渝黔鐵路新白沙沱長(zhǎng)江特大橋施工關(guān)鍵技術(shù)*

代 皓 姚發(fā)海

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430050； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034)

近年來隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鐵路交通發(fā)展迅速，為節(jié)約橋位資源，滿足航道長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，大跨度、多功能橋梁應(yīng)運(yùn)而生。渝黔鐵路白沙沱橋是世界上跨度最大、荷載最重的6線鐵路斜拉橋(主橋恒載重975 kN，活載重336 kN)，也是第一座雙層布置型式的鐵路斜拉橋。鋼桁梁斜拉橋以其跨越能力大，剛度大、過江線路多等特點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。大跨、多線、重載鐵路鋼桁梁斜拉橋?qū)⒊蔀橐环N發(fā)展趨勢(shì)，深入研究鋼桁梁斜拉橋施工技術(shù)，優(yōu)化施工工藝，對(duì)于該類橋梁的發(fā)展具有重要意義。

1 工程概況

渝黔鐵路新白沙沱長(zhǎng)江特大橋是雙層6線鐵路鋼桁梁斜拉橋，上層布置4條客運(yùn)專線，下層布置雙線貨車線。該橋既是渝黔鐵路客車線和貨車線引入重慶樞紐的重要過江通道，也是遠(yuǎn)期渝湘鐵路的過江通道。主橋橋跨布置為81 m+162 m+432 m+162 m+81 m，全長(zhǎng)920.4 m，主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

大橋主梁采用N形平弦等高度連續(xù)桁架，雙主桁，桁寬24.5 m、高15.2 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)13.5 m，鋼梁橫斷面圖見圖2。上層橋面為正交異性板，下層橋面為道砟槽板+縱橫梁體系。斜拉索單點(diǎn)采用雙索，單點(diǎn)最大索力15 000 kN。采用雙索錨固整體雙錨拉板-錨箱復(fù)合式索梁錨固結(jié)構(gòu)，下層橋面首次采用縱梁連續(xù)的縱橫梁橋面結(jié)構(gòu)體系[1-2]。主塔為H形鋼筋混凝土塔，設(shè)上下2層橫梁，2號(hào)主塔高175.45 m，3號(hào)主塔高192.45 m。主塔基礎(chǔ)均采用直徑3.2 m鉆孔灌注樁，2號(hào)墩共32根樁基，3號(hào)墩共36根樁基。

大橋位于長(zhǎng)江上游，橋位處枯洪水期水位高差22 m，20年一遇水流流速3.2 m/s。橋梁緊鄰既有渝黔鐵路白沙沱橋，最小間距80 m，重慶側(cè)邊跨鋼梁跨越3條既有鐵路線。3號(hào)主墩處于長(zhǎng)江主河槽中，墩位處河床無覆蓋層，承臺(tái)范圍內(nèi)巖面高差18.2 m，承臺(tái)1/3面積嵌入巖石內(nèi)，最大埋深9.5 m，洪水期承臺(tái)底水深29.4 m。

2 總體施工方案

大橋施工環(huán)境復(fù)雜、鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，3號(hào)主墩基礎(chǔ)埋入河床巖層內(nèi)，基礎(chǔ)施工工期壓力大。針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和特殊的外部環(huán)境，制定項(xiàng)目總體施工方案[3-6]。兩岸主塔基礎(chǔ)均采用先平臺(tái)后圍堰的施工方案，3號(hào)主墩先進(jìn)行水下爆破同步進(jìn)行鉆孔平臺(tái)異位拼裝，再將鉆孔平臺(tái)整體浮運(yùn)至墩位，整體提升后進(jìn)行鉆孔樁施工，承臺(tái)采用雙壁鋼套箱圍堰施工。主塔塔柱采用6 m爬模施工，下橫梁采用落地式支架，上橫梁采用非落地式支架，上橫梁與塔柱異步施工。鋼梁桿件通過水路運(yùn)至橋位存放，重慶側(cè)鋼梁采用單懸臂架設(shè)，邊跨鋼梁采用“部分頂推+散拼”方案施工[7]；貴陽側(cè)鋼梁采用雙懸臂架設(shè)，主墩設(shè)單側(cè)墩旁托架，架梁吊機(jī)進(jìn)行墩頂4節(jié)間鋼梁架設(shè)，主塔處設(shè)鋼梁提升站。下層鐵路橋面縱梁先單端約束，待全橋鋼梁合龍后再鎖定另一端，道砟槽板采用架板機(jī)安裝，由跨中和橋臺(tái)往主塔方向結(jié)合。鋼梁跨中采用適配法合龍[8-9]。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 深水無覆蓋層傾斜巖面基礎(chǔ)施工技術(shù)

