復(fù)雜環(huán)境下上跨高速公路地鐵高架橋施工關(guān)鍵技術(shù)

劉 琳 黃 峰 劉 勇

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院南京工程分院，211135，南京；2.中建八局第三建設(shè)有限公司，210046，南京；3.南京市市政工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，210036，南京∥第一作者，副教授)

高架橋梁是地鐵線路穿越既有道路、建(構(gòu))筑物、河道的一種重要形式，其梁體多采用預(yù)制或現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。近年來，圍繞著如何做好地鐵高架橋梁施工，許多工程技術(shù)人員開展了系列卓有成效的實踐探索[1-5]，但有關(guān)如何有效解決復(fù)雜地質(zhì)、狹小空間條件下懸澆梁施工，以及如何同時做好掛籃跨路安全防護和懸澆塊混凝土冬季蒸養(yǎng)等問題的實踐研究卻并不多見。本文結(jié)合南京地鐵S9號線一連續(xù)梁橋施工,介紹了復(fù)雜環(huán)境下上跨高速公路地鐵高架橋的關(guān)鍵施工技術(shù)。

1 工程概況

南京地鐵S9號線施工里程YDK8+342～YDK8+522有一等寬變截面連續(xù)梁橋上跨S243省道，設(shè)計墩號B33—B36(見圖1)。該連續(xù)梁橋總長180 m，跨徑布置為50 m+80 m+50 m，寬度為8.9 m。梁體橫截面為單箱單室直腹板，邊跨直線段及中跨跨中截面梁高為2.8 m，中支點截面梁高為5.0 m。

圖1 南京地鐵S9號線上跨S243省道地理位置平面圖

該連續(xù)梁施工為節(jié)點控制性工程，直接制約著架梁的順利進行及項目的總工期，施工時間為2016年8月—2017年2月。

1.1 施工環(huán)境

該擬建高架橋梁施工環(huán)境極為復(fù)雜，橋梁沿線前部有溝塘，后部有山體，上跨高速省道，下穿高壓線。具體情況如下：

1) 施工周邊環(huán)境：橋梁上跨省道S243，省道橋梁兩側(cè)外邊緣至擬建高架B34、B35墩柱水平凈距分別為25 m和22 m，上跨梁底至省道橋面凈高約為5.5 m；省道S243日常交通流量較大，高架橋施工不得影響其正常運行；在B35—B36墩柱間上方橫跨一條220 kV科溧ZY49高壓線。

2) 地質(zhì)條件：B33—B34墩柱跨現(xiàn)澆梁現(xiàn)狀場地為魚塘，土體承載力極差；根據(jù)勘察報告，里程YDK8+551.3左1.6 m(近B35號墩)處主要為素填土、強風化安山質(zhì)凝灰?guī)r及中風化安山質(zhì)凝灰?guī)r。

3) 冬季施工條件：工程施工期主要在冬季，施工環(huán)境溫度較低。

1.2 施工難點

1) 在懸臂澆筑連續(xù)梁0#塊時，由于受現(xiàn)場施工條件限制，需在狹小的高空區(qū)域完成大體積混凝土澆筑。施工環(huán)境地質(zhì)條件變化較大，若采用常規(guī)支架體系，則對0#塊附近場地進行大規(guī)模處理后才能嚴格控制0#塊的沉降。該方法使用材料多，施工占地面積較大，在地質(zhì)情況復(fù)雜、空間狹窄的情況下，鋼管斜向布置施工安全風險較大，且存在支架體系沉降不均的問題。

2) 懸臂澆筑連續(xù)梁體積大、質(zhì)量大，整體結(jié)構(gòu)需在高空中移動，施工周期長、難度大，技術(shù)要求高。懸臂澆筑連續(xù)梁在冬季施工時，如何做好掛籃跨路安全防護和冬季蒸養(yǎng)工作是工程施工階段必須解決的一個難題。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

針對跨S243省道懸臂澆筑連續(xù)梁施工過程中存在的難點，通過技術(shù)研究，開發(fā)出一套關(guān)鍵施工技術(shù)，包括新型的0#塊支架體系以及掛籃防護蒸養(yǎng)一體化系統(tǒng)，搭配以空間需求較小的三角掛籃及平頭塔吊，解決了復(fù)雜地質(zhì)、狹小施工空間的掛籃跨路安全防護以及冬季蒸養(yǎng)的難題。

