上跨鐵路咽喉區(qū)拱橋頂推方案設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

陳利民

（上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司，上海200071）

1 工程概況

北橫通道是上海市中心城“三橫三縱”骨架性主干路網(wǎng)的組成部分，對(duì)支撐上海城市東西向主軸發(fā)展、服務(wù)中心城蘇州河以北區(qū)域沿線重點(diǎn)地區(qū)、提高中心城東西向交通的可靠性有著較強(qiáng)作用。

北橫通道新建二期工程Ⅱ標(biāo)段跨鐵路立交橋工程，跨越機(jī)務(wù)段管線、京滬線聯(lián)絡(luò)線共8 條機(jī)走線及軌道交通3/4 號(hào)線，設(shè)計(jì)工作復(fù)雜，施工影響因素多。主橋考慮鐵路、軌道交通及避讓精文城市花園小區(qū)等因素，并且由于道路路面標(biāo)高受既有橋梁限制，梁底受鐵路、軌道交通及交通路凈高的限制，因此采用下承式鋼拱橋方案，橋梁效果圖見圖1。

圖1 橋梁整體效果圖Fig.1 Overall effect of the bridge

2 橋梁總體布置

橋梁結(jié)構(gòu)采用單拱面下承式鋼結(jié)構(gòu)拱橋，鋼梁鋼拱，橋梁全長(zhǎng)76.1 m。橋梁計(jì)算跨徑為73.805 m，拱肋軸線采用二次拋物線，矢高14.761 m，矢跨比1/5，橋?qū)?6.75 m。橋梁中間位置設(shè)置單片拱肋。全橋共設(shè)11 根吊桿，吊桿采用鋼絞線及相應(yīng)的叉耳式錨頭，張拉端位于主梁端。拱橋位于直線段處，縱坡2.17%，鐵路凈空滿足大于6.55 m 要求，軌道交通凈空為6.82 m，橋梁邊緣距離油庫(kù)防火堤水平距離保持15 m 間距。橋梁總體布置如圖2所示。

拱肋采用鋼箱截面，高2.0 m，寬2.0 m，拱高16.761 m。主梁為箱形截面，高2.2 m，寬16.75 m，設(shè)四道腹板。

橋梁西側(cè)為既有（30+47+30）m 混凝土連續(xù)梁，其3 m 人行道懸臂切除后，與新建拱橋通過拼接縫形成一體。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)多方案比選及論證，最終確定采用步履式頂推方案，在鐵路南側(cè)場(chǎng)地完成拼裝后，自南向北頂推完成橋梁的架設(shè)。

圖2 橋梁總體布置圖Fig.2 Overall layout of the bridge

本工程位于上海機(jī)務(wù)段至上海站間，上跨機(jī)務(wù)段管線、聯(lián)絡(luò)線，以及軌道交通3/4 號(hào)線，采用75 m 下承式鋼結(jié)構(gòu)拱橋跨越。機(jī)務(wù)段管線和聯(lián)絡(luò)線列車每天40 對(duì)，是上海鐵路樞紐網(wǎng)的主要通道之一；軌道交通3/4 號(hào)線每日運(yùn)行時(shí)間為5∶30-24∶00，進(jìn)入上海站的平均時(shí)間約為2 min 每列。FB07#、FB08#墩施工為鄰近營(yíng)業(yè)線施工，臨時(shí)墩施工、鋼梁頂推施工及其附屬結(jié)構(gòu)施工為營(yíng)業(yè)線施工，鋼梁頂推施工需要停電封鎖。頂推施工需在線路內(nèi)架設(shè)一座臨時(shí)墩，施工機(jī)械多，對(duì)線路安全造成多方面的影響，因此跨線路鋼拱橋施工是重點(diǎn)、難點(diǎn)工程。

3 頂推方案設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 頂推方案計(jì)算分析

在拱橋整體頂推施工過程中，隨著施工階段的不斷進(jìn)行，梁拱整體結(jié)構(gòu)的位置也會(huì)不斷地發(fā)生變化，不可避免地帶來了主體結(jié)構(gòu)的約束條件和內(nèi)力的變化，造成了結(jié)構(gòu)體系不斷地發(fā)生轉(zhuǎn)換，各個(gè)位置的約束條件與內(nèi)力也隨著整個(gè)頂推施工過程中均不斷變化，因此需要對(duì)應(yīng)各施工步驟建立多個(gè)模型對(duì)施工過程中的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行復(fù)核。

