高鐵運(yùn)架一體式架橋機(jī)發(fā)展與性能比較研究

魏岳峰 毛凌一 張淼瑋

(石家莊鐵道大學(xué)河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心 河北石家莊 050043)

1 引言

20世紀(jì)90年代初期，意大利高速鐵路網(wǎng)開始逐步建設(shè)，對大噸位架橋機(jī)有了更多的應(yīng)用需求，為架橋機(jī)開拓了市場，這使意大利更早地開始了新型大噸位架橋機(jī)的研發(fā)，如Nicola、Deal、Spic等公司開始研發(fā)900 t級架橋機(jī)，并在本國取得了良好發(fā)展。我國當(dāng)時(shí)沒有自主研發(fā)改進(jìn)架橋機(jī)的意識，大噸位架橋機(jī)主要從國外引進(jìn)。但在發(fā)展過程中，兩國對于架橋機(jī)的定位有所不同，“高速鐵路架橋機(jī)”這一概念由我國于1996年最早提出[1-2]。時(shí)至今日，我國高速鐵路架橋機(jī)的應(yīng)用規(guī)模與技術(shù)發(fā)展程度已經(jīng)得到了大幅提升。

2 運(yùn)架一體機(jī)分類及特性介紹

運(yùn)架一體機(jī)分為由意大利Nicola公司生產(chǎn)的具有下導(dǎo)梁機(jī)的運(yùn)架一體機(jī)(后文稱下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī))和由石家莊鐵道大學(xué)生產(chǎn)的SLJ900/32流動式運(yùn)架一體機(jī)(后文稱流動式架橋機(jī))兩種。

2.1 運(yùn)架一體機(jī)分類

(1)下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)

下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)最早由意大利Nicola公司研發(fā)，為我國早期引進(jìn)的運(yùn)架一體機(jī)機(jī)型，如圖1～圖2所示。下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)主要由下導(dǎo)梁機(jī)和運(yùn)架梁機(jī)組成，雖省去了運(yùn)梁車部分，提高了施工效率、簡化了施工工序[3-4]。隨著施工環(huán)境趨于復(fù)雜，下導(dǎo)梁的存在使得該種架橋機(jī)的適用范圍受限，并不適用于多隧道線路，且當(dāng)時(shí)的使用成本與整體造價(jià)都較高。

圖1 下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)

圖2 下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)組成

(2)流動式架橋機(jī)

流動式架橋機(jī)由石家莊鐵道大學(xué)自主研發(fā)，主要由金屬結(jié)構(gòu)、起升系統(tǒng)、整機(jī)走行系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，如圖3所示。金屬結(jié)構(gòu)包括主梁、輔助支腿、主支腿、前車架、后車架；起升系統(tǒng)包括前后起重小車、卷揚(yáng)機(jī)、吊具；整機(jī)走行系統(tǒng)包括前、后車懸掛[5-6]。運(yùn)梁時(shí)后車架與前車架支撐成一跨式，提梁時(shí)后車架與主支腿支撐成一跨式。

圖3 流動式架橋機(jī)

該架橋機(jī)適用于多隧道線路，節(jié)約施工時(shí)間，解決了在隧道施工中復(fù)雜費(fèi)時(shí)的問題。除去了下導(dǎo)梁部分在施工中帶來的不便，簡化了架梁順序。不久又研發(fā)出改進(jìn)型流動式架橋機(jī)，加設(shè)中支腿以代替原有架橋機(jī)的輔助支腿，在中支腿與前支腿的共同支撐下進(jìn)行架梁。

2.2 運(yùn)架一體機(jī)特點(diǎn)分析

2.2.1 施工優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的運(yùn)架分離式架橋機(jī)相比，運(yùn)架一體機(jī)施工優(yōu)勢明顯。

(1)實(shí)現(xiàn)了提梁、運(yùn)梁和架梁作業(yè)由1臺設(shè)備完成，即一體化作業(yè)，作業(yè)流程簡捷、轉(zhuǎn)場方便。避免使用運(yùn)梁車，無需使用過渡軌等器材進(jìn)行運(yùn)梁車與架橋機(jī)的對接，省去了運(yùn)梁車從梁場將待架梁運(yùn)至現(xiàn)場、為保持整體重量平衡起重天車前后兩次移動、后支腿與中支腿反復(fù)打開收縮、馱梁小車與架橋機(jī)天車通過控制系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行等施工流程[7]，提高了施工效率和架梁速度、簡化了施工流程。

