既有铁路道岔群顶进大跨度箱桥线路软架空技术
1 工程概况
郑州铁路北站编组场北环大桥南、北两侧分别修建单向通行地面辅道, 西接科学大道地面辅道, 东至南阳路立交西侧。南北辅道自西向东4次下穿铁路, 依次为郑州铁路北站编组场上发场、机务折返段、下到场、京广线8座1~18m铁路箱桥工程, 8座箱桥宽度均为20.2m。下穿北站编组场上发场、机务折返段、下到场、京广线立交桥, 平面布置如图1所示。
2 同平面道岔群线路软架空方案
2.1 上发场简介
编组场上发场7股道, 股道间高差不大, 北环桥北侧上发场线路为3组交分、2组单开、混凝土岔枕、信号机5处, 北环桥南侧上发场线路为4组单开、2组交分、木岔枕、信号机5处、接触网杆3处。北站编组场上发场调车频繁, 昼夜发车240余次。箱桥为二级顶进, 需横移, 上发场南孔顶进64.7m、横移21.2m, 上发场北孔顶进54.9m、横移21.2m, 支点挖孔桩89根。上发场线路软架空主要设备如表1所示 (施工时需拆除安全线和机待线) 。
图1 立交桥平面布置Fig.1 Overpass layout
表1 上发场软架空主要设备Table 1 Soft main equipment on upper field
2.2 工艺流程
上发场[3703]横抬梁线路软架空工艺流程如图2所示。
2.3 滑动支点
1) 滑动支点由上、下轨排、U形螺栓和角钢组成。上轨排采用U形螺栓和角铁固定在[3703]横抬梁下, 下轨排放置在箱顶上。荷载通过[3703]横抬梁传递给上轨排进而传递给下轨排。箱桥顶进过程中, 上轨排固定在[3703]横抬梁下保持不动, 下轨排随箱桥向前移动与上轨排发生相对滑动。
2) 滑动支点能及时代替即将凿除的临时支点桩, 有效减小了纵梁挠度, 保证了架空体系的受力性能。
2.4 既有道岔、信号机和接触网立柱的加固
1) 道岔设备加固
横抬梁须从岔枕底穿过, 且在道岔区对应各股钢轨下、[3703]横抬梁上铺垫25mm厚钢板 (2 000mm×400mm) , 增加道岔处线路架空加固的整体性, 保证此处线路平顺。
图2 软架空工艺流程Fig.2 Soft overhead technological process
2) 接触网立柱加固
接触网立柱以横抬梁为基础, 2块δ=2cm厚和δ=4cm厚重叠的钢板为底座, 采用4ф32螺栓和2块钢轨夹板将钢板底座固定在横抬梁基础上, 再用4个ф32螺栓将接触网立柱稳固在钢板底座上。
3) 信号机加固
信号机等信号设备通过立在横抬梁与I100纵梁绑在一起或直接绑在I100纵梁上, 保证信号设备在线路架空期间的正常使用。
2.5 顶进反后背
在顶进前方横抬梁端头处设置反后背, 反后背由反后背桩及I100组成, 桩顶部承台中间开凹槽, 凹槽内放置I100。横抬梁穿设后搭在反后背I100顶部, 用22 U形螺栓将其锁定在反后背I100上。顶进箱桥时, 会有横向推力通过滑动支点传递到横抬梁进而传递到反后背上, 有效防止线路横向变形。
3 线路软架空方案验算
3.1 主支点挖孔灌注桩承载力验算
3.1.1 挖孔灌注桩 (单桩) 容许承载力计算
1) 桩身容许摩阻力
桩径d=12m、桩长12m、承台高0.6m时,
式中:[Pf]为桩身容许摩阻力;U为桩身截面周长;∑li为各土层厚度;fi为桩周各土层的极限摩阻力。
2) 桩底处的容许承载力
式中:[σ]为桩底地基土的容许承载力;σ0为地基的基本承载力;K2, K'2为深度修正系数;γ2为基底以上土的天然容重的加权平均值;[Pp]为桩底处的容许承载力;m0为挖孔灌注桩桩底承载力折减系数;A为桩底支承面积。
3) 挖孔灌注桩单桩容许承载力[P]
