高速鐵路400m級(jí)混凝土拱橋建造關(guān)鍵技術(shù)成果

中鐵十八局集團(tuán)有限公司

該技術(shù)依托云桂鐵路南盤江特大橋研發(fā)，并在該橋得以成功應(yīng)用。云桂鐵路起于南寧到達(dá)昆明，是國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的干線鐵路，是云南省里程最長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)最高、覆蓋區(qū)縣最多、投資規(guī)模最大的鐵路，也是西南出海主通道之一。

南盤江特大橋由中鐵十八局集團(tuán)有限公司承建，大橋全長(zhǎng)852.43m，橋高280m，主跨采用416m 上承式鋼筋混凝土拱橋，為全線重點(diǎn)控制性工程，也是目前世界跨度最大的客貨共線鐵路混凝土拱橋。橋梁建造集大體積混凝土（3.2萬(wàn)方）、高墩（102m）、大跨（416m）、連續(xù)剛構(gòu)、懸索橋、斜拉橋、拱橋及外包混凝土技術(shù)于一身，幾乎囊括了同類型橋梁建設(shè)所有的頂尖技術(shù)，施工難度、技術(shù)含量前所未有。該橋于2016 年12 月28 日通車運(yùn)營(yíng)，至今狀況良好。

圖1 大橋建成

圖2 大橋通車

為攻克該橋的技術(shù)難題，由建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工等單位組成的橋梁科研團(tuán)隊(duì)秉承“敢為人先，爭(zhēng)創(chuàng)一流”的精神，積極開(kāi)拓創(chuàng)新，先后攻克400m 級(jí)混凝土拱橋橫向剛度控制、鋼筋混凝土拱圈成拱、大體積混凝土結(jié)構(gòu)抗裂及百米高空中混凝土拱圈運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)等諸多難題，總結(jié)形成“高速鐵路400m 級(jí)混凝土拱橋建造關(guān)鍵技術(shù)”，取得以下創(chuàng)新成果：

1）首次建立了橋面靜態(tài)豎向變形12.5m 弦平均曲率值與列車加速度的關(guān)系，提出12.5m 弦平均曲率豎向剛度控制方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，填補(bǔ)了規(guī)范的空白，大大拓展了混凝土拱橋的應(yīng)用范圍。

圖3 橋面變形12.5m弦平均曲率值

圖4 列車加速度曲線

2）首次提出“橫向變形拱上相鄰跨折角+曲線半徑”的橫向剛度控制方法，突破了鐵路橋梁橫向撓跨比、寬跨比以及橫向自振周期控制橋梁橫向剛度的傳統(tǒng)方法，大幅優(yōu)化了拱圈結(jié)構(gòu)尺寸，提高了設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

3）首次提出了“交界墩頂剛構(gòu)+拱上連續(xù)梁”的大跨度連續(xù)拱上結(jié)構(gòu)，提高了拱上結(jié)構(gòu)的整體剛度，對(duì)于400m級(jí)的大跨度拱橋可減小50m 以上高墩數(shù)量45%，拱上最高墩高度降低40%，減小了拱上結(jié)構(gòu)的施工難度和拱座開(kāi)挖邊坡防護(hù)的施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 交界墩頂剛構(gòu)+拱上連續(xù)梁方案布置示意圖

4）首創(chuàng)了大跨度混凝土拱橋“斜拉扣索調(diào)整骨架內(nèi)力的大節(jié)段平衡加載”混凝土拱圈施工方法，在外包混凝土之前采用極少扣索張拉在拱腳彎矩影響線最敏感的位置，以此減小勁性骨架內(nèi)力峰值，拱圈混凝土外包過(guò)程中骨架管內(nèi)混凝土基本消除了拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力減小5MPa。勁性骨架尺寸優(yōu)化25%，外包節(jié)段數(shù)量?jī)H為傳統(tǒng)勁性骨架法的1/4，縮短工期1/3 以上。

圖6 分環(huán)分段澆筑示意圖

圖7 外包混凝土施工

5）研發(fā)了大跨度混凝土拱橋勁性骨架整體節(jié)段預(yù)拼安裝技術(shù)。勁性骨架在預(yù)拼場(chǎng)采用單肋1+2 臥拼和整體節(jié)段1+1 立拼的方法將前后節(jié)段精確對(duì)位后，骨架左右肋及橫梁一次性整體提升吊裝就位，可實(shí)現(xiàn)2mm 的安裝精度。大幅縮短勁性骨架安裝工序、同時(shí)降低了勁性骨架高空焊接作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 勁性骨架整節(jié)段吊裝