2.1 懸澆段0#塊新型支架體系

懸澆段0#塊新型支架體系的核心主要是基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)承臺，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、合理分配上部結(jié)構(gòu)荷載，既作為中墩臨時固結(jié)，又作為0#塊混凝土的支架。

2.1.1 懸澆段0#塊新型支架體系設(shè)計

2.1.1.1 設(shè)計選型

0#塊臨時固結(jié)支墩主要起到兩方面作用：一是作為主梁懸臂澆筑時的臨時固結(jié)支墩；二是作為0#塊段的現(xiàn)澆混凝土支架。經(jīng)設(shè)計選型，確定該支架體系詳細構(gòu)造如圖2～3所示。

圖2 連續(xù)梁懸臂澆筑施工0#塊節(jié)段新型支架縱向立面圖(含臨時固結(jié))

圖3 連續(xù)梁懸臂澆筑施工0#塊節(jié)段新型支架橫向立面圖(含臨時固結(jié))

2.1.1.2 計算模型及主要參數(shù)

利用Midas有限元軟件建立了0#塊節(jié)段新型支架體系有限元模型，如圖4所示。

圖4 0#塊節(jié)段新型支架體系有限元模型示意圖

1) 材料特性——普通桿件材料均選用Q345鋼材，鋼管混凝土立柱采用Q345鋼管與C50混凝土組合材料。

2) 單元劃分——模型均為梁單元，縱向分配梁按模板木方20 cm間距劃分，橫向分配梁與縱向分配梁節(jié)點對應(yīng)劃分，其他單元根據(jù)情況劃分。控制單元長度不大于1 m，共1 480個節(jié)點、1 464個單元。

3) 邊界條件——柱底及與橋墩接觸的點剛接。

4) 荷載——恒載自重；對于托架的預(yù)壓質(zhì)量取值，梁段混凝土的超灌系數(shù)按1.03計，超壓系數(shù)為混凝土質(zhì)量的120%，則0#塊每個單側(cè)需要預(yù)壓的質(zhì)量為205.9 t；因箱梁橫斷面下縱向分配梁間距不同，劃分腹板、底板、翼緣區(qū)域的相應(yīng)荷載，按面積占比原則劃分，并考慮附加鋼模板質(zhì)量，各區(qū)域荷載施加在縱向分配梁節(jié)點上；對于施工活荷載，3.5 kN/m2的荷載施加在縱向分配梁節(jié)點上。

2.1.1.3 主要驗算結(jié)果

1) 強度驗算——單元應(yīng)力峰值出現(xiàn)在主橫梁及縱向分配梁上(見圖5)，最大單元應(yīng)力σmax=246 MPa<[σ]=305 MPa([σ]為容許應(yīng)力)，滿足要求。

圖5 0#塊節(jié)段新型支架體系應(yīng)力計算云圖

2) 剛度驗算——經(jīng)計算，所有構(gòu)件擾度值ν均小于容許擾度值[ν]。其中，(ν/[ν])max出現(xiàn)在縱向分配梁上，數(shù)值為 0.78。

3) 穩(wěn)定性驗算——部分主要構(gòu)件穩(wěn)定性驗算結(jié)果如下：縱向分配梁的繞y軸彎矩My=-7.435 1×107N·mm，繞z軸彎矩Mz=-7.789 9×105N·mm，對y軸抗彎截面系數(shù)Wy=Iy/z=4.222 4×105mm3(Iy為對y軸的慣性矩，z為下邊緣至y軸距離)，對z軸抗彎截面系數(shù)Wz=Iz/y=5.039 0×104mm3(Iz為對z軸的慣性矩，y為截面下邊緣至中性軸距離)，工字鋼z軸截面塑性發(fā)展系數(shù)γz=1.20，梁的整體穩(wěn)定性系數(shù)φb=1.00，算得My/(φbWyf)+Mz/(γzWzf)=0.56≤1.0(f為抗彎強度設(shè)計值)，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中公式(6.2.7-1)計算得到長細比λe=2.17，進而查規(guī)范附錄D表D-2得到穩(wěn)定系數(shù)φd=0.99，算得My/(φdWyf)=0.52≤1.0，滿足規(guī)范要求。

