高速鐵路橋上運(yùn)梁垂直會(huì)車方案及裝備研究

李朝紅,徐光興

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心,石家莊 050043)

引言

高鐵線路中，橋梁占據(jù)相當(dāng)大的比例，其中絕大部分是簡支梁橋[1-3]。簡支梁橋多采用“預(yù)制+運(yùn)架”的模式施工，運(yùn)架梁可分為運(yùn)架分離、運(yùn)架一體兩種方式，其中，運(yùn)架分離式方案采用運(yùn)梁車運(yùn)梁、架橋機(jī)架梁的作業(yè)方法，作業(yè)效率高，施工成本低，因而應(yīng)用最為廣泛[4-6]。

預(yù)制梁場的位置和間距決定著運(yùn)梁距離。梁場的征地、建設(shè)、復(fù)耕、設(shè)備投入等耗資巨大[7-8]，當(dāng)前對鐵路工程建設(shè)的工期要求亦趨向科學(xué)合理，為降低施工成本，梁場間距往往設(shè)置較大，使運(yùn)梁時(shí)間成為運(yùn)架梁作業(yè)的控制因素。為提高運(yùn)架梁作業(yè)工效，使運(yùn)梁、架梁作業(yè)效率相互匹配，當(dāng)運(yùn)距較大時(shí)，最理想的解決方案是采用“兩運(yùn)一架”甚至“多運(yùn)一架”的施工方案，即用2臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)梁車配合1臺(tái)架橋機(jī)進(jìn)行運(yùn)架梁作業(yè)[9-10]。但高鐵線路的寬度只允許運(yùn)梁車單向通行，無法進(jìn)行會(huì)車作業(yè)，因而在實(shí)際工程中尚未大量采用。為此，需研究安全、經(jīng)濟(jì)、合理的會(huì)車技術(shù)方案。

1 既有運(yùn)梁會(huì)車方案

高鐵箱梁在梁場經(jīng)由跨線提梁機(jī)橋上裝梁，或經(jīng)由便道上橋后，通過在建高鐵路基、橋梁、隧道運(yùn)到待架橋跨[11-13]。為解決2輛運(yùn)梁車間的會(huì)車問題，既有案例多采用平面會(huì)車方案。

平面會(huì)車位置可選擇在路基上或橋上。選擇路基作為會(huì)車點(diǎn)時(shí)，需加寬該段路基，供運(yùn)梁車空車通行，其缺點(diǎn)是征地、建設(shè)費(fèi)用高，會(huì)車地點(diǎn)不能移動(dòng)。

在橋上設(shè)置會(huì)車點(diǎn)時(shí)，需在橋梁一側(cè)搭建臨時(shí)會(huì)車平臺(tái)。文獻(xiàn)[14]即采用了這一方案，其臨時(shí)會(huì)車平臺(tái)長92 m，寬10 m，利用六四式軍用梁和六五式軍用墩拼組而成，見圖1。利用制式搶修器材拼組臨時(shí)平臺(tái)，可節(jié)約一定的設(shè)備制造成本，但搭建臨時(shí)墩仍需征地、建造臨時(shí)橋墩基礎(chǔ)。此外，運(yùn)梁車出入平臺(tái)時(shí)經(jīng)過4孔已架混凝土箱梁的懸臂翼緣板，需對其進(jìn)行加固處理，翼緣板上的防護(hù)墻、電纜槽、接觸網(wǎng)支座等預(yù)埋件也需做相應(yīng)的處理。在橋上設(shè)置臨時(shí)會(huì)車平臺(tái)，會(huì)車點(diǎn)同樣不便移動(dòng)位置。

圖1 利用搶修器材搭建的臨時(shí)會(huì)車平臺(tái)(單位：mm)

