運營高鐵箱梁頂升平移糾偏關鍵技術研究

摘 要：【目的】受周邊環境變化及人類工程活動等因素影響，部分高鐵橋梁地段出現較大橫向偏移，研究如何快速恢復線路平順性及保障列車安全運行。【方法】在分析已有糾偏技術基礎上，基于摩擦阻荷原理，通過豎向千斤頂摩擦力平衡水平千斤頂頂推反力，提出一種不用單獨布設水平向反力裝置的新型糾偏技術，構建相應理論模型，尋找關鍵技術參數，以現場典型工程案例進行驗證。【結果】研究結果表明：隨著箱梁頂升高度和平移量增加，軌道結構附加應力逐漸增大，建議最大頂升高度和單次平移量為10 mm，單個“天窗點”累計平移量控制在20 mm內；糾偏施工導致軌道板和底座板附加應力變化范圍分別為-0.17～0.73 MPa和-1.03～1.65 MPa，不影響軌道結構正常使用和列車安全運行。【結論】糾偏施工后橋梁及軌道結構狀態穩定，線路線形平順，采用普通扣件調整即可恢復常速運行，研究成果可為類似工程的實施提供參考和借鑒。

關鍵詞：運營高鐵；頂升平移糾偏；糾偏理論模型；關鍵控制參數；工程應用

中圖分類號：U448.215" " " " " " " " " 文獻標志碼： A" " " " " " " " 文章編號：1003-5168（2023）12-0048-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.009

Research on Key Technology of Box Girder Jacking-up and Translation Rectification of Operating High Speed Railway

ZHAO Yuyuan

（China Railway Guangzhou Group Co.， Ltd.， Guangzhou 510088， China）

Abstract： [Purposes] Affected by various factors such as changes in the surrounding environment and human engineering activities， some high-speed railway bridge sections have experienced large lateral offsets， this paper aims to make clear that how to quickly restore the smoothness of the line and the safe operation of the train. [Methods] Based on the analysis of the existing correction technology and the principle of friction resistance load， a new correction technology without separate horizontal reaction device is proposed by balancing the thrust force of horizontal jack with vertical jack friction force， and the corresponding theoretical model and key technical parameters are verified by typical engineering cases. [Findings] The results show that the additional stress of the track structure increases gradually with the increase of the lifting height and translation of the box girder， and it is suggested that the maximum lifting height and single translation are 10 mm， and the cumulative translation of a single skylight point is controlled within 20 mm. The additional stress of the track slab and the base plate caused by the correction construction are -0.17～0.73 MPa and -1.03～1.65 MPa respectively， which will not affect the normal use of the track structure and the safe operation of the train. [Conclusions] After the rectification construction， the bridge and track structure are stable and the line alignment is smooth， the normal speed operation can be restored by ordinary fastener adjustment， and the research results can provide reference for the implementation of similar projects.

Keywords： operating of high speed railway; jacking-up and translation rectification; deviation correction theoretical model; key control parameter; engineering application

0 引言

截至2022年底，我國高速鐵路運營里程已達42 000 km。作為線下基礎主要結構類型，橋梁工程所占比例達到五成。近年來，在自然營力及臨近工程施工影響下，部分高鐵橋梁地段出現超出扣件系統可調范圍的橫向偏移，嚴重影響線路平順性和列車安全運行［1］。