牛腿撐桿的軸力設(shè)計值N=1 047 922 N，長細比λz=44.5，相應(yīng)查得φb=0.88，算得N/(φbAf)=0.66<1(A為構(gòu)件的毛截面面積)，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)GB 50017-2017第8.2.3-1條，N=1 502 067 N≤0.9φlφefcAc(1+αθ)=9 592 336.4 N(fc為鋼管抗壓強度設(shè)計值，Ac為鋼管內(nèi)的核心混凝土橫截面面積)，滿足規(guī)范要求。

2.1.2 懸澆段0#塊新型支架體系施工要點

1) 預(yù)埋件埋設(shè)：在下部結(jié)構(gòu)承臺、墩柱鋼筋制作安裝過程中，隨施工進度根據(jù)設(shè)計圖紙要求正確安裝好臨時固結(jié)體系預(yù)埋件。鋼板表面向墩身內(nèi)略凹2～3 cm，方便0#塊施工結(jié)束后鋼板面的外觀處理。

2) 臨時固結(jié)鋼管及縱向水平桿制作：在承臺上放出臨時固結(jié)底口線，在墩頂上放出縱橫向軸線，根據(jù)設(shè)計圖紙確定臨時固結(jié)鋼管支撐的附墩縱向連接件位置。在頂層相應(yīng)附墩縱向連接件位置處，采取雙拼槽鋼內(nèi)穿臨時固結(jié)鋼管柱，并焊接相應(yīng)支架牛腿進行固定牢靠，如圖6所示。

圖6 0#塊支架實體照片

3) 臨時固結(jié)鋼管及縱向水平桿安裝：利用塔吊或汽車吊將臨時固結(jié)支墩鋼管及縱向水平桿吊運至安裝現(xiàn)場進行對稱安裝(見圖6)。臨時固結(jié)鋼管及縱向水平桿吊裝就位后，將其下口與承臺內(nèi)鋼板焊接?？v向水平桿靠近墩身一側(cè)采用焊接方式與墩身預(yù)埋鋼板相連，形成0#塊支架主受力骨架。為保證支架體系的穩(wěn)定，縱向連接構(gòu)件分別與墩柱和臨時固結(jié)鋼管進行連接，具體設(shè)置數(shù)量根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、支架規(guī)格、材料參數(shù)等綜合計算確定為：每個墩柱單側(cè)設(shè)置2個，兩側(cè)共計4個。

4) 安裝支架及楔塊：4根主橫梁采用雙拼槽鋼橫向布置，分別支承于2個縱向水平桿上，并在主橫梁支撐點位置加設(shè)豎向加勁板，以避免腹板受壓屈曲、主梁側(cè)扭。因0#塊箱梁沿著縱向為變截面，為保證任何高度支架主橫梁與縱分配梁的接觸均為面接觸，采用豎向雙拼槽鋼進行粗調(diào)，小于10 cm采用10號槽鋼滿充砂漿進行精調(diào)。

5) 安裝支架分配梁：采用工字鋼作為支架縱向分配梁，縱向分配梁在主橫梁上接觸位置采用U形螺栓進行固定，防止兩側(cè)懸臂延伸段傾覆?？v橫向梁體交匯處每隔10 cm在工字鋼腹板上加設(shè)一道加勁板，加勁板采用20 mm鋼板制作，加設(shè)范圍超出縱梁寬度20 cm以上。

6) 臨時固結(jié)鋼管混凝土澆筑：臨時固結(jié)鋼管混凝土采用微膨脹混凝土，在臨時固結(jié)鋼管與縱向水平桿交叉區(qū)振搗密實，保證連接牢靠。

7) 0#塊底模及側(cè)模安裝：在分配梁上放置常規(guī)施工方木，方木上鋪竹膠板作為底模板。0#塊翼緣板采用掛籃外側(cè)模自帶的支架，該支架沿橋梁縱向架設(shè)于分配梁上，同時安裝翼緣模板。

