復(fù)雜場地下64 m鋼桁梁上跨立交鐵路頂推施工技術(shù)研究

王 剛

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司 黑龍江哈爾濱 150000)

1 緒論

近年來，我國的鐵路工程建設(shè)不斷發(fā)展，在施工技術(shù)和工藝流程等方面都取得了巨大的成就[1－3]。隨著《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》和《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》等政策的發(fā)布及鐵路改革發(fā)展的要求，鐵路工程建設(shè)正向著位于更廣闊、更特殊的場地進(jìn)行規(guī)劃布局，而由于鐵路工程線路對于最小轉(zhuǎn)彎半徑等的需求，經(jīng)常需要跨越復(fù)雜場地來保證列車運行的速度，因此鐵路工程的橋隧比極高。

鋼桁梁是鐵路橋梁建設(shè)中的重要組成構(gòu)件，具有適合于工業(yè)化制造、便于運輸和安裝速度快等優(yōu)點，在我國鐵路建設(shè)的許多工程中都進(jìn)行了運用，許多學(xué)者也對其進(jìn)行了相關(guān)的研究[4－5]。王希崗[6]分析了黃大鐵路黃河特大橋鋼桁梁頂推的技術(shù)，并研究了對于滑道梁的整體施工步驟；姚發(fā)海[7]對鄭州黃河公鐵兩用橋主橋的布置和頂推施工技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了結(jié)構(gòu)的受力特性；孫煥重[8]對于寧啟鐵路復(fù)線滁河特大橋主跨鋼桁梁的施工技術(shù)方案進(jìn)行了基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析，并進(jìn)行了施工過程的優(yōu)化。已有的研究表明，針對于特大型橋梁結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行工程的特例分析[9－12]。本文以浩吉鐵路張家灣聯(lián)絡(luò)線為工程背景，進(jìn)行鋼桁梁上跨立交鐵路的頂推施工技術(shù)研究。

2 工程概況及重難點分析

張家灣貨車聯(lián)右線特大橋起止里程貨右LDK1＋928.29～貨右LDK2＋975.00，橋梁全長1 045.71 m，其中1＃、2＃墩跨越浩吉鐵路和隴海鐵路的立交處，跨越結(jié)構(gòu)采用1－64 m簡支鋼桁梁。線路總平面布置如圖1所示。

圖1 線路總平面布置

橋梁平面位于半徑500 m的平曲線上，縱斷面位于R＝10 000 m的豎曲線上，本橋梁縱坡為1.3%，橋面橫坡2%?？缭浇Y(jié)構(gòu)為1－64 m簡支鋼桁梁，梁長65.5 m，計算跨度64 m，橫向桁間距7.6 m。鋼橋面由橋面板、橫梁及橫肋、縱肋四部分組成，其中鋼橋面板全橋縱、橫向連續(xù)，橫向與下弦頂板伸出肢焊接，縱向分段焊接。

張家灣貨車聯(lián)右線特大橋與浩吉鐵路和隴海鐵路的立交處相交，兩條既有鐵路已經(jīng)建成通車，其中隴海鐵路為繁忙干線，車輛間隔最長時間50 min，因此導(dǎo)致有以下重難點:

(1)浩吉鐵路正線下穿隴海鐵路，兩條線路呈大角度交叉，既有線的立交致使現(xiàn)場施工空間狹小。

(2)隴海鐵路為繁忙干線，天窗時間短，每周兩次，每次50 min。鋼桁梁上跨范圍歸鄭州鐵路局管轄；鋼桁梁跨越段浩吉鐵路正線歸西安局管轄，兩大營業(yè)分屬兩家路局管轄，協(xié)調(diào)工作復(fù)雜，需要盡快完成建造。

(3)有效施工作業(yè)時間短，按照目前天窗點規(guī)劃，鋼桁梁頂推施工需要4個月，鋼桁梁懸臂狀態(tài)持續(xù)2個月，鋼桁梁頂推、靜置過程中均屬于營業(yè)線施工，安全風(fēng)險高。

