麥加地鐵25 m U形先張梁施工技術(shù)

汪建文

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司麥加地鐵項(xiàng)目部,天津 300222)

1 工程概況

1.1 工程地理位置及自然地形、地貌特征

本工程位于沙特麥加圣城內(nèi),由Jamarat開(kāi)始,經(jīng)由Mina、Muzdalifah地區(qū),最終達(dá)到Arafat山,總體走向由西北到東南。線路經(jīng)行Jamarat與Mina地區(qū),南倚山脈,山勢(shì)陡峻,山腳下為朝覲交通要道、居民區(qū)、帳篷區(qū),拆遷量較大。Muzdalifah和Arafat區(qū),地勢(shì)比較平坦,部分是低矮山區(qū),線路基本沿著既有公路而行。

1.2 當(dāng)?shù)貧庀?、水文特?/h3>

本區(qū)屬地中海氣候,夏季炎熱干燥,最高氣溫高達(dá)60 ℃；冬季最低氣溫20 ℃,是雨量集中的時(shí)節(jié),一年降雨1～2次,每次1～2 h,地面積水深度短時(shí)間內(nèi)可達(dá)40～60 cm。

1.3 主要施工范圍及上部結(jié)構(gòu)工程量

本項(xiàng)目為新建沙特麥加地鐵工程,其起訖里程為DK0+000～DK18+070,總長(zhǎng)18.07 km。施工范圍為屬于本合同段內(nèi)所有的橋梁、路基、軌道、站場(chǎng)、牽引變電站以及附屬工程。全線先張預(yù)應(yīng)力梁近5 000片,其中正線25 m U形梁1 170多片,其他梁為站臺(tái)梁及各車(chē)站步行梯用梁,梁形較小。先張梁均采用一次性整體先張預(yù)制法施工,因此張拉臺(tái)座的設(shè)計(jì)與施工成為本工程能否快速、優(yōu)質(zhì)、高效完成的關(guān)鍵。

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1 工程特點(diǎn)

施工工期緊,不確定因素多。根據(jù)沙特方面的要求,全部工程要在20個(gè)月內(nèi)完成。土建工程的施工時(shí)間只有14個(gè)月,實(shí)際施工工期還要除去2個(gè)月的齋月,工期將成為該項(xiàng)目最大的風(fēng)險(xiǎn)因素。

現(xiàn)場(chǎng)人力資源配置困難。由于麥加是伊斯蘭教的著名圣地,教規(guī)非常嚴(yán)格,非穆斯林不得入內(nèi),這就要求我方進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)的管理人員與勞務(wù)人員必須是穆斯林。這與我單位的人力資源狀況極不匹配,為施工生產(chǎn)和指揮帶來(lái)不便。

設(shè)備和周轉(zhuǎn)材料投入大。工期緊,必須全線同時(shí)展開(kāi)施工,各種資源投入大,后勤保障困難。

2.2 工程難點(diǎn)

麥加處于地中海沙漠性氣候,常年高溫干燥,無(wú)地表水,風(fēng)沙大。U形梁的形式為薄壁結(jié)構(gòu),無(wú)內(nèi)孔,給梁體的施工養(yǎng)護(hù)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。U形梁整體預(yù)制、快速施工及腹板下部的施工防裂是本工程的難點(diǎn)。

3 張拉臺(tái)座的設(shè)計(jì)

