1～80m簡支拱施工技術(shù)方案對比分析

程楊

河北省鐵路管理局 河北 石家莊 050000

引言

簡支系拱橋由于其造型美觀、優(yōu)雅，經(jīng)濟效果好，建筑高度低，在應(yīng)用中還具有拱橋的較大跨越特性以及簡支梁的地基適用性強的特點。由于在鋼管內(nèi)部填充了混凝土，進而使得鋼管管壁結(jié)構(gòu)受壓應(yīng)力后的穩(wěn)定性得以大幅提升，并且在鋼管內(nèi)填充混凝土后也使得鋼管的耐久與抗腐性能得到增強；從另一方面講，由于鋼管的管壁對已填充的混凝土起到了有效的套箍，可以增強鋼管內(nèi)所填充混凝土自身的延展性能與抗壓強度。簡支拱系桿受力形式多樣，目前國內(nèi)系桿拱橋施工建設(shè)多數(shù)采用豎向吊桿的形式，現(xiàn)階段鐵路工程多采用這種結(jié)構(gòu)。

歐洲在十九世紀晚期開始應(yīng)用系桿拱橋用于工程實踐活動。十九世紀中葉，奧地利的Josef Langer率先提出以柔性拱剛性梁的工程設(shè)計理念，豐富了在實際應(yīng)用中的系桿拱橋選擇。這種結(jié)構(gòu)形式在于明確以單方面承受軸向力為特點，是現(xiàn)代早期系桿拱橋的表現(xiàn)形式。在這之后的工程實踐與理論研究過程中，橋梁建設(shè)領(lǐng)域的研究人員發(fā)現(xiàn)將斜吊桿更換豎向吊桿，這種形式將較大程度的提高結(jié)構(gòu)的剛度。由于這個設(shè)計理論的設(shè)想是首先由O.F.Nielsen提出，并在瑞典于二十世紀二十年代末，成功申請工程設(shè)計專利，所以這種形式的結(jié)構(gòu)類型的系桿拱橋被歸納為尼爾森體系。在國際上橋梁工程學(xué)界上對系桿結(jié)構(gòu)形式的研究與探索中，不論吊桿以何種形式進行設(shè)計與建造，都是視為解決工程實際問題的重要手段，兩種結(jié)構(gòu)形式在大量的對跨度及荷載有特別要求的工程設(shè)計與施工中得以應(yīng)用，二十世紀六十年代費馬恩松德橋在德國修建成功，這也是世界上首座應(yīng)用提籃形拱肋進行施工建設(shè)的尼爾森—羅斯系統(tǒng)體系橋梁，在那個時代，其主跨徑高達248.4m，相比之下我國的橋梁建設(shè)施工中尼爾森體系桿橋的應(yīng)用則較小，豎向吊桿布置方式為我國在此類橋梁體系中選擇中的主要結(jié)構(gòu)形式。

簡支拱在施工技術(shù)上主要是系梁施工和鋼管拱施工。鋼管混凝土是鋼混結(jié)構(gòu)的一種形式，在剖析其整體受力上得出將混凝土充分填滿鋼管，可以提高作為新的整體后在結(jié)構(gòu)上受壓比單個鋼管或混凝土結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的結(jié)論，同時也起到了增強鋼管的耐久與抗腐性能，還因為鋼管管壁對已填充的混凝土起到了套箍的因素，有效增強了混凝土自身延展性能與抗壓強度，使得拱橋在受力為主的情況下，顯得十分合理。將鋼管結(jié)合混凝土在設(shè)計和建造橋梁工程，在國外橋梁工程中的應(yīng)用已逾百年。在十八世紀七十年代，英國secern鐵路橋的施工中有應(yīng)用。蘇聯(lián)于二十世紀三十代初在修建跨列寧格勒涅瓦河橋梁工程時，拱梁組合體系設(shè)計并施工完成了跨徑為101m的鋼管混凝土橋，這也是首次采用鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的橋梁工程在施工中的應(yīng)用，同時期在西伯利亞遠東地區(qū)同樣使用了這種將鋼管與混凝土結(jié)合的施工技術(shù)建造了一座跨徑為140m的橋梁。在這之后的研究中人們發(fā)現(xiàn)，用混凝土灌注拱腳端是增強防撞、防腐的有效手段，并應(yīng)用于西班牙的盧西塔尼亞大橋、法國的安特納斯大橋等橋梁工程中。

1 研究內(nèi)容

本文所開展的研究是在充分查閱并分析、總結(jié)已有簡支拱施工，尤其是跨越正常開通運營高速公路修建簡支拱工程的施工技術(shù)經(jīng)驗和理論研究成果上，根據(jù)新建三曹塘鐵路工程跨海公路橋梁建設(shè)和河北鐵路局工程質(zhì)量監(jiān)理工作，針對依托項目工程三溝跨沿海高速公路特大橋工期緊張、沿海高速公路河北段過往車輛繁忙、前方150m即為唐曹互通區(qū)、施工現(xiàn)場用地狹小等施工條件，開展多項施工技術(shù)的專題研究，并將開展研究的分析結(jié)果反饋在依托工程的工程實踐中，獲得了很好的社會、經(jīng)濟效益[1]。研究的主要內(nèi)容有：

