金華某鐵路大橋獨立防撞墩設計與施工影響分析

關莎莎

(杭州鐵路設計院有限責任公司,浙江 杭州 310004 )

1 工程概述

1.1 項目概況

金華航段所涉及的水域某鐵路大橋凈高滿足7.0 m要求,凈寬不能滿足Ⅳ級通航要求。須對該橋梁通航孔設置相應的防撞設施,以確保通航橋梁的安全。

圖1 鐵路橋立面圖

目前該鐵路線路主要以貨運為主。該鐵路大橋建成于1957年,全長564.2 m。線路情況：單線,直線,P60鋼軌,有縫線路。2015年,相關部門對該橋5#～9#橋墩基礎進行病害整治。加固方案采用雙壁鋼圍堰作為擋水結構,圍堰分為上下兩節并通過法蘭盤聯結,底節在加固施工完成后永久保留。

1.2 工程地質

各土層的工程地質情況見表1。

表1 地基土承載力參數

2 防撞墩設計

2.1 船舶撞擊荷載標準值

根據《鐵路橋涵設計規范(TB 10002—2017)》[1]船只或排筏撞擊力

式中:γ為動能折減系數(s/m1/2),當船只或排筏斜向撞擊墩臺(指船只或排筏駛近方向與撞擊點處墩臺面法線方向不一致)時可采用0.2,正向撞擊(指船只或排筏駛近方向與撞擊點處墩臺面法線方向一致)時可采用0.3;

υ為船只或排筏撞擊墩臺時的速度(m/s),此項速度對于船只采用航運部門提供的數據,對于排筏可采用筏運期的水流速度；

α為船只或排筏駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角,應根據具體情況確定,如有困難,可采用α=20°；

W為船只重或排筏重,kN；

C1、C2為船只或排筏的彈性變形系數和墩臺的彈性變形系數,缺乏資料時可假定C1+C2=0.000 5 m/kN。

將通航500 t級船舶按照漂流物撞擊考慮,本次設計中船舶撞擊力按照橫橋向2 474 kN考慮。

2.2 防撞墩平面布置

防撞墩平面布置遵循以下原則： 1)防撞墩設置,

在施工時,不得對原橋產生安全影響；2)橋梁為雙孔單向通航孔,航道設計中心線與橋梁中心線交角盡量接近90°,在不減少原有通航尺度前提下,保證通航順暢。根據以上原則,該鐵路大橋為雙孔單向通航,在通航孔范圍,沿橋墩外沿,迎船行駛方向偏移10 m位置設置防撞墩,在橋梁主通航孔橋墩來船方向,上、下游側各布置4座,共8座防撞墩。見圖2。

2.3 防撞墩高程設計

防撞墩高程參照河床、水位等高程確定,防撞護弦高程結合最高最低通航水位確定,防撞墩頂標高按照百年一遇洪水位高程確定。

2.4 防撞墩結構形式

采用單樁結構防撞墩方案,其直徑為2.2 m,采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁基嵌入巖層,入土深度約12 m。防撞墩上部外包鋼板護筒,鋼結構護筒需做好防腐蝕處理。防撞墩迎船舶撞擊面一側外緣設置橡膠護舷,以保護船體及防撞墩。墩頂設置太陽能信號燈,墩外側設置警示漆。防撞墩結構配筋、入土深度等均滿足受力要求[2]。

圖2 防撞墩布置平面圖

3 涉鐵影響分析

為了從整體上把握防撞墩施工及竣工后對既有鐵路橋梁的影響,結合該場地的工程地質、設計及施工方案,選用邁達斯GTS NX建立數值模型,分析新建防撞墩施工及竣工后對既有鐵路橋梁的影響。

3.1 計算模型

本次計算地層巖體本構模型采用D-P模型,采用三維實體單元模擬巖土體。計算模型的邊界約束為：模型底部固定約束,左右、前后側面約束相應水平位移。計算模型中的土體參數根據地勘報告數據及參考相關工程確定。綜合考慮邊界效應及計算效率,模型范圍：X×Y×Z方向分別取51 m×65 m×30 m。計算模型見圖3。

圖3 有限元整體模型

3.2 計算結果

本次影響分析分為兩個工況。

工況一：鉆孔樁施工過程；工況二：防撞墩竣工。

表3 新建防撞墩施工階段引起鐵路墩(施工側)的變形 mm

從表3可以看出,鉆孔樁施工及防撞墩竣工工況對既有橋墩存在一定的影響,但影響均比較小。

4 施工監測

4.1 監測標準

根據中國鐵路總公司《普速鐵路線路修理規則》(2019),參考線路軌道靜態幾何不平順容許偏差管理值,結合本工程的實際情況,建議的監測項目及報警值見表4。

表4 監測的控制標準和預警標準

4.2 監測點布置

監測點布置見圖4。

圖4 基準點和基準控制點布置方案

4.3 監測結果(4#、5#、6#)

監測結果見圖5～10。圖中的監測結果中X方向為橫橋向,Y方向為順橋向,Z方向為豎向。

圖5 Z3點位移變化曲線

圖6 Y3點位移變化曲線

圖7 Z4點位移變化曲線

圖8 Y4點位移變化曲線

圖9 Z5點位移變化曲線

圖10 Y5點位移變化曲線

1)根據監測結果,在防撞墩鉆孔施工完成之后,各個監測點的位移速率逐漸變小,X、Y方向累計位移以及Z方向累計沉降趨于穩定。

2)根據監測結果,各個測點最大累計位移均小于4 mm,表明防撞墩施工對于鐵路橋的影響在安全可控范圍內。

通過施工監測,達到了監控預期目的,鐵路橋防撞墩施工對于鐵路橋影響較小,鐵路橋處于受控和安全狀態。

有限元計算結果鐵路橋墩橫橋向水平變形略大,而監測結果反映橋墩的豎向沉降略大,分析原因在于實際橋墩頂部存在一定的橫向約束造成。本工程位置地層為風化巖層,巖層的地質參數需根據經驗選取,巖石參數選取也是計算結果可靠與否的重要前提[3]。

5 結 語

針對該鐵路大橋通航等級提高,船舶運行繁忙及鐵路安全性的特點,設置防撞墩是必要的。防撞墩設計的優劣尤其關系到橋梁的安全。目前,我國尚未建立系統的防撞墩設計理念,故應充分吸收其他國家的先進成果和經驗教訓,重視防撞墩設計及施工專題研究,進而設計出結構更加合理的作品。