本工程采用長(zhǎng)線臺(tái)座,臺(tái)座的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為110 m,寬度為6.6 m,梁底總寬度為4.5 m。根據(jù)設(shè)計(jì)梁長(zhǎng),每條生產(chǎn)線布置2組臺(tái)座,按每組臺(tái)座一次性完成4片25 m U形梁設(shè)計(jì)。模板采用整體鋼模,每條生產(chǎn)線布置8套底模,4套邊模及內(nèi)模,邊模及內(nèi)模來(lái)回利用龍門(mén)吊倒用,提高模板的使用效率。在2組龍門(mén)吊內(nèi)共設(shè)置14條生產(chǎn)線,每組龍門(mén)吊跨度40 m,布設(shè)4臺(tái)120 t龍門(mén)吊,以滿(mǎn)足梁及組合鋼模板的整體吊運(yùn)。龍門(mén)吊之間預(yù)留10 m寬的施工便道,保證混凝土泵車(chē)及灌車(chē)在澆筑混凝土?xí)r暢通無(wú)阻,也方便小型工器具的運(yùn)輸。每組生產(chǎn)線一次性完成4片梁需要7～8 d時(shí)間,按這種布置方式,1號(hào)龍門(mén)吊內(nèi)8條生產(chǎn)線,2號(hào)龍門(mén)吊內(nèi)6條生產(chǎn)線。達(dá)到正常循環(huán)施工時(shí),U形梁正常的施工速度每天可以生產(chǎn)6～8片梁。U形梁生產(chǎn)線整體布置見(jiàn)圖1(只顯示1號(hào)龍門(mén)吊內(nèi)的臺(tái)座布置)，單個(gè)臺(tái)座的平立面布置見(jiàn)圖2。

圖1 U形梁生產(chǎn)線平面布置(單位：mm)

圖2 臺(tái)座立、平面(單位：mm)

臺(tái)座是先張法施工梁體的關(guān)鍵設(shè)備,根據(jù)梁體的設(shè)計(jì)形式,25 m U形梁設(shè)計(jì)50根鋼絞線。U形梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線及梁形布置見(jiàn)圖3。

圖3 U形梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線及梁型布置(單位：mm)

3.1 抗傾覆驗(yàn)算[1～3]

經(jīng)計(jì)算，傾覆力矩MDV=2 734.2 kN·m,平衡力矩Mr=6 963.75 kN·m，抗傾覆力矩安全系數(shù)K1=6 963.75/2 734.2=2.55>1.5，抗傾覆穩(wěn)定性達(dá)到安全要求。

3.2 抗滑移驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算，臺(tái)座抗滑移力N1=7 974.2 kN，作用于臺(tái)座的滑動(dòng)力為N=10 936.8 kN，該臺(tái)座的抗滑移系數(shù)為K2=7 974.2/10 936.8=0.73<1.3，抗滑移安全系數(shù)K2不滿(mǎn)足條件。

因此，直接采用重力式臺(tái)座,抗傾覆穩(wěn)定性可以達(dá)到要求,但抗滑移穩(wěn)定性只能達(dá)到安全系數(shù)的73%,遠(yuǎn)達(dá)不到安全要求。初選方案為在臺(tái)座下打樁增加臺(tái)座抗滑移問(wèn)題。因梁場(chǎng)位置處在相對(duì)平坦的沙地,短時(shí)間內(nèi)無(wú)法得到相應(yīng)的地質(zhì)資料,而對(duì)樁的設(shè)置數(shù)量和深度需要專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)計(jì)算。打樁施工期較長(zhǎng),不適合該項(xiàng)目快速施工的要求,還存在樁基受水平力是否能達(dá)到要求的問(wèn)題,最終此方案被放棄。

因梁場(chǎng)處在沙地上,為防止梁體在施工過(guò)程中出現(xiàn)不均勻沉降,梁底設(shè)置縱向地梁作為重要的傳力裝置。以縱向地梁為主解決抗滑移問(wèn)題,也解決了梁底可能出現(xiàn)不均勻沉降的問(wèn)題。1對(duì)臺(tái)座之間放置4片25 m U形梁,兩端間距達(dá)到110 m。在U形梁底部寬度范圍內(nèi)設(shè)置3道縱梁,為防止縱梁在受力時(shí)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)或側(cè)移,在縱梁上間隔5～6 m設(shè)置1道橫系梁,與臺(tái)座形成框架。既起到防地梁扭轉(zhuǎn),也起到防止梁臺(tái)座出現(xiàn)不均勻沉降的作用,增加了方案的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。地縱梁斷面見(jiàn)圖4。

圖4 地縱梁斷面(單位：mm)