1.1 貝雷梁膺架法施工技術(shù)方案的比選研究

具體進行了施工安全狀況分析、交通安全性對比分析和工期與經(jīng)濟性比選分析三方面的研究，在側(cè)重于在滿足施工安全和交通安全性的基礎(chǔ)上，選擇了全貝雷梁膺架法施工方案。

1.2 三溝跨沿海高速公路特大橋簡支拱施工技術(shù)研究

具體包含簡支拱系梁施工技術(shù)，包括條形基礎(chǔ)與貝雷梁施工、系梁支架的安裝與拆卸、拱腳支架安裝與拆卸、預(yù)應(yīng)力施工等內(nèi)容；鋼管拱施工技術(shù)，包括拱肋加工與制作、拱肋支架搭設(shè)、鋼管拱壓降、吊桿安裝張拉、支架模板拆除等內(nèi)容。

1.3 三溝跨沿海高速公路特大橋簡支拱施工過程中的安全保障措施

由于該處施工受既有高速公路影響，如何在保證既有高速公路繼續(xù)運營，同時全時段保障各項施工工序連續(xù)不間斷，就要在交通導(dǎo)行和簡支拱各施工工序中加入安全保障措施，盡可能在施工過程中將各類安全隱患消除。

2 施工技術(shù)方案

本文對新建唐曹鐵路工程三溝跨沿海高速公路特大橋簡支拱施工全過程進行調(diào)查、研究，針對該工程工期緊張、沿海高速公路河北段過往車輛繁忙、道路前方即為唐曹互通區(qū)、施工作業(yè)區(qū)用地狹小等施工條件，對新建唐曹鐵路工程三溝跨沿海高速公路特大橋簡支拱兩種不同的施工技術(shù)方案進行對比分析，綜合考慮施工安全狀況、交通安全性和滿足工期、經(jīng)濟性要求的前提下，選定全貝雷梁膺架法施工技術(shù)方案進行施工，將三溝跨沿海高速公路特大橋簡支拱施工技術(shù)分解為系梁施工技術(shù)和鋼管拱施工技術(shù)，結(jié)合跨越沿海高速公路和周邊地質(zhì)條件等實際情況分別研究并闡述施工技術(shù)要點，再針對確保施工期間沿海高速公路河北段不間斷通行的情況下，結(jié)合簡支拱施工各工序采取有效的安全保障措施，有效消除施工期間的安全隱患，為實現(xiàn)三溝跨沿海高速公路特大橋順利完工提供技術(shù)理論保障[2]。

跨越沿海高速公路施工現(xiàn)場所在位置為雙向六車道并漸變雙向八車道，限行時速120 km，車道布置為4.59m（加寬段）+3×3.75m+3m（中央分隔帶）+3×3.75m+1.93m（加寬段），設(shè)計文件中梁底面至現(xiàn)有高速路面高度最小處為7.32m。承臺邊緣與高速路肩的最小鉛直凈距是為15.44m。針對三溝跨沿海高速公路特大橋工期緊張、沿海高速公路河北段過往車輛繁忙、前方150m即為唐曹互通區(qū)、施工現(xiàn)場用地狹小等施工條件的特點，編制以下兩種施工方案：

跨沿海高速公路采用貝雷梁膺架法結(jié)合碗扣式滿堂腳手架進行施工，在借道施工時，首先封閉右幅車道，開通左幅車道。左幅車道為兩車道，天津方向車道寬度6.31m～5.67m，唐山方向的車道寬度5.33m～4.58m。

左幅車道完成施工完畢后即進行封閉，并將右幅車道開通。右幅車道為兩車道，車道1寬度6.24m～5.52m，為天津方向的車道設(shè)置，車道2寬度5.38m～4.66m，為唐山方向的車道設(shè)置。

連續(xù)施工46小時的方案，要求現(xiàn)場多增加標示標牌。特別是在唐曹互通區(qū)與沿海高速交叉處往天津方向匯入的車輛，要在匝道出口和進口位置分別設(shè)置24h專職安全員，并布置應(yīng)急警示燈燈、慢行交通警示標志牌，交通標志標牌要連續(xù)擺放，確保在道路封閉46h內(nèi)，車輛有序的匯入指定道路

采用全貝雷梁膺架法施工，除了公路兩側(cè)需要各設(shè)置7根鉆孔樁外，可利用既有的承臺作為支點設(shè)置鋼管立柱?？紤]到沿海高速公路車輛流量較大方案二采取臨時交通管制，在路政及交警的監(jiān)督下，選擇每天車流量最小的時候，臨時封閉道路交通2h，每天封閉兩次，每次封閉一幅。每幅累計封閉天數(shù)為11.5d。

