京雄城際鐵路環(huán)保新技術(shù)應(yīng)用探索：以裝配式橋梁為例

葛輝凱，黃錄峰

（1.武漢鐵四院工程咨詢有限公司 橋梁室，湖北 武漢430063；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

京雄城際鐵路對雄安新區(qū)的發(fā)展、疏解北京非首都功能、推動(dòng)京津冀一體化協(xié)同發(fā)展具有重要意義，該鐵路是高起點(diǎn)規(guī)劃、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的示范性工程。為打造“精品京雄、綠色京雄、智能京雄”，研究探索了高速鐵路裝配式橋梁建造技術(shù)，新技術(shù)的應(yīng)用在節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保方面取得了一定成效，為提高鐵路行業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、促進(jìn)鐵路行業(yè)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極作用。

1 裝配式橋梁概述

裝配式橋梁是指在傳統(tǒng)施工工藝的基礎(chǔ)上，將橋梁構(gòu)件裝配化，實(shí)現(xiàn)橋墩墩柱、蓋梁、上部梁體等工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造技術(shù)[1]。

1.1 高速鐵路裝配式橋梁特征

高速鐵路裝配式橋梁因其自身結(jié)構(gòu)形式的特殊性，具有以下特征。

（1）裝配式橋梁與高速鐵路建造生產(chǎn)的工業(yè)化進(jìn)程和信息化緊密結(jié)合，將信息化技術(shù)和方法運(yùn)用于建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)鏈中的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工等各環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了信息化與工業(yè)化的深度融合。

（2）裝配式橋梁的中心理念集中體現(xiàn)了系統(tǒng)性和集成性的重要作用。對高速鐵路整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中整體技術(shù)進(jìn)步起到積極的推動(dòng)作用，可以對科研、設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、施工各個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)資源進(jìn)行有效整合，助力高速鐵路施工生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型，提升高速鐵路施工工藝水平。

（3）高速鐵路裝配式橋梁技術(shù)實(shí)現(xiàn)了橋梁主體結(jié)構(gòu)全生命周期與節(jié)能節(jié)材、綠色施工的整合。通過裝配式標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，達(dá)到高效、低耗和環(huán)保的目的；現(xiàn)代工廠化方式的施工生產(chǎn)有效減少現(xiàn)場施工作業(yè)產(chǎn)生的污水、垃圾、揚(yáng)塵等污染物的排放，降低了對鐵路沿線周邊生態(tài)環(huán)境的不利影響，提高了工程質(zhì)量和工藝水平，確保工期穩(wěn)定可控；通過現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)對高速鐵路裝配式橋梁進(jìn)行定量化和動(dòng)態(tài)化統(tǒng)一管理，為后期養(yǎng)護(hù)運(yùn)營工作提供了重要的參考價(jià)值。

1.2 高速鐵路裝配式橋梁施工工藝及流程

1.2.1 管樁施工工藝

實(shí)際工程中管樁的施工應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況采取相應(yīng)的施工方法，高速鐵路中沉樁施工工藝有以下3種。①直接打入法：在管樁確定位置后利用液壓錘進(jìn)行沉樁的施工工藝。②旋挖鉆輔助引孔法：利用旋挖鉆機(jī)輔助，降低錘擊沉樁的難度，便于沉樁。③長螺旋鉆機(jī)輔助引孔法：對于特殊地質(zhì)或土層，為了降低由于特殊地質(zhì)帶來的錘擊沉樁困難，利用特殊的長螺旋鉆機(jī)進(jìn)行輔助引孔。

1.2.2 墩身連接方式及施工流程

節(jié)段預(yù)制拼裝式橋墩通過拼接縫將預(yù)制節(jié)段連在一起，拼接縫是保證橋墩性能的關(guān)鍵。工程應(yīng)用中使用較多的方式包括以下幾種。

（1）后澆濕接縫：用于墩柱與頂帽的連接或墩柱與墩柱的連接。

（2）灌漿套筒：應(yīng)用于各部位連接，通過套筒將節(jié)段間鋼筋連接，對施工精度、質(zhì)量要求非常高。

（3）預(yù)應(yīng)力連接：施加預(yù)應(yīng)力能夠增加接縫處的連接性能，提高接縫面的抗裂能力，但預(yù)應(yīng)力橋墩的延性和耗能不足，不宜用于抗震設(shè)防度較高的地區(qū)。

（4）墩柱與基礎(chǔ)承插式連接：應(yīng)用于墩柱與基礎(chǔ)之間，對承插式連接的機(jī)理、連接性能、抗震效果、連接方式的可靠性等需進(jìn)一步研究。

