随着我国科技和交通运输体系的快速发展,运营列车不断提速、车流量迅速增加以及桥梁服役年限的增长,国内首批大型公铁两用桥梁将陆续进入维修周期。公铁两用桥梁因特殊的复杂结构形式,且受既有结构、设施、交通、环境等多种边界条件的影响,使得此类桥梁维修改造不仅存在极高的技术风险,同时又面临着巨大的安全风险。既要通过科学的方法实现对桥梁的维修改造,消除桥梁存在的病害和隐患,又必须建立起高效的安全防护体系确保列车运营安全。防护隔离技术应运而生,即采用防护措施将改造区域和列车运行影响区域进行相对隔离,确保铁路营业线运行安全。本文将结合国内已实施的公铁两用桥改造,从设计原则、施工技术、安全管控等方面进行分析、研究,形成系统的公铁两用桥梁改造防护隔离技术,为类似工程提供借鉴经验。

目前国内公铁两用桥梁主要有2种结构类型:(1)公铁同面和公铁双层结构类型。公铁同面结构桥梁两主桁间为铁路面,主桁两侧各自由下弦节点悬臂而出公路桥面(见图1);(2)公铁双层结构桥梁两主桁下弦杆面为铁路面,在主桁上弦杆间的横梁以上部分设置公路桥面(见图2)。

对于公铁同面结构桥梁,因改造施工区域位于铁路面两侧,采用立面防护隔离网。利用铁路主桁与公路桥的间隙,在铁路主桁上布置型钢抱箍生根,将铁路防护网架焊接在抱箍构件上。抱箍采用槽钢,通过对拉螺杆施加预应力抱箍在铁路主桁杆件上。防护网架采用型钢作为框架,中间设置加劲肋,防护网片采用钢板网(见图3)。

对于公铁双层结构桥梁,因改造施工区域位于铁路面上方,需采用公铁路面间平面防护隔离棚架。平面防护隔离棚架分为2部分,主桁外侧防护隔离和主桁内侧防护隔离,由内外侧防护隔离组合形成全断面防护隔离棚架(见图4)。外侧防护棚架主要由内外托架、分配纵梁和面层组成,内外托架通过对拉螺杆抱箍于铁路主桁竖杆上,根据主桁竖杆间距于两托架间设置分配纵梁,纵梁间设置横向连接系,纵梁上方铺设面层(木板+防水膜+花纹钢板);内侧防护隔离棚架主要由分配纵梁和面层组成,分配纵梁布置于铁路主桁横梁下弦杆上方,分配纵梁以每联为单位,单根纵向连接为整体,纵梁间设置横向连接系,纵梁上方铺设面层。

防护隔离设施设计时,荷载因素及取值应根据具体工况进行确定,可包含以下1种或多种。

恒荷载即防护棚架结构自重荷载,计算时以结构自重取值。

^[1] 施工荷载主要包括施工人员、机具及材料等引起的荷载,在设计取值时,充分考虑施工工艺、人员数量、机具质量以及存放材料情况。

^[2] 坠物荷载计算时按照最不利工况进行,坠物以一个集中力作用在跨中,分配纵梁单节间简化为简支梁。坠物高度h按坠物坠落的最大高度至棚架面层的高度差取值。

^[3,4] 列车风荷载可根据列车运行的时速v、建筑物距线路中心线的距离D、通过资料可查的各工况下列车水平风压q_h和垂直风压q_v取值。

^[5] 横桥路向风荷载F_wh为:F_wh=k₀k₁k₃W_dA_wh,其中:W_d为设计基准风压,可根据当地最大风速取值;A_wh为迎风面积,根据棚架结构实际尺寸计算;k₀为设计风速重现期转换系数;k₁为风荷载阻力系数;k₃为地形地理条件系数。顺桥向风荷载因迎风面积较小,可不予计算。

^[5] 撞击荷载为偶然作用,根据具体情况适当取值或不取,计算公式为F=WV/(a T),其中:W为撞击物质量;V为撞击物速度;a为加速度;T为撞击时间。

公铁两用桥梁防护隔离设施均用于旧桥改造,且依附于既有构件安装,既有桥梁经过几十年的服役使用,可能会存在一定的局部变形,加之桥梁施工时构件制造、安装误差,造成既有构件尺寸和理论尺寸会存在一定程度的离散性。防护隔离构件设计时,应充分考虑其离散性和新制构件制造时所允许的制造误差造成的多重偏差,防护隔离构件设计时可通过长圆孔、负公差、填板以及楔形面等措施对既有构件进行适配^[6] 。

防护隔离结构受既有结构空间关系影响,构件往往不能整体安装,需进行构件划分。同时,防护隔离结构需在铁路天窗点(时间较短)内进行,构件划分在满足空间结构需求的同时,以构件数量最少为原则,减少现场拼装作业。

为减少构件连接螺栓掉落几率,在单构件制造时均采用焊接连接,减少拼接螺栓的使用数量。为满足营业线施工不能动火的要求,构件现场拼装时,应避免焊接等需明火作业连接方式,应采用螺栓或销轴等连接方式。

立面防护网和平面防护棚架等安装时均需要“立足”,根据公铁两用桥梁结构特点,“立足”之处仅有铁路桁架弦杆、腹杆和横梁等既有杆件。为避免桥梁既有杆件出现不可恢复的损伤,不可对既有杆件直接进行栓、焊等损伤性连接。立面结构可采用抱箍于桁架腹杆和吊挂于弦杆等方式固定,平面结构可通过座面板支撑于横梁下弦杆上。