2 垂直會(huì)車方案

為更好地解決2臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)梁車的會(huì)車問題，提出了一種新的橋上會(huì)車方案，即在會(huì)車點(diǎn)設(shè)置會(huì)車提升裝備，當(dāng)空載運(yùn)梁車從架梁點(diǎn)返回梁場、抵達(dá)會(huì)車點(diǎn)時(shí)，利用會(huì)車提升裝備將空載運(yùn)梁車提起，待重載運(yùn)梁車從其下方通過后，再將空載運(yùn)梁車降至橋面，然后空載繼續(xù)駛向梁場，重載運(yùn)梁車駛向架梁點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)橋上會(huì)車作業(yè)。

垂直會(huì)車方案的會(huì)車點(diǎn)可設(shè)置在橋上或路基上，會(huì)車提升裝備可采用跨線龍門吊。采用跨線龍門吊的缺點(diǎn)是設(shè)備一次性投入費(fèi)用高，需征地并建造龍門吊基礎(chǔ)，會(huì)車位置不便移動(dòng)。為此，研究了一種橋上會(huì)車提升裝備[15]，該裝備直接放置在已架箱梁頂面，和現(xiàn)有技術(shù)、裝備相比，具有突出的優(yōu)點(diǎn)。

3 會(huì)車提升裝備

3.1 會(huì)車提升裝備的組成

會(huì)車提升裝備由金屬結(jié)構(gòu)、起升系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，見圖2。

圖2 會(huì)車提升裝備的組成

(1)金屬結(jié)構(gòu)

金屬結(jié)構(gòu)是會(huì)車提升裝備的主體結(jié)構(gòu)。為使運(yùn)梁車通過會(huì)車提升裝備，金屬結(jié)構(gòu)采用“O”形門架形式，由2個(gè)“O”形門架通過3根縱向聯(lián)系梁連接而成。

“O”形門架是會(huì)車提升裝備的主受力構(gòu)件，吊裝荷載直接作用在門架平面內(nèi)。門架凈寬滿足預(yù)制混凝土箱梁的通過需求，凈高滿足提升空載運(yùn)梁車后重載運(yùn)梁車的通過需求。為方便運(yùn)輸，每個(gè)“O”形門架由2根上曲梁結(jié)構(gòu)、2根下曲梁結(jié)構(gòu)、2根支撐靴梁和1根下橫梁連接組成。上曲梁下方設(shè)起升機(jī)構(gòu)，承受較大彎矩，采用等截面箱梁結(jié)構(gòu)。下曲梁為壓彎構(gòu)件，采用變截面箱梁結(jié)構(gòu)，下部截面高度逐漸縮小。上、下曲梁間通過法蘭板連接。靴梁上端與下曲梁通過法蘭板連接，下端支撐在已架混凝土箱梁頂面，將門架自重和起升荷載傳遞給混凝土箱梁橋面。為減小門架荷載對混凝土箱梁懸臂翼緣板的作用，靴梁支撐點(diǎn)盡可能靠近混凝土箱梁腹板，并且靴梁沿縱橋向設(shè)計(jì)有足夠的長度。兩側(cè)靴梁之間通過下橫梁連接，靴梁上設(shè)有開口耳板，下橫梁兩端設(shè)銷軸，使下橫梁能方便地插入靴梁耳板。下橫梁僅受較小的軸力作用，其作用在于限制兩側(cè)曲梁的相對位移，使門架具有良好的整體性。為使運(yùn)梁車順利通過，下橫梁高度限制在120 mm以內(nèi)，兩側(cè)設(shè)過渡坡道。

縱向聯(lián)系梁在工作狀態(tài)不承受起升荷載作用，僅起聯(lián)系2個(gè)“O”形門架的作用，同時(shí)保證整個(gè)會(huì)車提升裝備的傾覆穩(wěn)定性。在馱運(yùn)轉(zhuǎn)場狀態(tài)，馱運(yùn)支架伸出扁擔(dān)梁，挑在下面2根聯(lián)系梁靠近“O”形門架的根部。因承受荷載有限，聯(lián)系梁采用較小截面的箱形梁結(jié)構(gòu)。