（5）墩柱與頂帽灌漿波紋管連接：主要用于墩身和頂帽連接，與套筒相比，造價(jià)低、施工允許誤差大，不足之處在于需要預(yù)留較長的錨固長度。

1.2.3 橋面系統(tǒng)施工流程

（1）梁體鑿毛。當(dāng)梁體混凝土強(qiáng)度達(dá)到10 MPa后，為了增加灌漿料與預(yù)制構(gòu)件的摩擦力，對灌漿區(qū)域進(jìn)行機(jī)械鑿毛，使梁體露出新鮮混凝土面，用水沖洗掉表面殘?jiān)?，保持接觸面干凈。

（2）安裝螺桿。由現(xiàn)場專業(yè)施工人員對連接螺桿、調(diào)節(jié)墊片進(jìn)行安裝，并將調(diào)節(jié)墊片高度調(diào)整到設(shè)計(jì)高度。

（3）構(gòu)件吊裝。吊裝時(shí)利用尼龍吊帶吊裝，并防止對棱角的破壞。構(gòu)件預(yù)制時(shí)提前預(yù)埋吊裝套筒以便進(jìn)行四點(diǎn)起吊。預(yù)制塊吊裝完成后，現(xiàn)場施工人員將對應(yīng)螺桿安裝在預(yù)留孔中。

（4）封邊模板安裝。預(yù)制塊內(nèi)側(cè)采用角鋼作為封邊模板，預(yù)制塊箱梁翼緣板側(cè)宜采用型鋼鋼管加工的簡易裝置進(jìn)行封邊。

（5）灌漿作業(yè)。根據(jù)灌漿料凝結(jié)時(shí)間，現(xiàn)場需將2個(gè)預(yù)制塊作為一個(gè)整體進(jìn)行灌漿。預(yù)制塊四周的封邊模板安裝完成后，將計(jì)量設(shè)備、灌漿機(jī)具和配合比標(biāo)識(shí)牌等準(zhǔn)備就位。灌漿前施工人員需估算漿料體積，確保備料充足，保證一次完成。灌漿料實(shí)際用量與計(jì)算值不應(yīng)產(chǎn)生過大誤差，須預(yù)防出現(xiàn)中間缺漿的現(xiàn)象。攪拌前先將聚合物拌和液倒入攪拌容器中，隨后將灌漿料緩緩加入，使用手持?jǐn)嚢铏C(jī)進(jìn)行攪拌，觀察砂漿無結(jié)塊現(xiàn)象則可開始灌漿，從其中一個(gè)灌漿孔灌入，從另一個(gè)灌漿孔對灌漿料的流動(dòng)性進(jìn)行觀察，到內(nèi)部全部充滿為止。待灌漿料完成初凝且在2 h時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa即可對封邊模板進(jìn)行拆除。

（6）坐漿作業(yè)。坐漿時(shí)宜采用普通砂漿。拌和前先倒水，隨后緩緩加入漿料，使用手持?jǐn)嚢铏C(jī)進(jìn)行攪拌，直至觀察到砂漿攪拌均勻且無明顯結(jié)塊現(xiàn)象，說明坐漿攪拌完成。宜在試驗(yàn)臺(tái)頂面坐漿區(qū)域鋪一層厚度大約為3 cm的砂漿層，整體形狀為中心高、四周低。采用吊機(jī)起吊預(yù)制塊，利用螺栓的導(dǎo)向約束作用，精準(zhǔn)落位，隨后上緊螺母，完成預(yù)制塊的裝配作業(yè)。

2 高速鐵路裝配式橋梁優(yōu)勢

裝配式橋梁為高速鐵路橋梁建設(shè)的新型建造方式，與傳統(tǒng)高速鐵路橋梁建造方式相比，具有施工工期短、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)材等優(yōu)勢，已在高速鐵路建設(shè)領(lǐng)域逐漸推廣并應(yīng)用[2]。相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋梁技術(shù)，在高速鐵路橋梁工程建設(shè)中應(yīng)用裝配式橋梁技術(shù)在環(huán)境保護(hù)、管理方式、人員和設(shè)備、節(jié)材、節(jié)能等有諸多優(yōu)勢，詳細(xì)比較如表1所示。

表1 裝配式橋梁與傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋梁優(yōu)勢比較

（1）節(jié)材和節(jié)能優(yōu)勢。高速鐵路裝配式橋梁技術(shù)不僅有利于提高橋梁施工的效率和質(zhì)量，同時(shí)也有利于節(jié)能和提高材料的利用效率。傳統(tǒng)橋梁施工需在橋墩搭設(shè)腳手架及臨時(shí)支護(hù)，易導(dǎo)致施工材料循環(huán)使用效率不高，而裝配式橋梁預(yù)制構(gòu)件主要在預(yù)制工廠內(nèi)流水線加工，不僅可以提高生產(chǎn)機(jī)器和模具的循環(huán)利用效率[4]，而且可以有效避免材料的浪費(fèi)，降低資源消耗量。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)勢。裝配式橋梁的主要構(gòu)件生產(chǎn)方式是統(tǒng)一的工業(yè)化生產(chǎn)，利用各種機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，有助于提高橋梁工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、信息化和智能化管理水平[5]。同時(shí)，采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的裝配式橋梁，能夠提高施工質(zhì)量；主要施工工序在工廠內(nèi)進(jìn)行，工人的作業(yè)環(huán)境得到極大改善；采用大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)，能夠有效控制人工成本，可減少現(xiàn)場施工作業(yè)人員30%左右[1]。

