既有鐵路病害鋼梁橋改造設計

2021-03-10 05:47:42程正楷謝國平

鐵道勘察 2021年1期

程正楷謝國平

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250022)

1 概述

隨著我國工程建設的高速發展，“中國速度”令世界驚嘆。尤其是我國鐵路行業的發展，運營速度由原來的120 km/h提升到350 km/h；即使是上世紀建成的京滬、京九等老舊干線，其運營速度也提升至160～200 km/h。然而，部分老舊橋梁已不能滿足現行鐵路運營標準，迫切需要進行改造，以保證鐵路運輸安全，降低維護風險。

鐵路病害橋改造的思路與方案也各有不同，如寧西線采用先新建便線然后原位重建橋梁，最后拆除便線方案[1]；湯林線采用改線新建梁橋方案[2]；京承線采用原位拆除既有橋后新建橋梁方案，主要施工工藝有預制架設、預制橫移、預制頂推、支架現澆、移動模架現澆等[3-4]。各方案、施工工藝對鐵路運輸、施工風險、項目投資、運營后維護成本等的影響也各不相同，以京滬鐵路K528病害橋改造工程為例，通過施工方案、施工工藝的對比，從施工作業低風險、鐵路運輸低影響、項目建設低投資、建成使用低運營維護成本等角度出發，對框架橋加混凝土板置換既有鐵路病害鋼梁橋進行研究。

2 工程概況

2.1 改造前橋梁基本情況

京滬鐵路青楊至萬德站區間內存在兩處病害鋼梁，該處共有5股道(如圖1)，由上至下分別為京滬三線、京滬下行線、京滬上行線、京滬高鐵上、下行線(高架橋)，線間距分別為20.7，13.0，32.3 m(至高鐵橋梁中心線)。

圖1 項目位置平面示意(單位：m)

京滬鐵路上行線K528+645改造前，橋梁采用上承式鋼板梁(單線、電力牽引)，橋全長47.3 m，橋臺采用漿砌塊石，基礎為擴大基礎，橋高約16 m(如圖2)。原梁部結構采用1-42 m上承式鋼板梁，后改造為1-24 m上承式鋼板梁，用途為排洪。

圖2 鋼梁橋改造前現狀

京滬鐵路下行線K528+588改造前，橋梁采用上承式鋼板梁(單線、電力牽引)，橋全長51.8 m，橋臺采用漿砌塊石，基礎為擴大基礎，橋高約16 m(如圖2)。該橋始建于1973年，梁部結構采用1-21 m上承式鋼板梁，用途為排洪。

受病害橋影響，改造前兩處病害地段列車均限速45 km/h。

2.2 京滬線技術標準

(1)鐵路等級：國鐵Ⅰ級。

(2)正線數目：雙線。

(3)牽引種類：電力。

(4)牽引質量：5 500 t。

(5)線路允許速度：120 km/h。

2.3 工程地質條件

區域內地層穩定，無不良地質作用，場地局部地段覆蓋有薄層人工填土素填土，天然地面以下為第四系上更新統坡洪積卵石土及粉質黏土，下伏基巖為太古界泰山群花崗片麻巖，地質情況良好。