8) 支架預(yù)壓和高程調(diào)整：0#塊支架預(yù)壓最大荷載取支架設(shè)計荷載(含施工荷載)的120%。預(yù)壓范圍主要為腹板和翼緣板交點部位，預(yù)壓采用腹板部位堆鋼筋、腹腔部位堆砂袋的方式。加(卸)載按照60%→90%→120%(120%→90%→60%)的加載總重分三級進行均勻加(卸)載。每級加(卸)載后靜載時間為3 h(1 h)，靜載完成后分別測量支架的變形沉降量(卸載測量支架恢復(fù)量)[8]。最終，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，各監(jiān)測點非彈性最大沉降量為4 mm，彈性檢測點最大沉降量為4 mm。據(jù)此，底模預(yù)留沉降量為5 mm。需要注意的是，預(yù)壓卸載必須在支架完成全部預(yù)壓加載且變形穩(wěn)定后方可進行。

9) 鋼筋、模板和混凝土施工：箱梁鋼筋在鋼筋加工廠加工完成后吊運至施工現(xiàn)場安裝，經(jīng)驗收合格后再安裝內(nèi)模。后續(xù)完成頂板鋼筋綁扎和預(yù)埋件安裝，最后按照底板→腹板→頂板的順序一次性全斷面澆筑箱梁混凝土。

10) 0#支架拆除施工：待0#塊按照設(shè)計要求進行預(yù)應(yīng)力張拉施工完畢后，切除調(diào)節(jié)楔塊，使支架松動。按照后搭先拆、先搭后拆的原則，從懸臂端到墩身旁進行支架拆除作業(yè)。拆除作業(yè)僅對0#塊支架進行拆除，需保留好臨時固結(jié)系統(tǒng)，不得破壞。

2.2 掛籃跨路防護與蒸汽養(yǎng)護暖棚一體化系統(tǒng)

2.2.1 養(yǎng)護暖棚與跨路防護施工一體化系統(tǒng)的設(shè)計

蒸汽養(yǎng)護暖棚與跨路防護一體化系統(tǒng)整體為鋼架結(jié)構(gòu)外包保溫板，整個骨架結(jié)構(gòu)采用精軋螺紋鋼懸吊固定于掛籃底部的前、后橫梁上，與掛籃形成整體共同移動[9]。將連續(xù)梁保溫措施與掛籃全封閉措施有效結(jié)合，既可全封閉防止墜物，又可保溫防風。搭配以三角掛籃及平頭塔吊，可有效保證施工安全及進度。掛籃蒸汽養(yǎng)護暖棚與跨路防護一體化立面圖如圖7～9。

圖7 掛籃蒸汽養(yǎng)護暖棚與跨路防護一體化立面圖(縱橋向)

2.2.2 養(yǎng)護暖棚與跨路防護施工一體化系統(tǒng)施工要點

1) 掛籃外防護底平臺的施工：在掛籃安裝施工完畢后，首先加工掛籃外防護底平臺。防護底平臺主楞采用20#槽鋼“[]”形焊接，并留置吊裝孔，通過φ32 mm精軋螺紋鋼吊桿與掛籃的前后底橫梁進行連接；防護底平臺的次楞采用12#槽鋼，間距1 m排列；防護面板采用2 cm厚竹膠板進行底板封閉，以

圖8 掛籃蒸汽養(yǎng)護暖棚與跨路防護一體化立面圖(橫橋向)

圖9 掛籃外防護底平臺細部圖

防物體掉落。

2) 掛籃外防護側(cè)面保溫棚施工。

(1) 在掛籃外防護底平臺施工完畢后，在底平臺外側(cè)，緊貼施工平臺邊部，焊接豎向和橫向的12#槽鋼，使之形成掛籃外防護骨架結(jié)構(gòu)。

(2) 掛籃外防護骨架施工完畢后，在豎向和橫向12#槽鋼外側(cè)采用50 mm厚保溫板與掛籃外防護骨架安裝固定，將連續(xù)梁懸臂段全封閉。無法用保溫板的部位，采用蓬布圍護，需保證所有的縱橫骨架全覆蓋(見圖10)。

圖10 掛籃蒸汽養(yǎng)護暖棚與跨路防護一體化效果圖

(3) 為保證保溫板及保溫篷布的穩(wěn)定性，在保溫板外側(cè)每隔1.5 m采用強度和柔性都很好的鋼絲繩捆綁一道，并與內(nèi)側(cè)掛籃結(jié)構(gòu)連接固定，使掛籃防護整體具有很好的抗風能力。