圖3 頂推施工計(jì)算模型Fig.3 Finite element model of construction

針對(duì)本項(xiàng)目，頂推過程主要進(jìn)行了以下計(jì)算：頂推過程各支點(diǎn)反力的計(jì)算；頂推過程導(dǎo)梁、主梁、拱肋等關(guān)鍵截面的變形計(jì)算；頂推過程主梁、拱肋強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算，尤其關(guān)注頂推支點(diǎn)（腹板）處的局部穩(wěn)定性驗(yàn)算；頂推過程導(dǎo)梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算，導(dǎo)梁節(jié)段之間及導(dǎo)梁與主梁之間螺栓連接的驗(yàn)算；頂推過程橋梁順、橫橋向傾覆的驗(yàn)算；頂推過程永久墩、臨時(shí)墩及基礎(chǔ)的驗(yàn)算、頂推設(shè)備自身的驗(yàn)算。

（1）頂推過程中各支點(diǎn)最大反力計(jì)算結(jié)果如表1所示，用于進(jìn)行各臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

（2）對(duì)頂推過程導(dǎo)梁、主梁、拱肋等關(guān)鍵截面的變形進(jìn)行了計(jì)算，懸臂50 m 試驗(yàn)時(shí)最大撓度為220 mm，施工過程中撓度超過100 mm 的時(shí)刻出現(xiàn)在導(dǎo)梁處于懸臂的狀態(tài)。

表1 頂推過程各支點(diǎn)最大反力計(jì)算結(jié)果匯總Table 1 Summary of calculation results of maximum reaction at each phase

（3）頂推施工過程主梁（導(dǎo)梁）最大正應(yīng)力在100 MPa，小于270 MPa；最大剪應(yīng)力在30 MPa，小于150 MPa，施工過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

施工過程中主梁（導(dǎo)梁）腹板強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定均滿足要求，結(jié)算結(jié)果不再一一列出。

（4）傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算：風(fēng)荷載作用下，導(dǎo)梁前端達(dá)到5#臨時(shí)墩之前最可能出現(xiàn)縱向傾覆，此時(shí)3#/4#臨時(shí)墩脫空，傾覆支點(diǎn)為P07 墩，施工期間順橋向傾覆穩(wěn)定系數(shù)Mr/Mf=12.77＞1.5，滿足規(guī)范要求。同理可對(duì)橫橋向傾覆穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，滿足要求。

圖4 頂推70.8 m工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of stress under the condition of 70.8 m incremental launching

3.2 頂推實(shí)施方案

步履式頂推裝置的頂推工作原理是，利用豎向千斤頂將梁段多點(diǎn)同步整體頂起，之后水平千斤頂向前頂推實(shí)現(xiàn)梁段移動(dòng)，然后豎向千斤頂帶載下放梁段于臨時(shí)支承，水平千斤頂回縮原位，完成梁段的一步移動(dòng)，以“頂”、“推”、“降”、“縮”幾個(gè)步驟循環(huán)，逐步完成梁段的頂推。設(shè)備集頂升、平移、橫向調(diào)整于一體，方便施工操作，降低施工成本［1-2］。

鋼拱橋在工廠生產(chǎn)，經(jīng)公路運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，全部節(jié)段從鐵路南側(cè)拼裝，采用分段拼裝、整體多點(diǎn)連續(xù)步履式頂推法施工。在主跨布置安裝頂推支架和臨時(shí)墩，并在其上布置頂推設(shè)備。全橋焊接完成后進(jìn)行頂推，使鋼拱橋到達(dá)設(shè)計(jì)位置。鋼拱橋頂推重量約1 200 t。整個(gè)過程流程簡(jiǎn)化為：搭設(shè)拼裝平臺(tái)、安裝鋼梁→頂推→落梁→張拉吊桿→橋面施工。頂推施工總體布置圖如圖5所示。

