高速鐵路用40m/1000t級箱梁建造技術的研究

劉向明

(中國鐵路鄭州局集團有限公司，河南 鄭州 450000)

1 問題的提出

目前國內高速鐵路普遍采用32 m箱梁，為適應更高速度、更大跨越能力以及高墩條件下高速鐵路標準梁橋建造需求，鄭濟(鄭州至濟南)高速鐵路首次采用40 m箱梁制架技術，這是根據(jù)高速鐵路建設、綜合試驗和運維實踐經驗而提出，其建造技術在世界上尚無先例，為解決鋼筋預扎精準定位、內模變徑斷面直收、預應力孔道橡膠棒抽拔高速反彈、成品束鋼絞線自動平衡同步張拉問題，確保建造質量和安全，開展技術研究具有現(xiàn)實意義。

2 40m/1000t箱梁制造和運架中關鍵問題分析

鄭濟高鐵鄭州黃河特大橋引橋為公鐵兩用橋梁，分上下兩層設計，下層為四線鐵路，上層為32.5m寬雙向六車道城市快速路。鐵路設計時速350km,無砟軌道40m簡支箱梁，全長40.6m，計算跨度為39.3m，支座中心距4.4m，梁高3.235m，頂板寬度12.6m，底板寬5.4m。單孔箱梁混凝土數(shù)量為370m3，梁重約925t。與傳統(tǒng)32m箱梁相比，鐵路40m箱梁明顯跨度增長、高度增高、體積增加、重量增大和預應力增強，并采用了單排大錨具設計技術,目前尚沒有成熟的制梁工藝和制架設備。40m簡支箱梁橫斷面設計圖見圖1所示。

圖1 40m簡支箱梁橫斷面設計圖

傳統(tǒng)的箱梁內模系統(tǒng)采用龍門吊吊裝入?；蚓頁P機拖拉出模的施工方式，內模變徑無法一次成型，需要耗費大量人工成本，且施工質量安全不易控制。一方面原有箱梁鋼筋預扎采用人工搭設支架方式，分階段搭設，結構整體剛性不強，鋼筋定位受制于支架結構限制，人工不易操作，鋼筋定位不準，嚴重影響了工程質量及施工安全，且工效不高。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)箱梁建造管理、梁場布局設計采用人工計算方式，受人員管理水平、經驗程度影響較大，造成建造管理粗放，梁場布局不科學，加大了臨時用地，更缺少綠色施工的可持續(xù)發(fā)展理念。而40m箱梁首次采用成品束鋼絞線，原有采用千斤頂對稱張拉，中間各級臨時錨固后，重新安裝千斤頂，再分級張拉方式，伸長測量積累誤差不斷加大，無法滿足高質量建造要求。鄭濟高速鐵路跨黃河特大橋采用高鐵雙線和市域鐵路雙線并行設計結構，且40m箱梁較傳統(tǒng)32m箱梁高度、重量都有較大增加，原有運架設備無法滿足施工需要。

3 技術措施研究

3.1 加大自動化設備及工裝研制，全面采用機械化制梁

3.1.1 研制和使用箱梁自驅式內模系統(tǒng)

箱梁自驅式內模系統(tǒng)，內模采用龍骨結構，整體性強、變形小，并設置自驅裝置自行進出模型，實現(xiàn)了變徑斷面直收、自動移位、液壓系統(tǒng)搖控操作功能，方便快捷，避免了傳統(tǒng)的龍門吊吊裝入模或卷揚機拖拉出模的施工方式，節(jié)約了人工，降低了施工安全風險。自驅式內模進出主梁鋼筋籠和梁體工況見圖2所示。

圖2 箱梁自驅式內模進出筋籠和梁體施工

3.1.2 研制和使用箱梁鋼筋預扎自動升降內架

箱梁鋼筋預扎自動升降內架，采用電力驅動齒輪箱實現(xiàn)自動升降，具有結構整體性好、剛度大，鋼筋定位更準確等特點，使用該裝置對于保證工程質量、施工安全和提高工效具有明顯作用。

3.1.3 研制和使用預應力孔道橡膠棒抽拔臺車

后張梁鏈式拔管穿束臺車采用兩對條形輪，夾緊、旋轉抽拔橡膠管，出孔后仍繼續(xù)夾緊，完全避免了高速反彈的安全風險，并減小膠管損傷，延長了橡膠管的壽命。

3.1.4 研制和使用預應力成品束鋼絞線穿束臺車

針對40m箱梁首次采用成品束鋼絞線，研發(fā)和使用了預應力成品束鋼絞線穿束臺車，該臺車配套鏈條卡瓦式穿束裝置，保證鋼絞線束穿束過程順直，鋼絞線與錨孔一一對應，確保預應力束張拉時單筋受力均勻。其工作狀態(tài)見圖3所示。

圖3 預應力成品束鋼絞線穿束臺車

3.1.5 研發(fā)和使用箱梁混凝土自動養(yǎng)護系統(tǒng)

箱梁混凝土自動養(yǎng)護系統(tǒng)，通過手機APP或控制面板輸入梁號信息后，噴淋養(yǎng)護系統(tǒng)進入工作模式，控制供水系統(tǒng)向臺座噴淋管路供水，選取噴淋覆蓋范圍、噴射旋轉角度、噴射高度適合的噴頭對箱梁頂板、腹板、內箱、底板進行自動噴淋養(yǎng)護作業(yè)。養(yǎng)護數(shù)據(jù)自動定時上傳至鐵路梁場綜合管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動流轉。

