一种动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法

技术领域

本发明属于轨道结构施工技术领域，尤其涉及一种动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法。

背景技术

跨越大江大河的桥梁温度跨度较大，通常在大跨桥上铺设有砟轨道，但为了提高速度等级，提升设计标准，也可以采用板式无砟轨道。板式无砟轨道主要由钢轨、扣件、预制轨道板、调整层、限位挡台、弹性缓冲垫层和基底等组成。大跨桥具有主桥跨径大、桥位处风力一直较大和温度变化对主梁标高影响显著的特点，若采用常规无砟轨道的施工方法，在施工过程中桥梁线形会不断发生变化，主梁上所布设的CPⅢ控制点坐标也会随着主梁变形而变化，在施工完成后，主梁在二期恒载作用下会产生较大的向下竖向位移，与原设计轨道标高误差可能较大，影响列车正常行驶。因此，有必要研究一种方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于满足实际需求，提供一种动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法，以解决大跨度桥梁上铺设板式无砟轨道基底放样及轨道板精调施工的精度不高的问题，避免实际施工与设计轨道标高误差较大，影响列车正常行驶。

为实现上述发明目的，本发明的目的是提供一种动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法，所述大跨度桥合龙后，包括：

S1、根据桥梁参数建立有限元模型；

S2、对桥梁进行压重实验，连续采集一定时间段(比如48小时)内的桥梁形变数据，获取桥梁形变与温度、风速等的关系，根据关系修正有限元模型；

S3、根据所述有限元模型计算形变超过阈值的桥面范围，确定轨道板下橡胶垫的铺设范围；

S4、在桥墩和桥面固定CPIII数据采集点，以桥墩位置CPIII数据采集点为基准点，在无砟轨道开始施工前对当前温度、风速下桥面各处的测量基点进行位置校正，形成CPIII精测网，基于CPIII精测网，进行三维建站；

S5、选取桥梁体系各部件温度相近且温度恒定的时间段进行施工，利用修正后的有限元模型计算设计的桥梁线型在当前工况下的变化值，得到当前工况下的理论线型；

S6、将理论线型和实测线型实时比较，获得调整量，根据调整量调整施工情况；

S7、利用修正后的有限元模型计算设计的桥梁线型在验收时的温度、风速下的理论值，将理论值与实测值比较，判断是否贴合理论线型进行验收。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，所述S2包括：所述压重实验加载重量按体积控制，加载完成后卸载，卸载采用梁面直排的方式从大跨度桥的桥中间向梁端卸载。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，所述S3包括：根据修正后的有限元模型对无砟轨道工后平顺性进行初步评价，并对梁面进行整改。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，将所述整改后的梁面结合修正后的有限元模型进行结构配筋的检算，再对轨道结构在桥梁变形条件下的层间变形协调性进行检算。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，所述层间变形协调检算包括：根据修正后的有限元模型，在桥址环境极值温度下，计算由桥梁变形引起的轨道结构层间托空值，在托空值超限地段铺设一层橡胶垫。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，所述S4包括：基于CPIII数据采集点，建立基准网和高程基点网，形成CPIII精测网。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，所述三维建站包括：具体施工过程中通过主墩及两端边跨上的稳定基准点进行大跨桥上轨道基底的平面测控；高程工作基点结合桥梁监控计算进行无砟轨道基底的竖向测控；CPⅢ控制网分段快速测量进行无砟轨道轨道板三维测控。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，所述平面测控和竖向测控包括：CPⅢ平面网基准数据测量及后续快速测量均采用测站固定间距的自由测站边角交会法，采用从测段两端相向测量的作业方式实时测量。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，所述CPIII高程网基准数据测量采用矩形法水准路线或U形字水准路线。

在上述动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的方案中，采用相对高程控制施工，通过调整基底、调整层、轨道板位置及厚度将实际线型调整至理论线型。

本申请具有的优点和积极效果是：

1、本申请通过创建有限元分析模型，获取大跨桥形变规律，判断橡胶垫铺设范围，计算设计线型随桥梁形变的变化值，与现场施工测量结果相互验证，最终指导施工验收。

2、施工全过程中，采用CPⅢ控制网进行现场测量，由于大跨桥受风速、温度影响形变较大，每次测量前以桥墩上稳定的CPⅢ数据采集点作为基点，校正跨中位置变化较大的CPⅢ数据采集点，形成该温度、风速条件下精密测量网，实现CPⅢ控制网的即测即用；

3、施工过程中采用压重方案，通过沙袋或水袋模拟无砟轨道荷载，逐跨进行无砟轨道施工，边施工边卸载对应轨道结构重量的沙袋或水袋，保证桥梁受载恒定，避免荷载变化影响桥梁变形。

