贛江特大橋無(wú)砟軌道施工線形控制關(guān)鍵技術(shù)

楊艷麗，嚴(yán)愛(ài)國(guó)

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063）

橋上采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)具有延長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)維修周期、提高線路利用率和軌道平順度等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可有效降低橋梁恒載影響。我國(guó)鋪設(shè)無(wú)砟軌道的橋梁最大跨度為185 m（設(shè)計(jì)時(shí)速200 km，鋪設(shè)CRTS Ⅰ框架型板式無(wú)砟軌道），在185 m 以上跨度橋梁上鋪設(shè)無(wú)砟軌道的線形控制成為世界難題[1-3]。大跨度橋梁縱向剛度不均勻，受風(fēng)速、溫度、荷載等因素影響，主梁線形不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致橋上的CP Ⅲ精測(cè)控制網(wǎng)也隨之動(dòng)態(tài)變化，給大跨度橋上無(wú)砟軌道施工帶來(lái)了困難和挑戰(zhàn)[4-12]。因此，研究大跨度橋上無(wú)砟軌道施工技術(shù)具有重要意義，其中無(wú)砟軌道線形控制是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

昌吉贛高鐵設(shè)計(jì)速度350 km/h，贛州贛江特大橋主橋采用（35+40+60+300+60+40+35）m 混合梁斜拉橋，其結(jié)構(gòu)為塔梁分離形式，半飄浮體系，塔梁之間設(shè)置支座和縱向阻尼器，全橋位于直接平坡地段。主橋立面布置圖見(jiàn)圖1。

贛江特大橋?yàn)殡p線鐵路橋，鋪設(shè)CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道。主橋主跨跨度300 m，設(shè)置圓弧形預(yù)拱度，軌道工程施工完成后，跨中預(yù)拱度設(shè)計(jì)值為60 mm；主橋邊跨為混凝土箱梁，主跨為箱形鋼混組合梁，由槽型鋼梁與混凝土橋面板組成，混凝土橋面板通過(guò)剪力釘、濕接縫與槽型鋼梁連接。

2 主橋預(yù)拱度設(shè)計(jì)

對(duì)于無(wú)砟軌道橋梁，早期的橋梁設(shè)計(jì)中大都設(shè)置恒載與活載預(yù)拱度，但軌道施工應(yīng)保持橋上軌面線形與線路線形一致，以將活載預(yù)拱度消除。因此，近期在無(wú)砟軌道橋梁設(shè)計(jì)中，基本不考慮活載預(yù)拱度。但贛江特大橋是我國(guó)首座在300 m 跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道的橋梁，無(wú)砟軌道和橋梁設(shè)置相同預(yù)拱度，列車荷載作用后可抵消部分下?lián)衔灰疲瑹o(wú)砟軌道的受力及列車運(yùn)行的線路平順性可得到改善。因此，設(shè)置軌道預(yù)拱度，對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和列車運(yùn)營(yíng)是有利的。

按照橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，大跨度橋梁的預(yù)拱度包括恒載預(yù)拱度和活載預(yù)拱度。其中，由于后期徐變?cè)诰€路鋪裝完成后發(fā)生，對(duì)線路的平順性影響較大，因此施工中將其視為恒載變形考慮至恒載預(yù)拱度中；活載預(yù)拱度則按設(shè)計(jì)靜活載的一半考慮[13]。預(yù)拱度的設(shè)置在橋梁及無(wú)砟軌道施工過(guò)程中實(shí)施。

贛江特大橋主橋工后徐變?cè)跓o(wú)砟軌道鋪設(shè)完成3 年后即趨于穩(wěn)定，主橋主跨跨中最大徐變撓度為27.1 mm。由于贛江特大橋同時(shí)通行雙線列車的概率非常小，因此活載變形采用單線動(dòng)車組荷載計(jì)算，其主橋主跨跨中撓度為65.0 mm。預(yù)拱度線形為圓弧形，僅在主橋主跨施加。無(wú)砟軌道施工完成后的跨中預(yù)拱度為徐變變形值（27.1 mm）+1/2 活載變形值（32.5 mm），取整為60.0 mm 考慮。

圖1 主橋立面布置圖

3 施工難點(diǎn)