3.1.6 研制和使用預應力筋自動張拉設備

預應力筋自動張拉設備由動力子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)組成，可進行參數(shù)預設，一鍵啟動張拉，自動完成整個張拉全過程。該設備自動平衡同步張拉，自動控制持荷時間、力值、位移值顯示及存儲，自動計算張拉結果并打印完整的張拉記錄表。張拉數(shù)據(jù)無線傳輸至梁場服務器，可遠程傳輸至鐵路工程管理平臺，見圖4所示。

圖4 預應力筋自動張拉設備

3.1.7 研制和使用預應力管道自動壓漿設備

孔道壓漿采用TGZY型鐵路橋梁預應力自動壓漿系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由真空泵、高速攪拌桶、低速攪拌桶、壓漿泵、傳感器、平板電腦等組成，集抽真空、制漿、壓漿功能于一體，一鍵啟動自動進行抽真空、制漿、壓漿、保壓過程，支持遠程傳輸至管理平臺。

3.1.8 研發(fā)和使用箱梁自動靜載系統(tǒng)

箱梁載荷試驗自動加載系統(tǒng)由自動加載系統(tǒng)和自平衡式靜載試驗架組成(見圖5)。靜載試驗加載模塊根據(jù)主控模塊指令為靜載試驗提供加載動力，通過預設程序實現(xiàn)自動控制，并根據(jù)實時檢測數(shù)據(jù)調整千斤頂加載速度，確保加載同步準確和平衡穩(wěn)定。靜載試驗數(shù)據(jù)實時采集，可自動生成“靜載試驗報告”。

圖5 箱梁自動靜載系統(tǒng)

3.2 研制和使用成套運架施工設備

3.2.1 研制和使用40m /1000t箱梁搬運機

研制了世界上首套40m/1000t級箱梁搬提運架施工設備，該搬運機跨度48m，凈跨43.5m，起升高度13m，自重約675t。該設備支腿結構不再沿用傳統(tǒng)的“人字形”而改為“門形”，并將其橫向位置設為寬窄可變的技術方案，其爬坡能力2%、可原地90°轉向，適用于鐵路40m、32m、24m雙線整孔箱梁的起吊、運輸、轉移等工作，并滿足雙層存梁的要求和具備為運梁車裝梁的功能，確保箱梁運架施工安全可靠。

3.2.2 采用兩臺同型門式跨線起重機組合抬吊工作方式

鄭濟高速鐵路跨黃河特大橋高鐵雙線和市域鐵路雙線并行，采用跨度參數(shù)相對較小的正位提梁上橋方式，箱梁提升上橋采用兩臺同型門式跨線起重機組合抬吊，單臺最大起重量為500噸，跨度36m、起升高度30m，減小了提梁機安裝拆卸和使用安全風險。

3.2.3 使用40m/1000t箱梁運梁車

YLS1000型運梁車采用多輪軸、小輪胎設計方案，懸掛輪組采用雙胎并置結構型式和寬基小輪胎方案，有效降低整機高度。使用該車可實現(xiàn)“整升整降”和“單點升降”功能，滿足了運梁車自動調平和喂梁時精確對位要求。

3.2.4 使用40m/1000t級箱梁步履式架橋機

JQS1000型架橋機采用雙主梁五支腿結構，跨一孔簡支架梁，額定起重量達1000t。使用該車架設首末跨、曲線梁和變跨梁十分方便，可快速實現(xiàn)橋間轉移或掉頭作業(yè)，在R2000m的曲線線路上正常架梁，30‰大坡道架梁安全可靠。箱梁架設作業(yè)見圖6所示。

圖6 40m/1000t級箱梁架設

3.3 采用信息化管理，推行綠色建造技術

3.3.1 大力推行BIM技術在箱梁設計和施工中的應用

采用Bentley平臺ProStructures V8i，根據(jù)二維設計圖紙創(chuàng)建40m預制梁高精度BIM模型(見圖7)，模型包括梁體、橋梁附屬設施、普通鋼筋、預應力、支座和防落梁預埋件等，實現(xiàn)可視化技術交底，并可以進行鋼筋碰撞檢查(見圖8)。

圖7 40m箱梁BIM模型

圖8 鋼筋碰撞檢查

3.3.2 BIM技術應用于梁場規(guī)劃

使用現(xiàn)代信息技術，建立梁場可視化BIM模型，進行施工過程模擬分析、場地虛擬漫游、工程量精確計算，輔助進行場地布置方案的論證及調整。管理者直觀了解場地布置情況，并通過場地模擬，合理規(guī)劃場地，減少臨時用地，實現(xiàn)綠色施工。

3.3.3 梁場全面采用節(jié)能減排環(huán)保技術

拌和站、制梁養(yǎng)護區(qū)和洗石區(qū)設置多級沉淀池，實現(xiàn)水資源回收利用，施工污水經處理達標排放。采用霧炮消塵器和灑水車降塵，減少揚塵，開展生產生活區(qū)綠化建設，優(yōu)化場區(qū)布置，增綠降污，大量采用太陽能、空氣能等新能源或低能耗設備，全面落實綠色施工和可持續(xù)發(fā)展理念。

總之，針對當前中國高速鐵路建設，在解決線路平順性方面推廣整體道床、新型軌枕板、CF基樁地基處理、大量采用橋梁等新技術的現(xiàn)狀，結合鄭濟高速鐵路40m/1000t箱梁首次的工程化應用，圍繞鐵路40m箱梁新結構、新工藝的特點，開展箱梁建造機械化作業(yè)，箱梁自驅式內模、鋼筋數(shù)控加工、鋼筋預扎自動升降內架、預應力孔道橡膠棒拔管臺車、預應力成品束鋼絞線穿束臺車、預應力自動張拉、預應力孔道自動壓漿、箱梁自動靜載等自動化設備和工裝技術研究，能夠確保40m/1000t級箱梁預制施工質量更好、生產效率更高，施工安全更有保證，為高速列車的平穩(wěn)高速運行提供保障。