4、轨道各步骤施工中，采用相对位置调整的方法，利用有限元模型计算在当前桥梁状态下设计线型与实际测量的差值，通过调整底座、调整层、轨道板位置使实际线型贴合设计线型。

5、本申请的无砟轨道平顺性测控通过绝对位置控制与相对位置控制相结合的技术路线，克服了大跨桥主跨段落CPⅢ数据采集点坐标和高程受温度、风力等因素影响的多值性问题，解决了在恶劣环境下进行大跨度桥梁无砟轨道基底放样及轨道板精调施工的精度不高问题，为大跨桥无砟轨道的顺利施工莫定了技术基础，避免实际施工与设计轨道标高误差较大而影响列车正常行驶，简化了施工过程、降低施工风险以及提高施工效率及质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的无砟轨道结构的示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法的流程图；

图3为本发明实施例所提供的自由测站边角交会法的示意图；

图4为本发明实施例所提供的CPⅢ高程网基准数据测量时采用的矩形法水准路线示意图；

图5为本发明实施例所提供的CPⅢ高程网快速测量时采用的U字形水准路线的示意图：

图6为本发明实施例所提供的CPⅢ布点设位置图；

图7为本发明实施例所提供的压重水袋布置方案图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

所有的数字标识，例如温度、时间、长度、流量，包括范围，都是近似值。要了解，虽然不总是明确的叙述所有的数字标识之前都加上术语“约”。同时也要了解，虽然不总是明确的叙述，本文中描述的试剂仅仅是示例，其等价物是本领域已知的。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

首先，对相关内容做以下解释：

如图1所示板式无砟轨道结构，从上到下依次为扣件6、轨道板5、调整层4、隔离层3、弹性缓冲垫层7、基底2、梁面1。

无砟轨道施工工序为基底施工、轨道板粗铺、轨道板精调、调整层灌注、铺设钢轨扣件，在每一施工阶段都严格控制施工精度。

有限元分析(FEA)是一种预测结构的偏移与其它应力影响的过程，有限元建模(FEM)将这个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型，即有限元模型，每个单元具有简单形态(如正方形或三角形)。有限元模型有助于将桥梁单个单元的刚度矩阵组合形成的总刚度矩阵，并给予已知力和边界条件来求解该刚度矩阵以得出未知位移，从节点上位移的变化就可以计算出每个单元中的应力，进而有助于分析桥梁在不同温度、风速条件下的变化。

CPIII为轨道控制网，是建立在沿线路两侧接触网立柱上布设的间隔50～60m的三维控制网，在线下完成施工后建立，为无砟轨道的铺设和运营维护提供控制基准。

二等水准测量称为精密水准测量，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程，可以作为大城市的高程控制、地面沉降、精密工程测量。

实施例

在大跨度桥梁合龙后，梁面线性距离理论线性还存在一定的施工误差，需要进行修正，本发明提供的一种动态修正的大跨度桥上无砟轨道施工方法，如图2所示，具体包括以下步骤：

S1、根据桥梁参数建立有限元模型。

根据设计桥梁合龙温度以及环境温度，确定桥梁各部件的最高、最低温度及最大温度变化，以确定桥梁不同温度荷载及温度组合荷载作用下的桥梁线形。

S2、对桥梁进行压重实验，连续采集一定时间段内桥梁形变数据，获取桥梁形变与温度、风速的关系，根据关系修正有限元模型。

对桥梁进行压重实验，加载、卸载重量按体积控制。加载完成后通过调整桥梁部件，如斜拉桥的斜拉索、悬索桥拉索等，对梁面高程进行调整；调整后进行卸载，卸载过程进行刚度验证，卸载采用梁面直排，卸载时按照从大跨度桥的桥中间向梁端的顺序卸载。根据压重方案前后监测结果，并通过对比分析压重工况，分析实际的桥梁变形与有限元模型计算所对应的施工工况变形的拟合度，精调有限元模型。

示例性地，对桥梁变形进行48h观测，可以根据部件调整及梁面高程变化的对应关系，确定桥梁梁体的实际刚度，根据关系修正桥梁的有限元模型。

S3、根据所述有限元模型计算形变超过阈值的桥面范围，确定轨道板下橡胶垫的铺设范围。

根据修正后的有限元模型对各工况下桥梁线型的计算对无砟轨道工后平顺性进行初步评价，当有限元模型的计算线型与实际线型相差较大时，对梁面进行整改，避免轨道结构调整量过大。

在无砟轨道开始施工前，对整改后的梁面偏差进一步进行测量，确认梁面高程通过桥梁措施无法再调整或调整后对结构寿命、安全影响较大时，可以通过基底2、调整层4等进一步调整。

具体地，调整前，应结合修正后的有限元模型对结构配筋进行检算，确定特殊设计结构配筋，再对轨道结构在桥梁变形条件下的层间变形协调性进行检算，确定橡胶垫的铺设范围，缓解桥梁形变对无砟轨道影响。

