桃河大橋跨既有線(xiàn)轉(zhuǎn)體施工仿真應(yīng)用

劉思明

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300140）

隨著鐵路網(wǎng)的豐富完善，新建鐵路與既有鐵路交叉的情況頻繁出現(xiàn)，通常采用橋梁上跨方式跨越既有線(xiàn)。與橋梁現(xiàn)澆施工相比，轉(zhuǎn)體施工能縮短對(duì)既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的干擾時(shí)間，具有顯著的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1-3]。轉(zhuǎn)體施工方案從既有線(xiàn)防護(hù)開(kāi)始，經(jīng)歷主體結(jié)構(gòu)施工、主梁轉(zhuǎn)體、現(xiàn)澆段合龍、封固上下轉(zhuǎn)盤(pán)等工序。施工全過(guò)程對(duì)時(shí)間和空間環(huán)境較為敏感，邊界條件復(fù)雜，可能存在侵入既有鐵路限界、干擾鐵路接觸網(wǎng)、與墩旁托架碰撞等施工風(fēng)險(xiǎn)。依托以BIM和GIS為代表的計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)，開(kāi)展跨既有線(xiàn)T形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工仿真，有助于預(yù)判并管控施工過(guò)程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

桃河大橋與既有石太鐵路上下行線(xiàn)交叉，交叉角度為69°，采用T形剛構(gòu)橋跨越，跨度為（56+56）m。主墩墩高11 m，采用矩形截面、墩梁固結(jié)。主墩與承臺(tái)之間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸連接，承臺(tái)厚度4.0 m，其中轉(zhuǎn)體部分基礎(chǔ)厚3.7 m。承臺(tái)下設(shè)群樁基礎(chǔ)，樁基布置為20根1.25 m群樁，樁尖置于1 500 kPa的石灰?guī)r上。桃河大橋立面圖見(jiàn)圖1。

主墩大里程側(cè)為桃河主河道，受橋址處地形限制，施工場(chǎng)地狹小，T形剛構(gòu)橋采用先平行既有鐵路懸臂施工再實(shí)施轉(zhuǎn)體就位的方式，轉(zhuǎn)體質(zhì)量4 800 t。為降低基坑開(kāi)挖對(duì)相鄰鐵路的影響，主墩基礎(chǔ)施工時(shí)采用鉆孔樁防護(hù)，基坑回填根據(jù)要求分層夯填密實(shí)，并采用混凝土擋墻進(jìn)行防護(hù)。

2 新技術(shù)應(yīng)用

施工仿真應(yīng)用建立在可視化3D信息建?；A(chǔ)上，涉及的信息模型主要有2類(lèi)：工程設(shè)施模型和數(shù)字地形模型[4-6]。

BIM技術(shù)是對(duì)工程對(duì)象的數(shù)字化、信息化表達(dá)[7]。選擇基于達(dá)索V6平臺(tái)完成BIM模型建模，平臺(tái)具有精細(xì)化建模和參數(shù)化建模等能力。應(yīng)用定位骨架結(jié)合模板的設(shè)計(jì)方法，在完成轉(zhuǎn)體T形剛構(gòu)橋BIM建模的同時(shí)，能夠存儲(chǔ)幾何與非幾何信息。通過(guò)對(duì)BIM模型信息的挖掘，可為工程決策提供支持，并能較好地服務(wù)于橋梁工程施工仿真研究。主要應(yīng)用BIM技術(shù)完成工程設(shè)施模型的創(chuàng)建（見(jiàn)圖2）。

GIS技術(shù)與多學(xué)科關(guān)聯(lián)，以地理信息技術(shù)為核心，通過(guò)對(duì)各類(lèi)地理信息的搜集、分析及存儲(chǔ)，能夠根據(jù)不同地理信息，挖掘地理及空間信息資源，以滿(mǎn)足工程測(cè)量的實(shí)際需求。數(shù)字地形模型采用航空攝影的手段獲取基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行GPS差分解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、DEM制作等。施工器械模型通過(guò)模型移動(dòng)、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)控制等方法，可實(shí)現(xiàn)任意運(yùn)動(dòng)控制并記錄過(guò)程數(shù)據(jù)。