初步施工方案中建議在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)置前后導(dǎo)梁，并在后導(dǎo)梁設(shè)置配重，后來經(jīng)過對(duì)支墩方案的調(diào)整，取消了后導(dǎo)梁，整體施工方案更為簡(jiǎn)便。

圖5 頂推總體布置圖（上圖為立面圖，下圖為平面圖）Fig.5 Overall layout of the incremental launching scheme

3.3 頂推的主要難點(diǎn)

根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及環(huán)境條件，采用頂推法施工主要有以下難點(diǎn)：

（1）鋼拱橋跨越多條既有運(yùn)行鐵路及地鐵線路，對(duì)于施工進(jìn)度和施工安全性要求極高；

（2）最多時(shí)須7 排頂推設(shè)備同步施工，對(duì)系統(tǒng)同步控制精度要求高；

（3）鋼拱橋底部結(jié)構(gòu)受力局限性大，要求頂推設(shè)備只能將支承力施加到鋼拱橋腹板上，且頂推設(shè)備應(yīng)具有高精度的支反力調(diào)節(jié)功能。

4 頂推臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臨時(shí)結(jié)構(gòu)包括設(shè)備平臺(tái)、臨時(shí)墩、導(dǎo)梁等。

4.1 頂推設(shè)備平臺(tái)設(shè)計(jì)與臨時(shí)墩

頂推系統(tǒng)為水平反力自平衡，頂推過程中僅有梁體運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生的慣性力，臨時(shí)墩主要承受豎向力，可以降低臨時(shí)墩造價(jià)。采用計(jì)算機(jī)控制同步頂推，確保各支墩頂推力與摩擦力相平衡，避免支墩受到較大的水平載荷。采用液壓同步下降，避免單個(gè)油缸受偏載，可提高施工的安全性和可靠性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布局，鐵路南側(cè)的頂推支墩既作為鋼拱橋節(jié)段的無應(yīng)力線形拼裝平臺(tái)，又作為梁段頂推時(shí)的滑動(dòng)平臺(tái)，前者要求拼裝平臺(tái)具備足夠的強(qiáng)度和剛度，且備有用于對(duì)拼的標(biāo)高調(diào)節(jié)措施，后者要求拼裝平臺(tái)上有鋼梁滑移系統(tǒng)和導(dǎo)向裝置。

根據(jù)橋位附近環(huán)境條件和頂推工藝要求，南側(cè)鋼拱橋頂推支墩縱向沿橋軸線布置在小里程側(cè)FB03#墩～07#主墩之間，占地長(zhǎng)110 m，北側(cè)頂推支墩設(shè)置在FB08#主墩，頂推最大凈跨度50 m（考慮臨時(shí)墩）。鋼拱橋的豎曲線基本為斜線下坡（FB07梁底標(biāo)高12.104 m，F(xiàn)B08梁底標(biāo)高10.502 m，高差1.602 m），為保證鋼拱橋頂推時(shí)的平順性及安全性，鋼拱橋水平頂推，各個(gè)頂推平臺(tái)做成水平、標(biāo)高一致，采用FB07#墩鋼梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高12.104 m 加高 19.6 cm 至 12.300 m 為頂推平臺(tái)水平面。頂推就位后再進(jìn)行落梁，則FB08梁底下落1.798 m。

全橋頂推支墩有7 個(gè)，結(jié)構(gòu)類型相似，根據(jù)受力及場(chǎng)地限制外形尺寸進(jìn)行調(diào)整，共有4種形式。

為確保頂推過程安全，在鐵路中間設(shè)置臨時(shí)墩，臨時(shí)墩位于上海站1006#道岔和1008#道岔之間，臨時(shí)墩最近點(diǎn)距離安全線外鋼軌中心線1.88 m，距離地鐵3/4 號(hào)線圍墻最近點(diǎn)距離0.5 m，臨時(shí)墩體系與系桿拱鋼橋順橋向斜交72°，構(gòu)造斷面見圖6。