3.3 框架重力式臺(tái)座抗滑移驗(yàn)算

采用混凝土框架式地梁平衡滑移力,混凝土地梁的收縮量與沙土相比很小,不考慮臺(tái)座底沙土地基與混凝土地梁配合的抗滑作用,只計(jì)算地梁的抗滑能力。地梁混凝土采用C30混凝土,設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為14.3 MPa。II級(jí)鋼筋設(shè)計(jì)抗拉壓強(qiáng)度為310 MPa。

地梁混凝土橫截面積S1=1 787 000 mm2,鋼筋橫截面積S2=9 509 mm2，N抗=28 501.9 kN。

因此，抗滑安全系數(shù)K=28 501.9/10 936.8=2.61>1.3(安全)

3.4 應(yīng)力集中問(wèn)題的解決措施

11 000 kN的張拉力,要在5 m的寬度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳遞,必須解決應(yīng)力集中的問(wèn)題。參照國(guó)內(nèi)的很多種臺(tái)座,均沒(méi)有如此大噸位的臺(tái)座設(shè)計(jì)先例可以借鑒，根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要,采用了鋼箱混凝土的辦法來(lái)解決應(yīng)力集中。臺(tái)座的固定橫梁下預(yù)埋鋼箱,在固定橫梁腿部放入預(yù)埋鋼箱后,向預(yù)埋鋼箱內(nèi)澆筑微膨脹混凝土,增加固定橫梁的慣性矩,以增強(qiáng)其抗扭轉(zhuǎn)和抗壓的能力。鋼箱采用30 mm厚普通熱軋鋼板,每個(gè)鋼箱使用鋼材達(dá)到14 t。經(jīng)過(guò)實(shí)踐這種方案是可行的。

3.5 張拉臺(tái)座施工要點(diǎn)

(1)張拉臺(tái)座要求地基堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定、底面光潔,因梁場(chǎng)設(shè)在沙地上,采用沉水壓實(shí),臺(tái)座及周邊全部硬化的辦法來(lái)加強(qiáng)臺(tái)座地基。因本工程采用的先張法U形梁?jiǎn)纹瑢挾冗_(dá)到5.5 m,長(zhǎng)25 m,梁底板設(shè)置反拱度為1.5 cm。內(nèi)側(cè)模及外邊模采用組合鋼模板,利用龍門(mén)吊進(jìn)行整體拼裝。

(2)臺(tái)座及縱橫梁鋼筋綁扎。臺(tái)座受力以水平的抗拉和抗壓應(yīng)力為主。為防止臺(tái)座受集中拉壓應(yīng)力的破壞,臺(tái)座鋼筋采用立體井字形布置,增強(qiáng)臺(tái)座在受拉壓應(yīng)力時(shí)的整體性。在預(yù)埋鋼箱周邊增加縱橫向鋼筋及抗剪鋼筋,以分散集中應(yīng)力?？v梁及橫梁鋼筋均采用綁扎搭接[4～5]。

(3)臺(tái)座及縱橫梁混凝土施工。臺(tái)座及臺(tái)座板混凝土澆筑必須連續(xù),以保證臺(tái)座的整體性。在干燥的沙漠環(huán)境下澆筑混凝土,混凝土入模溫度按規(guī)范要求控制33 ℃以下[9～10],澆筑時(shí)間選擇在下午3點(diǎn)以后開(kāi)始,上午10點(diǎn)以前必須澆筑完畢,保證混凝土的澆筑質(zhì)量。在混凝土澆筑前還對(duì)鋼筋采取少量的灑水降溫措施進(jìn)行處理,防止混凝土突然遇到高溫鋼筋出現(xiàn)假凝?？v橫梁混凝土澆筑時(shí),必須設(shè)置后澆帶。臺(tái)座縱梁總長(zhǎng)接近100 m,如果連續(xù)澆筑會(huì)出現(xiàn)收縮裂縫,會(huì)嚴(yán)重削弱縱梁的承壓能力。因此在臺(tái)座混凝土澆筑過(guò)程中,在縱梁的兩端及中部各設(shè)1道30 cm寬的后澆帶,在縱梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%時(shí)再采用微膨脹混凝土澆筑后澆帶,使縱梁與臺(tái)座緊密結(jié)合。