通過(guò)深度理解BIM與GIS模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將工程模型、真實(shí)地理環(huán)境及其他相關(guān)模型進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合，并基于GIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)施工仿真工具，實(shí)現(xiàn)施工工序及施工工藝過(guò)程仿真。能有效利用設(shè)計(jì)模型和既有三維地理信息數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和幾何精度，降低施工仿真的難度和成本，拓展應(yīng)用面。

圖1 桃河大橋立面圖

圖2 基于達(dá)索V6平臺(tái)建立的桃河大橋BIM模型

3 應(yīng)用目標(biāo)

開(kāi)展桃河大橋T形剛構(gòu)橋施工工序的仿真應(yīng)用，主要涉及工程設(shè)施模型與數(shù)字地形模型。應(yīng)用BIM技術(shù)完成工程設(shè)施模型建模，應(yīng)用GIS技術(shù)完成數(shù)據(jù)融合。主要涵蓋鉆機(jī)平臺(tái)搭設(shè)、既有線(xiàn)防護(hù)、轉(zhuǎn)體設(shè)備安裝、主梁轉(zhuǎn)體等工序，過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：

（1）基礎(chǔ)施工對(duì)既有線(xiàn)的干擾及防護(hù)；

（2）吊車(chē)、鉆機(jī)等施工機(jī)械作業(yè)期間對(duì)既有線(xiàn)的干擾；

（3）T形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體過(guò)程中與既有鐵路的安全限界核查；

（4）轉(zhuǎn)體合龍前梁體與墩旁托架的碰撞檢測(cè)。

此外，通過(guò)開(kāi)展桃河大橋施工仿真應(yīng)用，探索施工仿真工作的組織流程，為施工仿真技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

4 轉(zhuǎn)體施工仿真

4.1 仿真工作流程

施工仿真核心在于還原施工工序。不同工法的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、關(guān)注點(diǎn)各有側(cè)重，同一工法在不同階段的重心有所不同。開(kāi)展仿真工作時(shí)，應(yīng)通過(guò)需求分析與需求評(píng)估，有針對(duì)性地開(kāi)展仿真工作，并通過(guò)初步模擬、需求評(píng)估、反饋迭代的方式確定施工仿真內(nèi)容。仿真工作流程見(jiàn)圖3。

4.2 施工工序仿真

根據(jù)施工組織安排完成主要施工工序的仿真，仿真流程見(jiàn)圖4?？缂扔芯€(xiàn)轉(zhuǎn)體施工從既有鐵路設(shè)備及線(xiàn)路防護(hù)開(kāi)始，到封固上下轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)束。防護(hù)樁分級(jí)施工后開(kāi)挖至承臺(tái)底部，開(kāi)始施工樁基，防護(hù)樁與樁基的建模與設(shè)計(jì)保持一致。按順序開(kāi)展承臺(tái)、主墩墩身及主梁的施工仿真，其中上下轉(zhuǎn)盤(pán)需臨時(shí)固結(jié)，梁體采用掛籃懸臂法施工（見(jiàn)圖5、圖6）。

4.3 施工仿真分析

轉(zhuǎn)體施工對(duì)既有線(xiàn)的干擾、工程設(shè)施與既有線(xiàn)的相對(duì)關(guān)系是轉(zhuǎn)體施工的重點(diǎn)。主墩基礎(chǔ)靠近既有線(xiàn)一側(cè)設(shè)防護(hù)樁，分層填筑施工平臺(tái)，分級(jí)施工防護(hù)樁，并施工冠梁及防護(hù)措施。根據(jù)施工仿真模擬，防護(hù)樁最外側(cè)距離鐵路接觸網(wǎng)8.4 m（見(jiàn)圖7），樁基礎(chǔ)最外側(cè)距離接觸網(wǎng)最近10.9 m。