(2)起升系統(tǒng)

起升系統(tǒng)包括2套相互獨(dú)立的起升機(jī)構(gòu)，分別布置在2個(gè)“O”形門架內(nèi)部。每套起升機(jī)構(gòu)由2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)、2個(gè)轉(zhuǎn)向滑輪、2套定滑輪組和1套吊具組成，卷揚(yáng)機(jī)布置在門架兩側(cè)中部，定滑輪組設(shè)在門架頂部下方。為讓出起升空間并優(yōu)化鋼絲繩的入繩角度，在卷揚(yáng)機(jī)和定滑輪組之間設(shè)有轉(zhuǎn)向滑輪。起升系統(tǒng)采用“四點(diǎn)起吊三點(diǎn)平衡”設(shè)計(jì)[16-17]，4個(gè)吊點(diǎn)分別由4套獨(dú)立的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。在鋼絲繩卷繞時(shí)，一個(gè)“O”形門架上的卷揚(yáng)機(jī)和滑輪組分別獨(dú)立卷繞，形成連個(gè)獨(dú)立吊點(diǎn)，另一個(gè)“O”形門架上的2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)的跑頭繩通過滑輪組串聯(lián)，形成一個(gè)平衡吊點(diǎn)，從而避免運(yùn)梁車起吊時(shí)受扭。

(3)電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)采用全變頻拖動(dòng)，起升動(dòng)作啟停平穩(wěn)，減小了對結(jié)構(gòu)的沖擊作用。起升機(jī)構(gòu)設(shè)同步控制系統(tǒng)[18-19]，由外部編碼器采樣測量鋼絲繩的線速度，保證4個(gè)吊點(diǎn)之間的起升誤差在2 cm以內(nèi)。整套裝備采用遙控操作，備用手動(dòng)操作，作業(yè)方便簡單。

3.2 會(huì)車提升裝備主要技術(shù)性能參數(shù)

會(huì)車提升裝備的主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)性能參數(shù)

3.3 會(huì)車提升裝備的特點(diǎn)

和既有會(huì)車方案與配套設(shè)備相比，本文會(huì)車方案與會(huì)車提升裝備具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)隨著運(yùn)距的加長，會(huì)車地點(diǎn)可不斷前移，從而始終保持最佳的運(yùn)梁效率。

(2)會(huì)車提升裝備直接支承在橋面上，可節(jié)省大量征地和基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用。

(3)和跨線門吊造價(jià)相比，設(shè)備一次性投入顯著降低。

(4)和傳統(tǒng)門吊相比，裝備結(jié)構(gòu)形式簡單、新穎，起升系統(tǒng)設(shè)置在“O”形門架支腿平面內(nèi)，避免設(shè)置強(qiáng)壯的主梁結(jié)構(gòu)，可顯著降低設(shè)備自重和造價(jià)。

4 會(huì)車作業(yè)程序

利用會(huì)車提升裝備進(jìn)行橋上垂直會(huì)車作業(yè)的步驟如下。

(1)在箱梁預(yù)制場與待架橋跨之間的橋上會(huì)車點(diǎn)預(yù)先安裝會(huì)車提升裝備；空載運(yùn)梁車從架梁點(diǎn)返回梁場，抵達(dá)會(huì)車點(diǎn)；重載運(yùn)梁車運(yùn)梁駛向會(huì)車點(diǎn)。如圖3所示。

圖3 會(huì)車作業(yè)步驟1

(2)利用會(huì)車提升裝備將空載運(yùn)梁車提升至高處，給重載運(yùn)梁車讓出通行空間；重載運(yùn)梁車運(yùn)梁到達(dá)會(huì)車點(diǎn)。如圖4所示。

