高速鐵路橋梁病害整治頂梁工作對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響分析

方 宜 卓建成 陳 麗

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

高速鐵路因其速度快、運(yùn)力強(qiáng)和安全準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)成為我國(guó)大力發(fā)展的公共交通方式之一。作為中國(guó)改革發(fā)展新成果的“國(guó)家名片”，中國(guó)高速鐵路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍。運(yùn)行速度高、線路穩(wěn)定性好已成為鐵路建設(shè)發(fā)展的基本要求［1］。高速鐵路線下結(jié)構(gòu)及軌道的穩(wěn)定性和平順性是保證高速鐵路快速安全運(yùn)營(yíng)的前提條件，線下工程質(zhì)量的好壞、病害發(fā)生與否將直接關(guān)系到列車的正常運(yùn)營(yíng)和乘客的人身安全［2］。隨著高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的不斷加大，近些年來(lái)受到施工工藝、施工經(jīng)驗(yàn)、地震、極端雨雪、環(huán)境溫度變化等影響，高速鐵路線下結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)了不同程度的病害與損壞［3］，對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響。因此，在對(duì)線下結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)時(shí)，應(yīng)采用適宜的保護(hù)措施來(lái)避免對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的影響和調(diào)整，從而減少修復(fù)工作量和修復(fù)時(shí)間。

1 高速鐵路常見線下基礎(chǔ)病害對(duì)軌道的影響

1.1 路基不均勻沉降、翻漿冒泥

根據(jù)路基結(jié)構(gòu)分類，主要分基床病害和地基層病害。基床病害受到地質(zhì)水文、周邊環(huán)境、列車荷載、填料性質(zhì)等的影響，主要有不均勻沉降、翻漿冒泥等病害特征。地基層作為線下結(jié)構(gòu)最下部結(jié)構(gòu)，承受著基床的上部荷載，病害主要表現(xiàn)為不均勻沉降，尤其是在特殊地質(zhì)條件下表現(xiàn)更加明顯。我國(guó)既有線鐵路路基病害比較普遍，其中路基下沉和翻漿冒泥尤為嚴(yán)重［4］。

路基不均勻沉降和翻漿冒泥問題往往也會(huì)導(dǎo)致上部軌道結(jié)構(gòu)的不均勻沉降和翻漿冒泥。若軌道結(jié)構(gòu)為無(wú)砟軌道，可能導(dǎo)致軌道板下沉、開裂、翻漿冒泥等病害，采取措施修復(fù)或加固路基結(jié)構(gòu)之后，需通過(guò)扣件調(diào)高、鉆孔注漿加固等方法修復(fù)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。若軌道結(jié)構(gòu)為有砟軌道，采取措施修復(fù)或加固路基結(jié)構(gòu)之后，可通過(guò)調(diào)整道砟厚度來(lái)恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)。

1.2 橋梁裂縫、跨中撓度增大、支座病害

高速鐵路橋梁病害大致可分為3 類：（1）裂縫病害，包括溫度裂縫、結(jié)構(gòu)性裂縫、施工與材料引起的裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫等。（2）橋墩沉降、梁體錯(cuò)臺(tái)和梁端轉(zhuǎn)角病害。（3）橋梁支座病害，包括支座脫空、變形、銹蝕活動(dòng)支座位移超限，支座錨栓折斷等。

溫度裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫、施工與材料引起的裂縫往往對(duì)橋梁上部軌道結(jié)構(gòu)影響較小。由于橋梁結(jié)構(gòu)承載力不足或基礎(chǔ)不均勻沉降而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性裂縫，橋墩沉降、梁體錯(cuò)臺(tái)和梁端轉(zhuǎn)角等多種病害引起的豎向變形，會(huì)導(dǎo)致上部軌道結(jié)構(gòu)不平順，進(jìn)而影響旅客乘坐的舒適性和行車的安全性［5］。橋梁結(jié)構(gòu)在針對(duì)病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行修復(fù)和加固后，需要通過(guò)扣件調(diào)整、道床板修復(fù)甚至重構(gòu)（有砟軌道進(jìn)行道砟調(diào)整）、軌道精調(diào)等措施對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)和調(diào)整。

1.3 隧道基地滲漏水、仰拱下沉、仰拱隆起

高速鐵路隧道的常見病害包括滲漏水病害、襯砌結(jié)構(gòu)裂損病害、隧道基底病害等。隧道基底滲漏水、仰拱下沉、仰拱隆起均會(huì)造成軌道結(jié)構(gòu)的下沉、抬升、軌道不平順等病害。當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)為無(wú)砟軌道時(shí)，混凝土道床會(huì)開裂。

