低施工凈空條件下的山區(qū)河流大跨度鋼桁梁架設(shè)方案比選研究

劉玲晶

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司　武漢　430050)

低施工凈空條件下的山區(qū)河流大跨度鋼桁梁架設(shè)方案比選研究

劉玲晶

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司武漢430050)

摘要在山區(qū)河流進(jìn)行橋梁施工相比常規(guī)條件更加復(fù)雜，當(dāng)橋梁施工還受到限高影響時(shí)，橋梁施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)倍增。文中以新建成貴鐵路菜壩岷江特大橋鋼桁梁架設(shè)施工為例，針對(duì)該橋施工凈空低、山區(qū)河流、薄覆蓋層等工程特點(diǎn)，提出了3種鋼梁架設(shè)施工方案，并分別從受力安全、施工難度、經(jīng)濟(jì)投入和施工工期等方面進(jìn)行比選，最終給出本工程的最優(yōu)施工方案。

關(guān)鍵詞鋼梁架設(shè)低凈空施工山區(qū)河流薄覆蓋層方案比選

山區(qū)河流一般具有汛期流速大、水位暴漲暴跌的特點(diǎn)，在山區(qū)河流進(jìn)行橋梁施工，需充分考慮其復(fù)雜水文地質(zhì)特征對(duì)橋梁施工的不利影響，因此，與常規(guī)條件相比，在山區(qū)河流涉水進(jìn)行橋梁施工具有更大的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)橋位臨近機(jī)場(chǎng)或其他具有特殊限高要求的區(qū)域時(shí)，橋梁施工環(huán)境更加復(fù)雜，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)巨大。

1工程背景

1.1　橋梁概述

新建成貴鐵路菜壩岷江特大橋位于宜賓菜壩機(jī)場(chǎng)的西側(cè)。主橋?yàn)?跨連續(xù)鋼桁梁，跨徑布置為140 m+224 m+140 m，鋼桁梁自重約為13 000 t。由于橋址處于宜賓菜壩機(jī)場(chǎng)的西側(cè)約3 km，橋梁施工受機(jī)場(chǎng)航空限高的影響，見(jiàn)圖1。

圖1　橋型布置(單位：m)

主橋鋼桁梁采用N形、K形組合桁式，跨中桁高16 m，支點(diǎn)桁高32 m，節(jié)間長(zhǎng)度14.0 m，2片主桁，主桁中心距14 m。主桁節(jié)點(diǎn)均采用焊接整體節(jié)點(diǎn)。上、下弦桿采用箱形截面。腹桿根據(jù)受力大小采用箱形截面和H 形截面。主桁桿件采用Q370qD，Q370qE，Q420qD，Q420qE等鋼材，聯(lián)結(jié)系桿件采用Q345qD 鋼材。桿件最大重量68 t。

1.2　水文地質(zhì)

橋址區(qū)屬宜賓市，雨量充沛。據(jù)上游高場(chǎng)水文站提供的資料，枯水期水位272 m，洪水期水位281 m，汛期最大流速達(dá)到3.34 m/s。

橋位處水文條件具有典型的山區(qū)河流特征，汛期水位暴漲暴跌，晝夜水位差可達(dá)8 m以上。圖2為2012年7月橋位處逐日水位。

圖2　橋位處2012年7月逐日水位

河床覆蓋層較薄，局部無(wú)覆蓋層，覆蓋層主要為卵石土，土層中卵石含量約90%，粒徑為20～50 mm約占30%，粒徑為50～180 mm約占60%，最大為230 mm，屬I(mǎi)II級(jí)硬土。下伏基巖為薄層砂巖夾泥巖及弱風(fēng)化砂巖。砂巖夾泥巖為強(qiáng)風(fēng)化層，呈碎石狀結(jié)構(gòu)，屬I(mǎi)V級(jí)軟石。砂巖層風(fēng)化程度低，強(qiáng)度較高。主橋17，18號(hào)主墩基礎(chǔ)均為水中基礎(chǔ)。17號(hào)墩位處覆蓋層較薄，厚度范圍為1.5～5 m；18號(hào)墩位處河床無(wú)覆蓋層[1]。