（3）環(huán)保優(yōu)勢。高速鐵路裝配式橋梁在施工、材料加工降低能耗的同時(shí)也減少了對生態(tài)環(huán)境的不利影響、污染少，該技術(shù)的應(yīng)用滿足國家節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)的總體目標(biāo)，符合將京雄城際鐵路打造成為“綠色京雄、精品京雄、智能京雄”的要求。

3 效果分析

3.1 環(huán)境保護(hù)效果分析

（1）大氣環(huán)境。裝配式橋梁可有效降低施工現(xiàn)場對周邊大氣環(huán)境的影響，減少現(xiàn)場焊接施工工序。工廠化焊煙收集裝置(見圖1)可減少廢氣排放，有效降低焊煙對空氣質(zhì)量的不利影響。裝配式橋梁工廠化制作后，較傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋梁施工技術(shù)可減少各種材料的運(yùn)輸，降低汽車運(yùn)輸過程中揚(yáng)塵對沿線大氣環(huán)境的影響。

圖1 焊煙收集裝置

（2）水環(huán)境。裝配式橋梁施工技術(shù)可減少施工現(xiàn)場灑水降塵和施工生產(chǎn)用水，因而可減少生產(chǎn)廢水的產(chǎn)生量。在裝配式橋梁組裝場地，施工產(chǎn)生的廢水可通過場地設(shè)置的五級沉淀池(見圖2)進(jìn)行沉淀后回用于場地灑水降塵和綠化，可節(jié)約用水。施工人員產(chǎn)生的生活污水經(jīng)過膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor，MBR)(見圖3)、智能一體化污水處理設(shè)施(見圖4)處理后回用。

圖2 五級沉淀池

圖3 MBR污水處理設(shè)施

圖4 智能一體化污水處理設(shè)施

（3）生態(tài)環(huán)境。裝配式橋梁施工技術(shù)的應(yīng)用可有效減少鐵路建設(shè)對沿線土地資源的占用，可以在設(shè)置的大臨場地內(nèi)完成橋梁前期工序，避免傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋梁施工需要征用臨時(shí)用地，從而減少鐵路建設(shè)對沿線植被和生態(tài)系統(tǒng)的影響。

（4）固體廢物處置。裝配式橋梁施工產(chǎn)生的生產(chǎn)垃圾在施工場地內(nèi)定點(diǎn)收集存放，并委托有資質(zhì)單位定期進(jìn)行處理。

裝配式橋梁施工與傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋梁環(huán)境保護(hù)效果對比情況如表2所示。

表2 裝配式橋梁施工與傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋梁環(huán)境保護(hù)效果比較

3.2 節(jié)能效果

京雄城際鐵路建設(shè)從全生命周期角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)階段采用低能耗設(shè)計(jì)技術(shù)。通過BIM技術(shù)與綠色建造技術(shù)相結(jié)合，有效降低能耗，節(jié)省材料，縮短工期。裝配式橋梁施工將施工區(qū)域分散到工廠、施工現(xiàn)場2個(gè)區(qū)塊。施工人員可在工廠中對橋梁構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一的拼裝，拼裝完成后將其運(yùn)輸至各施工現(xiàn)場，并對其進(jìn)行快速拼裝。采用此法施工，可有效降低鐵路建設(shè)對電力資源的需求量，符合綠色京雄的要求，對高鐵工程經(jīng)濟(jì)效益的提升較為有利。另外，此法同樣可有效降低耗油量，實(shí)現(xiàn)對石油能源的節(jié)約[3]。

4 結(jié)束語

京雄城際鐵路裝配式橋梁施工技術(shù)的應(yīng)用減少了對鐵路沿線的生態(tài)環(huán)境影響，該技術(shù)的應(yīng)用滿足國家節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)的總體目標(biāo)，符合將京雄城際鐵路打造成為“綠色京雄、精品京雄、智能京雄”的要求；可以節(jié)約各類生產(chǎn)材料使用量和能源的消耗量，降低鐵路建設(shè)成本，提高建設(shè)效率，縮短建設(shè)工期。京雄城際鐵路裝配式橋梁施工技術(shù)的應(yīng)用為高速鐵路環(huán)保新技術(shù)的發(fā)展和推廣提供了經(jīng)驗(yàn)。