3) 蒸汽設(shè)施與管道布置：在封閉防護保溫平臺施工完成后，進行蒸汽管道布設(shè)施工。為便于集中管理，保證水電供應(yīng)，蒸汽發(fā)生器設(shè)置在墩柱處附近，通過主管和支管采用三通管分別接至待養(yǎng)護的梁段。蒸汽管道連接段為標準管節(jié)，可隨連續(xù)梁懸臂端施工而逐步延伸。

4) 掛籃前移：為保證掛籃前移時，養(yǎng)護棚可與掛籃同步行走，防止扭轉(zhuǎn)破壞養(yǎng)護棚，掛籃前移利用連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力張拉施工所配備的穿心千斤頂進行頂推，借助一托二分配閥對2個千斤頂進行控制，實現(xiàn)二榀掛籃同步對稱前移。掛籃前移過程中，應(yīng)當及時觀測掛籃中線與走道方向，及時糾偏確保掛籃最終偏移值在規(guī)范限值內(nèi)，如圖11所示。

圖11 新型懸臂梁施工掛籃前移施工方法布置示意圖

5) 蒸汽設(shè)施及掛籃防護拆除：懸臂澆筑連續(xù)梁施工完畢后，可直接在橋上拆除橋面及箱室內(nèi)的蒸汽設(shè)施。掛籃和防護暖棚拆除則應(yīng)在二者后退至既有線外側(cè)后方可進行，后退時應(yīng)保留掛籃兩側(cè)及前端腹板外側(cè)保溫板[10]。掛籃和防護暖棚后退到位后，借助梁體預(yù)留孔鎖定掛籃結(jié)構(gòu)摸板，利用翼緣板上預(yù)留孔洞采用卷揚機拴住外防護暖棚底橫梁，將外防護暖棚緩緩落至地面，再拆除掛籃外防護。

2.2.3 掛籃跨路防護與蒸汽養(yǎng)護暖棚一體化系統(tǒng)應(yīng)用效果

采用掛籃跨路防護與蒸汽養(yǎng)護一體化系統(tǒng)，大大增強了懸臂澆筑塊段冬季施工期間的保溫效果，提高了混凝土的養(yǎng)護質(zhì)量，有效提高了勞動生產(chǎn)率(平均每個節(jié)塊縮短2～3 d)，同時還保證了懸臂澆筑塊段張拉時間，減少了梁體養(yǎng)護與掛籃防護的工序，確保了跨省道S243的安全防護，達到了預(yù)期效果。

3 結(jié)論

1) 懸臂澆筑施工0#塊節(jié)段新型支架體系具有體積小、用材省、傳力明確等特點，該體系取消了主承力鋼管支撐，借助臨時固結(jié)鋼管，將荷載傳遞至墩柱承臺上。在復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下，該新型支架體系省去了0#塊常規(guī)支架法施工所需開展的大量地基處理工作，避免了因場地地質(zhì)條件差異引起的支架體系差異沉降問題。同時，使用材料設(shè)備較少，所需作業(yè)空間較小，有利于狹小空間條件下施工。此外，由于利用該技術(shù)施工時，橋梁墩柱與上部梁體間無需設(shè)置臨時固結(jié)支撐，支座直接承擔上部各類荷載，可以最大程度減小支座臨時固結(jié)解除后所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力。

2) 掛籃蒸汽養(yǎng)護暖棚與跨路防護施工一體化系統(tǒng)，減少了常規(guī)掛籃防護的前上橫梁、前下橫梁和后下橫梁的防護平臺及鋼絲網(wǎng)等防護結(jié)構(gòu)的投入；采用輕質(zhì)保溫板，降低防護質(zhì)量，提高了施工安全性；簡化了梁體養(yǎng)護與掛籃防護的工序，提高了上跨既有道路施工安全；很大程度提高了懸澆段冬季低溫季節(jié)保溫性能，保證了混凝土養(yǎng)護質(zhì)量，加快了施工進度；巖棉保溫板既可防火保溫隔熱，又可吸音隔聲，對保護工程周邊環(huán)境有著積極作用。