。當列車通過時，由列車傳遞至兩側的荷載有所差異，由此鋼軌及便梁上產生的撓度也不相同。兩側鋼梁撓曲量的不同使左右兩股鋼軌頂面發生扭曲。在本結構體系中表現為列車通過便梁時，會產生三角坑。三角坑將會引起車輛的側滾和側擺，極易引起輪載變動。嚴重的三角坑，將導致車輛轉向架呈三輪支撐一輪懸浮的惡劣狀態，甚至引起車輛傾覆脫軌，嚴重危及行車安全。列車以45 km/h通過時，以2.4 m基長度量的三角坑最大為17 mm。與軌道動態幾何尺寸容許偏差管理值中對應的v≤120 km/h正線及到發線Ⅳ級限速標準比較可知，在軌排全脫空的情況下，D24和D16錯架導致鋼軌的縱向變化值超過規定限制，可能會對列車運行安全產生影響。

3.6 無脫空時便梁結構安全性分析

3.6.1 縱梁和橫梁的應力分析

對列車以V=45 km/h通過時縱梁承受彎矩和應力進行檢算，取各縱梁彎矩最大值進行整理，如表3所示。

表3 無脫空最大彎矩及最大應力表

從表3可知，當軌排與下部道床仍保持良好接觸時，列車荷載由便梁結構與道床共同承擔，列車荷載在縱梁上產生的彎矩和應力遠小于規范要求，縱梁結構安全性很高。但這種工況要求盾構推進產生的地面沉降較小，一般情況下下部必須采取其他輔助措施，否則較難達到。

3.6.2 便梁縱梁跨中撓度分析

計算得到縱梁在列車以45 km/h的速度通過時的最大撓度值與控制標準進行比較，如表4所示。

表4 無脫空最大撓度及梁跨比表

當軌排與下部道床保持良好接觸時，列車荷載在D16和D24型施工便梁縱梁產生的跨中撓度值遠小于容許值。

3.6.3 軌面變形

列車以45 km/h通過時，鋼軌縱向高低變化值最大為4.4 mm，水平差為2 mm。隨列車運行，以2.4 m基長度量的三角坑最大為1.3 mm。與軌道動態幾何尺寸容許偏差管理值中對應的v≤120 km/h正線及到發線Ⅳ級限速標準比較可知，在地面沉降量極小的情況下，鋼軌的各項不平順指標均小于規定限制，列車運行安全。

3.7 半脫空時便梁結構安全性分析

3.7.1 縱梁和橫梁的應力分析

對列車以V=45km/h通過時縱梁承受彎矩和應力進行檢算，取各縱梁彎矩最大值進行整理，如表5所示。

表5 半脫空最大彎矩及最大應力表

從表5可知，列車荷載在縱梁上產生的彎矩和內力均符合要求，但兩側的縱梁彎矩和應力較小，中間一跨D24便梁較大。這主要是由于中間一組D24便梁位于沉降槽影響范圍以內，下部土體脫空，列車荷載全部由橫梁承擔。而兩側D型便梁在此影響范圍以外，道床參與承載，荷載在縱梁上的作用相對較小。

3.7.2 便梁縱梁跨中撓度分析

計算得到縱梁在列車以45 km/h的速度通過時的最大撓度值與控制標準進行比較，如表6所示。

表6 半脫空最大撓度及梁跨比表

列車荷載在D16和D24型施工便梁縱梁產生的跨中撓度值小于容許值，但由于沉降槽的作用，同樣呈現出中間跨D24便梁撓度大，兩側便梁撓度小的特點。

3.7.3 軌面變形

列車以45 km/h通過時，鋼軌縱向高低變化值最大為20.2 mm，水平差最大為14.9 mm。隨列車運行，以2.4 mm基長度量的三角坑最大為4 mm。與軌道動態幾何尺寸容許偏差管理值中對應的v≤120 km/h正線及到發線Ⅳ級限速標準比較可知，鋼軌的各項不平順指標均小于規定限制，列車運行安全。

4 結束語

(1)通過上述三種情況的理論計算和現場測量的比較，結果表明：無脫空和半脫空二種情況下，當列車以45 km／h的速度通過錯位D型便梁時，縱梁撓度和應力均在限值以內；地面沉降以及D24、D16兩梁錯架對軌道不平順影響較小，在控制要求范圍內；因此在盾構穿越過程中，必須加強對沉降槽影響范圍內地面進行實時監測，如有超限變形，及時進行養修作業，避免軌排下方土體產生過大沉降，使軌道高低變化值超限。

(2)現場監測數據表明，盾構穿越鐵路施工中，對既有線路進行D型便梁加固能夠有效地控制盾構施工引起的軌面變形，降低工程風險。

(3)當隧道與鐵路交角較小時，須使用錯位D型便梁。而由于便梁錯位產生的兩側縱梁撓度和軌面變形差異，可通過在縱梁相應位置處設置臨時支座予以減小。