3.1.2 挖孔灌注桩 (单桩) 要求承载力计算
架空区段的2股道下路基土被挖掉处于悬空状态、2列列车同时通过时, 受力分析如图3所示。
图3 受力分析示意Fig.3 Force analysis
1) 计算作用在I100纵梁的均布荷载和主支点桩反力
2列列车通过时, 作用在I100均布荷载为:列车均布活荷载 (q1) +横抬梁重 (q2) +I100纵梁 (q3) +压梁[3703]重 (q4) +施工荷载 (q5) , 计算如下:∑q=q1+q2+q3+q4+q5=181.9k N/m。
由力矩平衡原理, 主支点桩反力:
2) 挖孔灌注桩 (单桩) 要求承载力计算:
式中:P为挖孔灌注桩承载力;R'1为荷载作用力;P1为承台重;P2为桩重。
P=1 105.4k N<[P]=1 353.2k N, 满足要求。
3.2 横抬梁、纵梁强度和刚度验算
架空料主要由[3703]横抬梁和I100纵梁组成, 桩基作为纵梁的硬性支点。要求列车以限速45km/h通过该架空段。线间距最小值按b=4.1m计算。顶进挖土时, 限制横抬梁最大跨度为L=8m;纵梁最大跨度设计为B=24m。此方案横抬梁受力为主, 纵梁受力为辅。
1) 验算横抬梁强度和挠度
2列列车同时通过架空区段2股道悬空状态时, 主要靠横抬梁来承担此荷载。横抬梁横向最大跨度设为8m, 受力状态和受力分析如图4所示。
图4 横抬梁最不利受力状态和受力分析Fig.4 The most unfavorable condition and lift beam force analysis
支点反力RA为横抬梁一端支撑在路基上的反作用力;支点反力RB为横抬梁另一端支撑在箱桥顶上的反作用力, 即滑动支点反作用力。
由静力平衡原理:
式中:q1为钢轨重;q2为混凝土岔枕重;q3为纵梁中[3703]重;q4为横抬梁重;q5为施工荷载;F为列车作用在4棍钢轨上的荷载。
由力矩平衡原理:横抬梁最大弯矩为Mmax=282.6k N·m。
式中:n为安全系数, 取为2。
横抬梁强度满足要求。
集中荷载作用下 (把活荷载F和静荷载的合力看成集中荷载) :
挠度符合要求。
2) 验算I100纵梁强度和挠度
箱桥顶进中, 无列车荷载作用, 纵梁下的横抬梁底为悬空状态, I100纵梁受力为主。如图5所示。
图5 Ⅰ—Ⅰ截面I100纵梁受力分析Fig.5 Force analysis of I100 longitudinal beam sectionⅠ—Ⅰ
作用在I100工字钢均布荷载为:
式中:q1为钢轨重;q2为混凝土岔枕重;q3为横抬梁重;q4为I100纵梁重;q5为[3703]压梁重;q6为施工荷载。
最大弯矩:
纵梁强度符合要求。
挠度符合要求。
4 结语
1) 通过郑州北环桥南北两侧单向辅道下穿铁路北站编组场上发场的软架空验算和工程应用, 发明一种大跨度箱桥下穿既有线道岔群线路软架空加固顶进模型, 如图6所示。
图6 线路软架空加固顶进模型Fig.6 Wire soft overhead jacking model
2) 安全性极高北环桥南北两侧辅道箱桥软架空顶进历时254d, 确保了既有线行车和施工安全。
3) 经济效益显著自行设计制造的[3703]横抬梁、传力柱架空顶进设备和滑动支点组件, 减少每次顶进因列车通过需大量作业人员在横抬梁下垫设支撑的工序, 加快了工期, 节省人工费和租赁费各14%。
[2]中铁七局集团郑州工程有限公司.张帆, 黄建民, 何小飞, 等.滑动支点组件:ZL201220727737.X[P].2012.
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