根據(jù)上述分析可知，工程重難點在于如何實現(xiàn)鋼桁梁頂推在小里程內(nèi)的施工工藝，同時利用施工組織設(shè)計進(jìn)行快速作業(yè)，以達(dá)到不影響既有鐵路的正常運營。因此，本項目通過設(shè)計鋼桁梁結(jié)構(gòu)在小里程范圍內(nèi)實現(xiàn)快速拼裝作業(yè)，通過施工方案快速組織、頂推設(shè)備優(yōu)化施工質(zhì)量、利用輔助措施及設(shè)施實現(xiàn)施工過程優(yōu)化以及合理安排頂推操作流程，以此實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、組織和施工的一體快速化，從而順利地解決上述問題。

3 頂推施工技術(shù)

3.1 總體施工方案

鋼桁梁在橋位小里程位置完成拼裝作業(yè)，頂推至橋位處。此次頂推施工計劃采用6臺320 t步履機(jī)同步進(jìn)行，頂推方案(見圖2)如下:

(1)鋼桁梁節(jié)段在工廠制造完成后，運輸至現(xiàn)場通過起吊設(shè)備按相應(yīng)節(jié)段順序架設(shè)至臨時支架上。調(diào)整各節(jié)段高程、平面線形及節(jié)段間距，并在現(xiàn)場焊接鋼桁梁節(jié)段，調(diào)試步履式千斤頂。

(2)臨時支架施工前先進(jìn)行場地平整，施工臨時支架樁基和擴(kuò)大基礎(chǔ)，安裝支架立柱及頂推設(shè)備，頂推設(shè)備必須安裝在鋼桁梁通長腹板下方。

(3)鋼桁梁和導(dǎo)梁一次拼裝完成，因地形條件限制龍門吊軌道無法到1號墩前，因此前面3個節(jié)間導(dǎo)梁使用汽車吊進(jìn)行拼裝，拼裝驗收合格后整體向前頂推94.3 m到達(dá)設(shè)計位置。

(4)鋼桁梁頂推施工完畢后，拆除臨時支架。

3.2 頂推設(shè)備選型

根據(jù)此工程理論計算結(jié)果，單節(jié)點反力最大為241.6 t，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備性能，選用6臺SLBLJ-320型步履機(jī)進(jìn)行頂推施工，單臺設(shè)備垂直頂升力為320 t，最大頂升高度為150 mm；縱向推力為30 t，最大行程為600 mm?？紤]到頂推過程中頂推設(shè)備必須同步且需要嚴(yán)格控制頂推方向及高程，建立由硬件模塊單元、系統(tǒng)軟件模塊單元、控制網(wǎng)絡(luò)模塊單元、泵站從站模塊單元以及傳感器控制模塊單元組成的實時控制系統(tǒng)，確保鋼梁在頂推過程中鋼桁梁定位準(zhǔn)確及頂推設(shè)備均勻受力。

3.3 主要輔助措施

(1)尾端滑道:尾端滑道布置于64 m鋼桁梁拼裝區(qū)域，用作頂推過程中滑塊的平移軌道，滑道布置形式如圖3所示。尾端滑道由鋼結(jié)構(gòu)縱梁與擴(kuò)大基礎(chǔ)組成，鋼結(jié)構(gòu)縱梁為鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，縱梁長12 m，寬0.7 m，高0.45 m。滑道與鋼桁梁下弦桿平行，滑塊前進(jìn)方向為鋼桁梁頂進(jìn)方向。

圖3 尾端滑道總體結(jié)構(gòu)

(2)臨時支架:此次頂推設(shè)有3＃支架結(jié)構(gòu)和4＃支架結(jié)構(gòu)，其中:3＃頂推支架布置于1＃橋墩前方。支架設(shè)計為格構(gòu)形式，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。支架構(gòu)件包括立柱、連接系、縱向滑道梁、操作平臺、爬梯、護(hù)欄等。支架主體采用φ1 000×10的鋼管作為支撐，鋼管頂部加“井字勁”加強(qiáng)管端受力，連接系采用φ273×6的鋼管連接。上部縱梁為“Z”型縱梁，箱形截面，采用Q345材質(zhì)，尺寸為13 700 mm×700 mm×2 140 mm。支架平臺采用 12工字鋼作為主要受力結(jié)構(gòu)，每60 cm一道，12工鋼與縱向滑道梁焊接。