3 技術(shù)方案對比分析

在對上述兩方案進行施工安全狀況分析中，三溝跨沿海高速公路特大橋所跨越的沿海高速公路河北段是地區(qū)交通聯(lián)系的重要通道，路基寬度28m，并采用低路基設(shè)計，雙向四車道。該橋跨越沿海高速公路，前方15m處為唐曹互通區(qū)，從雙向六車道漸變更為雙向八車道，全年日均車流量12000輛幅，最高限速為120kmh，施工區(qū)段內(nèi)秩序維護要求高，安全及各類管理壓力大，如在施工及后續(xù)施工過程中發(fā)生質(zhì)量、安全事故，則影響范圍大、涉及面廣。

經(jīng)由上述分析得知，沿海高速公路日車流量大，交通繁忙，依托工程下部施工可使用空間極為有限，因此如何確保簡支拱施工建設(shè)本身、沿海高速公路過往車輛安全是選擇施工技術(shù)方案極為重要的選擇因素[3]。

交通安全性對比分析中，依托該工程周邊安全狀況分析結(jié)果，施工方案的選取應(yīng)充分依照“安全可靠、經(jīng)濟適用”原則。為確保施工期間安全生產(chǎn)，應(yīng)盡量減少站路施工的時間和頻率，以降低和通行車輛的交叉干擾；與此同時，在確保安全的情況下節(jié)約措施成本，要盡可能減少各類臨時設(shè)施、機械設(shè)備和人員的投入。

方案一中跨沿海高速公路采用貝雷梁膺架法施工，支架布置 12m+6m+12m；其余部分采用碗扣式滿堂腳手架?？紤]到兩個主墩都位于荷塘內(nèi)，且兩個主墩之前有一條1～13m的過水涵洞，碗扣支架搭設(shè)高度在10.5m左右，支架搭設(shè)較高，地基處理尤為關(guān)鍵，只能回填后打高壓旋噴樁，成本較高且工期較長，質(zhì)量難以控制；受場地限制，碗口支架搭設(shè)位置小型車輛及器具無法通行。

方案二中采用全貝雷梁膺架法施工，除了公路兩側(cè)需要各設(shè)置7根鉆孔樁外，可利用既有的承臺作為支點設(shè)置鋼管立柱。貝雷片施工較為快捷，施工工期較短，且成本投入相對滿堂碗扣支架較小，地基處理較為簡單。

工期與經(jīng)濟性分析。上述兩個方案的工期可依據(jù)施工進度安排的需求，在持續(xù)投入人、機、料保證滿足進度計劃，而方案一碗扣支架搭設(shè)位置位于承臺以外的荷塘內(nèi)，地質(zhì)情況較差，淤泥質(zhì)土層達到5m厚，可以在采取回填后施打高壓旋噴樁，地基處理費用約為20萬元左右，且處理完畢后還要進行地基預(yù)壓，施工工期較長且施工費用較高。貝雷片屬于鷹架法施工，除了夸中存在彈性變形外，支座位置基本無沉降。但是碗扣支架搭設(shè)高度約為10m，自身扣件之間的壓縮量和地基的沉降是不可避免的。

方案二所采用的全貝雷梁膺架法施工，除了公路兩側(cè)需要各設(shè)置7根鉆孔樁外，可利用既有的承臺作為支點設(shè)置鋼管立柱。貝雷片施工較為快捷，施工工期較短，且成本投入相對滿堂碗扣支架較小，地基處理較為簡單。

即全部使用貝雷片和貝雷片與碗口支架相結(jié)合的兩個方案在總體工期一定情況下的工程量與工程造價對比可知，方案二比方案一預(yù)計要節(jié)約資金43萬元，支架搭設(shè)工期，方案二比方案一預(yù)計可減少工期35天，因此在結(jié)合圖紙設(shè)計、工程造價、業(yè)主對工期的要求等影響，方案二較方案一優(yōu)勢明顯[4]。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)新建唐曹鐵路工程三溝跨沿海高速公路特大橋簡支拱工程設(shè)計情況，結(jié)合現(xiàn)有合理的施工技術(shù)手段和裝備水平，針對依托項目工程三溝跨沿海高速公路特大橋工期緊張、沿海高速公路河北段過往車輛繁忙、前方150m即為唐曹互通區(qū)、施工現(xiàn)場用地狹小等施工條件，通過對比兩種支架方案的施工安全需要、交通導(dǎo)行與工期和經(jīng)濟性優(yōu)劣分析，選擇全貝雷梁膺架法施工技術(shù)方案。在本文的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進一步研究在簡支拱結(jié)構(gòu)施工過程對于高速公路尤其是在互通變速車道區(qū)域的行車視距等方面的影響，提出適應(yīng)于不同車速、不同車流量情況下的施工導(dǎo)行方案。