為確保贛江特大橋主橋主跨無(wú)砟軌道鋪設(shè)完成后的軌面線形滿足設(shè)計(jì)要求，需分析贛江特大橋主橋線形控制因素和施工過(guò)程中環(huán)境影響因素，以便在無(wú)砟軌道施工時(shí)采取相應(yīng)措施。

3.1 主橋線形影響

了解主橋線形在各種因素下的變化規(guī)律，使施工過(guò)程根據(jù)外界因素和荷載情況按相應(yīng)的線形進(jìn)行控制，最終達(dá)到理想線形。為研究靜力作用下贛江特大橋主橋線形變化規(guī)律，對(duì)贛江特大橋全橋進(jìn)行建模分析。

3.1.1 成橋線形控制

對(duì)贛江特大橋無(wú)砟軌道施工過(guò)程中主梁線形變化分析，僅考慮在無(wú)砟軌道施工過(guò)程中橋上二期恒載變化因素。該過(guò)程中，將線形變化分3 個(gè)施工階段進(jìn)行對(duì)比：第1 階段為一次成橋階段；第2 階段為施工無(wú)砟軌道底座和軌道板階段；第3 階段為鋪設(shè)鋼軌階段。將后2 個(gè)階段與第1 階段的線形進(jìn)行對(duì)比，施工無(wú)砟軌道底座和軌道板后，跨中下?lián)?98.500 mm；鋪裝鋼軌后，跨中繼續(xù)下?lián)?.901 mm。計(jì)算結(jié)果表明：無(wú)砟軌道施工前后主梁最大位移為205.100 mm，若軌道鋪裝前按直線、平坡為成橋線形，鋪裝軌道后主梁的下?lián)蠈⒏淖冎髁壕€形。主梁成橋線形預(yù)拱度應(yīng)設(shè)置為0.205 1 m，無(wú)砟軌道施工完成后的預(yù)拱度為0.060 m（徐變變形值+1/2 活載變形值），以保證軌道鋪裝后主梁線形。

3.1.2 溫度影響

贛江特大橋主橋斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，溫度對(duì)斜拉橋線形的影響較大，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂顥l件，主橋合攏溫度按考慮。對(duì)其中4 種溫度工況組合下的變形進(jìn)行分析，4 種溫度工況組合見(jiàn)表1。

表 1 4 種溫度溫度工況組合

計(jì)算結(jié)果可知，塔梁升溫25 ℃，主梁跨中上撓0.145 5 m；工況組合2 作用下，主梁跨中上撓0.083 2 m；塔梁降溫25 ℃時(shí)，主梁跨中下?lián)?.145 5 m；工況組合4 作用下，主梁跨中下?lián)?.083 2 m。所以，溫度對(duì)主梁線形產(chǎn)生較大影響，為保證無(wú)砟軌道施工后的軌面線形滿足設(shè)計(jì)要求，各施工階段必須按特定溫度下的線形進(jìn)行控制。

3.2 環(huán)境對(duì)主橋軌道測(cè)量控制網(wǎng)影響

無(wú)砟軌道施工精度控制的關(guān)鍵是建立CP Ⅲ控制網(wǎng)，但贛江特大橋是柔性結(jié)構(gòu)，不同風(fēng)速、日照梯度溫差、大氣溫差都將導(dǎo)致CP Ⅲ控制點(diǎn)的位置不同。CP Ⅲ控制網(wǎng)的聯(lián)測(cè)必須在控制點(diǎn)位置相對(duì)穩(wěn)定時(shí)完成，否則控制網(wǎng)測(cè)設(shè)、平差計(jì)算難以通過(guò)。通過(guò)建模分析，計(jì)算主梁受風(fēng)速、日照梯度溫差、大氣溫差影響的最大位移見(jiàn)表2—表4。

表2 不同風(fēng)速引起的主梁位移 mm

表3 不同日照梯度溫差引起的主梁位移 mm

表4 不同大氣溫差引起的主梁位移

按照《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》要求[14]，CP Ⅲ測(cè)點(diǎn)高程和平面誤差均按±1 mm 控制。結(jié)合以上變形分析數(shù)據(jù)，考慮一定余量并將數(shù)據(jù)取整后，CP Ⅲ聯(lián)測(cè)時(shí)的外界環(huán)境條件限定為：風(fēng)速≤5 m/s，不容許有日照梯度溫差，環(huán)境溫差≤3 ℃。因此，采取以下措施進(jìn)行CP Ⅲ測(cè)量：