层间变形协调性检算的具体内容为：根据修正后的有限元模型，在桥址环境极值温度下，计算由桥梁变形引起的轨道结构层间托空值，在托空值超限地段铺设一层橡胶垫。

S4、在桥墩和桥面固定CPIII数据采集点，以桥墩位置CPIII数据采集点为基准点，在无砟轨道开始施工前对当前温度、风速下桥面各处的测量基点进行位置校正，形成CPIII精测网，基于CPIII精测网，进行三维建站。

如图6所示，基于CPIII数据采集点，建立基准网和高程基点网，形成CPIII精测网，提供当前工况下桥面任意点的实测坐标，进行三维设站，实现即测即用，从而可以采用绝对控制+相对控制的模式来指导基底和轨道板的施工。

三维建站的方法为：具体施工过程中通过主墩及两端边跨上的稳定基准点进行大跨桥上轨道基底的平面测控；高程工作基点结合桥梁监控计算进行无砟轨道基底的竖向测控；CPⅢ控制网分段快速测量进行无砟轨道轨道板三维测控。

具体地，平面和竖向测控的方法为：CPⅢ平面网基准数据测量及后续快速测量均采用测站固定间距的自由测站边角交会法。如图3所示，采用两台智能型全站仪同时从测段两端相向测量的作业方式实施测量。自由测站三角高程网测量构网平差时，由不同测站测量的同名高差应采用距离加权平均值，且应进行环闭合差和附合路线闭合差统计，并计算每千米高差偶然中误差和每千米高差全中误差，各项指标应符合二等水准测量的要求。其中，CPⅢ高程网基准数据测量可以采用如图4所示的矩形法水准路线以及如图5所示的U字形水准路线。

S5、选取桥梁体系各部件温度相近且温度恒定的时间段进行施工，利用修正后的有限元模型计算设计的桥梁线型在当前工况下的变化值，得到当前工况下的理论线型。

桥梁体系温度相近且变化不大时，桥梁变形较为稳定，适合无砟轨道施工。

S6、将理论线型和实测线型实时比较，获得调整量，根据调整量调整施工情况。

具体地，无砟轨道施工采取压重方案，如图7所示，桥梁防护墙内侧采用水袋或沙袋压重模拟基底2、弹性缓冲垫层7、轨道板5的相应荷载，防护墙外侧采用水袋或沙袋压重模拟调整层4和钢轨、扣件6等其他荷载。

其中，施工基底时，在防护墙内侧每隔18m设置一个基底标高基准点，一次性卸载防护墙内侧压重荷载，再使用CPⅢ控制点得到基底平面位置坐标，使用相对高程控制基底施工，通过调整基底2、调整层4、轨道板5位置及厚度将实际线型调整至理论线型，底座厚度可以进行±10％的调整，以消除实测线型与理论线型的偏差。当仍有剩余偏差时，通过调整层4调节。

轨道板5施工先进行粗铺，采用相对施工控制，根据设计布板要求，选择对应的轨道板5型号，按标准粗铺轨道板。

轨道板5粗铺完成后进行CPⅢ通测，采用绝对高程精调轨道板5，相对高程复核；调整层的施工采用换重施工，灌注调整层4的同时卸载防护墙外相应压重荷载。

轨道混凝土结构完成后进行桥面防水层施工，在此处采用相对高程控制防水层施工，通过防水层设计标高和桥面标高得到防水层厚度，施工完成后测量实际线形并与理论线形进行对照。

最后铺设钢轨，利用扣件6调整量对钢轨线形进行调整，保证钢轨精调后的轨面线形满足要求。

无砟轨道施工时采用边卸载边施工的方法，以此保证桥上荷载无太大变化，

根据施工过程中桥梁实际变形数据与有限元模型相互验证，避免测量网误差或模型误差，增加模型计算精度。

S7、利用修正后的有限元模型计算设计的桥梁线型在验收时的温度、风速下的理论值，将理论值与实测值比较，判断是否贴合理论线型进行验收。

无砟轨道完工后进行验收环节，时间跨度较大，环境变化可能较大，需利用修正后的有限元模型计算验收时刻环境因素下的理论线型，再与实际测量线型进行比对，作为验收依据。

具体地，无砟轨道施工完成后，通过测量确定设计基准温度下的轨面平顺性，进而通过修正后的有限元模型，对最不利温度变形下的轨面线形进行预测，对预测的线形进行平顺性评价，确保满足设计速度的有关要求。

基于上述技术方案，解决大跨度桥梁上铺设板式无砟轨道基底板放样及轨道板精调施工的精度不高的问题，避免实际施工与设计轨道标高误差较大而影响列车正常行驶，能够简化施工过程、降低施工风险以及提高施工效率及质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。