2工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1) 本橋施工受鄰近宜賓菜壩機(jī)場(chǎng)民航部門(mén)的限高影響。因此，鋼桁梁架設(shè)時(shí)所用的機(jī)械設(shè)備均需滿足限高要求。例如，架梁吊機(jī)的本體高度均較高，在其自身安裝以及吊裝桿件的過(guò)程中，會(huì)有超高的可能性。所以，本橋鋼梁架設(shè)需采用特制架梁吊機(jī)或龍門(mén)吊機(jī)進(jìn)行安裝，以降低設(shè)備的操作空間。

(2) 岷江屬于典型的山區(qū)河流，具有汛期流速大，水位暴漲暴跌的特點(diǎn)。根據(jù)工期安排，岷江橋鋼桁梁架設(shè)計(jì)劃在2015年7月開(kāi)始，正好是汛期施工。棧橋作為鋼梁桿件的運(yùn)輸通道，是必不可少的大臨設(shè)施。因此對(duì)棧橋渡洪設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

(3) 橋位處河床沖刷顯著，大部覆蓋層較薄，局部無(wú)覆蓋層。為確保棧橋鋼管樁的承載能力滿足汛期施工的需要，鋼管樁基礎(chǔ)需嵌入基巖。因此，施工較為困難。

3鋼梁架設(shè)施工方案

根據(jù)本橋的工程特點(diǎn)，對(duì)本橋鋼梁架設(shè)擬定了3種可行的施工方案。

3.1　方案一(采用龍門(mén)吊機(jī)從中跨向邊跨架設(shè))

(1) 利用龍門(mén)吊機(jī)在墩旁托架上完成起始6個(gè)鋼梁節(jié)間的拼裝，然后在起始節(jié)間鋼梁上安裝架梁吊機(jī)下部。

(2) 龍門(mén)吊退出工作區(qū)，利用履帶吊完成架梁吊機(jī)上部的安裝。

(3) 進(jìn)行鋼梁對(duì)稱懸臂架設(shè)。成都側(cè)邊跨鋼梁由龍門(mén)吊機(jī)安裝；貴陽(yáng)側(cè)邊跨鋼梁由龍門(mén)吊和履帶吊機(jī)安裝；主跨鋼梁由架梁吊機(jī)安裝。

方案一中，龍門(mén)吊機(jī)作為鋼桁梁起始節(jié)間及邊跨節(jié)間架設(shè)的吊裝設(shè)備。為滿足龍門(mén)吊機(jī)工作要求，需在橋位上、下游分別設(shè)置棧橋。主墩旁設(shè)置墩旁托架作為鋼梁起始節(jié)間架設(shè)的支撐，并作為對(duì)稱懸臂架設(shè)的穩(wěn)定措施。

3.2　方案二(采用架梁吊機(jī)從中跨向邊跨架設(shè))

(1) 利用2 000 t·m塔吊在墩旁托架上完成起始6個(gè)鋼梁節(jié)間的拼裝，然后在起始節(jié)間鋼梁上安裝架梁吊機(jī)。

(2) 利用4臺(tái)架梁吊機(jī)進(jìn)行鋼梁對(duì)稱懸臂架設(shè)。

方案二中，考慮墩位處常水位較低，無(wú)法滿足大型浮吊施工的需要，因此需在主墩墩位處設(shè)置大噸位塔吊完成起始節(jié)間鋼梁架設(shè)和架梁吊機(jī)的安裝。

3.3　方案三(采用架梁吊機(jī)從邊跨向中跨架設(shè))

(1) 利用大噸位塔吊或履帶吊在臨時(shí)墩上完成起始4個(gè)鋼梁節(jié)間的拼裝，然后在已完成的鋼梁桿件上安裝架梁吊機(jī)。

(2) 利用2臺(tái)架梁吊機(jī)從邊跨向中跨懸臂架設(shè)。

4方案比選

從結(jié)構(gòu)受力安全性、施工難易程度、經(jīng)濟(jì)投入，以及施工工期等4個(gè)方面對(duì)本橋鋼桁梁架設(shè)的3種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合比選。