項(xiàng)目于2013年1月1日開工，需在6個(gè)月內(nèi)完成主墩水下爆破、鉆孔平臺(tái)建立并滿足平臺(tái)渡汛要求，鉆孔平臺(tái)建立難度大，通過研究提出深水光板巖鉆孔平臺(tái)快速施工技術(shù)。整體式鉆孔平臺(tái)按桁片制造，在2艘駁船上組拼，平臺(tái)上安裝定位系統(tǒng)，水下爆破完成后拖運(yùn)至墩位。低水位施工定位和門架樁，同步進(jìn)行護(hù)筒插打，定位樁施工完成后將鉆孔平臺(tái)整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后掛樁進(jìn)行正式樁施工。平臺(tái)制造、水下爆破同步進(jìn)行，定位樁與鋼護(hù)筒施工同步進(jìn)行，可節(jié)約工期 2個(gè)月。

鉆孔平臺(tái)受力大，渡汛安全風(fēng)險(xiǎn)高，建立平臺(tái)計(jì)算模型，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，確定該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制工況為渡汛狀態(tài)，該狀態(tài)荷載為：12 000 kN (自重)+20 000 kN(9臺(tái)鉆機(jī))+7 000 kN(施工荷載)+9 000 kN(水流力)，通過計(jì)算，平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。平臺(tái)整體位移和鋼護(hù)筒板件von Mises有效應(yīng)力圖見圖3。

圖3 鉆孔平臺(tái)整體位移及護(hù)筒有效應(yīng)力圖

利用橋位處枯洪水位高差 22 m 的特點(diǎn)，研究提出圍堰樁基同步施工技術(shù)。枯水期在護(hù)筒上焊接圍堰拼裝平臺(tái)，并在鉆孔平臺(tái)下方設(shè)置吊裝軌道。圍堰工廠分塊制造，通過駁船運(yùn)至墩旁，利用浮吊喂入起吊軌道內(nèi)，通過電動(dòng)葫蘆將圍堰側(cè)板吊至安裝位置，逐塊焊接成整體。在圍堰刃腳外側(cè)焊接底插板結(jié)構(gòu)，插板由工字鋼與面板組成，以適應(yīng)河床高差，減少圍堰堵漏工作量。將圍堰吊掛于鉆孔平臺(tái)上，拆除拼裝平臺(tái)，底節(jié)圍堰下放呈自浮狀態(tài)，接高第二節(jié)圍堰，鉆孔樁施工完成后將其主梁改制為圍堰內(nèi)支撐，圍堰下沉、封底、抽水進(jìn)行承臺(tái)施工。該技術(shù)可節(jié)約基礎(chǔ)施工工期3個(gè)月。

本橋圍堰結(jié)構(gòu)吃水深、受力復(fù)雜，根據(jù)施工狀態(tài)，分4種工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算。工況1：第一層承臺(tái)施工，圍堰設(shè)防水位+182.0 m。工況2：第二層承臺(tái)施工，圍堰設(shè)防水位+184.0 m。工況3：塔座施工，圍堰設(shè)防水位+186.0 m，加設(shè)頂層鋼管內(nèi)支撐。工況4：下塔柱施工，圍堰設(shè)防水位+185.0 m，拆除部分桁架內(nèi)支撐，塔座處設(shè)置撐桿。通過有限元分析，圍堰主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果見表1，圍堰側(cè)板、隔倉(cāng)板、內(nèi)支撐及封底混凝土受力計(jì)算均滿足要求。

