既有铁路病害钢梁桥改造设计

2021-03-10程正楷谢国平

铁道勘察 2021年1期

程正楷谢国平

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，济南 250022)

1 概述

随着我国工程建设的高速发展，“中国速度”令世界惊叹。尤其是我国铁路行业的发展，运营速度由原来的120 km/h提升到350 km/h；即使是上世纪建成的京沪、京九等老旧干线，其运营速度也提升至160～200 km/h。然而，部分老旧桥梁已不能满足现行铁路运营标准，迫切需要进行改造，以保证铁路运输安全，降低维护风险。

铁路病害桥改造的思路与方案也各有不同，如宁西线采用先新建便线然后原位重建桥梁，最后拆除便线方案[1]；汤林线采用改线新建梁桥方案[2]；京承线采用原位拆除既有桥后新建桥梁方案，主要施工工艺有预制架设、预制横移、预制顶推、支架现浇、移动模架现浇等[3-4]。各方案、施工工艺对铁路运输、施工风险、项目投资、运营后维护成本等的影响也各不相同，以京沪铁路K528病害桥改造工程为例，通过施工方案、施工工艺的对比，从施工作业低风险、铁路运输低影响、项目建设低投资、建成使用低运营维护成本等角度出发，对框架桥加混凝土板置换既有铁路病害钢梁桥进行研究。

2 工程概况

2.1 改造前桥梁基本情况

京沪铁路青杨至万德站区间内存在两处病害钢梁，该处共有5股道(如图1)，由上至下分别为京沪三线、京沪下行线、京沪上行线、京沪高铁上、下行线(高架桥)，线间距分别为20.7，13.0，32.3 m(至高铁桥梁中心线)。

图1 项目位置平面示意(单位：m)

京沪铁路上行线K528+645改造前，桥梁采用上承式钢板梁(单线、电力牵引)，桥全长47.3 m，桥台采用浆砌块石，基础为扩大基础，桥高约16 m(如图2)。原梁部结构采用1-42 m上承式钢板梁，后改造为1-24 m上承式钢板梁，用途为排洪。

图2 钢梁桥改造前现状

京沪铁路下行线K528+588改造前，桥梁采用上承式钢板梁(单线、电力牵引)，桥全长51.8 m，桥台采用浆砌块石，基础为扩大基础，桥高约16 m(如图2)。该桥始建于1973年，梁部结构采用1-21 m上承式钢板梁，用途为排洪。

受病害桥影响，改造前两处病害地段列车均限速45 km/h。

2.2 京沪线技术标准

(1)铁路等级：国铁Ⅰ级。

(2)正线数目：双线。

(3)牵引种类：电力。

(4)牵引质量：5 500 t。

(5)线路允许速度：120 km/h。

2.3 工程地质条件

区域内地层稳定，无不良地质作用，场地局部地段覆盖有薄层人工填土素填土，天然地面以下为第四系上更新统坡洪积卵石土及粉质黏土，下伏基岩为太古界泰山群花岗片麻岩，地质情况良好。