4＃頂推支架布置于2＃橋墩承臺上方。支架設(shè)計為格構(gòu)形式，基礎(chǔ)采用預(yù)埋件與承臺相連。支架構(gòu)件包括立柱、連接系、縱向分配梁、操作平臺、爬梯、護(hù)欄等。支架主體采用φ800×8的鋼管作為支撐，鋼管頂部加“十字勁”加強(qiáng)管端受力，連接系采用φ273×6的鋼管連接。上部縱梁為三拼HN700×300的H型鋼。

(3)頂推導(dǎo)梁:在頂推過程中，為了滿足主梁強(qiáng)度和剛度的要求，以及保證臨時支架受力的合理性，需在頂推方向的前端設(shè)置前導(dǎo)梁，鋼導(dǎo)梁與主梁之間采用高栓連接，在連接范圍內(nèi)加大截面尺寸。鋼導(dǎo)梁節(jié)段之間采用焊接連接和高栓連接。導(dǎo)梁前端設(shè)置“鷹嘴”用于導(dǎo)梁前端上墩，“鷹嘴”臺階高度20 cm。鋼導(dǎo)梁設(shè)計采用Q345材質(zhì)，縱向長度約為44.35 m，上下弦中心高度11 m，導(dǎo)梁下弦橫向中心間距7.6 m，導(dǎo)梁上、下弦皆采用箱形結(jié)構(gòu)，整體重量100 t。導(dǎo)梁采用空間桁架結(jié)構(gòu)。

(4)頂推分配梁:頂推施工通常在步履機(jī)上方放置分配梁，用以轉(zhuǎn)換力學(xué)體系，增大步履機(jī)與梁底的接觸面積，從而使梁底局部壓應(yīng)力滿足施工要求，避免鋼梁因局部受力過大而發(fā)生形變，降低頂推施工風(fēng)險。步履機(jī)上部分配梁采用Q345鋼材制造，分配梁與步履機(jī)之間采用M20螺栓連接，分配梁尺寸為700 mm×600 mm×200 mm，頂?shù)装彘_孔。

(5)頂推滑塊:頂推滑塊為鋼桁梁主要受力結(jié)構(gòu)，主要布置于鋼桁梁節(jié)點下方，用于頂推過程中的結(jié)構(gòu)力系轉(zhuǎn)換。滑塊底層為MGE板，與滑道接觸，摩擦系數(shù)較??；上層為橡膠墊板，摩擦系數(shù)較大，主要與鋼桁梁下弦接觸。頂推時滑塊始終在鋼桁梁節(jié)點處，每當(dāng)頂推至一個節(jié)間的長度后，利用步履機(jī)在節(jié)點處將鋼桁梁整體頂起，再將滑塊滑移至初始位置，回收部分步履機(jī)的起頂行程，將主要豎向承載力轉(zhuǎn)換至滑塊之上，進(jìn)行下一輪頂推施工。

3.4 頂推操作流程

(1)頂推設(shè)備安裝:頂推臨時支撐與平臺施工完畢后，利用龍門吊或吊車將步履機(jī)、臨時擱墩、液壓泵站、控制柜等頂推設(shè)備吊裝就位，完成墩頂布置。

(2)頂推設(shè)備調(diào)試:頂推設(shè)備安裝完成后，連接好系統(tǒng)的油路及電路，進(jìn)行調(diào)試以保證在點動、聯(lián)動模式運行下，執(zhí)行元件按設(shè)定的運動方式運行。

(3)試頂推:鋼梁縱向試頂推主要包括豎向千斤頂起頂、拆除鋼梁拼裝臨時輔助鋼管、調(diào)整頂推輔助支墩支墊高度、縱向頂推、豎向千斤頂回落、縱向千斤頂回縮歸位、頂推過程中相關(guān)數(shù)據(jù)采集以及頂推過程中鋼梁線形測量及數(shù)據(jù)分析。