（1）CP Ⅲ測(cè) 量 時(shí) 間 為20：00—6：00（環(huán) 境溫差≤3 ℃，鋼梁無(wú)梯度溫差）；

（2）以主橋長(zhǎng)度為1 個(gè)CP Ⅲ測(cè)量單元，長(zhǎng)度為1 079 m，減少主橋測(cè)量時(shí)間；

（3）風(fēng)力超過(guò)3 級(jí)，嚴(yán)禁CP Ⅲ測(cè)量。

4 施工方案

4.1 方案比選

橋上鋪設(shè)的CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)[15]由鋼軌、扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土、隔離緩沖墊層、底座等部分組成（見(jiàn)圖2）。主梁底座板設(shè)計(jì)厚度220 mm，自密實(shí)混凝土層設(shè)計(jì)厚度103 mm，二者均具有±20 mm 的誤差調(diào)整能力。無(wú)砟軌道施工在橋面其他附屬設(shè)施安裝完成后實(shí)施；主橋無(wú)砟軌道施工按先主橋邊跨、后主橋主跨的順序進(jìn)行；主橋主跨底座混凝土施工采用單側(cè)一次性澆筑完成；主橋主跨自密實(shí)混凝土采用雙側(cè)一次性連續(xù)澆筑完成。為確保軌面線形滿足最終設(shè)計(jì)要求，提出以下2 個(gè)施工方案。

圖2 CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道橫斷面

4.1.1 方案一：施工前進(jìn)行橋面預(yù)加載

主橋主跨無(wú)砟軌道施工前，根據(jù)施工荷載進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載后調(diào)索，使得梁面線形基本符合設(shè)計(jì)線形。施工過(guò)程中根據(jù)施工進(jìn)度，逐層逐級(jí)卸載，始終保持氣溫恒定、橋面二期恒載與最終橋上靜荷載一致。主要作業(yè)流程為：

（1）主跨預(yù)加載。根據(jù)二期恒載及其他附屬工程荷載對(duì)主跨預(yù)加載，模擬主跨在軌道工程施工完成后的實(shí)際受力狀態(tài)。

（2）調(diào)索及梁面線形驗(yàn)收。預(yù)加載后，按軌面設(shè)計(jì)線形要求調(diào)索，并對(duì)梁面線形驗(yàn)收，復(fù)核梁面高程、中線等幾何要素，及時(shí)處理超差部位，為無(wú)砟軌道施工做準(zhǔn)備。

（3）底座、隔離緩沖墊層及彈性墊層施工。底座按設(shè)計(jì)線形進(jìn)行放樣，立模后卸載擬施工范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)荷載，按標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程進(jìn)行底座混凝土、橡膠隔離緩沖墊層以及限位凹槽周圍彈性墊層的施工。

（4）軌道板粗鋪、精調(diào)。卸載軌道板對(duì)應(yīng)荷載，根據(jù)設(shè)計(jì)布板要求，選擇對(duì)應(yīng)的軌道板型號(hào)，按標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程進(jìn)行軌道板粗鋪、精調(diào)。

（5）自密實(shí)混凝土施工。卸載自密實(shí)混凝土對(duì)應(yīng)荷載，進(jìn)行自密實(shí)混凝土施工。

（6）鋪軌。鋪軌前，卸載主橋上剩余荷載，進(jìn)行鋪軌精調(diào)作業(yè)。

該方案需在無(wú)砟軌道施工前對(duì)主橋主跨進(jìn)行預(yù)加載，施工過(guò)程中基本保證梁體荷載不變。在施工前將梁面調(diào)整為設(shè)計(jì)線形，施工過(guò)程中不需要二次調(diào)索，能較好地控制梁面線形及軌道鋪設(shè)精度。但缺點(diǎn)是預(yù)加載量較大，對(duì)施工場(chǎng)地干擾較大，施工較為復(fù)雜。