表1 圍堰主要構(gòu)件受力計(jì)算結(jié)果

3.2 拼裝式多用途桁片技術(shù)

在本橋的施工設(shè)計(jì)中，充分考慮施工結(jié)構(gòu)的通用性，提出一種拼裝式多用途桁片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)按桁片制造，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)12 m，上、下弦桿采用型鋼，腹桿采用槽鋼+綴板結(jié)構(gòu)，桁片間采用栓接。

在定位樁施工時(shí)該拼裝桁架結(jié)構(gòu)作為浮式平臺(tái)主梁結(jié)構(gòu)使用，鉆孔樁施工時(shí)將桁架整體提升作為鉆孔平臺(tái)使用，鉆孔樁施工完成后拆除部分桿件，平臺(tái)整體下放作為圍堰內(nèi)支撐使用，主塔上下橫梁施工時(shí)將桁片結(jié)構(gòu)作為支架主梁使用。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了同一結(jié)構(gòu)在一座橋梁中完成5種使用功能，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 跨多股道既有鐵路干線頂推施工技術(shù)

為降低鋼梁施工對(duì)既有線的影響，減少鋼梁在既有線上施工時(shí)間，邊跨鋼梁跨既有線部分采用無導(dǎo)梁頂推施工。首先在主墩墩旁設(shè)置鋼梁拼裝支架，在下橫梁上安裝吊機(jī)占位支架和700 kN架梁吊機(jī)，利用架梁吊機(jī)拼裝1個(gè)節(jié)間鋼梁，吊機(jī)走行至拼裝鋼梁上，拆除吊機(jī)占位支架。為避開主塔塔柱的影響，鋼梁拼裝過程中需向主跨側(cè)拖拉2次，然后再逐步往邊跨拖拉完成7.5節(jié)間鋼梁拼裝。鋼梁頂推分3次實(shí)施，每次2 h，頂推速率為8 m/h，總頂推重量52 000 kN，滑塊單點(diǎn)最大反力16 000 kN，頂推距離21.7 m。鋼梁頂推總體布置圖見圖4。在頂推中采用了一種吊掛式拖拉錨座，該結(jié)構(gòu)與鋼梁之間為承壓接觸，不會(huì)對(duì)鋼梁摩擦面造成損傷。同時(shí)為克服動(dòng)靜摩擦差值，在滑道梁上設(shè)置移動(dòng)式水平助推千斤頂，實(shí)現(xiàn)鋼梁平穩(wěn)起步。

圖4 鋼梁頂推施工總體布置(單位：m)

采用midas軟件建立鋼梁頂推施工階段模型，對(duì)施工過程鋼梁支點(diǎn)反力、應(yīng)力和抗傾覆性進(jìn)行計(jì)算，邊跨鋼梁主要施工階段支點(diǎn)反力及應(yīng)力見表2。然后將反力值施加到各頂推支架上，檢算支架結(jié)構(gòu)的受力安全。

表2 邊跨鋼梁主要施工階段支點(diǎn)反力及應(yīng)力

由表2可見，鋼梁在最大懸臂狀態(tài)時(shí)，其支點(diǎn)反力最大為22 780 kN，后支點(diǎn)反力為3 316 kN，鋼梁大懸臂狀態(tài)抗傾覆性滿足要求。鋼梁受力最不利狀態(tài)未出現(xiàn)在最大懸臂狀態(tài)，是因?yàn)殇撹炝喉斖七^程中鋼梁桿件主要受腹桿控制，由于各節(jié)間腹桿截面不同，因此在第一次頂推時(shí)前支點(diǎn)鋼梁腹桿出現(xiàn)最大應(yīng)力，弦桿應(yīng)力均較小。鋼梁最大懸臂狀態(tài)豎向變形為101 mm。

3.4 雙層鐵路鋼梁雙懸臂架設(shè)施工技術(shù)