近年來(lái)，仰拱隆起病害時(shí)有發(fā)生，有研究認(rèn)為地下水和高地應(yīng)力是造成隧道仰拱隆起的主要原因［6］。針對(duì)仰拱隆起造成的軌道結(jié)構(gòu)抬升，需認(rèn)真分析產(chǎn)生的原因，綜合制定隧道仰拱加固整治和軌道結(jié)構(gòu)恢復(fù)整治方案。

2 某高速鐵路地震后橋梁頂梁修復(fù)對(duì)軌道的影響分析

2.1 既有線地震后災(zāi)害簡(jiǎn)介

某高速鐵路設(shè)計(jì)速度250 km／h，全線以鋪設(shè)有砟軌道為主，部分上跨高速鐵路地段鋪設(shè)無(wú)砟軌道。地震發(fā)生后該高速鐵路停運(yùn)3 d，經(jīng)動(dòng)檢車進(jìn)行軌道檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)64 km 范圍線路受影響，軌道局部有移位。為解決沿線人民群眾出行需求及時(shí)恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)單位對(duì)受損嚴(yán)重橋梁進(jìn)行臨時(shí)加固、軌道整修，經(jīng)開行綜合巡檢車驗(yàn)證后恢復(fù)通車并在該區(qū)段限速運(yùn)行。

經(jīng)詳細(xì)調(diào)查評(píng)估，得出主要結(jié)論：（1）位于震中較近的車站站房等5 棟建筑均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)未見明顯震損病害，主要為填充墻和隔墻飾面層開裂、剝落以及裝飾、吊頂?shù)让撀涞龋挥绊懼黧w結(jié)構(gòu)安全，但對(duì)建筑使用適用性及耐久性有一定影響，應(yīng)及時(shí)維修。（2）共13.2 km 橋梁及軌道需要進(jìn)行綜合整治。9 座橋梁共229 個(gè)支座受損（其中127 個(gè)支座梁底連接螺栓剪斷，共450 顆螺栓），8 個(gè)支座防落梁裝置螺栓松動(dòng)、脫落，13 個(gè)支撐墊石開裂、破損，116 處砂漿墊層開裂、破損，2 處梁體開裂破損，1 處錐體開裂。其余橋梁受地震影響較小，僅存在少量支座砂漿脫落等病害，不影響結(jié)構(gòu)安全。

2.2 橋梁復(fù)舊方案簡(jiǎn)介

（1）針對(duì)簡(jiǎn)支梁梁底預(yù)埋鋼板與支座上板間連接螺栓剪斷、梁體橫向滑移的病害，需起頂整孔簡(jiǎn)支梁及相鄰兩孔簡(jiǎn)支梁的相鄰支點(diǎn)。首先取下梁底防落梁擋塊，梁體起頂后取出斷裂的螺栓，抽出支座上板、固定支座以及砂漿墊層有破損開裂的支座需整個(gè)取出，檢查支座受損情況，對(duì)損壞的耐磨板進(jìn)行更換。

（2）針對(duì)簡(jiǎn)支梁支座上座板與梁底預(yù)埋鋼板間錨固螺栓大部分存在不同程度的損壞和變形的情況，為保證后期運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)螺栓進(jìn)行更換。首先取下防落梁擋塊，豎向起頂一個(gè)橋墩上相鄰兩孔簡(jiǎn)支的相鄰支點(diǎn)，梁體起頂后取出梁底預(yù)埋鋼板與支座上板間連接螺栓，抽出支座上板，檢查支座受損情況，對(duì)損壞的耐磨板進(jìn)行更換。

（3）針對(duì)支座砂漿墊層破損的病害，首先在頂梁更換螺栓過(guò)程中，取出支座，檢查支座下板范圍內(nèi)砂漿墊層是否存在破損開裂情況并進(jìn)行修復(fù)。

（4）針對(duì)支承墊石開裂的病害、梁體裂縫、梁端破損等病害，需采用轉(zhuǎn)孔灌注環(huán)氧樹脂砂漿的方法或超強(qiáng)高韌性樹脂混凝土對(duì)破損部位進(jìn)行修復(fù)。

橋梁頂梁有2 個(gè)方案。頂升方案一：每次起頂1 個(gè)橋墩上相鄰兩孔簡(jiǎn)支梁的相鄰支點(diǎn)，該方案僅適用于兩孔梁均未發(fā)生平面偏位，無(wú)需調(diào)整平面位置的情況。頂升方案二：1 次起頂一孔梁及相鄰兩孔簡(jiǎn)支梁相鄰支點(diǎn)。頂梁方案如圖1所示。