6）首次在高速鐵路大跨度混凝土拱橋采用真空壓注技術(shù)，將C80 混凝土在勁性骨架弦管內(nèi)一次壓注到頂，壓注高差達(dá)102m。壓注過(guò)程中設(shè)置扣索調(diào)載，有效控制了骨架的豎向變形，減小了對(duì)先壓注管內(nèi)混凝土的擾動(dòng)。

7）研發(fā)了用于外包混凝土模板安裝、拆除及周轉(zhuǎn)的纜索吊二級(jí)提升平臺(tái)，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了高空作業(yè)效率，外包混凝土澆筑工期較原設(shè)計(jì)縮短1/3。

圖9 纜索吊二級(jí)提升平臺(tái)

8）提出了拱圈混凝土系統(tǒng)防裂技術(shù)，有效控制了裂縫的產(chǎn)生。一是根據(jù)拱圈分環(huán)分段形成，應(yīng)力疊加的受力特性，將混凝土強(qiáng)度評(píng)定的齡期由28 天延長(zhǎng)至90 天，讓混凝土的強(qiáng)度一直處于健康的增長(zhǎng)狀態(tài)，減少了水泥和外加劑的用量，減小混凝土的水化熱和收縮效應(yīng)。二是在拱圈頂、底板增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，給拱圈施加預(yù)壓應(yīng)力1.5MPa 左右，以抵消拱圈混凝土橫截面分環(huán)施工中先后澆混凝土由于齡期差導(dǎo)致的收縮拉應(yīng)力。南盤江大橋采用該研究成果，運(yùn)營(yíng)3 年多來(lái)，拱圈未發(fā)現(xiàn)裂縫。

9）提出了拱橋分塊式拱座基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，將拱座拆分成了核心受力區(qū)和下部基礎(chǔ)三個(gè)獨(dú)立的部分，體積縮小為之前的1/3，避免了混凝土水化熱和收縮產(chǎn)生的裂縫。

圖10 分塊式拱座基礎(chǔ)

10）研制了拱圈檢查車，解決了混凝土拱圈百米高空中運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)和維修難題。一是首創(chuàng)復(fù)合軌道驅(qū)動(dòng)技術(shù)，電磁和液壓組合制動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了解決大跨度拱橋拱圈檢查車45°大坡度爬升和無(wú)沖擊安全駐車問(wèn)題。二是首創(chuàng)單點(diǎn)懸掛和阻尼平衡技術(shù)，使得檢查車在峽谷強(qiáng)風(fēng)等不利荷載下的系統(tǒng)振幅周期只有原來(lái)的1/4，爬坡試驗(yàn)時(shí)基本感覺(jué)不到車體的擺動(dòng)。

圖11 拱圈檢查車

11）首次提出了高速鐵路大跨度混凝土拱橋結(jié)構(gòu)各部件的分級(jí)抗震性能目標(biāo)和速度鎖定器串聯(lián)梁部，多橋墩協(xié)同分擔(dān)縱向地震力的新型減震體系。

圖12 全橋速度鎖定器減震體系示意圖

2020 年7 月3 日，國(guó)家科技部批準(zhǔn)的第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)——中科合創(chuàng)邀請(qǐng)了以國(guó)際橋協(xié)主席、同濟(jì)大學(xué)教授葛耀君為組長(zhǎng)的專家組對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了成果評(píng)價(jià)，專家經(jīng)過(guò)實(shí)地考察和資料審閱，一致認(rèn)為該技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

圖13 專家組進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)

該技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，為南盤江特大橋的順利建成提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障，同時(shí)推廣應(yīng)用于在建的鄭萬(wàn)高鐵梅溪河特大橋和大寧河特大橋等多座橋梁，展現(xiàn)了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值，為世界復(fù)雜地形上的拱橋建設(shè)闖出了一條新路。

截止目前，該項(xiàng)目已榮獲國(guó)家詹天佑大獎(jiǎng)，中國(guó)施工企業(yè)管理協(xié)會(huì)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，中國(guó)鐵建科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)；國(guó)家級(jí)工法1 項(xiàng)，省部級(jí)工法11 項(xiàng)，中國(guó)鐵建優(yōu)秀工法5 項(xiàng)；授權(quán)發(fā)明專利10 項(xiàng)，實(shí)用新型專利11 項(xiàng)；各級(jí)雜志上公開(kāi)發(fā)表學(xué)術(shù)論文40 余篇。