項目位置處地震烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05g。

2.4 改造前主要病害及問題

(1)改造前，京滬上、下行鋼梁腐蝕嚴重，鋼梁上蓋板翹起，鋼梁縱向位移較大；橋臺與梁端頂緊，鉚釘爛頭，結構狀態差，存在一定的安全隱患。

(2)現狀河溝上游斷面壓縮較大，對上游京滬三線橋臺護錐存在沖刷，改造前需采用石籠加固。

為徹底解決病害橋的危害，消除運營安全隱患，提高運營效率，降低設備管理部門的養護壓力，亟需對其進行改造。

3 病害鋼梁橋改造設計思路

3.1 影響設計方案主要因素分析

(1)既有病害橋均為單孔鋼板梁式橋，橋梁建成時間悠久，既有橋梁基礎資料早已缺失，利用既有橋臺作為受力結構存在較大風險。

(2)為確保既有線的運營安全，改造施工方案應優先考慮成熟、可靠的施工工藝，重點研究預制架設(含預制拼裝、預制橫移)和支架現澆施工工藝。

(3)對既有線路進行加固，應充分征求設備管理部門的意見，優選路內成熟的線路加固措施[5-6]，以降低施工風險。

(4)因橋梁高度較高(約16 m)，既有鋼梁的拆除方案宜盡量與設計方案相結合，以優化拆除方案，降低施工難度及風險。

(5)因既有病害橋上游橋臺護錐存在水害，設計方案應重點研究水害的影響因素，并提出治理方法，從根源上消除病害[7-8]。

3.2 確定比選方案

針對影響設計方案的主要因素，在與鐵路局設備管理單位進行深入溝通、現場詳細實地調查的基礎上，初步確定了以下方案。

(1)新建橋梁改建方案。

(2)施工工藝應比選預制和現澆施工工藝。

(3)采用D型便梁加固線路，便梁跨度選用12～24 m。

(4)結合比選方案對拆除方案進行優化。

(5)挖除獨立孤山，拓寬河溝，進行河道鋪砌，以消除既有橋臺護錐水害問題。

綜上所述，結合現場地形、建設條件及上述分析的結果，決定重點研究D型便梁加固下的新建預制架設梁式橋和新建支架現澆框架橋的方案。

3.3 比選方案介紹

(1)梁式橋方案

為降低施工對鐵路運營的影響，考慮采用原位新建3-16 m預應力混凝土T梁橋方案。該方案主要包括架設D型便梁、拆除既有梁、拆除既有橋臺、局部拆除既有路基、新建橋墩臺、架設新梁、臺后回填以及鐵路通信、信號、電力、電氣化設施的遷改及防護等。方案總體布置如圖3所示。

圖3 Ⅰ方案總體布置(高程單位：m；尺寸單位：cm)

(2)框架橋方案

為減少拆除工程、減少施工對鐵路運營的干擾時間，盡量保證不拆兩側既有橋臺結構，充分利用橋下凈寬、凈空，考慮分別采用于上行線既有橋下新建1-16 m鋼筋混凝土框架橋，下行線既有橋下新建1-15 m鋼筋混凝土框架橋方案。該方案主要包括D型便梁架設、既有梁拆除、支架框架現澆、新建框架填充與既有橋臺空隙以及鐵路通信、信號、電力設施的遷改及防護等(如圖4所示)。

圖4 Ⅱ方案總體布置(高程單位：m；其余：cm)

上述兩個方案均壓縮了既有河道過水斷面，需補充水文檢算[9-10]內容。限于篇幅，不再詳述其過程。

3.4 方案優缺點分析

(1)梁式橋方案優點

①徹底消除病害，列車可恢復常速。

②改建實施后養護維修成本低。

(2)梁式橋方案缺點

①施工需拆除既有橋臺及部分路基，橋梁高度約16 m，拆除工程量大，拆除難度大。

②改建后橋臺高約16 m，且需在既有線運營條件下回填，臺后填土工后沉降難以控制，建議運營后設置過渡時間。

③新建橋梁架設風險大，京滬鐵路為繁忙干線，宜優先考慮整孔橫移就位方案[11]，而本項目橋梁高度約為16 m，施工風險大。

④施工周期長，對鐵路運營干擾大。本項目既有橋要拆除，又需新建橋梁，且孔數較多，對鐵路運營造成極大的影響。

⑤需對鐵路接觸網進行遷改，施工難度較大。

⑥項目總投資較大。

(3)框架橋方案優點

①徹底消除病害，列車可恢復常速。

②改建實施后養護維修成本低。

③既有橋臺不需要拆除，且不影響既有路基，對鐵路運營的干擾相對較小。

④現澆施工，為常規施工工藝，風險小。

⑤項目投資相對較小。

(4)框架橋方案缺點

①施工周期較長，對鐵路運營干擾大，自既有結構拆除起至框架現澆施工完成及混凝土達強度止，方可拆除便梁，恢復線路[12]。

②為滿足排洪要求，需對河道進行全斷面鋪砌。

3.5 推薦方案

綜上所述，結合京滬鐵路的重要性，為降低施工風險，確保鐵路運營安全，推薦采用框架橋方案，并進一步對框架橋方案進行優化，降低該方案實施對鐵路運營的影響與風險。

4 方案優化

4.1 研究內容

框架橋方案現澆施工周期長，施工工序為架設便梁→拆除鋼梁→框架現澆→養護→道床回填→拆除便梁→恢復行車。施工方案對鐵路運營干擾仍然較大，需進一步對設計方案研究優化，調整施工工序，縮短便梁的架設時間，從而減輕施工對鐵路運營的干擾，降低鐵路運營的安全風險。

4.2 優化方案

因填土施工難度大，壓實困難，難以滿足規范及設備管理部門的要求，且存在較大風險。因此，結合前期施工工序，為縮短便梁架設時間，合理的施工工序應為框架現澆→架設便梁→拆除鋼梁→混凝土板現澆→養護→道床回填→拆除便梁→恢復行車。該施工工序勢必要求框架結構整體位于既有梁下，降低框架結構高度，而本項目橋梁高約16 m，具備降低凈高的條件，經對水文重新進行檢算，優化后設計方案滿足排洪要求。

框架上混凝土板設計方案有以下幾種。

①預制架設空心結構橫移方案，該方案輔助措施較大，本項目橋下凈空較高，實施難度大。

②現澆空心結構方案，模板搭設，鋼筋綁扎時間周期較長。

③現澆實體混凝土板方案，該方案工程量大，對框架結構的結構設計要求高[13-15]，但對鐵路影響周期短。

現澆實體混凝土板方案具有對鐵路影響時間最短、施工難度最低、結構設計難度不大等優點，故最終采用框架上現澆實體混凝土板方案。

優化方案后總體布置如圖5所示。