海外工程中D型便梁的应用

张浩

摘要：在保证线路运营的情况下，拆除既有线下原有结构物并重建，是既有线附近施工经常面临的问题。利用D型便梁来架空既有线具有封锁时间短、行车限速高、经济效益高等优点，是较为常用的施工方法之一。本文针对D型便梁在施工中的计算分析和施工方法进行探讨，为其他同类工程提供参考依据。

关键词：既有线 D型便梁 施工方案 有限元分析

0引言

D型便梁适用于既有线及站场的施工，具有便于运输和装拆的优点，适用于单线、双线、直线、曲线(R≥400m)等多种情况, 行车限速可达60km/h。便梁分为D12、D16、D20、D24四种型号，其跨度分别为12.06m、16.08m、20.1m、24.12m，以适用于各种跨度的桥涵施工。

1工程概况

本文以阿尔及利亚55公里铁路标项目为例，为既有线改造及新建项目，线路东起BLIDA的EL AFFROUN，西至SIDI LAKHDAR。全长56.62Km,桥涵201座。新建线路与既有铁路线存在15处并行交叉，共计9.7公里，部分新建涵洞与既有涵洞完全重叠。PK83+242为2*2m排水框架涵，现场施工需拆除既有涵洞，原位重建。影响情况如图1、图2所示。

2 设计方案

2.1 D型便梁的选择

便梁选择原则：根据涵洞基底与既有轨底间的高差以及结构物底部的最小宽度（垫层宽度+台背回填宽度）确定所需便梁的合适跨度，为了尽量减少开挖宽度，降低安全风险，按照台背回填各加宽0.5m考虑。

图1 PK83+242涵洞与既有涵洞平面位置图

图2 PK83+242涵洞与既有涵洞断面位置图

PK83+242新涵洞基底与既有铁路轨道顶面相差10.8m，轨道顶面至纵梁底高度0.63m。根据设计图纸，涵洞底宽为3.2米，选用跨度为24.12m的D24型便梁。

2.2基础形式选择

鉴于此涵洞的埋深较深（10.8m），放坡开挖会导致基坑开口宽度相当大，无法布置常规的独立扩大基础。拟采用深桩基础，为便梁系统提供支承并稳定整个开挖区域。

图3 PK83+242基坑开挖断面图

2.3 荷载计算

作用在每个桩基上的荷载主要有：列车活载，钢轨自重，便梁自重等。

2.3.1列车活载

PK83+242选用D24便梁，便梁跨度为24.1m，则桩基顶列车活载受力如图4所示。

图4 列车活载受力示意图

由图可求得桩基顶列车活载为：

24.12*P₁=4*250*(24.12-3*1.6/2)

+80*18.52*18.52/2

P₁=1269.32kN

24.12*P₂=4*250*3*1.6/2+80*18.52*(3*1.6+18.52/2)

P₂=950.9kN

取Pmax'=P₁=1269.32kN

火车经过便梁时限速45km/h，冲击系数取为1.2，故考虑冲击系数后列车活载为：

Pmax=1.2*P₁=1523.18kN

2.3.2 钢轨自重

钢轨重量为60*2=120kg/m，即1.2kN/m,则单侧桩基承载：

G1=1.2*24.12/4=7.237kN

2.3.3 便梁自重

D24便梁总重量为48903.5kg，则施加在桩上的荷载为：

G2=489.03/4=122.25kN

2.3.4 荷载总计

桩上的最大垂直（轴向）载荷：

P=Pmax/2+G1+G2=891kN

2.4 桩基计算

测算出桩基的受力情况，最大轴向力Fn=-1.03e3kN/m，最大剪切力Fs=-104.49kN/m，最大弯矩M=-390.45kN.m。

2.4.1 桩基尺寸选择

参考欧标规范NF P94-242进行桩基尺寸的选择，根据土壤的地质性质，假定桩长后，采用极限平衡法逐步缩减桩基长度，直至达到平衡状态，以达到较为经济的效果。

测算桩基直径为1.2m，深度为18.0m（桩的锚固长度为7.3m）。

2.4.2 配筋计算

配筋计算参考欧标规范BAEL 99，规定要求：横向钢筋直径的选择取决于纵向钢筋的直径，对于直径Dl≥20mm的纵向钢筋，直径Dt必须在10-12mm之间选择。

经计算主筋采用18根φ20钢筋，箍筋采用φ12钢筋间距20cm，无需设置箍筋加密区。

图5 桩基弯矩分布图

2.5 边坡稳定性分析

2.5.1 稳定性计算

在边坡稳定性分析中，安全系数是衡量边坡稳定的量化标准。本次施工为深基坑开挖，通过PLAXIS软件利用Phi-c折减法进行有限元分析，通过不断降低土体抗剪强度参数使有限元平衡方程反复计算，直到计算不收敛，得到最可能危险滑裂面，从而确定斜坡滑移的安全系数及桩基配筋计算所需的力学要素。整个分析过程一次完成，简化了计算工作量。