目前，針對橋梁地段出現的橫向偏移問題，國內學者與科研院所開展相關研究。在成因機理方面，王崇淦等［2］、董亮等［3］、梁育瑋等［4］分析大面積單側堆載對高鐵橋梁墩臺的影響，揭示單側堆載是無砟軌道橋梁地段出現橫向偏移的重要原因；耿大新等［5］以盾構下穿某高鐵簡支梁橋為工程背景，運用有限元軟件分析盾構下穿時列車荷載作用下高鐵簡支橋梁動力響應；唐亮等［6］通過計算新建橋梁工程對周圍土體應力變化和位移影響及對鄰近既有橋的影響，分析考慮樁基施工順序和土體附加力對超近距鄰近既有橋影響的評價方法。在公路工程領域，采用頂升平移糾偏技術進行維護整治已較為常見［7-10］。姜福香等［11］介紹某公路多跨混凝土連續梁橋整體轉動提升技術和監控方法；梁志成［12］開展一例公路橋梁發生徑向、切向和扭轉變位連續箱梁橋的修復工作；田世清等［13］針對重慶石忠高速公路李家灣大橋橋墩發生的嚴重傾斜偏位，采用數控頂推方法對橋梁墩柱進行糾偏復位。但頂升平移糾偏技術在鐵路行業，尤其是在運營高鐵無砟軌道橋梁工程中應用的相關研究文獻較少。譚社會［14］對我國現有無砟軌道線形糾偏技術進行綜合論述，在總結各糾偏技術特點及適用范圍基礎上，提出相應整治建議；馬慧君等［15］針對CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的橋梁墩身差異沉降開展抬梁整治技術試驗研究；伍柳毅等［16］設計一套集頂推、平移和橫向糾偏于一體的步履式頂推裝置，在昆明跨線鐵路橋梁頂推工程中得到成功應用。

綜上所述，已有研究的重點在于工程實踐，工程背景多屬公路領域，關于運營高鐵箱梁頂升平移糾偏技術的研究鮮有報道，系統糾偏技術還要深入研究。因此，本研究在分析已有糾偏技術的基礎上，提出一種不用單獨布設反力裝置的新型糾偏技術，通過數值分析方法研究糾偏施工過程中的關鍵技術參數，以實際工程案例對新型糾偏技術的可行性及關鍵技術參數的合理性進行驗證，以期解決不影響高鐵正常安全運營的毫米級高精度糾偏技術難題。

1 新型箱梁頂升平移糾偏技術

高鐵開通運營后，對橋梁支座進行修復時，可利用既有橋墩布置支撐系統進行豎向頂升，但對線路線形進行縱橫向平移糾偏時，缺乏可利用的水平向反力頂推支撐點，現有方法是在橋墩附近專門施工反力架，待平移糾偏完成后再進行拆除，這大大增加工程成本、延長施工工期。面對水平向反力頂推支撐點難以布置這一技術難題，本研究基于摩擦阻荷原理［17-18］，通過豎向千斤頂摩擦力來提供水平千斤頂頂推反力，提出一種無須單獨布設水平向反力裝置的新型糾偏技術，其理論模型如圖1所示。

新型箱梁頂升平移糾偏系統通過在1組豎向千斤頂底面和2組豎向千斤頂頂面各安裝摩擦系數較大的鋼墊板，形成一對偽固定面。偽固定面的靜摩擦系數一般在0.15左右，箱梁頂升平移過程中不出現相對滑動。在1組豎向千斤頂頂面和2組豎向千斤頂底面各安裝摩擦系數很小的聚四氟乙烯滑板，形成一對滑動面。滑動面的滑動摩擦系數一般在0.05左右，箱梁頂升平移過程中出現相對滑動。對箱梁進行頂升平移時，豎向千斤頂偽固定面處的摩擦力可提供水平千斤頂的頂推反力，使箱梁沿摩擦力很小的滑動面產生相對移位，實現箱梁橫向糾偏，達到恢復線路線形的目的。

2 箱梁頂升平移糾偏關鍵技術參數

頂升平移糾偏時，箱梁的頂升高度、單次最大平移量及單個“天窗點”的累計糾偏量是保證正常施工的關鍵技術參數。以某高鐵橋梁偏移整治工程為例，選取其中四跨32.6 m簡支梁及CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結構，建立軌—梁—墩有限元實體模型，采用ABAQUS有限元軟件研究不同頂升高度及平移量下軌道結構附加應力變化規律，提出糾偏施工關鍵技術參數建議值。