项目位置处地震烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g。

2.4 改造前主要病害及问题

(1)改造前，京沪上、下行钢梁腐蚀严重，钢梁上盖板翘起，钢梁纵向位移较大；桥台与梁端顶紧，铆钉烂头，结构状态差，存在一定的安全隐患。

(2)现状河沟上游断面压缩较大，对上游京沪三线桥台护锥存在冲刷，改造前需采用石笼加固。

为彻底解决病害桥的危害，消除运营安全隐患，提高运营效率，降低设备管理部门的养护压力，亟需对其进行改造。

3 病害钢梁桥改造设计思路

3.1 影响设计方案主要因素分析

(1)既有病害桥均为单孔钢板梁式桥，桥梁建成时间悠久，既有桥梁基础资料早已缺失，利用既有桥台作为受力结构存在较大风险。

(2)为确保既有线的运营安全，改造施工方案应优先考虑成熟、可靠的施工工艺，重点研究预制架设(含预制拼装、预制横移)和支架现浇施工工艺。

(3)对既有线路进行加固，应充分征求设备管理部门的意见，优选路内成熟的线路加固措施[5-6]，以降低施工风险。

(4)因桥梁高度较高(约16 m)，既有钢梁的拆除方案宜尽量与设计方案相结合，以优化拆除方案，降低施工难度及风险。

(5)因既有病害桥上游桥台护锥存在水害，设计方案应重点研究水害的影响因素，并提出治理方法，从根源上消除病害[7-8]。

3.2 确定比选方案

针对影响设计方案的主要因素，在与铁路局设备管理单位进行深入沟通、现场详细实地调查的基础上，初步确定了以下方案。

(1)新建桥梁改建方案。

(2)施工工艺应比选预制和现浇施工工艺。

(3)采用D型便梁加固线路，便梁跨度选用12～24 m。

(4)结合比选方案对拆除方案进行优化。

(5)挖除独立孤山，拓宽河沟，进行河道铺砌，以消除既有桥台护锥水害问题。

综上所述，结合现场地形、建设条件及上述分析的结果，决定重点研究D型便梁加固下的新建预制架设梁式桥和新建支架现浇框架桥的方案。

3.3 比选方案介绍

(1)梁式桥方案

为降低施工对铁路运营的影响，考虑采用原位新建3-16 m预应力混凝土T梁桥方案。该方案主要包括架设D型便梁、拆除既有梁、拆除既有桥台、局部拆除既有路基、新建桥墩台、架设新梁、台后回填以及铁路通信、信号、电力、电气化设施的迁改及防护等。方案总体布置如图3所示。

图3 Ⅰ方案总体布置(高程单位：m；尺寸单位：cm)

(2)框架桥方案

为减少拆除工程、减少施工对铁路运营的干扰时间，尽量保证不拆两侧既有桥台结构，充分利用桥下净宽、净空，考虑分别采用于上行线既有桥下新建1-16 m钢筋混凝土框架桥，下行线既有桥下新建1-15 m钢筋混凝土框架桥方案。该方案主要包括D型便梁架设、既有梁拆除、支架框架现浇、新建框架填充与既有桥台空隙以及铁路通信、信号、电力设施的迁改及防护等(如图4所示)。

图4 Ⅱ方案总体布置(高程单位：m；其余：cm)

上述两个方案均压缩了既有河道过水断面，需补充水文检算[9-10]内容。限于篇幅，不再详述其过程。

3.4 方案优缺点分析

(1)梁式桥方案优点

①彻底消除病害，列车可恢复常速。

②改建实施后养护维修成本低。

(2)梁式桥方案缺点

①施工需拆除既有桥台及部分路基，桥梁高度约16 m，拆除工程量大，拆除难度大。

②改建后桥台高约16 m，且需在既有线运营条件下回填，台后填土工后沉降难以控制，建议运营后设置过渡时间。

③新建桥梁架设风险大，京沪铁路为繁忙干线，宜优先考虑整孔横移就位方案[11]，而本项目桥梁高度约为16 m，施工风险大。

④施工周期长，对铁路运营干扰大。本项目既有桥要拆除，又需新建桥梁，且孔数较多，对铁路运营造成极大的影响。

⑤需对铁路接触网进行迁改，施工难度较大。

⑥项目总投资较大。

(3)框架桥方案优点

①彻底消除病害，列车可恢复常速。

②改建实施后养护维修成本低。

③既有桥台不需要拆除，且不影响既有路基，对铁路运营的干扰相对较小。

④现浇施工，为常规施工工艺，风险小。

⑤项目投资相对较小。

(4)框架桥方案缺点

①施工周期较长，对铁路运营干扰大，自既有结构拆除起至框架现浇施工完成及混凝土达强度止，方可拆除便梁，恢复线路[12]。

②为满足排洪要求，需对河道进行全断面铺砌。

3.5 推荐方案

综上所述，结合京沪铁路的重要性，为降低施工风险，确保铁路运营安全，推荐采用框架桥方案，并进一步对框架桥方案进行优化，降低该方案实施对铁路运营的影响与风险。

4 方案优化

4.1 研究内容

框架桥方案现浇施工周期长，施工工序为架设便梁→拆除钢梁→框架现浇→养护→道床回填→拆除便梁→恢复行车。施工方案对铁路运营干扰仍然较大，需进一步对设计方案研究优化，调整施工工序，缩短便梁的架设时间，从而减轻施工对铁路运营的干扰，降低铁路运营的安全风险。

4.2 优化方案

因填土施工难度大，压实困难，难以满足规范及设备管理部门的要求，且存在较大风险。因此，结合前期施工工序，为缩短便梁架设时间，合理的施工工序应为框架现浇→架设便梁→拆除钢梁→混凝土板现浇→养护→道床回填→拆除便梁→恢复行车。该施工工序势必要求框架结构整体位于既有梁下，降低框架结构高度，而本项目桥梁高约16 m，具备降低净高的条件，经对水文重新进行检算，优化后设计方案满足排洪要求。

框架上混凝土板设计方案有以下几种。

①预制架设空心结构横移方案，该方案辅助措施较大，本项目桥下净空较高，实施难度大。

②现浇空心结构方案，模板搭设，钢筋绑扎时间周期较长。

③现浇实体混凝土板方案，该方案工程量大，对框架结构的结构设计要求高[13-15]，但对铁路影响周期短。

现浇实体混凝土板方案具有对铁路影响时间最短、施工难度最低、结构设计难度不大等优点，故最终采用框架上现浇实体混凝土板方案。

优化方案后总体布置如图5所示。