4.1　鋼梁及臨時(shí)支架的受力安全分析

3種施工方案從鋼梁架設(shè)的方向上可分為2種。方案一和方案二均是從中跨向邊跨架設(shè)，方案三是從邊跨向中跨架設(shè)。在施工階段，采用不同的架設(shè)方向，對(duì)鋼梁結(jié)構(gòu)以及臨時(shí)支架的受力具有顯著差異。

對(duì)鋼梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而言，當(dāng)采用方案一和方案二時(shí)，由于是雙懸臂施工，因此必須嚴(yán)格控制橋面的施工荷載，否則不能滿足1.5的抗傾覆安全系數(shù)。當(dāng)采用方案三時(shí)，可充分利用邊跨鋼梁自重來(lái)滿足抗傾覆的要求。

根據(jù)鋼梁架設(shè)方向的不同，計(jì)算出各個(gè)施工階段鋼梁應(yīng)力和撓度的包絡(luò)值，見(jiàn)圖3～圖5。

圖3　施工階段鋼梁下弦應(yīng)力包絡(luò)值

圖4　施工階段鋼梁上弦應(yīng)力包絡(luò)值

圖5　施工階段鋼梁撓度包絡(luò)值

由圖3～圖5可見(jiàn)，在施工階段鋼梁架設(shè)方向僅對(duì)邊跨鋼梁的應(yīng)力和撓度有影響。其中，3種方案的邊跨鋼梁弦桿應(yīng)力有較小差異，下弦最大壓應(yīng)力均約為127 MPa，上弦最大拉應(yīng)力均約為128 MPa。方案三的邊跨鋼梁撓度明顯比方案一和方案二的邊跨鋼梁撓度小，施工的安全性更高。

通過(guò)計(jì)算，方案一和方案二中的臨時(shí)支架(即墩旁托架)承受的最大壓力是方案三中臨時(shí)支架(即臨時(shí)支墩)承受的最大壓力的1.6倍。因此，對(duì)臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，方案三中臨時(shí)支架僅需采用小直徑的鋼管即可滿足受力要求。

因此，方案三無(wú)論從鋼梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面，還是從臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)受力方面，都是最優(yōu)的。

4.2　施工難易性分析

方案一的主要架梁設(shè)備是龍門(mén)吊機(jī)和架梁吊機(jī)。其中，為滿足龍門(mén)吊機(jī)工作要求，需在橋位上、下游分別設(shè)置棧橋。方案二和方案三的主要架梁設(shè)備為大噸位塔吊和架梁吊機(jī)，下部結(jié)構(gòu)施工期間僅需設(shè)計(jì)單棧橋即可。

由于本橋橋位處河床沖刷顯著，大部覆蓋層較薄或無(wú)覆蓋層，同時(shí)考慮本橋跨越的岷江河段為典型的山區(qū)河流，具有汛期流速大，水位暴漲暴跌的特點(diǎn)，為保證棧橋施工安全，棧橋的部分鋼管樁基礎(chǔ)需先沖孔后再施工混凝土錨樁。因此，棧橋施工難度較大[2-3]。通過(guò)以上分析可知，由于棧橋施工難度較大，方案一相比方案二和方案三施工更為困難。

4.3　經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)前述擬定的3種施工方案，其主要施工設(shè)備和施工結(jié)構(gòu)投入見(jiàn)表1。

表1　3種施工方案主要機(jī)械設(shè)備和施工結(jié)構(gòu)對(duì)比表

由表1可見(jiàn)，若考慮施工結(jié)構(gòu)的周轉(zhuǎn)性，則設(shè)備材料的投入關(guān)鍵在于特制架梁吊機(jī)的數(shù)量。因此，方案二相比方案一和方案三經(jīng)濟(jì)性較差，方案三經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