(4)正式頂推:頂推過程中頂推設(shè)備必須同步，控制好頂推方向及高程，確保鋼梁在頂推過程中鋼梁定位準(zhǔn)確及頂推設(shè)備均勻受力，注意記錄頂推過程中的油壓最大、最小值。并隨時檢查鋼梁是否存在局部變形問題。頂推過程中，通過調(diào)整各墩上的支撐油缸將鋼梁在該點上的標(biāo)高調(diào)到規(guī)定標(biāo)高，然后開始頂推鋼梁，此時要保證墩上的頂推油缸在設(shè)定壓力上保證位移同步。重復(fù)上述頂推步驟，直到將鋼梁全部頂推到位。同時為控制頂推過程中鋼梁的橫向偏移量，在頂推過程中需對鋼梁的中軸線進(jìn)行實時監(jiān)控及糾偏，使鋼梁的偏移量始終在3 cm的誤差范圍內(nèi)。

3.5 頂推糾偏工藝

為了防止鋼梁在頂推過程中發(fā)生橫向偏移，須在每次頂推行程完成后檢查鋼梁是否發(fā)生偏移。糾偏主要控制措施如下:

(1)在鋼梁前端和尾端的中部設(shè)置控制標(biāo)志，標(biāo)志地方粘貼全站儀測量反光設(shè)備。通過既有的橋梁測量控制點，用全站儀測量出其各控制點的坐標(biāo)，從而反算出鋼梁所處位置的對應(yīng)樁號和所在位置的橫向偏移量，將測量結(jié)果反饋給步履機(jī)操控人員適時進(jìn)行糾偏。

(2)在梁底作用點位置做上標(biāo)記，頂推過程中步履機(jī)看守人員必須連續(xù)觀測，確保頂升的作用點平面位置偏差小于3 cm。條件允許時，可在梁前端和尾部設(shè)置平面位置觀察點予以監(jiān)控。當(dāng)步履機(jī)作用點位置偏移值大于3 cm時，必須進(jìn)行糾偏。

(3)當(dāng)中央控制系統(tǒng)檢測到鋼梁梁體發(fā)生偏移或工作人員發(fā)現(xiàn)梁體偏移后，會根據(jù)偏移情況決定要糾偏的步履機(jī)號。由于每臺步履機(jī)都配置有橫向糾偏頂，可以對各種情況下的偏移進(jìn)行調(diào)整。若鋼梁只有前端發(fā)生偏移，則只需對前端步履機(jī)進(jìn)行局部糾偏；若鋼梁整體發(fā)生偏移或者小幅旋轉(zhuǎn)，則可通過前后糾偏頂調(diào)整偏移距離及偏移角度。在糾偏時，步履機(jī)豎向千斤頂處于頂升狀態(tài)，兩側(cè)糾偏頂帶動步履機(jī)上部千斤頂進(jìn)而帶動鋼梁向左或者向右偏移，偏移距離可根據(jù)糾偏頂行程進(jìn)行調(diào)整。糾偏完成后，糾偏頂回收，豎向千斤頂回落。然后再進(jìn)行下一次頂推循環(huán)。

3.6 步履機(jī)同步控制

(1)同步頂升:單個頂推作業(yè)面上選擇同型號步履機(jī)和同型號油站，通過同步控制系統(tǒng)同步控制同型號油站工作，每臺步履機(jī)供應(yīng)油站采取流量同步校正，每臺油站供油量誤差在5%以內(nèi)。通過此措施保證步履機(jī)的整體頂升同步誤差在5%以內(nèi)，頂升行程傳感器實時反饋各個油缸的實際行程，控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)泵站比例閥，控制油缸的頂升速度，使頂升同步誤差達(dá)到1%以內(nèi)。同時在計算機(jī)控制系統(tǒng)中輸入每臺步履機(jī)的允許頂升壓力，通過壓力傳感器實時控制每臺步履機(jī)的頂升力。通過以上位移及壓力雙控手段實現(xiàn)精確同步頂升。