(2)設(shè)備集成化程度高，作業(yè)機(jī)械化程度高。運(yùn)架一體機(jī)集機(jī)、電、液設(shè)計(jì)于一身，高度集成。

(3)相對適應(yīng)了多隧道線路的建設(shè)，大大減少了過隧時(shí)間。運(yùn)梁方式從馱運(yùn)過隧改為跨運(yùn)過隧，易于通過隧道。無需對待架梁的翼緣板進(jìn)行剪切以減少頂寬而后進(jìn)行二次澆筑的辦法來通過隧道、無需分次回填隧道仰拱、無需升降支架或拆卸轉(zhuǎn)折架橋機(jī)的構(gòu)件以降低架橋機(jī)設(shè)備的高度和寬度[8]。節(jié)省了時(shí)間，降低了施工成本，同時(shí)避免了對隧道的損傷破壞。

(4)在出隧道的第一孔梁架設(shè)時(shí)架橋機(jī)恢復(fù)較為簡單，不需要較長的恢復(fù)場地，在一定程度上解決了緊鄰隧道口架梁的問題。

2.2.2 施工劣勢

與無隧道工況下的運(yùn)架分離作業(yè)模式相比，運(yùn)架一體機(jī)存在一些劣勢。

(1)綜合作業(yè)效率不高

從梁場到待架孔距離越遠(yuǎn)，效率越低。運(yùn)架分離式作業(yè)時(shí)，運(yùn)梁車可在喂梁結(jié)束后先返回梁場與架橋機(jī)作業(yè)同步并行；而運(yùn)架一體機(jī)無法完成該工序的同步進(jìn)行，造成時(shí)間上的浪費(fèi)。

(2)整機(jī)重量相對較大，綜合耗油量較大

對于下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)來說，還存在以下缺點(diǎn):①由于下導(dǎo)梁的存在，首末兩孔架設(shè)的施工工序比傳統(tǒng)架橋機(jī)的工序更加復(fù)雜，且安全性較低。②在架設(shè)進(jìn)隧道前最后一孔梁時(shí)，需移動下導(dǎo)梁；而出隧道口架梁時(shí)，只有在出隧道口處梁長滿足一定長度的前提下才可進(jìn)行架梁。隧道內(nèi)架梁、隧道口架梁時(shí)步驟繁瑣的問題仍然存在。③過孔依賴下導(dǎo)梁，需對下導(dǎo)梁與橋墩上的預(yù)埋件進(jìn)行錨固，施工流程復(fù)雜；落梁時(shí)，前抽下導(dǎo)梁使架橋機(jī)受力復(fù)雜，整體穩(wěn)定性較差，加大了施工危險(xiǎn)程度[9]。

3 運(yùn)架一體機(jī)機(jī)型性能比較

3.1 下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)與流動式架橋機(jī)性能比較

以我國引進(jìn)的900 t級穿隧式下導(dǎo)梁運(yùn)架一體機(jī)及由我國石家莊鐵道大學(xué)自主研發(fā)的流動式運(yùn)架一體機(jī)為例進(jìn)行技術(shù)參數(shù)比較，比較結(jié)果見表1。

從結(jié)構(gòu)組成、施工工序、對施工環(huán)境的適應(yīng)性等方面對下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)和流動式架橋機(jī)的性能進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表2。

表1 下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)與流動式架橋機(jī)技術(shù)參數(shù)比較

表2 下導(dǎo)梁式運(yùn)架一體機(jī)與流動式架橋機(jī)性能比較

3.2 流動式架橋機(jī)優(yōu)勢

由表1～表2可知，與目前既有的各類架橋機(jī)相比，流動式架橋機(jī)具有獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢。

(1)依賴三角形結(jié)構(gòu)主支腿和拖輪系統(tǒng)的支持，實(shí)現(xiàn)自身穩(wěn)定。主支腿各輪組始終保持滾動，避免卡死事故；下托輪組處設(shè)有液壓馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)，減小過孔時(shí)主支腿對橋墩產(chǎn)生的彎矩和水平分力。