4.2 導(dǎo)梁

在鋼箱梁前端安裝由型鋼組成的鋼導(dǎo)梁［3］。前導(dǎo)梁全長(zhǎng)35 m，約為最大頂推跨度的0.7 倍，分成2節(jié)，第一節(jié)長(zhǎng)17 m，第二節(jié)長(zhǎng)為18 m。導(dǎo)梁與鋼拱橋、導(dǎo)梁節(jié)段之間采用高強(qiáng)螺栓連接。導(dǎo)梁由鋼板加工成工字型，兩工字型截面中心間距2 m，通過橫向桁架連接。兩片主梁之間設(shè)有型鋼組成的橫向聯(lián)系和上、下平面聯(lián)系，將整個(gè)導(dǎo)梁形成整體。導(dǎo)梁前端底部設(shè)計(jì)成向上的切角形，以便導(dǎo)梁更容易接上臨時(shí)墩。整套前導(dǎo)梁重約65 t。

圖6 頂推平臺(tái)與臨時(shí)墩構(gòu)造（5#）Fig.6 Structure of the platform and temporary pier

5 頂推施工過程

5.1 頂推施工步驟

橋梁頂推過程及步驟主要如下：

（1）頂推支架、臨時(shí)墩、拼裝支架等施工；

（2）拼裝鋼梁、鋼拱、前后導(dǎo)梁；

（3）前段懸挑50 m（拆除兩組拼裝支架，將4#頂推支架和07#橋墩位置支架上頂推設(shè)備脫空，在頂推施工前模擬前端懸挑50 m危險(xiǎn)工況）；

（4）試頂推3 m；

（5）第一次頂推26.4 m；

（6）第二次連續(xù)頂推17.9 m，導(dǎo)梁到達(dá)臨時(shí)墩；

（7）第三次連續(xù)頂推23.4 m，導(dǎo)梁到達(dá)P8墩；

（8）第四次連續(xù)頂推10.2 m，鋼梁前端到達(dá)臨時(shí)墩；

（9）第五次連續(xù)頂推6 m，拆除前導(dǎo)梁第一節(jié)；

（10）第六次連續(xù)頂推16.9 m，鋼梁前端到達(dá)P8墩，完成頂推；

（11）拆除輔助設(shè)備，完成落架；

（12）拆除支架，拱肋臨時(shí)支撐，張拉吊桿；

（13）鋪裝欄桿等二期施工。

每天僅可在凌晨 0∶30 至 4∶30 的鐵路及軌道交通停止運(yùn)營(yíng)的窗口時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行頂推施工，頂推過程關(guān)鍵步驟示意圖如圖7所示。

圖7 頂推過程關(guān)鍵步驟示意圖Fig.7 Key steps of the incremental launching process

圖8為頂推現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖，橋梁已頂推到位。

圖8 橋梁頂推現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖Fig.8 Actual scene of the incremental launching

5.2 導(dǎo)梁上墩技術(shù)及改進(jìn)

頂推施工的連續(xù)梁橋在施工過程中結(jié)構(gòu)體系不斷轉(zhuǎn)換，主梁各截面在移動(dòng)過程中均要承受正負(fù)交替出現(xiàn)的彎矩。為減輕頂推過程中主梁的內(nèi)力，加大頂推跨度，通常在主梁的前端設(shè)置導(dǎo)梁。導(dǎo)梁對(duì)主梁的內(nèi)力有重要的影響，其合理配置是全橋順利頂推的關(guān)鍵，且導(dǎo)梁前端撓度值的確定對(duì)導(dǎo)梁能否順利上墩至關(guān)重要。經(jīng)計(jì)算，在整個(gè)施工工況中，主梁處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)梁前端撓度值最大，達(dá)到-220 mm。根據(jù)主梁最大懸臂狀態(tài)下導(dǎo)梁前端撓度計(jì)算結(jié)果，在導(dǎo)梁設(shè)計(jì)時(shí)將其前端預(yù)拋高350 mm。同時(shí)，導(dǎo)梁內(nèi)嵌長(zhǎng)行程液壓千斤頂。在導(dǎo)梁上墩時(shí)，一般情況下不需要千斤頂即可順利上墩，當(dāng)撓度偏大不易上墩時(shí)，通過導(dǎo)梁前端的長(zhǎng)行程液壓千斤頂及豎向千斤頂互換起頂，安放墊板直至導(dǎo)梁前端達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