鋼桁梁斜拉橋墩頂區(qū)鋼梁架設(shè)，常采用在主墩設(shè)置雙側(cè)墩旁托架，利用浮吊安裝墩頂4節(jié)間鋼梁和架梁吊機(jī)。本橋位于長(zhǎng)江上游地區(qū)，水位變化大，枯水期部分河床露出水面，大型浮吊無法使用，且主梁與水面高差達(dá)65 m，雙側(cè)墩旁托架工程量大。通過研究提出單側(cè)墩旁托架架梁技術(shù)，該技術(shù)在墩頂作業(yè)空間減小一半的情況下通過異形吊機(jī)占位支架并優(yōu)化鋼梁拼裝順序，解決了無浮吊輔助墩頂鋼梁架設(shè)難題，節(jié)約墩旁托架工程量445 t。墩旁托架最不利工況為主跨側(cè)架設(shè)3節(jié)間鋼梁，邊跨側(cè)架設(shè)一節(jié)間鋼梁，其最大變形為40 mm。墩旁托架總體布置及變形圖見圖5。

圖5 單側(cè)墩旁托架結(jié)構(gòu)及變形圖

在雙懸臂架設(shè)過程中，在2個(gè)主塔處利用鋼梁阻尼器和支座鉸座設(shè)置臨時(shí)鎖定裝置?？v向鎖定力需考慮風(fēng)荷載和不平衡索力2部分荷載。最不利工況為鋼梁雙懸臂架設(shè)12個(gè)節(jié)間，此時(shí)風(fēng)荷載按主跨側(cè)施加100%風(fēng)荷載，邊跨側(cè)不施加風(fēng)荷載考慮，風(fēng)荷載產(chǎn)生扭矩。

式中：P為單節(jié)間鋼梁風(fēng)荷載，取為5.17 kN；L為鋼梁最大懸臂長(zhǎng)度，取為162 m；求得風(fēng)荷載扭矩為67 840 kN·m。風(fēng)荷載產(chǎn)生的扭矩全部由縱向鎖定裝置抵抗，其單桁縱向鎖定力為

式中：B為鋼梁主桁橫橋向中心間距，取為24.5 m；求得F1=2 769 kN。主邊跨單側(cè)斜拉索不平衡索力為F2=1 103 kN。因此，其縱向鎖定力為∑F=F1+F2=3 893 kN。

合龍口處主桁桿件的拼接板一端孔眼在工地現(xiàn)場(chǎng)鉆孔，現(xiàn)場(chǎng)配鉆的拼接板均比設(shè)計(jì)長(zhǎng)度增加5 cm，以調(diào)整拼裝偏差。合龍時(shí)先解除3號(hào)墩臨時(shí)鎖定，通過水平千斤頂將鋼梁往中跨縱移10 mm后合龍下弦，張拉最外側(cè)斜拉索1 000 kN/根，再利用上弦桿設(shè)置的2 500 kN大噸位頂拉裝置，進(jìn)行上弦桿合龍，最后合龍斜桿，實(shí)現(xiàn)鋼梁精確合龍。

4 結(jié)語

1) 深水無覆蓋層傾斜巖面基礎(chǔ)施工技術(shù)解決了水深流急、河床無覆蓋層、主墩承臺(tái)部分埋入基巖、枯洪水期水位變化大條件下的施工難題，實(shí)現(xiàn)了深水基礎(chǔ)的快速施工。

2) 拼裝式多用途桁片技術(shù)是施工設(shè)計(jì)精細(xì)化和通用化的典范，可為今后項(xiàng)目的施工設(shè)計(jì)提供參考。

3) 針對(duì)場(chǎng)地狹窄，上跨多條既有線的條件，跨多股道既有鐵路干線頂推施工技術(shù)通過鋼梁在主跨側(cè)支架上往復(fù)式拖拉并反向頂推技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了邊跨鋼梁安全架設(shè)。

4) 在鋼梁雙懸臂架設(shè)施工技術(shù)中首次提出單側(cè)墩旁托架架梁技術(shù)，節(jié)約了施工成本。本橋采用“適配法”合龍，縮短鋼梁合龍時(shí)間近50%。

項(xiàng)目各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已獲得國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)，實(shí)用新型專利3項(xiàng)，上述技術(shù)方案的實(shí)施確保了大橋的優(yōu)質(zhì)快速建成，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。