2.5.2 计算数据

建模所需基本数据见表1，表2。

表1 建模的参数（参考结构物的地勘报告）

土壤 类型	深度 m	h kN/m3	压力数值		剪切特性
			Pl MPa	Em MPa	c’ kPa	Φ °
表层 黏土	7.0	19.0	0.8	10	10	25
中硬 土	10.0	20.0	1.2	14	15	25

表2 桩基特性（直径为D=1.2m）

类型 (弹性)	EA kN/m	EI kNm2/m	W kN/m2
	1.15E7	1.38E6	20.0
	V °	MP kNm/m	NP kN/m
	0.20	1E15	1E15

根据欧标规范NF EN 1991-2规定，计算时应考虑列车的运行过载。对于当前的轨道稳定性计算，荷载设置为150kN/m（SW/2载荷模型），施加在轨道运行面以下70cm处，均匀分布在3m的宽度上（即50kN/m2的过载）。

根据项目所在地理位置，查得建模所需降雨系数Kx=Ky=1.0E-3mm/day，地震系数Kh=0.4g。

2.5.3 计算结果

图6 施加荷载运行模型（最大位移2.7cm）

安全系数结果：静态安全系数Fs=1.48>1.2（欧标规范NF P94-282，对于使用时间小于3个月的临时基坑，其安全系数仅需大于1.2，若为永久基坑安全系数需大于1.5）；动态安全系数为Fs=1.11>1，路堤稳定。

3 施工方案

3.1 D型便梁的安装

3.1.1 SNTF（阿国铁路部门）施工许可，施工桩基础

在施工之前需向SNTF申请在该段既有线附近施工的许可及列车限速指令，确定现场安全防护方案、标识牌布置方案等。取得许可、安全防护完成后，利用旋挖钻完成桩基基础施工。

为避免施工过程中因轨温变化引起轨道变形，在便梁安装前，中断便梁两端LRS并设置伸缩装置，伸缩装置由三对间距为9m的JPG接头组成，便梁两端各一组。

3.1.2纵、横梁的安装

利用行车间隔时间，安装单侧纵梁后，间隔进行横梁穿放，采用每隔六根抽一根进行。若横梁位置不够，可将影响既有轨枕松开（不拆除）作适当调整。横梁安装后需回填补砟并进行捣固。双侧纵梁安放后，进行横纵梁连接、其他构件的安装。待全桥固定后，进行钢轨扣件及斜杆的安装，以保持轨距及增加D型梁的刚性。

3.1.3 施工中便梁及轨道的检查及养护

便梁安装完成并经时速15KM/H和25KM/H的火车通过后，对便梁的支垫、横梁扣件、纵梁位置、轨道变形量及平整度，线路轨道位置等进行检查，确认正常后，开通线路40KM/H时速运行，并在后续施工中持续进行养护。

3.2 D型便梁的拆除

结构物混凝土强度达到100%，台背回填完成后，开始拆除便梁。在列车的间隔时间，按照与安装相反的顺序进行拆除工作。在拆除工作中及完成后，需不断检查轨道沉降，并进行道砟回填及捣固，直到火车稳定运行。

4 监控监测

在施工期间直至完成施工后火车平稳运行期间，均需利用全站仪及轨距尺对轨道的轨距、倾角、绝对坐标位置等监控检测，以保证其线性不发生变化。轨道布置监测点6组，分别位于便梁端头、便梁1/3处、便梁外20m处，或增加便梁跨中监测；基坑检测布置检测点3组，分别位于坡脚、涵洞顶标高对应的边坡、坡顶。对数据变化及趋势进行分析，及时把控。

图7 监测点布置图

5 结语

本项目已利用D型便梁完成施工5项，工程实施效果表明，在保证线路运行的前提下，利用便梁架空既有线进行梁下施工是较为经济的施工方案。避免施工中对既有线的干扰，保障施工安全。因此，推广D型便梁的应用对海外铁路线路施工具有重大意义。

参考文献

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