圖1 頂升方案示意圖

2.3 橋梁頂梁對(duì)既有軌道的影響分析

橋梁整治需要對(duì)橋梁進(jìn)行頂升以更換支座螺栓、墊板及修復(fù)砂漿墊層等，其整治過(guò)程會(huì)對(duì)軌道狀況產(chǎn)生一定的影響。由于部分簡(jiǎn)支梁梁底預(yù)埋鋼板與支座連接螺栓被剪斷，同時(shí)梁體存在平面位置偏移以及部分螺栓擰出困難的情況，所以在頂梁工作實(shí)施之前，難以確定頂梁操作的最大頂升高度。然而頂升高度不同，對(duì)軌道工程的影響也不同。通過(guò)分析頂梁高度對(duì)有砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及強(qiáng)度的影響，從軌道工程少受擾動(dòng)的角度給出了頂梁高度的建議。

2.3.1 頂梁對(duì)軌道穩(wěn)定性的影響

頂梁地段均鋪設(shè)有砟軌道，采用60N 鋼軌、Ⅲc 型混凝土軌枕、彈條Ⅴ型扣件，特級(jí)碎石道砟，單層道床厚35 cm，無(wú)縫線路歷史最高軌溫60.3 ℃，最低軌溫-1.9 ℃，設(shè)計(jì)鎖定軌溫32±5 ℃。

（1）計(jì)算公式

軌道穩(wěn)定性采用統(tǒng)一公式［7］進(jìn)行檢算，即：

式中：P——鋼軌溫度壓力；

β——軌道框架剛度系數(shù)；

EI——軌道橫向剛度；

f——軌道彎曲變形矢度，f=0.2 cm；

f0e——原始彈性彎曲矢度；

l——變形曲線長(zhǎng)度，l=l0；

Q——等效道床阻力。

式中：R——曲線半徑；

R0p——鋼軌原始塑性彎曲曲率半徑；

l0——原始彎曲波長(zhǎng)；

f0p——原始塑性彎曲矢度；

f0e——原始彈性彎曲矢度。

（2）計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)表

（3）穩(wěn)定性檢算結(jié)果

根據(jù)該段無(wú)縫線路鎖定軌溫，最大溫升為60.3-27=33.3 ℃。按此溫升進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，則允許的初始軌道彎曲矢度為3.08 cm。如按照最大溫升10 ℃計(jì)算，允許的初始軌道彎曲矢度為4.69 cm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果按照不利情況考慮，軌道彎曲矢度［8］按最大的橫向偏移3 cm 考慮。經(jīng)計(jì)算，為滿足軌道穩(wěn)定性要求，頂梁時(shí)需限制頂升高度，如表2所示。

表2 允許最大頂升量表（cm）

2.3.2 頂梁對(duì)鋼軌強(qiáng)度的影響

針對(duì)橋梁頂升方案，鋼軌強(qiáng)度計(jì)算工況為：（1）工況1：頂升的橋墩一側(cè)為簡(jiǎn)支梁，另一側(cè)為橋臺(tái)；（2）工況2：頂升的橋墩兩側(cè)均為簡(jiǎn)支梁。工況1 為一側(cè)建立5 跨橋梁，另一側(cè)建立120 m 路基，橋梁跨徑32 m。分別計(jì)算頂升位移為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 時(shí)，鋼軌的應(yīng)力和位移。

計(jì)算模型中使用三維梁?jiǎn)卧M鋼軌，橋梁用實(shí)體梁?jiǎn)卧Ｐ?，同時(shí)，利用非線性彈簧單元線路縱向阻力模擬，并假定結(jié)構(gòu)在橋墩偏斜的變形狀態(tài)上已達(dá)到平衡狀態(tài)。

經(jīng)計(jì)算，工況1 和工況2 的鋼軌附加最大應(yīng)力值如圖2所示。

圖2 鋼軌最大應(yīng)力圖

由圖2 可知，鋼軌附加應(yīng)力值隨著頂升位移的增加而增大。軌道穩(wěn)定性計(jì)算中允許最大頂升高度需控制在23 mm 以內(nèi)，頂升高度為23 mm 時(shí)鋼軌產(chǎn)生的附加應(yīng)力為12 MPa 和25 MPa，鋼軌結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2.3.3 理論計(jì)算結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算，從減少有砟軌道結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的角度考慮，控制頂梁允許高度的主要影響因素為軌道的穩(wěn)定性。頂梁方案一和方案二的最大允許頂升高度如表2所示。在該頂升高度范圍內(nèi)，進(jìn)行頂梁操作時(shí)軌道不需要松扣件、扒道砟及鋸軌。