5.3 頂推到位后落梁

頂推到位后，梁底距支座1.798 m，屬高位落梁，采用小行程循環(huán)落梁法進(jìn)行落梁。首先拆除頂推機(jī)械結(jié)構(gòu)，將設(shè)備蘑菇頭滑塊去掉，利用設(shè)備頂升部分落梁0.5 m，取出墩頂鋼墊梁和其它輔助結(jié)構(gòu)，更換方木墊梁。然后拆除頂推設(shè)備，單獨(dú)使用頂升千斤頂循環(huán)落梁至梁底距支座0.2 m。最后更換400 t三向千斤頂，調(diào)整鋼箱梁和支座的平面位置，落梁到永久支座上，拆除三向千斤頂，落梁完成。

5.4 頂推施工注意事項(xiàng)

頂推過程中需派專人對(duì)鋼導(dǎo)梁標(biāo)高、構(gòu)件是否有變形、螺絲是否有松動(dòng)、導(dǎo)梁與鋼梁聯(lián)結(jié)處是否有變形、箱梁局部變形等情況隨時(shí)監(jiān)測(cè)，如有異常，立即停止頂推，進(jìn)行分析處理［4］。對(duì)鋼梁撓度和橫向位移全過程測(cè)量，梁體的中線偏移和墩頂?shù)乃?、豎向位移也要觀測(cè)，確保梁體在允許誤差范圍內(nèi)走行。如發(fā)現(xiàn)梁體超過規(guī)定范圍，應(yīng)及時(shí)處理。注意頂升力、平移力、下降力的變化，若發(fā)現(xiàn)頂推力驟升，及時(shí)停止并查明原因，特別是檢查蘑菇頭滑板。

6 頂推施工過程的監(jiān)控

頂推過程中，臨時(shí)支墩反力不斷變化，橋梁整體和局部應(yīng)力狀態(tài)也不斷變化，橋梁頂推過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)控橋梁的受力與變形狀態(tài)［5］。

圖9 主要監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.9 Arrangement of main monitoring points

頂推過程中的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括主梁、拱肋、導(dǎo)梁、支撐等的線形、應(yīng)力以及千斤頂、臨時(shí)墩受力的監(jiān)測(cè)。主梁和導(dǎo)梁標(biāo)高采用接入北斗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的物位計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。鋼箱主梁、導(dǎo)梁和拱肋表面安裝表面應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)與NB-IOT八通道物聯(lián)網(wǎng)關(guān)相連，北斗監(jiān)測(cè)平臺(tái)接收聯(lián)網(wǎng)關(guān)采集的應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行應(yīng)力動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

線形監(jiān)測(cè)的結(jié)果分析表明：導(dǎo)梁前端相對(duì)根部的撓度值，與理論計(jì)算結(jié)果一致。但主梁的高程實(shí)測(cè)值與計(jì)算理論值有偏差，其原因是在頂推過程中，因千斤頂支點(diǎn)下加墊的鋼板高度與支架設(shè)計(jì)的標(biāo)高有偏差（多加墊鋼板或少加墊鋼板）。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，有效應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的計(jì)算理論值與實(shí)測(cè)值較為吻合。結(jié)構(gòu)在全部頂推過程中，應(yīng)力值在安全允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

7 結(jié) 論

2019年7月21日凌晨，經(jīng)過持續(xù)11個(gè)夜晚的封閉施工，上海天目路立交北橫通道新建二期工程首座跨越雙鐵的系桿拱鋼橋終于安全順利頂推到位，成功跨越京滬鐵路和上海地鐵3、4 號(hào)線的運(yùn)營(yíng)區(qū)間。

本文以該跨越鐵路咽喉區(qū)的單跨系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，重點(diǎn)介紹了該橋頂推方案設(shè)計(jì)、施工等關(guān)鍵技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、頂推方案設(shè)計(jì)、施工步驟、頂推全過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與反饋等關(guān)鍵方面。通過多次專家論證，集思廣益，不斷優(yōu)化方案，結(jié)合實(shí)施過程，總結(jié)出了一套完整的鋼拱橋拼裝頂推施工技術(shù)。本工程較為復(fù)雜且具有代表性，可為類似工程提供一定的借鑒。