纵横抬梁法加固线路施工安全控制措施

杨建豹

中国铁路济南局集团有限公司，济南250001

采用顶进法进行桥梁施工可不中断铁路运输，但施工过程中线路的加固至关重要。D型便梁加固安全系数大、整体稳定性好，可以在线路完全架空的状态下进行，但是便梁在线间距小于4.0 m［1］及道岔处无法使用。为确保不间断行车及工程顺利实施常采取纵横抬梁法加固线路。纵横抬梁法有以纵梁为主要受力构件、以横梁为主要受力构件两种加固体系。前者属于梁式结构，随着跨度的增大纵梁受到的最大应力呈二次方增长，因此纵向最大跨度受到很大制约［2］。后者类似板式结构，沿线路方向具有无限延伸的特点，可以建设大跨度桥梁。

本文以省道S103公路下穿瓦日（瓦塘—日照）铁路框构桥工程为例，首先对纵横抬梁加固体系中横梁的最大容许跨度进行计算，然后采用有限元软件MIDAS/Civil建立实体模型，对纵梁和横梁的变形进行分析，找出薄弱点，并采取针对性措施，确保施工安全。

1 工程概况

省道S103在K982+008处采用8～18 m不同跨度的连体框构桥下穿既有瓦日双线铁路，由于瓦日铁路上下行线间距为4 m，无法使用D型便梁，最终确定采用纵横抬梁法（以横梁为主要受力构件的加固体系）加固线路，施工期间限速45 km/h［1-2］，如图1所示。

图1 纵横抬梁法加固线路平面示意

2 横梁最大容许跨度计算及竖向位移数值模拟分析

2.1 横梁最大容许跨度计算

纵横梁均采用I50C工字钢梁，横梁沿线路方向（纵向）按0.6、0.6、1.2 m间距循环布置。计算分析时，横梁上荷载简化为均布荷载，横梁与纵梁连接处考虑为简支边界。此时横梁受力如图2所示。

图2 横梁受力示意

不考虑工字钢横梁受扭矩失稳情况，结合实际布置情况计算得出工字钢横梁容许弯矩为488.8 kN·m，最大容许跨度L=6.7 m。因此，在实际工程中布置I50C钢横梁时，跨度小于6.7 m时可满足刚度要求，同时施工过程中还须严格控制横梁悬出长度。

在刚度、荷载一定的情况下，简支梁跨度越大，横梁跨中竖向挠度越大，因此采用纵横抬梁法加固线路时应严格控制横梁跨度以保证体系安全。

2.2 竖向位移

2.2.1 模型的建立

纵横梁均采用I50C型钢，其简化截面尺寸如图3所示。纵梁3根一束布置，纵梁距离线路中心2.2 m，采用3-5-3型扣轨。纵横梁参数取值见表1。

图3 I50C型钢简化截面尺寸（单位：mm）

表1 纵横梁参数取值

纵横抬梁加固体系总宽度5 m，总长度60 m。采用MIDAS/Civil建立有限元模型（图4），共划分1 395个单元。纵梁、横梁及扣轨端部采用简支边界［3-5］。

图4 纵横抬梁加固体系有限元模型

2.2.2 模拟结果与分析

首先根据铁路既有结构物初始状态，计算架设纵横抬梁加固体系后的初始位移，然后模拟分析线路上施加中-活载后工字钢横梁、纵梁竖向位移的变化规律。中-活载作用下纵梁、横梁的竖向位移见图5。

图5 中-活载作用下纵梁、横梁竖向位移云图（单位：mm）

由图5可以看出：纵梁最大竖向位移发生在跨中，其值约为0.70 mm，但竖向位移沿纵梁变化不大；横梁跨中最大位移为10.71 mm。工字钢横梁变形较大，是加固体系的薄弱部位，可采用更大刚度的横梁以减小跨中变形，提高结构的稳定性。

3 施工控制措施及效果

3.1 施工控制措施

1）严控土方开挖量和顶进步距

安排专人复核施工过程中土方开挖量和顶进步距，防止工字钢横梁最大容许跨度超过6.7 m。

2）加强纵横抬梁加固体系关键处所的检查和整修

加强对纵横抬梁加固体系关键处所的检查，及时消灭设备隐患。施工过程中发现U形卡断裂及时更换，同时把该问题作为重点进行检查。列车通过后对纵横梁的扣件进行复紧，确保每一个支点受力均匀。同时对实时监测得到的大值点及时进行整修，确保轨道的平顺。

3）安设轨道竖向位移实时监测系统

横梁的竖向位移会直接导致桥上轨道竖向位移。为随时掌握轨道竖向位移的变化情况，2020年11月1日在瓦日铁路下行线横梁上方的钢轨轨腰布置了自动化位移监测系统。测点布置见图6。其中，SX1—SX7为瓦日上行线测点，XX1—XX7为瓦日下行线测点。

图6 监测点布置（单位：m）

监测分加固体系的组装（11月9日—18日）、框构桥顶进（11月21日—27日）、加固体系拆除（11月30日—12月10日）三个阶段进行，重点分析顶进过程中瓦日铁路下行线单次测量竖向位移和累计竖向位移的变化。发现问题及时组织人员分析，并整修线路，确保其状态良好。

3.2 控制效果

2020年11月至12月瓦日铁路下行线轨道竖向位移变化曲线见图7。可以看出：从加固体系组装完成（11月18日）到框构桥开始顶进（11月21日）轨道单次测量竖向位移变化不明显；从框构桥开始顶进到顶进到位（11月27日）轨道竖向位移开始出现波动，框构桥边缘顶进到上下行线之间时（11月25日）下行线完全悬空，轨道竖向位移突然增大，但没有超过设计容许值（单次测量位移变化量最大不超过5 mm），随后轨道竖向位移趋于稳定。这说明纵横抬梁法加固双线铁路，线路完全悬空时风险较大，应加强设备检查和整修。

图7 轨道竖向位移变化曲线

由图7（b）可知：框构桥开始顶进（11月21日）到加固体系开始拆除（11月30日），累计竖向位移变化明显。这说明该阶段是纵横抬梁法加固的薄弱环节。由于施工期间监测到位，检查整修及时，累计位移变化量没有超过设计限值（15 mm）。

4 结论

1）本文通过对横梁最大容许跨度计算和数值模拟分析，得出工字钢横梁变形较大，该处是加固体系的薄弱部位。据此提出严格控制土方开挖量和顶进步距、加强纵横抬梁加固体系关键处所的检查和整修、对轨道竖向位移实时监测三项控制措施。

2）施工期间监测发现，从框构桥开始顶进到加固体系开始拆除是纵横抬梁法加固的薄弱环节。由于监测到位，线路整修及时，竖向位移变化总体可控。