4.1.2 方案二：施工前不進(jìn)行軌道預(yù)加載

無(wú)砟軌道施工過(guò)程中不進(jìn)行預(yù)加載，施工前按照無(wú)砟軌道施工前橋面的理論線形進(jìn)行調(diào)索，達(dá)到理論計(jì)算線形后，按理論線形對(duì)底座施工放樣并進(jìn)行施工，且與理論線形不斷驗(yàn)證，如誤差在可控范圍內(nèi)，對(duì)軌道板進(jìn)行粗鋪，并計(jì)算軌道板粗鋪后的理論線形。按此線形進(jìn)行軌道板精調(diào)后，灌注自密實(shí)混凝土，再進(jìn)行鋪軌精調(diào)。其主要作業(yè)流程為：

（1）梁面線形驗(yàn)收。按無(wú)砟軌道施工前荷載情況及氣溫條件計(jì)算出的梁面理論線形調(diào)整斜拉索后，對(duì)梁面線形驗(yàn)收，復(fù)核梁面高程、中線等幾何要素，及時(shí)處理超差部位。

（2）底座、隔離緩沖墊層及彈性墊層施工。按無(wú)砟軌道施工前荷載情況及氣溫條件計(jì)算出的梁面理論線形進(jìn)行底座施工放樣并立模，按標(biāo)準(zhǔn)流程作業(yè)底座混凝土、橡膠隔離緩沖墊層以及限位凹槽周圍的彈性墊層施工。

（3）底座板施工后測(cè)量。無(wú)砟軌道底座板施工完成后與理論線形進(jìn)行對(duì)比，如誤差可控，則繼續(xù)按以下流程施工；如誤差較大，則按方案一實(shí)施。

（4）自密實(shí)混凝土施工。根據(jù)設(shè)計(jì)布板要求，選擇對(duì)應(yīng)的軌道板型號(hào)，按標(biāo)準(zhǔn)粗鋪主橋主跨軌道板。按布板后的荷載和氣溫條件計(jì)算主橋主跨的理論線形，并按此線形進(jìn)行軌道板精調(diào)和自密實(shí)混凝土施工。

（5）鋪軌。

該方案在無(wú)砟軌道施工過(guò)程中不需要預(yù)加載，施工較方案一簡(jiǎn)單，但要求主橋主跨各施工階段的理論計(jì)算線形與實(shí)際吻合度較高。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)施工控制

4.2.1 建立實(shí)時(shí)修正模型

結(jié)合本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、風(fēng)速與溫度等環(huán)境因素及不同施工階段橋梁荷載對(duì)線形的影響，建立橋梁和無(wú)砟軌道線形同步控制模型。反復(fù)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算對(duì)比，及時(shí)調(diào)整模型，使理論和實(shí)際進(jìn)一步切合。

4.2.2 CP Ⅲ布點(diǎn)和測(cè)量

通過(guò)模型和實(shí)際采集的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出最合理的CP Ⅲ布點(diǎn)方式和測(cè)量時(shí)間。主橋長(zhǎng)度為1 個(gè)CP Ⅲ測(cè)量單元（長(zhǎng)度為1 079 m），CP Ⅲ點(diǎn)埋設(shè)按大橋整體布局，主橋上設(shè)10 對(duì)共20 個(gè)CP Ⅲ控制點(diǎn)，具體布置見(jiàn)圖3。

圖3 主橋CP Ⅲ控制點(diǎn)布置

根據(jù)主橋二期恒載分布情況，通過(guò)主橋?qū)嶋H線形監(jiān)測(cè)與理論分析對(duì)比，及時(shí)調(diào)整施工工藝，優(yōu)化CP Ⅲ網(wǎng)對(duì)無(wú)砟軌道的精度控制。

4.2.3 無(wú)砟軌道施工

對(duì)贛江特大橋主橋主跨線形測(cè)量并與理論計(jì)算對(duì)比，二者在整體趨勢(shì)上較為一致，局部誤差較大處經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)校核為混凝土橋面不平整導(dǎo)致。研究決定按方案二進(jìn)行無(wú)砟軌道施工，主要過(guò)程如下：

（1）防護(hù)墻、豎墻、混凝土欄桿等附屬結(jié)構(gòu)施工后，剩余施工荷載為103.5 kN/m，結(jié)合施工時(shí)氣溫為10 ℃的工況條件，計(jì)算線形并進(jìn)行無(wú)砟軌道底座施工放樣。

