韩立军 上海铁路局南京桥工段

1 工程概况

南京地铁二号线东延线全长8.773 km，自马群站起至九乡河西侧终点站，采用盾构法施工，盾构隧道左线和右线分别在宁芜线K6＋370和K6＋401处下穿宁芜铁路，与宁芜铁路交角分别为左线26.76°和右线23.70°，两隧道中心线水平间距13.2 m，埋深8 m。盾构隧道与铁路相交段的地层主要为素填土和粉质黏土，其中盾构隧道主要位于粉质黏土层。

2 D型便梁的防护架设

《铁路工务安全规则》中规定，D12、D16型便梁架法有高位、低位两种，D20、D24型便梁架法有高、中、低、最低位四种。

图1 D型便梁架设平面图

根据现场实际情况及施工设计图纸意见，盾构机穿越隧道时，线路加固总体方案采用“以桥就线”的方式，由于本穿越工点上覆土层相对较薄，隧道与铁路的交角小，这些因素可能导致盾构穿越施工时轨面的平顺性无法保证。为降低工程风险，分别对两隧道穿越铁路节点处架设2孔D24型和1孔D16型组合施工便梁防护线路。由于隧道与铁路交角较小，这就要求便梁采取错位架设方法，D16型和D24型纵梁组合交错架设，根据计算左线5/tg26.76/0.67≈15根；5/tg23.70/0.67≈17根，即左线便梁架设时中孔钢枕错位15根，线便梁架设时中孔钢枕错位17根。具体架设方式如图1所示。

3 D型便梁结构的安全性分析

3.1 计算方法

运用通用结构分析软件sap2000对盾构隧道左线便梁架设方案进行有限元分析和计算。计算模型根据盾构隧道左线施工时施工便梁的布置图建立，已有的便梁防护工程实测数据表明桩顶的竖向位移仅为1 mm左右，对便梁组合结构的影响不大，故在本次分析中可以忽略桩顶的竖向位移。箱型纵梁和“工”字形横梁有螺栓可靠连接，模拟为刚接。纵梁长度按实际长度考虑。

3.2 计算参数选取

3.2.1 结构参数

D24便梁长度24.5m，D16便梁长度16.4m，横梁长3.96m。截面尺寸如图2所示。

图2 D型便粱截面尺寸

便梁结构材料采用16 Mnq钢，计算参数取值E=3.0×1011 N/m，μ=0.2，ρ=7850 kg/m3。

3.2.2 荷载

按规定采用中-活载。

3.3 控制标准

3.3.1 应力

便梁及横梁材料均为16 Mnq，容许应力240 MPa。

3.3.2 纵梁挠度

D16和D24铁路便梁是按照铁道部钢桥规范挠度跨比1/800做的设计，D16跨中竖向位移的设计值为20 mm，D24跨中竖向位移的设计值为30 mm。但便梁作为临时结构，列车通过时限速运行，所以《铁路工务安全规则》中规定，纵梁的挠度不超过跨度的1/400，D16纵梁允许值为40 mm，D24纵梁允许值为60 mm。

3.3.3 轨道不平顺

使用D型便梁加固线路，当下部土体由于施工失去支撑作用时，钢轨直接作用在便梁的横梁上，原有的路基、轨枕失去了支撑能力，列车运行时的所有荷载均有便梁承担。而便梁作为一种临时结构，整体性较差、竖向刚度小，轨道的稳定性与直接作用在路基上相比大大降低。因此我国现行的铁路规章中明确规定，列车通过便梁时限速45 km/h行驶。对轨道的偏差控制按照铁道部《铁路线路维修规则》中轨道动态几何尺寸容许偏差管理值进行规定。

3.4 计算工况

便梁体系从其实质而言可以认为是一种桥梁结构，轨道与横梁构成桥面铺装系。对其进行结构安全性分析必须考虑所有工况下结构的响应。针对本工程的实际情况，选取以下三种情况进行计算分析：

(1)轨排与下部道床完全脱空，列车荷载经横梁全部传递至纵梁。

(2)由于盾构施工控制较好，地面沉降极小，轨排与下部道床仍保持良好接触，道床可给予轨排坚实的支撑；

(3)盾构施工在地面产生不可忽略的沉降槽，在沉降槽影响范围以内土体脱空，列车荷载全部由横梁承担，在此影响范围以外道床参与承载。

为便于说明，分别将以上三种工况简称为全脱空，无脱空和半脱空。

3.5 全脱空时便梁结构安全性分析

3.5.1 纵梁结构的应力分析

为确保便梁结构在列车荷载作用下自身强度满足使用要求，对列车以v=45 km/h通过时纵梁承受弯矩和应力进行检算。为便于表示，取断面上三跨便梁，自左至右分别为1号、2号、3号便梁，取各便梁最大弯矩值进行整理，得出纵梁应力最大值。如图3、图4、图5和表1所示。

图3 1号（D16）纵梁弯矩包络图

图4 2号（D24）纵梁弯矩包络图

图5 3号（D24）纵梁弯矩包络图

表1 全脱空最大弯矩及最大应力表

从表1可知，在列车荷载经横梁全部传递至纵梁的情况下，各组纵梁应力均小于规范要求，纵梁结构应力完全满足设计要求。

3.5.2 便梁纵梁跨中挠度分析

纵梁挠度的大小对便梁能否安全承受列车荷载，保证轨道的几何状态至关重要。以计算得到的纵梁在列车以45 km/h的速度通过时最大挠度值与控制标准进行比较，如表2所示。