2.4 橋梁頂升軌道監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)橋梁頂升復(fù)舊過(guò)程中鋼軌的實(shí)時(shí)狀態(tài)，選取橋梁頂升處鋼軌進(jìn)行應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)。

選取頂梁同時(shí)還需要縱向糾偏的最不利工況，考慮到道砟、軌道對(duì)主梁縱向的約束，需要監(jiān)測(cè)縱向頂推對(duì)鋼軌和梁體應(yīng)力的影響。測(cè)點(diǎn)1為軌道應(yīng)力監(jiān)測(cè)，傳感器安裝在軌道的腹板側(cè)面。測(cè)點(diǎn)2 為梁體應(yīng)力擾動(dòng)監(jiān)測(cè)，安裝在腹板端部中間區(qū)域，用于評(píng)價(jià)縱向頂推力對(duì)梁體應(yīng)力影響規(guī)律。

縱向糾偏過(guò)程中的梁體應(yīng)力擾動(dòng)及軌道應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：不利工況下，梁體縱向糾偏11.8 mm時(shí)，引起軌道應(yīng)力增量為18 MPa。總體來(lái)看，縱向糾偏對(duì)軌道應(yīng)力影響較小。

2.5 工程實(shí)施結(jié)果

該高速鐵路地震后修復(fù)工作于11月進(jìn)行，當(dāng)時(shí)軌溫較低（溫升小于10 ℃）。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)橋梁進(jìn)行頂梁復(fù)舊。部分地段采用頂梁方案一，頂升高度控制在2.3 cm 以內(nèi)，部分地段采用頂梁方案二，頂升高度控制在2.1 cm 以內(nèi)。頂梁過(guò)程中對(duì)軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，鋼軌應(yīng)力及位移均在允許范圍內(nèi)。

橋梁整治工作主要是橋梁頂升及更換支座螺栓等。頂梁過(guò)程在一定程度上影響了頂升橋墩附近道床縱橫向阻力的變化。頂升及糾偏過(guò)程中，線路高程和平面位置發(fā)生改變，且無(wú)縫線路鋼軌未被鋸斷，導(dǎo)致鋼軌應(yīng)力重新分布。完成橋梁復(fù)舊后，對(duì)一定范圍內(nèi)的無(wú)縫線路重新進(jìn)行了放散及鎖定。

完成橋梁復(fù)舊工程后，軌道整治復(fù)舊工程主要包括：軌檢測(cè)量、局部地段補(bǔ)砟、道床搗固及整形、軌道精調(diào)整理，直到軌道幾何狀態(tài)恢復(fù)到地震前的狀態(tài)，即軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差及軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值應(yīng)滿足相關(guān)要求。該高速鐵路地震后復(fù)舊工作為斷道施工，全程用時(shí)13 d，目前已恢復(fù)運(yùn)營(yíng)一年多，運(yùn)營(yíng)狀況良好。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)高速鐵路線下設(shè)施和軌道結(jié)構(gòu)的病害問題，需要先分析其產(chǎn)生的原因，并據(jù)此制定線下結(jié)構(gòu)加固及軌道結(jié)構(gòu)恢復(fù)的綜合整治方案。

（2）在治理高速鐵路線下結(jié)構(gòu)病害時(shí)，需通過(guò)整治方案設(shè)計(jì)，采取保護(hù)性措施避免對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的影響和擾動(dòng)，從而減少整體修復(fù)工作量，縮短修復(fù)時(shí)間。

（3）無(wú)論軌道結(jié)構(gòu)是否存在病害，在對(duì)線下結(jié)構(gòu)進(jìn)行病害整治時(shí)，均需制定詳細(xì)的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)施工過(guò)程中的線下結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化、受力情況和軌道狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保工程和運(yùn)營(yíng)的安全。

（4）本文通過(guò)數(shù)據(jù)分析高速鐵路頂梁高度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及強(qiáng)度的影響，從減少軌道結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)的角度，提出了不同頂梁方案在不同軌溫下的頂梁高度建議。后續(xù)按照建議頂梁高度實(shí)施頂梁操作，同時(shí)對(duì)橋梁和軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，鋼軌應(yīng)力及位移均在允許范圍內(nèi)，這驗(yàn)證了軌道適應(yīng)性理論計(jì)算結(jié)果的正確性。研究成果可為橋梁病害整治頂梁修復(fù)提供參考和借鑒。