后期桥梁改造过程中,若进行桥面系拆除,需对平面防护棚架进行排水设计。内侧棚架设置双侧横向坡度,通过分配纵梁垫座面板厚度调节高度,形成自中间向两侧的双侧排水横坡。为防止棚架向下散漫排水,流入铁路线,造成安全隐患,于外侧棚架设置导流槽,集中向下排水至铁路面下方。

平面隔离棚架面层因需满足结构受力需求和防水、防火功能,设计时可分为3层,自下而上依次为结构层、防水层和防火层。结构层可采用木板、钢踏板等;防水层采用防水膜;防火层采用花纹钢板。

防护隔离构件涂装采用与既有桥梁主梁面层一致的颜色,避免红、黄、白等其他信号灯颜色对营业线运行列车造成影响。

根据《铁路桥涵工程施工安全技术规程》TB10303—2009营业线桥涵施工的要求,在电气化区段作业人员及其携带的物件与接触网带电部分的距离必须保持在2m以上,不足2m应在接触网停电后作业。在距离接触网带电部分2~4m的范围内施工,接触网可不停电,但须有设备管理单位有关人员在场监护。接触网支柱及接触网带电部分5m范围内的金属结构上需装设接地线。

为确保铁路安全运营,棚架施工需在列车天窗点期间进行。在棚架使用过程中,施工人员工作区域距离接触网>2m时,满足接触网不停电施工的相关要求,接触网和棚架不需采用额外的防电措施。

当棚架结构距离接触网<2m时,需采用防隔电措施,对棚架底部钢构件进行刷涂绝缘漆或铺设绝缘板,并对棚架进行电压监测,确保棚架使用阶段处于隔电安全状态^[8,9] 。

为防止棚架搭设过程中大构件坠落影响铁路正常运行,在横联下方设置一层钢丝安全网。为满足钢丝安全网挂设需求,在钢丝安全网设置横桥向钢丝绳作为钢丝安全网拖拉挂设平台。

为防止棚架上物件和施工人员坠落,在防护棚架托架两侧设置人行护栏、踢脚板和安全网,如图5所示。

在平面防护棚架安装过程中,因既有桥梁在使用时,根据需求往往会增加电缆槽、检修通道、爬梯等附属设施,边界条件较多,为验证施工技术方案的可行性,应按照原桥的既有结构建立2个节间1∶1的钢桁梁实体模型,对内、外棚架构件安装所有工况进行模拟,并对结构受力情况进行验证。

外侧棚架构件安装均处于公路面与铁路面之间,铁路面因列车运行无法满足构件运输需求,只能通过桥面运输构件。托架安装位置位于公路下方,且无作业人员施工平台,因此普通的吊装机具已无法满足托架安装需求。

根据空间结构关系,研制新型托架安装“匚”形设备(见图6),“匚”形设备可实现托架由桥面至安装位置的转运功能,并与设备底部前端设置平台,满足作业人员作业需求。因托架安装作业需在天窗点内进行,为提高作业效率,实现设备快速移位,设备桥面部分设置走形机构。

托架分配梁因处于铁路主桁竖杆外侧,可在桥面将每节间纵梁进行整体预拼,纵梁间通过横向连接系连接。在铁路天窗点内进行整体吊装,并于主桁上弦杆布置倒链,进行整体横向拖拉就位。

内侧棚架安装可分为起始节间和后续节间,起始节间为后续节间安装提供操作平台。

起始节间数量可根据后续节间所需长度进行确定,以外侧棚架作为操作平台,单根分配纵梁采用人工+导链的方式从外侧防护平台上斜向插入主桁内安装就位。

后续节间纵梁以起始节间作为预拼平台,完成单根纵梁的吊装及预拼接长工作,通过拼接板将分配纵梁两两对接接长,形成4~6个节间长度纵梁。然后采用单根纵梁拖拉的施工方法,完成后续节间纵梁的安装施工。在横联下弦杆上设置辊轴,前端通过人工导链纵向牵引分配纵梁向前移动,拖拉就位后,依次循环作业至整跨纵梁全部拖拉就位。

防护棚架搭设均需在天窗点内施工,在施工前设置全方位防护体系,防护类型分为2种:“V”形天窗和垂直天窗。均设置驻站联络员、工地防护员(根据作业点调整)及两端防护员,瞭望距离达800m时,可不设中间联络员,不足时增设中间联络员(见图7)。

为提高棚架施工的安全掌控能力,排除现场施工的不确定因素,降低施工安全风险,模拟桥上施工环境制作钢梁模型。棚架施工的所有工序均需建立模型进行演练,熟练掌握施工工艺,提高施工配合默契度,降低事故发生率;提前预判现场施工风险,并有针对性地优化方案,排除技术、管理风险。对处于夜间时间段的天窗点增加夜间施工演练。

本文结合现今已有的2种公铁两用桥改造防护隔离技术,从荷载取值、结构设计和安全设计等方面进行设计原则分析;从工况模拟和内、外侧棚架安装等方面进行施工技术分析;从全方位防护体系和模型演练等方面进行安全管控分析,形成了一套系统的公铁两用桥改造防护隔离技术,为类似工程提供借鉴经验。