表2 全脱空最大挠度及梁跨比表

在轨排全脱空的情况下，列车荷载在D16和D24型便梁纵梁上产生的跨中挠度均满足设计要求。

3.5.3 轨面变形

由于便梁架设时错档布置，两侧左右两纵梁分别为D16和D24错架，横梁在两侧变量上支撑的位置不同，两股钢轨的支撑刚度并不一致。当列车通过时，由列车传递至两侧的荷载有所差异，由此钢轨及便梁上产生的挠度也不相同。两侧钢梁挠曲量的不同使左右两股钢轨顶面发生扭曲。在本结构体系中表现为列车通过便梁时，会产生三角坑。三角坑将会引起车辆的侧滚和侧摆，极易引起轮载变动。严重的三角坑，将导致车辆转向架呈三轮支撑一轮悬浮的恶劣状态，甚至引起车辆倾覆脱轨，严重危及行车安全。列车以45 km/h通过时，以2.4 m基长度量的三角坑最大为17 mm。与轨道动态几何尺寸容许偏差管理值中对应的v≤120 km/h正线及到发线Ⅳ级限速标准比较可知，在轨排全脱空的情况下，D24和D16错架导致钢轨的纵向变化值超过规定限制，可能会对列车运行安全产生影响。

3.6 无脱空时便梁结构安全性分析

3.6.1 纵梁和横梁的应力分析

对列车以V=45 km/h通过时纵梁承受弯矩和应力进行检算，取各纵梁弯矩最大值进行整理，如表3所示。

表3 无脱空最大弯矩及最大应力表

从表3可知，当轨排与下部道床仍保持良好接触时，列车荷载由便梁结构与道床共同承担，列车荷载在纵梁上产生的弯矩和应力远小于规范要求，纵梁结构安全性很高。但这种工况要求盾构推进产生的地面沉降较小，一般情况下下部必须采取其他辅助措施，否则较难达到。

3.6.2 便梁纵梁跨中挠度分析

计算得到纵梁在列车以45 km/h的速度通过时的最大挠度值与控制标准进行比较，如表4所示。

表4 无脱空最大挠度及梁跨比表

当轨排与下部道床保持良好接触时，列车荷载在D16和D24型施工便梁纵梁产生的跨中挠度值远小于容许值。

3.6.3 轨面变形

列车以45 km/h通过时，钢轨纵向高低变化值最大为4.4 mm，水平差为2 mm。随列车运行，以2.4 m基长度量的三角坑最大为1.3 mm。与轨道动态几何尺寸容许偏差管理值中对应的v≤120 km/h正线及到发线Ⅳ级限速标准比较可知，在地面沉降量极小的情况下，钢轨的各项不平顺指标均小于规定限制，列车运行安全。

3.7 半脱空时便梁结构安全性分析

3.7.1 纵梁和横梁的应力分析

对列车以V=45km/h通过时纵梁承受弯矩和应力进行检算，取各纵梁弯矩最大值进行整理，如表5所示。

表5 半脱空最大弯矩及最大应力表

从表5可知，列车荷载在纵梁上产生的弯矩和内力均符合要求，但两侧的纵梁弯矩和应力较小，中间一跨D24便梁较大。这主要是由于中间一组D24便梁位于沉降槽影响范围以内，下部土体脱空，列车荷载全部由横梁承担。而两侧D型便梁在此影响范围以外，道床参与承载，荷载在纵梁上的作用相对较小。

3.7.2 便梁纵梁跨中挠度分析

计算得到纵梁在列车以45 km/h的速度通过时的最大挠度值与控制标准进行比较，如表6所示。

表6 半脱空最大挠度及梁跨比表

列车荷载在D16和D24型施工便梁纵梁产生的跨中挠度值小于容许值，但由于沉降槽的作用，同样呈现出中间跨D24便梁挠度大，两侧便梁挠度小的特点。

3.7.3 轨面变形

列车以45 km/h通过时，钢轨纵向高低变化值最大为20.2 mm，水平差最大为14.9 mm。随列车运行，以2.4 mm基长度量的三角坑最大为4 mm。与轨道动态几何尺寸容许偏差管理值中对应的v≤120 km/h正线及到发线Ⅳ级限速标准比较可知，钢轨的各项不平顺指标均小于规定限制，列车运行安全。

4 结束语

(1)通过上述三种情况的理论计算和现场测量的比较，结果表明：无脱空和半脱空二种情况下，当列车以45 km／h的速度通过错位D型便梁时，纵梁挠度和应力均在限值以内；地面沉降以及D24、D16两梁错架对轨道不平顺影响较小，在控制要求范围内；因此在盾构穿越过程中，必须加强对沉降槽影响范围内地面进行实时监测，如有超限变形，及时进行养修作业，避免轨排下方土体产生过大沉降，使轨道高低变化值超限。

(2)现场监测数据表明，盾构穿越铁路施工中，对既有线路进行D型便梁加固能够有效地控制盾构施工引起的轨面变形，降低工程风险。

(3)当隧道与铁路交角较小时，须使用错位D型便梁。而由于便梁错位产生的两侧纵梁挠度和轨面变形差异，可通过在纵梁相应位置处设置临时支座予以减小。