既有鐵路黃河大橋改造方案的優(yōu)化

楊彥海 江忠貴 韓曉強(qiáng)

（中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100038）

既有鐵路橋梁改造工程，介于新建橋梁和橋梁構(gòu)筑物維修［1］之間，參照新建鐵路項(xiàng)目相關(guān)程序管理，但涉及鐵路運(yùn)輸方案調(diào)整，有時(shí)甚至?xí)簳r(shí)封閉線路，給運(yùn)輸和出行造成一定影響。其施工安全、建設(shè)工期、輿論壓力等風(fēng)險(xiǎn)均較高，須嚴(yán)格論證技術(shù)方案，充分發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)條件，加強(qiáng)施工組織，優(yōu)化資源配置，確保按期提供安全優(yōu)質(zhì)工程。本文對(duì)某既有鐵路黃河大橋改造方案進(jìn)行了研究，提出了墩帽改造“鋼殼”方案、提高物資運(yùn)輸效率、均衡設(shè)置鋼梁施工場(chǎng)地等優(yōu)化措施，可有力保證建設(shè)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

1 工程概況

某既有鐵路黃河大橋于1966年籌建，1970年交付運(yùn)營(yíng)，距今已將近50年。橋面為直線平坡，無(wú)上拱度。原設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)采用24孔48 m上承式簡(jiǎn)易鋼桁梁，設(shè)計(jì)使用壽命僅30年。主桁高5 m，中心距2.2 m，桿件連接為栓焊結(jié)合形式，采用鐵路明橋面布置。橋梁基礎(chǔ)為預(yù)制管樁和混凝土沉井，圓形橋墩高12～19 m，墩身直徑3.0 m或4.0 m，兩岸橋臺(tái)為T(mén)形橋臺(tái)。

鐵路運(yùn)維管理部門(mén)對(duì)該橋進(jìn)行了技術(shù)檢定［2］，檢定結(jié)果：大橋8號(hào)墩沉井基礎(chǔ)受上游水庫(kù)排淤河床急劇下降影響產(chǎn)生裂縫，其余墩臺(tái)基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)明顯病害；鋼梁橫向剛度不足，存在上橫聯(lián)桿件端部開(kāi)裂、高強(qiáng)度螺栓折斷、橫向振幅過(guò)大等病害［3］。目前，對(duì)8號(hào)墩沉井進(jìn)行了修復(fù)處理，并對(duì)鋼梁采取了病害部位安裝拉桿、補(bǔ)充折斷螺栓等臨時(shí)加固措施。梁部病害已危及行車安全，不能適應(yīng)鐵路運(yùn)輸要求，急需進(jìn)行徹底整治。2001年5月17日起，限速25 km/h（大橋設(shè)計(jì)速度80 km/h）。

2 原改造方案

該橋改造工程設(shè)計(jì)方案主要是采用明橋面鋼箱梁替換既有鋼桁梁。鋼箱梁長(zhǎng)49.1 m，梁高4.0 m，底板支座中心距3.8 m，節(jié)段間采用栓焊結(jié)合方式連接，頂板在工地對(duì)接焊，底板和腹板通過(guò)高強(qiáng)螺栓拼接，見(jiàn)圖1。

為適應(yīng)新箱梁與既有桁梁結(jié)構(gòu)尺寸差異，須鑿除墩身頂帽后作接高加寬改造施工，墊石頂面接高1.285m，頂帽加寬1.3～1.8 m，見(jiàn)圖2。

圖2 既有墩身頂帽改造示意（單位：cm）

大橋位于黃河重點(diǎn)濕地保護(hù)區(qū)和防洪區(qū)，其中21孔橋跨在河道范圍內(nèi)，不具備修建施工棧橋或便道條件。鋼梁更換采用新、舊鋼梁順橋向整體拖拉［4］、邊拆舊梁邊裝新梁的方案。對(duì)已服役近50年的墩臺(tái)頂帽進(jìn)行鑿除安全風(fēng)險(xiǎn)極高［5］，運(yùn)營(yíng)部門(mén)不同意在運(yùn)輸天窗點(diǎn)內(nèi)安排墩身作業(yè)，因此須按全過(guò)程封閉斷道方式組織施工。大橋改造施工主要包含了施工準(zhǔn)備、既有桁梁頂高及墩身頂帽改造、新鋼梁安裝、后續(xù)橋面附屬及四電施工4部分內(nèi)容，原方案施組工期總計(jì)12個(gè)月。

