基于預制箱梁過隧道的幾何相容性安全研究★

謝文祥，樊元萍，趙挺生，尹璐君

(1.湖北經濟學院工商管理學院,湖北 武漢 430205; 2.華中科技大學土木工程與力學學院,湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來,我國高速鐵路發展迅速,國家發改委提出構建“八縱八橫”高速鐵路主通道,預計到2030年,將建成總里程45 000 km高速鐵路。高速鐵路橋隧比較高,因而有大量的預制箱梁需要穿隧道進行架設,但采用運梁車載運箱梁通過隧道時往往受到隧道凈空制約,架橋機因外部尺寸超過隧道凈空而無法通過隧道的現象也普遍存在,這兩個問題成為當前高速鐵路建設中急需解決的技術難題。

針對預制箱梁穿隧道的問題,張曉宏等[1]總結出箱梁通過隧道時,箱梁的運輸和架設應注意的要點;楊紅亮[2]提出在隧道內設置預制梁場的方法;丁文長等[3-4]提出對普通運梁車進行改進設計以保證箱梁安全通過隧道的問題;李維玲等[5-6]研制900 t級低位過隧運梁車解決箱梁過隧道的問題;陳樹登等[7-8]介紹了過隧道“小解體”作業和整機架橋機不解體過隧道進行架梁作業等程序;韓益民等[9-11]分析了架橋機在隧道進口時最后1榀箱梁、隧道出口首榀箱梁的施工方法;王模公等[12-13]探討了架橋機過隧道后架橋機組裝作業場地的情況、隧道出口拼裝場地支架設計及驗算等內容;高自茂等[14]詳細分析了架橋機通過隧道的施工安全控制等內容;宋津喜等[15]指出使用運架一體式架橋機,解決隧道口狹小空間進行架梁的難題。然而,針對箱梁穿隧道幾何相容性分析,鮮有涉及。

本文以西寶客專小村隧道為試驗分析對象,分析箱梁過隧道幾何相容性的問題,提出箱梁過隧道幾何相容性安全分析的原則、程序和方法,確保預制箱梁安全通過隧道,保證客運專線橋梁、隧道工程的建設順利完成,具有重要意義。

1 預制箱梁過隧道幾何相容性安全分析

解決預制箱梁過隧道的問題,應明確預制箱梁過隧道幾何相容性安全分析應遵循的原則和程序,系統解決預制箱梁過隧道的問題,預防安全事故發生。

1)幾何相容性安全性分析的原則。預制箱梁過隧道靜態幾何相容安全性分析,應遵循“以安全距離為約束,以主體結構完整性為保障,輔助工程調整為主;以隧道最大凈寬為目標,選擇適宜預留高度;分析最小斷面,核對變坡點,檢查運行縱坡線;預留槽口后澆筑,本質安全是變形”的原則。

“以安全距離為約束,以主體結構完整性為保障,輔助工程調整為主”指因隧道仰拱填充表面平整度允許值為±1 cm,運梁車行駛過程中存在運行偏差,為預防運梁車行駛過程中碰撞隧道,預制箱梁穿隧道靜態幾何相容性安全距離為5 cm[16]。由于隧道仰拱填充混凝土預留高度與運梁車載運箱梁過隧道的最小安全距離呈線性關系,應以隧道內最小安全距離為約束條件,以不改變隧道和箱梁主體結構的尺寸為保障條件,提倡以施工方法的調整為主,以保證預制箱梁通過隧道的安全[17]。

“以隧道最大凈寬為目標,選擇適宜預留高度;分析最小斷面,核對變坡點,檢查運行縱坡線”指隧道仰拱位于隧道斷面(通常為圓形)的下半圓內,而運梁車載運箱梁通過隧道時,安全距離位于上半圓內;為保證安全,必須使箱梁的最長邊盡可能降低,降低仰拱填充混凝土的高度,使箱梁頂部接近圓直徑水平中線。運梁車載運預制箱梁行經隧道最小斷面、洞內變坡點等處,將造成凈空變小,影響其正常通行,因而上述斷面應進行仔細檢查和核對,以保證橋隧工程主體結構的安全。隧道進出口縱坡度要仔細核對,不能超過運梁車最大爬坡坡度,否則將導致運梁車運梁難以正常通過。