（2）無(wú)砟軌道底座板施工后，按無(wú)砟軌道及其他橋面系待施工荷載、氣溫（10 ℃），計(jì)算對(duì)應(yīng)的理論線形，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際比對(duì)，誤差在可控范圍內(nèi)，下一階段繼續(xù)按方案二進(jìn)行施工。

（3）軌道板粗鋪，等待自密實(shí)混凝土施工。自密實(shí)混凝土層、鋼軌等部件及部分橋面附屬結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載為38 kN/m。自密實(shí)混凝土施工前，考慮施工環(huán)境溫度上升至15 ℃，根據(jù)橋上施工荷載、氣溫和預(yù)拱度，計(jì)算響應(yīng)的理論線形。

（4）自密實(shí)混凝土施工完成后，反復(fù)測(cè)量軌道板鋪設(shè)精度，其誤差在10 mm 以內(nèi)，達(dá)到最初精度控制目標(biāo)，余下的誤差在鋪軌過(guò)程中由扣件進(jìn)行補(bǔ)償。

5 結(jié)束語(yǔ)

贛江特大橋是我國(guó)首次在大跨度斜拉橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道的橋梁，無(wú)砟軌道施工面臨諸多不利因素，保證成橋施工精度，對(duì)大跨度橋上無(wú)砟軌道施工及養(yǎng)護(hù)維修具有借鑒意義。大跨度斜拉橋在靜力荷載和溫度荷載下變形較大，線形控制困難，因環(huán)境條件復(fù)雜，理論與實(shí)際存在一定差異，在施工過(guò)程中可充分考慮以下應(yīng)對(duì)措施，以確保達(dá)到理想線形。

（1）建立CP Ⅲ精測(cè)控制網(wǎng)實(shí)時(shí)修正模型。大跨度橋梁受風(fēng)速、日照梯度溫差、大氣溫差影響較大，需建立CP Ⅲ實(shí)時(shí)修正模型，并嚴(yán)格控制CP Ⅲ聯(lián)測(cè)時(shí)所處的環(huán)境條件以滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)CP Ⅲ測(cè)點(diǎn)的位移限值要求，將聯(lián)測(cè)時(shí)的外界環(huán)境條件限定為：風(fēng)速≤5 m/s，不容許有日照梯度溫差，環(huán)境溫差≤3 ℃。

（2）主梁合龍后，橋面上的每一次結(jié)構(gòu)施工都作為校核荷載，以獲得主梁垂向荷載F與主梁變形D的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系。無(wú)砟軌道線形精度在毫米級(jí)，橋梁理論剛度和實(shí)際剛度存在差異，必須不斷校核橋梁剛度值，為后續(xù)調(diào)整索力控制線形提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。在施工過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)加載后的橋面線形與理論計(jì)算線形偏差較大，則考慮按預(yù)加載方式進(jìn)行施工。

（3）在施工過(guò)程中不斷調(diào)整斜拉索索力，以獲得每個(gè)步驟更接近理論值的主梁線形。由于施工誤差，每個(gè)階段的實(shí)際線形與理論線形均有偏差，可通過(guò)調(diào)整斜拉索索力獲得更接近理論值的主梁線形。需注意斜拉索的調(diào)整對(duì)梁面線形影響較大，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)反饋，每一級(jí)的索力調(diào)整反映在梁面線形為±30 mm，因此調(diào)索需慎重，且鋪完板后不可再調(diào)。

（4）充分利用底座板和自密實(shí)混凝土層的厚度進(jìn)行調(diào)整，消除主梁局部線形誤差。斜拉索索力調(diào)整對(duì)梁面線形的影響是整體性的，對(duì)于局部線形誤差則可通過(guò)軌道結(jié)構(gòu)的底座板和自密實(shí)混凝土層來(lái)消除。本橋主梁底座板設(shè)計(jì)厚度220 mm，自密實(shí)混凝土層設(shè)計(jì)厚度103 mm，原則上二者均具有±20 mm 的厚度調(diào)整范圍。對(duì)于局部誤差，可在調(diào)整索力的基礎(chǔ)上，在不同施工工序中利用底座板和自密實(shí)混凝土層來(lái)消除。