2.1 軌—梁—墩有限元實體模型

所建實體模型從上到下依次為鋼軌、軌道板、底座板、箱梁（包括預應力鋼絞線）、支座、橋墩［19-20］。其中，軌道和橋梁結構為Hex單元，采用C3D8R單元類型；預應力鋼絞線為Truss單元，采用T3D2單元類型，不設置普通鋼筋。網格劃分完成后的模型如圖2所示。

為得到糾偏施工關鍵技術參數建議值，共設置29種工況。其中，15種不同頂升高度，14種不同平移量。數值模擬工況見表1。

2.2 豎向頂升關鍵技術參數計算分析

根據軌—梁—墩有限元實體模型，箱梁在不同頂升高度下（1～10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、40 mm）的計算結果，鋼軌和底座板附加應力隨不同頂升高度的變化規律如圖3所示。

由圖3可知，隨著箱梁頂升高度的增加，鋼軌和底座板的附加應力隨之增大。當單次頂升高度為30 mm時，鋼軌最大附加拉應力為52.0 MPa，底座板最大附加拉應力為1.87 MPa，小于C40混凝土的抗拉強度標準值2.40 MPa。頂升高度增加至40 mm后，鋼軌和底座板附加拉應力明顯增大，分別為78.4 MPa、2.52 MPa，底座板附加拉應力已超過混凝土抗拉強度。當單次頂升高度為10 mm時，鋼軌和底座板附加拉應力分別為13.3 MPa、0.55 MPa。此時，底座板拉應力遠小于混凝土抗拉強度。同時，現場實際施工表明，頂升高度達到5～10 mm時，可滿足橫向平移要求。因此，為盡量減小箱梁豎向頂升對軌道結構的影響，建議頂升高度控制在10 mm以內，最大不超過30 mm。

2.3 橫向平移關鍵技術參數計算分析

在頂升高度為10 mm時，根據軌—梁—墩有限元實體模型，箱梁在不同平移量時（1～10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm）的計算結果，鋼軌和底座板附加應力隨不同平移量的變化規律如圖4所示。

由圖4可知，隨著箱梁平移量增加，鋼軌和底座板的附加應力隨之增大。當單次平移量為20 mm時，鋼軌最大附加拉應力為84.5 MPa，底座板最大附加拉應力為2.28 MPa，小于C40混凝土的抗拉強度標準值2.40 MPa；平移量增加至30 mm后，鋼軌和底座板附加拉應力明顯增大，分別為114.6 MPa、4.05 MPa，底座板附加拉應力已超過混凝土抗拉強度。當單次頂升高度為10 mm時，鋼軌和底座板附加拉應力分別為54.3 MPa、1.48 MPa，此時底座板拉應力遠小于混凝土抗拉強度，不影響軌道結構正常使用。因此，建議糾偏施工時單次最大平移量控制在10 mm以內，單個“天窗點”累計平移量不超過20 mm。

3 箱梁頂升平移糾偏工程應用

3.1 工程概況

某城際鐵路全長115 km，設計速度為200 km/h，于2012年12月正式開通運營。由于K20+800～K22+200段沿線附近的深基坑工程施工，導致部分線路發生較大橫向偏移。根據2020年8月軌道線形監測數據，線路偏移量見表2，面向大里程向右偏為負，面向大里程向左偏為正。

該城際鐵路K20+800～K22+200段共有9個橋墩要進行糾偏修復，線路平均偏移量為-21.6～9.5 mm。其中，130#橋墩平均偏移量為-21.6 mm，128#橋墩平均偏移量最大為9.5 mm［21］。K20+800～K22+200段橋跨布置均為32 m單箱雙室梁，每個橋墩頂部均布置固定支座、橫向活動支座、縱向活動支座和多向活動支座（各1個），支座類型為CKPZ-4250型盆式橡膠支座。