2.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備包括了黃河濕地、防洪及兩岸臨時(shí)用地等施工審批手續(xù)辦理，南岸舊梁拆除平臺(tái)、北岸新梁安裝場(chǎng)、鋼筋加工場(chǎng)、工地試驗(yàn)室等大型臨時(shí)設(shè)施建設(shè)，以及對(duì)橋上9根省級(jí)通信光纜的遷改等工作。計(jì)劃工期約12 d。

2.2 桁梁頂高及墩身頂帽改造

利用千斤頂抬高既有鋼桁梁，安裝鋼墊塊作為臨時(shí)支撐，為頂帽加高提供作業(yè)空間。在承臺(tái)上搭設(shè)落地支架，其上布置施工平臺(tái)。將既有墩身頂帽全部鑿除，拼接混凝土澆筑模板。在原墩身上植筋，綁扎新鋼筋骨架，澆筑頂帽接高及加寬混凝土［6］。其中，1#—5#，23#墩頂帽每墩新澆筑混凝土方量約44 m3，6#—22#墩頂帽每墩新澆筑混凝土方量約34 m3。該施工步驟計(jì)劃工期144 d。

2.3 新鋼梁安裝

在舊梁的下弦桿底部安裝滑道，墩頂設(shè)橫向限位裝置。舊鋼梁首尾臨時(shí)連接，變簡(jiǎn)支梁為連續(xù)梁，并利用豎向和水平拉桿加固舊梁，保證梁部拖拉過(guò)程安全。在南岸設(shè)置拆除平臺(tái)，邊拆除舊梁邊逐跨向南拖拉；同時(shí)在北岸拼裝場(chǎng)內(nèi)利用龍門(mén)吊機(jī)拼裝新梁，連接新梁與舊梁，實(shí)現(xiàn)新、舊梁同步拖拉。舊梁拆除及新梁安裝計(jì)劃用96 d完成。

2.4 后續(xù)橋面附屬設(shè)施及四電施工

新梁到達(dá)設(shè)計(jì)位置后，精調(diào)線形并灌注支座砂漿。開(kāi)展后續(xù)人行道、電纜槽等明橋面附屬設(shè)施施工，鋪設(shè)枕木及軌道，安裝四電設(shè)施，安排工期113 d。

3 改造方案優(yōu)化

該橋改造封閉施工期間，須調(diào)整相關(guān)線路運(yùn)行圖。其中3對(duì)通往東南部發(fā)達(dá)地區(qū)的旅客列車須停運(yùn)，12對(duì)貨物列車須迂回運(yùn)行，影響沿線部分站點(diǎn)人民出行需求，帶來(lái)較大運(yùn)輸收入損失。因此，在保證工程質(zhì)量和安全前提下，應(yīng)研究加快工程建設(shè)的措施，以節(jié)約工期［7］。既有墩帽改造和鋼梁換裝工期合計(jì)240 d，約占整個(gè)工期的2/3。本文重點(diǎn)分析了上述2個(gè)工序，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工組織2大方面提出了3項(xiàng)優(yōu)化措施，可有效減少工期。

3.1 永臨結(jié)合鋼殼方案

墩帽接高加寬鋼筋綁空間狹小，模板需多次安裝、拆除和倒用，安裝接口多，施工效率低，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。同時(shí)鋼筋和模板作業(yè)均需借助搭設(shè)在承臺(tái)上的墩旁支架作為平臺(tái)，汛期施工防洪手續(xù)辦理困難。

將模板和作業(yè)平臺(tái)整合設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)永臨結(jié)合［8］，研究提出了利用“鋼殼”改造既有墩帽的方案，見(jiàn)圖3。鋼殼在橫橋向分為2個(gè)對(duì)稱部分，在工廠加工成型，利用墩頂鋼梁豎向吊架運(yùn)輸?shù)轿?，以栓接和拉筋?shí)現(xiàn)組合拼裝，減少了現(xiàn)場(chǎng)模板安裝和周轉(zhuǎn)工作量，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，可減少甚至避免對(duì)既有墩帽的鑿除。鋼筋在工廠分層或分塊加工成型，吊至鋼殼內(nèi)拼接成整體，提高了安裝效率?！颁摎ぁ狈桨篙^原常規(guī)立模澆筑混凝土可減少工期約2個(gè)月。