4.4　工期對(duì)比

對(duì)3種鋼梁架設(shè)施工方案進(jìn)行工期分析后可知，3種鋼梁架設(shè)方案所需要的總工期基本相同，均為約10個(gè)月。然而，工期的主要區(qū)別在于方案一和方案二鋼梁架設(shè)前，主墩需完成全部墩身施工；方案三鋼梁架設(shè)前，只需邊墩和臨時(shí)墩施工完成即可。由于兩岸邊墩基本為岸上墩，施工較為容易，主墩均為水中墩，基礎(chǔ)施工難度大且工期較長(zhǎng)。相比而言，采用方案三進(jìn)行鋼桁梁架設(shè)對(duì)主墩施工完成的工期節(jié)點(diǎn)要求比方案一和方案二可延緩約4個(gè)月。因此，方案三相比方案一和方案二具有顯著的工期優(yōu)勢(shì)。

4.5　結(jié)論

綜上所述，在保證施工安全的前提下，本橋鋼桁梁架設(shè)的3種方案在結(jié)構(gòu)受力安全性、施工難易程度、經(jīng)濟(jì)性和工期等方面的差異見(jiàn)圖6。

圖6　3種鋼桁梁架設(shè)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比圖表

顯然，施工方案三相比其他2個(gè)方案具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，因此本橋鋼桁梁架設(shè)最終選用利用架梁吊機(jī)從邊跨向中跨方向進(jìn)行架設(shè)的方案。

5結(jié)語(yǔ)

鋼梁懸拼架設(shè)可根據(jù)實(shí)際情況靈活選用龍門(mén)吊機(jī)、架梁吊機(jī)、大噸位塔吊或履帶吊等多種設(shè)備，設(shè)備的選取除滿足吊裝要求外，還需綜合考慮設(shè)備本身的適用條件。以本橋鋼梁架設(shè)為例，采用龍門(mén)吊機(jī)進(jìn)行鋼梁架設(shè)具有低空作業(yè)的顯著優(yōu)勢(shì)，但為滿足其正常工作的需要，需在橋位上、下游分別設(shè)置棧橋，而薄覆蓋層堅(jiān)硬河床的地質(zhì)條件導(dǎo)致雙側(cè)棧橋施工難度增加，施工工期延長(zhǎng)。因此，架設(shè)設(shè)備的合理選擇對(duì)于降低施工難度、加快施工進(jìn)度具有重要意義。

多跨連續(xù)鋼梁架設(shè)從架設(shè)方向上一般可采用從主墩向兩側(cè)對(duì)稱懸臂架設(shè)[4-5]和從邊跨向中跨架設(shè)[6]2類(lèi)。采用不同的架設(shè)方向，對(duì)鋼梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及相關(guān)單項(xiàng)工程的工期節(jié)點(diǎn)要求具有顯著差異。因此，施工方案擬定時(shí)應(yīng)綜合考慮相關(guān)單項(xiàng)工程施工的實(shí)際情況，選取適宜的架設(shè)方向，以方便現(xiàn)場(chǎng)施工組織，降低實(shí)施難度。

綜上所述，在低施工凈空條件下進(jìn)行跨越山區(qū)河流的大跨度鋼桁梁架設(shè)施工，施工方案的選取應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境的實(shí)際情況，在滿足客觀條件的限制、施工安全性和可實(shí)施性的前提下，綜合考慮橋梁施工各單項(xiàng)工程的相關(guān)性以及施工難度等因素進(jìn)行綜合比選后合理選擇，以方便現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工組織和管理，最大程度降低橋梁施工的綜合成本和風(fēng)險(xiǎn)。

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Comparison and Selection of Construction Schemes for Long-span Steel Truss Girder Erection over Mountain Streams under

Low Construction Clearance Condition

LiuLingjing

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co., Ltd., Wuhan 430050, China)

Abstract：The bridge construction over Mountain Streams is much more complicated than conventional construction. When the bridge construction was influenced by aviation limited height, the construction difficulty and risk will be redoubled. In this paper, taking example for the new Caiba Minjiang River Bridge on Chengdu-Guiyang Railway, three construction schemes were proposed for the course characteristic of low clearance during the construction stage, the mountain streams and thin covering layer, etc. After the load bearing safety, the degree of construction difficulty, economic investment and the construction schedules were compared from these three schemes, the most suitable scheme was chosen at the end of this paper.

Key words:steel truss girder erection; low clearance construction; mountain streams; thin overburden layer; scheme comparison and selection

收稿日期：2015-07-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.002