在模擬鋼筋籠吊裝施工時(shí)，選用25 t汽車(chē)吊進(jìn)行吊裝，吊臂長(zhǎng)度31 m?？紤]吊車(chē)傾覆等情況，經(jīng)仿真模擬確定安全作業(yè)線(xiàn)到線(xiàn)路安全運(yùn)營(yíng)限界的距離為23 m（見(jiàn)圖8）。防護(hù)樁與鐵路接觸網(wǎng)立柱最近距離8.4 m，采用沖擊鉆施工，需吊裝鋼筋籠最長(zhǎng)為6 m，通過(guò)施工仿真模擬鋼筋籠傾覆的干擾范圍，完成對(duì)施工工序安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估（見(jiàn)圖9）。

圖3 仿真工作流程

圖4 轉(zhuǎn)體施工工序仿真流程

圖5 既有鐵路防護(hù)與樁基施工仿真

圖6 解除臨時(shí)固結(jié)試轉(zhuǎn)開(kāi)始

圖7 樁基防護(hù)與既有線(xiàn)相對(duì)關(guān)系

圖10 轉(zhuǎn)體過(guò)程中梁體底部到接觸網(wǎng)頂距離

圖8 吊車(chē)傾覆分析與安全作業(yè)線(xiàn)

圖11 試轉(zhuǎn)后梁體邊緣到接觸網(wǎng)線(xiàn)水平距離

圖9 吊裝鋼筋籠傾覆分析

圖12 合龍前梁體與墩旁托架碰撞檢測(cè)

轉(zhuǎn)體施工分為試轉(zhuǎn)和正式轉(zhuǎn)體兩步，總轉(zhuǎn)體角度69°，其中試轉(zhuǎn)角度13°，正式轉(zhuǎn)體角度56°。轉(zhuǎn)體過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)及既有線(xiàn)的相對(duì)關(guān)系動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)施工仿真模擬，獲取轉(zhuǎn)體過(guò)程中不同階段的梁體底部到接觸網(wǎng)頂?shù)木嚯x、梁體底部到既有線(xiàn)軌面的距離及梁體平轉(zhuǎn)時(shí)到基礎(chǔ)網(wǎng)線(xiàn)的水平距離（見(jiàn)圖10、圖11），完成轉(zhuǎn)體施工對(duì)既有線(xiàn)干擾的全過(guò)程分析。

合龍段墩旁支架與轉(zhuǎn)體梁體的碰撞在轉(zhuǎn)體施工中容易被忽視，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)施工圖紙建立托架模型，在合龍前開(kāi)展重點(diǎn)施工工序細(xì)節(jié)仿真，核查并預(yù)判墩旁托架與轉(zhuǎn)體梁的碰撞情況（見(jiàn)圖12）。

5 結(jié)束語(yǔ)

以桃河大橋跨越既有石太鐵路項(xiàng)目為依托，完成T形剛構(gòu)橋跨既有線(xiàn)轉(zhuǎn)體施工過(guò)程的仿真模擬。針對(duì)復(fù)雜的轉(zhuǎn)體施工工法和既有線(xiàn)敏感的施工環(huán)境，開(kāi)展施工全過(guò)程仿真能夠發(fā)掘可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)對(duì)施工方案的及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的有效管控，進(jìn)而提高施工質(zhì)量、保障施工安全、提升綜合效益。

BIM與GIS技術(shù)的融合應(yīng)用，能有效利用工程模型信息與三維地理信息，快速高效完成基于真實(shí)地理場(chǎng)景的橋梁施工仿真，并對(duì)轉(zhuǎn)體施工中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和反饋，將信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)應(yīng)用到復(fù)雜橋梁的仿真應(yīng)用中。