圖3 墩帽改造永臨結(jié)合鋼殼方案

3.2 提高物資運(yùn)輸效率

橋位處于黃河重點(diǎn)濕地保護(hù)區(qū)和防洪區(qū)，河道內(nèi)禁止搭設(shè)臨時(shí)棧橋，同時(shí)施工物資不能通過(guò)橋下水運(yùn)和灘地便道運(yùn)輸，只能采用在鐵路梁上運(yùn)輸?shù)姆绞?。運(yùn)輸通道與作業(yè)面存在交叉和干擾，組織難度大，運(yùn)輸效率低，安全風(fēng)險(xiǎn)高。為滿足施工需求，研究提出了鋼梁提升架、梁面有軌小車、鋼梁吊裝橋式吊機(jī)等多個(gè)吊裝和運(yùn)輸設(shè)施，加快物資運(yùn)輸組織速度。

墩帽改造前將舊梁升高約1.3 m以提供作業(yè)空間，同時(shí)模板、鋼筋、混凝土等材料均沿舊梁頂面縱向運(yùn)輸，施工物資的組織壓力在該階段尤為突出。舊梁升高原計(jì)劃采用4臺(tái)千斤頂梁底頂升方式，千斤頂需多次安拆和倒用，作業(yè)效率低，占用運(yùn)輸通道時(shí)間長(zhǎng)，舊梁頂升失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高。建議研制2臺(tái)新梁提升架，利用扁擔(dān)原理，改鋼梁底部頂升為鋼梁頂部提升，可減少鋼梁升高所需時(shí)間，提升架整體性和同步性好，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。為提高梁面物資組織效率，設(shè)計(jì)制造了利用既有梁面軌道走行的有軌小車，承擔(dān)施工材料和小型機(jī)具的運(yùn)輸工作。同時(shí)設(shè)置墩頂?shù)跫?，?shí)現(xiàn)材料和機(jī)具由梁及墩的垂直轉(zhuǎn)運(yùn)。新梁安裝階段，在北岸臨時(shí)拼裝場(chǎng)內(nèi)相應(yīng)橋跨位置的岸地上搭設(shè)落地支架，其上設(shè)置可順橋和橫橋向移動(dòng)吊裝功能的大型橋式吊機(jī)，提高鋼梁拼裝效率，保障新梁拼裝和頂推作業(yè)的匹配和均衡。

3.3 均衡配置鋼梁施工場(chǎng)地

受環(huán)保、防洪等要求限制，河道不能搭設(shè)貫通棧橋，須在大橋兩岸設(shè)置舊梁拆除和新梁安裝作業(yè)平臺(tái)。兩側(cè)橋臺(tái)均與隧道洞口相接，可供選擇的場(chǎng)地條件有限，尤其是南岸側(cè)有下穿公路，僅能利用與洞口相連的最后一個(gè)橋跨位置。綜合場(chǎng)地需求和運(yùn)輸條件，將南岸作為舊梁拆除、外運(yùn)場(chǎng)地，北岸作為新梁存放、拼裝場(chǎng)地。

原施工方案單孔新梁分為5個(gè)拼裝節(jié)段，最長(zhǎng)節(jié)段10.7 m，最大質(zhì)量43 t。除去橋端拖拉設(shè)施長(zhǎng)度影響，原施工方案中南岸拆裝場(chǎng)地現(xiàn)有條件最多能滿足單次3個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度的舊梁拆除、拖拉及相應(yīng)長(zhǎng)度新梁安裝的要求。研究發(fā)現(xiàn)南岸23#橋墩位于岸堤處，具備搭設(shè)墩旁支架以增大拆裝平臺(tái)的條件，舊梁?jiǎn)未尾鸪?jié)段數(shù)可提升為4個(gè)。通過(guò)優(yōu)化北岸新梁拼裝場(chǎng)的配套設(shè)施，協(xié)調(diào)濕地、環(huán)保等管理部門(mén)，擴(kuò)大了梁場(chǎng)規(guī)模30%，增加箱梁拼接的設(shè)備和焊接技術(shù)人員，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有條件下舊梁拆除、新梁拼裝的飽和、均衡作業(yè)，有效減少了循環(huán)次數(shù)，可節(jié)約工期1個(gè)月。

4 結(jié)語(yǔ)

原鐵路黃河橋改造工程原方案需封閉既有鐵路約12個(gè)月，對(duì)鐵路正常運(yùn)營(yíng)干擾較大。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際和現(xiàn)場(chǎng)條件，采取了墩帽改造“鋼殼”方案、提高物資運(yùn)輸效率、均衡配置鋼梁施工場(chǎng)地等措施，同時(shí)適當(dāng)加強(qiáng)組織管理和資源配置，通過(guò)優(yōu)化取得了良好效果，可縮短工期約4個(gè)月，同時(shí)降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，有助于提高工程實(shí)體質(zhì)量。該黃河橋改造工程正在實(shí)施中，可為后續(xù)類似工程提供借鑒和參考。