(4)臺(tái)座混凝土的養(yǎng)護(hù)。臺(tái)座地處高溫干燥的沙漠之中,臺(tái)座四周也沒(méi)有支立模板,直接與四周的沙土結(jié)合以增加摩阻力,這樣混凝土失水速度很快。在混凝土澆筑完成后,表面具備覆蓋條件時(shí),就馬上覆蓋麻袋片灑水養(yǎng)護(hù),讓臺(tái)座及縱橫梁混凝土表面24 h保持濕潤(rùn)。

(5)臺(tái)座受到的張拉力達(dá)到11 000 kN,50根鋼絞線滿(mǎn)布在4.8 m寬的梁底,鋼絞線的間距最大只有16 cm。因此采用楔形放張,在固定橫梁與活動(dòng)橫梁之間設(shè)置8個(gè)鋼楔形塊,以減少應(yīng)力的集中。楔形塊表面的壓強(qiáng)控制在50 MPa以下,防止出現(xiàn)鋼質(zhì)表面因壓力過(guò)大而改變楔形機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù),增大了楔形塊的摩阻力。楔形放張可操作性比較強(qiáng),在實(shí)施過(guò)程中也比較方便。

4 U形梁施工工藝要點(diǎn)

4.1 施工工藝流程

25 m U形先張法預(yù)應(yīng)力梁整體預(yù)制施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→調(diào)整底?！壴赘拱邃摻睢惭b端?！╀摻g線及PVC管→鋼絞線初拉→吊裝內(nèi)模側(cè)模→鋼絞線終拉→梁橋混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)→移走內(nèi)模側(cè)模→放張→拆除端模→吊移梁體→割絲封錨。

4.2 模板設(shè)計(jì)與施工

U形梁內(nèi)外模均采用整體鋼模,整體內(nèi)外模與制梁臺(tái)座1∶2配置,內(nèi)模采用絲杠調(diào)節(jié)支撐,保證施工可靠性。外模采用千斤頂與絲杠配合支撐,方便脫模。根據(jù)內(nèi)外模的整體吊運(yùn)的需要,模板骨架及支撐均采用型鋼制作,模板面板厚度6 mm[8],模板組成形式見(jiàn)圖5。

圖5 內(nèi)外模設(shè)計(jì)

內(nèi)外模均在拼裝平臺(tái)上分節(jié)預(yù)拼,然后聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體,用2臺(tái)龍門(mén)吊整體吊裝就位。為達(dá)到內(nèi)外?？焖傺h(huán)利用,一組模板脫模后迅速清理打磨涂脫模劑,吊運(yùn)至下一組安裝,下一組在模板吊運(yùn)安裝前必須完成鋼筋綁扎和相關(guān)預(yù)埋件的預(yù)埋。如此可提高模板的利用效率,也可以提高U形梁的預(yù)制速度。

4.3 鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋施工

底、腹板鋼筋在移梁之后,修整加固完底模后直接在底模上綁扎。在鋼筋綁扎完成后,穿預(yù)應(yīng)力筋。為加快穿預(yù)應(yīng)力筋的速度,從兩側(cè)向中間分兩組同時(shí)穿鋼絞線。初步檢查鋼絞線的位置是否正確,在確定無(wú)誤后進(jìn)行初張拉。內(nèi)外模安裝完成后,進(jìn)行終張拉至控制應(yīng)力。

4.4 U形梁高溫條件下混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

(1)U形梁混凝土強(qiáng)度要求為C45,按美國(guó)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)其強(qiáng)度,與國(guó)內(nèi)的C50高強(qiáng)混凝土是一個(gè)等級(jí)。在沙特麥加地區(qū),常年白天氣溫高于30 ℃,尤其是在七八月份地面溫度最高可達(dá)60 ℃以上,為控制混凝土的入模溫度必須采取加冰措施,將混凝土溫度控制在33 ℃以下(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求)[7～9]。早期控制混凝土的溫度單純采用加冰措施并不理想,仍出現(xiàn)入模溫度過(guò)高的情況,最后采用降低用水溫度與加冰措施并舉,砂石料搭遮陽(yáng)棚的辦法,取得了比較好的效果,可以將混凝土的出廠溫度控制在27 ℃,入模溫度控制在30 ℃以?xún)?nèi)。