(2)同步頂推:單個頂推作業(yè)面上全部選擇同型號步履機(jī)和同型號油站，通過同步控制系統(tǒng)同步控制同型號油站工作，每臺步履機(jī)供應(yīng)油站采取流量同步校正，每臺油站供油量誤差在5%以內(nèi)，通過此措施保證步履機(jī)的整體頂推同步誤差在5%以內(nèi)。頂推行程傳感器實時反饋各個油缸的實際行程，控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)泵站比例閥，控制油缸的頂推速度，將單個頂推行程的同步誤差控制在2 mm以內(nèi)，確保頂推安全。

(3)同步落梁:通過同步控制系統(tǒng)同步控制同型號油站工作，將比例閥調(diào)整至小流量狀態(tài)，通過位移傳感器來控制比例閥的回油流量，同時讓梁體離開各墩的距離不超過2 cm，以此來確保單個行程的同步落梁誤差在5 mm以內(nèi)，從而確保落梁安全。

4 頂推施工安全性分析

4.1 頂推工況分析

為確保橋梁結(jié)構(gòu)成橋時橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，線形平順，采用Midas Civil 2017對施工過程進(jìn)行全仿真模擬計算整個施工過程，此橋為空間桁架結(jié)構(gòu)，使用空間桿系單元進(jìn)行建模計算。鋼桁梁自重及導(dǎo)梁自重通過自重系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。鋼梁整體重量473.5 t，導(dǎo)梁整體重量183 t。頂推計算模型如圖4所示。

圖4 頂推計算模型

根據(jù)上述頂推施工方案及步履機(jī)布置對鋼桁梁進(jìn)行加載，并將其分為12個工況進(jìn)行分析計算，如表1所示。

表1 工況分析匯總

根據(jù)工況分析可知，單臺步履機(jī)所受最大反力為247.7 t，鋼桁梁所受最大應(yīng)力為62.2 MPa，導(dǎo)梁所受最大應(yīng)力為174.4 MPa，最大剪應(yīng)力為23.2 MPa。導(dǎo)梁前端最大懸挑撓度為6.9 cm。由《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10091—2017)可知Q345鋼材的抗彎許可強(qiáng)度為200 MPa，抗剪許可強(qiáng)度為120 MPa。故鋼梁及導(dǎo)梁的最大應(yīng)力皆在許可應(yīng)力范圍之內(nèi)，強(qiáng)度滿足要求。

4.2 頂推梁體抗傾覆性驗算

根據(jù)頂推工藝圖及工況計算分析可知，在頂推過程中可能發(fā)生傾覆的工況有2種:第一種前端懸挑長度最大時；第二種尾端懸挑長度最大。如圖5所示，抗傾覆計算方法為將鋼桁梁與導(dǎo)梁整體重量分布至各下弦節(jié)點處，然后根據(jù)懸挑長度及各節(jié)點重量計算鋼桁梁懸挑時的抗傾覆系數(shù)。計算得到前端懸挑長度最大時抗傾覆系數(shù)為2.1，尾端懸挑長度最大時抗傾覆系數(shù)為3.0，均大于1.5倍的抗傾覆要求，故頂推過程中梁體的抗傾覆性滿足要求。

圖5 頂推梁體抗傾覆性驗算

5 結(jié)論

本文以浩吉鐵路張家灣聯(lián)絡(luò)線為工程背景，進(jìn)行鋼桁梁頂推施工技術(shù)研究，得到以下結(jié)論:

(1)針對于張家灣貨車聯(lián)右線特大橋的工程現(xiàn)狀，由于既有線的立交致使現(xiàn)場施工空間狹小，天窗時間短，只有通過對鋼桁梁步履式頂推施工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計才能達(dá)到施工要求。

(2)根據(jù)工程背景，提出了64 m鋼桁梁頂推施工工藝，主要包括頂推施工方案、頂推設(shè)備選型、主要輔助措施、頂推操作流程、頂推同步控制、頂推糾偏工藝等。

(3)采用Midas Civil 2017進(jìn)行全仿真模擬計算整個施工過程。頂推工況分析過程表明鋼梁及導(dǎo)梁的最大應(yīng)力皆在許可應(yīng)力范圍之內(nèi)，強(qiáng)度滿足要求；頂推梁體抗傾覆性驗算表明頂推過程中梁體的抗傾覆性滿足要求，因此方案可行。