“預留槽口后澆筑,本質安全是變形”指由于隧道仰拱填充混凝土預留部分高度后澆筑,預制箱梁穿隧道靜態幾何相容本質安全為隧道二次襯砌等位移過大,導致隧道出現塌陷等事故。

預制箱梁過隧道動態幾何相容性安全分析應遵循“以安全距離為約束,選擇運梁車速度;預制箱梁過隧道,本質安全是撞擊”的原則。

“以安全距離為約束,選擇運梁車速度”是指根據鐵道部工程管理中心規定,并參照武廣高鐵等建設經驗,預制箱梁穿隧道動態幾何相容性安全距離為20 cm[18]。運梁車運梁過隧道的行駛速度與箱梁翼緣距隧道二次襯砌的最小安全距離呈線性關系,當箱梁翼緣距隧道二次襯砌的安全距離較大時,發生箱梁碰撞隧道的幾率較低,運梁車可以以較快運行速度通過隧道;當箱梁翼緣距隧道二次襯砌的安全距離較小時,由于隧道仰拱表面的平整度偏差影響,運梁車易因晃動而碰撞隧道內壁,應以低速通過隧道。

“預制箱梁過隧道,本質安全是撞擊”是指因預制箱梁自重重、體積大,運梁車載運預制箱梁穿隧道,動態幾何相容本質安全為箱梁撞擊隧道襯砌等事故。

2)幾何相容性安全分析的程序。預制箱梁過隧道幾何相容性安全分析流程圖如圖1所示。

2 實例分析

2.1 工程概況

小村隧道是西安至蘭州客運專線上一座黃土隧道,位于寶雞市陳倉區,最小埋深16 m,最大埋深46 m,為雙線黃土淺埋隧道。隧道凈空寬13.3 m,高9.43 m。隧道曲線半徑為8 000 m,隧道內縱坡分別為11‰和3‰的人字坡,結構示意如圖2所示。

小村隧道進口相接為唐家塬特大橋,出洞口為馬尾河大橋、馬營大橋、淡家村特大橋、清水河特大橋4座橋梁,共有120榀32 m跨和9榀24 m跨簡支箱梁。32 m及24 m(等高)簡支梁采用交通運輸部頒通橋(2008)8322A系列橋梁標準圖。32 m箱梁計算跨度31.5 m,梁寬12 m,軌道線處梁高3.134 m,截面中心線處梁高3.084 m;24 m箱梁梁長24.6 m,計算跨度23.5 m,梁寬12 m,軌道線處梁高3.134 m,截面中心線處梁高3.084 m,箱梁斷面如圖3所示[19]。

2.2 預制箱梁通過隧道存在的問題

1)架橋機與隧道。 架橋機為HZQ-900型,主機長×寬×高為73.92 m×17.8 m×13.48 m,顯然17.8 m(架橋機最大寬度)>13.3 m(隧道最大凈寬),13.48 m(架橋機最大高度)>9.43 m(隧道最大凈高),架橋機無法通過該隧道。

2)運梁車與隧道。 運梁車總體尺寸(長×寬×高)分別為38.1 m×6.837 m×3.3 m,運梁車寬6.837 m<13.3 m(隧道最大凈寬),運梁車高3.3 m<9.43 m(隧道最大凈高),運梁車空載可以通過隧道。

3)運梁車載運箱梁與隧道。預制標準箱梁為單箱單室等高簡支箱梁,箱梁長32.6 m(32 m標準箱梁),寬12 m,箱梁高3.08 m,運梁車高3.1 m,運梁車載運箱梁工作狀態高度為6.18 m(3.1+3.08),在設計隧道襯砌條件下,預制的標準箱梁無法通過該隧道,通過式(1)計算3.1 m高運梁車載運箱梁過隧道過程。根據計算分析,梁體輪廓超出二次襯砌內輪廓16 cm,見圖4。