(2)混凝土澆筑。因外界氣溫過(guò)高,混凝土澆筑時(shí)間一般選擇在上午的10點(diǎn)之前,下午的3點(diǎn)之后。在下午澆筑混凝土?xí)r一般先灑水降低模板及鋼筋的溫度,防止混凝土入模之初出現(xiàn)假凝。混凝土供應(yīng)采用2臺(tái)集中拌和站供料,2臺(tái)泵車(chē)澆筑,從一端向另一端水平分層左右對(duì)稱(chēng)方式一次澆筑成形。先澆筑U形梁腹板與底板結(jié)合處混凝土,再澆筑腹板混凝土,當(dāng)兩側(cè)腹板混凝土澆筑到頂完成后,再澆筑底板沒(méi)有完成部分的混凝土?；炷琳駬v采用人工插搗與模板附著式振搗器配合的方式進(jìn)行,經(jīng)過(guò)實(shí)踐,底腹板結(jié)合處缺陷較少,達(dá)到了預(yù)期目的。

4.5 放張移梁[6～7]

U形梁在48 h內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%,具備放張條件。在臺(tái)座的兩端按2組施工人員,對(duì)兩端各8個(gè)楔形塊放松。兩端各放松2 cm后,從4片梁的中間開(kāi)始切斷鋼絞線,實(shí)現(xiàn)放張。移梁采用龍門(mén)吊加鋼扁擔(dān)起吊,防止腹板在起吊時(shí)受到橫向力出現(xiàn)裂紋。移梁后割絲封端,繼續(xù)灑水養(yǎng)護(hù)至規(guī)范要求的時(shí)間后運(yùn)架梁。

5 施工效果評(píng)價(jià)

制梁臺(tái)座采用預(yù)埋鋼箱套固定橫梁的方式,施工效果良好,滿(mǎn)足先張法預(yù)應(yīng)力混凝土U形梁的制梁要求,為U形梁的快速施工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。內(nèi)外鋼模板的整體吊運(yùn)加快了模板周轉(zhuǎn)速度,也節(jié)約了大量人工及場(chǎng)地占用。模板采用絲杠加固方式可靠性高,減少了配件在施工過(guò)程中的丟失，達(dá)到了先張U形梁快速施工的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

本工程為城市軌道交通,先張U形梁的設(shè)計(jì)節(jié)約結(jié)構(gòu)空間,與一般預(yù)應(yīng)力箱梁相比,同等跨度下要節(jié)約結(jié)構(gòu)空間2～3 m，為多數(shù)城市軌道交通的凈空要求提供了很好的解決方案。先張法預(yù)制U形梁結(jié)構(gòu)可靠,可批量生產(chǎn),達(dá)到快速施工效果,相對(duì)造價(jià)低,可為國(guó)內(nèi)外相似的城市軌道交通的方案設(shè)計(jì)提供參考。

[1]周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]楊文淵.實(shí)用土木工程手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]TB10203—2002，鐵路橋涵施工規(guī)范[S].

[4]JTJ041—2000，公路橋涵施工規(guī)范[S].

[5]GB50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]Standard Specification for Steel Wire, Deformed Stress-Relieved or Low-Relaxation for Pre-stressed Concrete Railroad Ties[S]. Designation: A881/A881M-05 ASTM1international United States.

[7]Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete[S]. Designation: C494/C494M-05a, ASTM1international, United States．

[8]The Kingdom of Saudi Arabia Ministry of Communications. Highway Design Manual Volume 4 Standard Drawings[S],

[9]AREM2, Part 5, Special Types of Construction[S]. 2007.

[10]AREM2, Chapter 15, Steel Structures[S].2007.

注1： ASTM： American Society of Testing Matericals

注2:AREMA: American Railway Engineering and Maintenance of-way Association