圖4 會(huì)車作業(yè)步驟2

(3)重載運(yùn)梁車從會(huì)車提升裝備提起的空載運(yùn)梁車下方通過，駛向架梁點(diǎn)。如圖5所示。

圖5 會(huì)車作業(yè)步驟3

(4)空載運(yùn)梁車下降至橋面，返回箱梁預(yù)制場運(yùn)梁，完成橋上會(huì)車作業(yè)。如圖6所示。

圖6 會(huì)車作業(yè)步驟4

具體作業(yè)時(shí)，如重載運(yùn)梁車先行抵達(dá)會(huì)車點(diǎn)，則需在會(huì)車點(diǎn)后方等候空載運(yùn)梁車返回。隨著架梁點(diǎn)前移，運(yùn)距加長，當(dāng)?shù)群驎r(shí)間過長時(shí)，可將會(huì)車點(diǎn)沿架梁方向前移。

會(huì)車提升裝備的轉(zhuǎn)場利用運(yùn)梁車馱運(yùn)進(jìn)行(圖7)，轉(zhuǎn)場作業(yè)方便快捷。馱運(yùn)時(shí)，運(yùn)梁車承載托架低位駛?cè)胩嵘b備腹部，將托架上部橫梁與會(huì)車提升裝備的聯(lián)系梁連接，運(yùn)梁車走行懸掛恢復(fù)至中位，馱起提升裝備，即可馱運(yùn)會(huì)車提升裝備轉(zhuǎn)場至下一會(huì)車點(diǎn)。

圖7 利用運(yùn)梁車馱運(yùn)轉(zhuǎn)場

5 工程應(yīng)用

連徐高鐵站前Ⅳ標(biāo)線路全長47.044 km，由中鐵十二局集團(tuán)一公司承建。Ⅳ標(biāo)段邳州制梁場位于邳州市碾莊鎮(zhèn)境內(nèi)，負(fù)責(zé)邳州特大橋761孔雙線箱梁的預(yù)制生產(chǎn)和架設(shè)任務(wù)[20]。邳州特大橋2018年5月開始架設(shè)第一孔箱梁，隨著運(yùn)距的加長，運(yùn)梁時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過架橋機(jī)架梁時(shí)間。

為加快施工進(jìn)度，匹配運(yùn)梁、架梁工序的作業(yè)效率，2019年10月項(xiàng)目部投入1臺(tái)會(huì)車提升裝備，徹底解決了長大橋梁運(yùn)梁車會(huì)車難題。采用“兩運(yùn)一架”施工方案后，架梁工效提高了1倍多。目前，邳州特大橋箱梁已全部架設(shè)完成，比計(jì)劃工期提前半年。

6 結(jié)語

為解決高鐵橋梁運(yùn)架施工中2臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)梁車橋上會(huì)車問題，提出了一種垂直會(huì)車技術(shù)方案，并研究與之配套的會(huì)車提升裝備，主要結(jié)論如下。

(1)通過在橋上安裝會(huì)車提升裝備，利用會(huì)車提升裝備提升空載運(yùn)梁車，使重載運(yùn)梁車從下方通過，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了橋上運(yùn)梁垂直會(huì)車作業(yè)。

(2)隨著運(yùn)距的加長，會(huì)車提升裝備可方便地轉(zhuǎn)場前移，會(huì)車點(diǎn)位置變化靈活，從而始終保持最佳的運(yùn)梁效率。

(3)與既有會(huì)車方案相比，本方案設(shè)備一次性投入低，會(huì)車提升裝備直接支承在橋面上，可節(jié)省大量征地拆遷和基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明，利用2臺(tái)或多臺(tái)運(yùn)梁車配合1臺(tái)架橋機(jī)進(jìn)行長運(yùn)距運(yùn)架梁，可顯著提高架梁作業(yè)效率。垂直會(huì)車方案為高鐵橋梁橋上運(yùn)梁會(huì)車作業(yè)提供了一種經(jīng)濟(jì)、合理、高效的解決方案。