2.3 預制箱梁過隧道施工相關結構設備幾何相容安全性分析

根據幾何相容性安全分析原則“以隧道最大凈寬為目標,選擇適宜預留高度,分析最小斷面,核對變坡點,檢查運行縱坡線”,分析隧道進口端暗洞洞口與唐家塬特大橋寶雞臺背墻頂面高差為0.85 m,則此處坡度為0.85/23=3.7%;隧道出口端暗洞洞口與馬尾河大橋西安臺尾背墻頂面高差0.6 m,則此處坡度為0.6/32=1.9%,均滿足運梁車最大爬坡坡度5%的要求(運梁車負載允許坡率5%)。

分析隧道進口為2.1%下行坡,隧道進口暗洞內為1.1%上行坡,運梁車運梁行駛一半至隧道進口變坡點為不利狀態,運梁車行駛到此處箱梁跨中抬高(0.021×1 630+0.011×1 630)÷2=26 cm,通過計算發現此工況隧道凈空為12.4 cm,不能安全通過。

(1)

其中,b為箱梁頂部隧道內凈寬;h為運梁車高度+箱梁高度;r為隧道上半斷面半徑;h1為內軌頂面至無砟軌道底面高度;h2為內軌頂面至上半斷面圓弧中心高差。

隧道進口暗洞內為1.1%上行坡,出口暗洞內為0.3%下行坡。運梁車運梁行駛一半至隧道暗洞內人字坡頂時為不利狀態,運梁車行駛到此處箱梁尾部抬高0.011×1 630=18 cm,通過計算發現此工況隧道凈空為15.8 cm,不能安全通過。

隧道的出口和出口方向暗洞內縱坡分別是1.88%和0.3%。運梁車運梁行駛一半至隧道出口變坡點為不利狀態,運梁車行駛到此處箱梁跨中抬高(1 630×0.018 8+1 630×0.003)÷2=18 cm,通過計算發現此工況隧道凈空為15.8 cm,不能安全通過。

分析隧道轉彎半徑為8 000 m,32.6 m箱梁運輸過程中箱梁跨中、角點存在碰撞隧道的風險,箱梁跨中處矢高為1.6 cm,轉彎半徑內側處箱梁跨中安全距離為19.3 cm,轉彎半徑外側角點安全距離為20.9 cm,可安全通過,如圖5所示。

2.4 預制箱梁過隧道施工幾何沖突處理對策

1)架橋機過隧道工況。若選擇運架一體設備進行架梁,則可以自行通過隧道,無需將架橋機“小解體”。但另外購買一臺運架一體機,需2 000萬元左右。為節約成本,將現有架橋機超寬部分拆除,通過隧道后重新組裝,然后進行箱梁的架設。架設完畢后,架橋機“小解體”后運回梁場。

2)運梁車載運箱梁過隧道工況。降低隧道仰拱填充混凝土高度的方法,不僅具有對預制箱梁和隧道的安全與質量影響較小,而且具有簡易可行、費用低和施工周期短等優點,故該項目采用該方法,該方法要求預制箱梁通過隧道最小安全距離為不小于20 cm。隧道進口斷面凈空按設計尺寸擴大8 cm,則實際凈空為20.4 cm,箱梁可以安全通過,如圖6所示。除隧道進口外的斷面按設計尺寸擴大5 cm,則隧道進口暗洞內、隧道出口處實際凈空均為20.8 cm,箱梁可以安全通過。為保證運行安全,運梁車運行至隧道轉彎半徑處須降低運行速度至0.28 m/s[20]。

3 結語

目前,客運專線建設過程中存在運梁車運梁無法通過隧道的問題,本章采用案例分析法、文獻研究法,分析運架設備通過隧道存在的問題,提出預制箱梁過隧道幾何相容性安全分析的原則、流程和方法。

分析表明:

1)預制箱梁過隧道靜態幾何性相容性安全分析應遵循“以安全距離為約束,以主體結構完整性為保障,輔助工程調整為主;以隧道最大凈寬為目標,選擇適宜預留高度;分析最小斷面,核對變坡點,檢查運行縱坡線;預留槽口后澆筑,本質安全是變形”的原則。預制箱梁過隧道動態幾何相容性安全分析應遵循“以安全距離為約束,選擇運梁車速度;預制箱梁過隧道,本質安全是撞擊”的原則。明確了預制箱梁過隧道幾何相容性分析的流程。

2)指出由于隧道仰拱填充后澆筑方法具有安全、操作簡單、造價低等優點,可作為首選方法之一。