(2)依靠架橋機(jī)整機(jī)獨(dú)自完成架梁作業(yè)，無需其他輔助器具與下導(dǎo)梁機(jī)參與作業(yè)，減輕了自重且結(jié)構(gòu)形式更為簡單[10]；無需攜帶下導(dǎo)梁進(jìn)行轉(zhuǎn)場，采用全輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向技術(shù)，在施工、轉(zhuǎn)場過程中調(diào)整比較方便；在架梁方向改變時(shí)，較容易實(shí)現(xiàn)橋上整體掉頭等施工工序[11]。

(3)更適合于多隧道線路架梁，易于實(shí)現(xiàn)進(jìn)入隧道前最后一孔、出隧道后第一孔梁的架設(shè)，提高了架橋機(jī)對于深溝、峽谷等施工環(huán)境的適應(yīng)性。

(4)簡化了線路中架設(shè)首、末孔梁的施工工序，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性，施工更加安全。

(5)以往高鐵施工中依靠下導(dǎo)梁機(jī)完成過孔。為防止過孔架梁過程中下導(dǎo)梁傾覆，特別強(qiáng)調(diào)需對下導(dǎo)梁機(jī)與橋墩預(yù)埋件進(jìn)行錨固；而本機(jī)型施工時(shí)省去了這一工序，無需對主支腿進(jìn)行錨固，可單獨(dú)依靠主支腿放于待架孔前方橋墩。

(6)受場地限制影響較小，在緊鄰高速鐵路、曲率半徑較小等狹小空間內(nèi)或無法借助路基上橋等不利工況下也可進(jìn)行架梁；可進(jìn)行橋位取梁，提高了對惡劣施工條件的適應(yīng)能力。

(7)易于實(shí)現(xiàn)整機(jī)變跨。僅需將后起重小車縱移方向滑道內(nèi)的支撐架位置進(jìn)行調(diào)整，移動后起重小車來實(shí)現(xiàn)變跨，其他作業(yè)工序不變。

(8)整機(jī)自重較輕，綜合油耗較低，施工成本減少。

3.3 改進(jìn)型流動式架橋機(jī)

改進(jìn)型流動式架橋機(jī)(后文稱為流動式架橋機(jī)B型)繼承了原有機(jī)型(后文稱為流動式架橋機(jī)A型)的大部分特點(diǎn)，機(jī)型結(jié)構(gòu)與組成部分基本相似，用中支腿代替了原有的輔助支腿。

3.3.1 流動式架橋機(jī)A型與流動式架橋機(jī)B型性能比較

從結(jié)構(gòu)組成、施工工序、對施工環(huán)境的適應(yīng)性等方面對流動式架橋機(jī)A型和流動式架橋機(jī)B型的性能進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表3。

表3 流動式架橋機(jī)A型與流動式架橋機(jī)B型性能比較

3.3.2 流動式架橋機(jī)B型創(chuàng)新點(diǎn)

(1)從結(jié)構(gòu)上用中支腿代替輔助支腿。待架箱梁始終由起重天車吊起，保持四點(diǎn)起吊、三點(diǎn)平衡的理想狀態(tài)[12]。避免了待架箱梁在已架箱梁上臨時(shí)落梁、反復(fù)起吊，保證了已架箱梁不受扭轉(zhuǎn)、不再承擔(dān)由臨時(shí)落梁產(chǎn)生的載荷。

(2)流動式架橋機(jī)B型的大部分構(gòu)件、組成部分和原有流動式架橋機(jī)相同，降低了創(chuàng)新成本，保留了原有架橋機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢。

4 結(jié)論

高鐵架橋機(jī)在我國已經(jīng)完成了從引進(jìn)到改進(jìn)、從改進(jìn)到自主創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變，在保證基本不增加任何施工步驟的前提下，解決了線路首末孔架梁、高鐵箱梁運(yùn)輸通過隧道、緊鄰隧道口及隧道內(nèi)架梁的問題，逐步提高了作業(yè)效率和對施工環(huán)境的適應(yīng)性，大幅降低了高速鐵路建設(shè)的成本。

同時(shí)，高鐵架橋機(jī)施工應(yīng)用中仍存在對架橋機(jī)維護(hù)和管理不完善、施工人員不嚴(yán)格按操作流程施工、缺乏安全意識的問題，對技術(shù)人員的培養(yǎng)水平與規(guī)模也應(yīng)有所提高。