3.2 箱梁頂升平移糾偏方案設計

工程場地屬珠江三角洲沖積平原地貌，地面地勢平坦，設計采用頂升平移方式進行糾偏整治，工程施工現場如圖5所示。

在箱梁頂升平移糾偏系統布設時，每個支座外側沿線路橫向設置4個豎向千斤頂和1個水平千斤頂，千斤頂額定頂升力均為150 t。在每片箱梁上安裝2個拉線式位移傳感器，分別實時監控頂升高度和糾偏量，并在無砟軌道板和底座板上安裝應力傳感器，實時監測軌道結構應力狀態。施工時，采用精度為0.1 mm的多點同步位移液壓控制系統對箱梁進行頂升和平移，箱梁頂升高度按5～10 mm控制，單次平移量按不超過10 mm、單個“天窗點”累計平移量不超過20 mm控制。

3.3 無砟軌道結構附加應力分析

為分析箱梁頂升平移糾偏對軌道結構的影響，在現場對軌道結構應力進行長期持續監測。根據2022年11月26日到2022年11月30日的監測結果，130#橋墩處軌道板和底座板應力隨時間的變化規律如圖6、圖7所示，正值為拉應力，負值為壓應力。

由圖可知，24 h內軌道板和底座板應力均呈“V”字形起伏，在“天窗點”糾偏施工期間軌道結構應力僅發生微小變化，軌道板和底座板應力波動范圍分別為-0.17～0.73 MPa、-1.03～1.65 MPa。當日施工結束至下次糾偏前，施工所在地04：00—23：00期間的最大溫差約為10 ℃，軌道板和底座板的變化范圍分別為-2.07～0.73 MPa、-5.97～2.13 MPa，遠大于箱梁頂升平移糾偏對軌道結構的影響。同時，計算得到的“天窗點”施工期間導致軌道結構的微小應力，僅與溫度變化2.8 ℃產生的應力相當。在日間列車運行和溫度荷載作用下，至下次糾偏前軌道結構附加應力已基本消散。綜上可知，箱梁頂升平移糾偏對軌道結構的影響很小，不會損壞軌道結構正常使用功能，若在預定工期內適當增大兩次糾偏施工時間間隔，可進一步降低對軌道結構的影響。

3.4 箱梁頂升平移糾偏效果

該項目自2022年8月20日開工，2022年12月30日結束，箱梁頂升平移糾偏完成后，對線路線形進行測量和精調，糾偏前后線形對比如圖8所示。

由圖8可知，線路實際糾偏量與設計糾偏量基本一致，相對偏差量為-1.3～1.4 mm，平均差值為0.6 mm，表明箱梁頂升平移糾偏精度可控制在2 mm以內，達到毫米級高精度控制要求。糾偏施工后橋梁及軌道結構狀態穩定，線路線形平順，已于2023年1月逐級提速恢復常速200 km/h正常運營，截至目前未見異常。

4 結論

對部分高鐵橋梁地段出現的橫向偏移問題，基于摩擦阻荷原理，提出一種無須單獨布設水平向反力裝置的新型糾偏技術，開展箱梁頂升平移糾偏理論模型、糾偏方案設計、關鍵技術參數、現場工程應用等系統研究，得到以下結論。

①隨著箱梁頂升高度和平移量增加，軌道結構附加應力逐漸增大，為盡量減小糾偏施工對軌道結構的影響，建議最大頂升高度為10 mm，極值控制在30 mm內，單次最大平移量為10 mm，單個“天窗點”累計平移量控制在20 mm內。

②“天窗點”糾偏施工期間，軌道板和底座板附加應力變化范圍分別為-0.17～0.73 MPa、-1.03～1.65 MPa，箱梁頂升平移糾偏不影響軌道結構正常使用和列車安全運行。

③箱梁頂升平移糾偏后，橋梁及軌道結構狀態穩定，線路線形平順，采用普通扣件調整即可恢復常速運行。解決了不影響高鐵正常安全運營的毫米級高精度糾偏復雜技術難題，研究成果為高鐵橋梁地段的健康維護提供借鑒。

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