跨既有高速公路下承式鐵路系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究

張 博

(中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

橋梁作為國家交通路網(wǎng)中的關(guān)鍵工程，有效地促進(jìn)了地區(qū)間的經(jīng)濟(jì)交流與合作，方便了人們出行、加速了區(qū)域城市化、國際化進(jìn)程，在地方區(qū)域社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略意義。我國作為交通運(yùn)輸強(qiáng)國，近年來公路橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn)，70萬座橋梁拔地而起。截至2020年底，我國高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到16.10萬km，穩(wěn)居世界第一。伴隨著我國已建成的高速路網(wǎng)及鐵路干線，新建的橋梁工程經(jīng)常需要跨越既有路網(wǎng)及鐵路干線等，高速行駛的車輛對(duì)新建橋梁的施工帶來諸多風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。為了既不影響既有線路的正常交通運(yùn)行，又能確保上跨橋梁結(jié)構(gòu)的安全施工，對(duì)橋梁施工技術(shù)的要求越來越高。

系桿拱橋作為鐵路橋梁中的一種常見結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)受力性能良好、橫向剛度大、動(dòng)力性能優(yōu)越及結(jié)構(gòu)形式美觀等特點(diǎn)，在目前我國鐵路橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。對(duì)于傳統(tǒng)系桿拱橋的施工方法，最為常見的是依據(jù)“先梁后拱”的施工原則進(jìn)行橋梁建造，具體施工步驟主要包括系梁澆筑、預(yù)應(yīng)力筋張拉、拱肋吊裝以及吊索張拉等。對(duì)于跨越既有高速公路的系桿拱橋施工，一般可以沿用上述的施工方法，但為了確保下穿的高速公路的安全運(yùn)營，必須對(duì)系梁支架的基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)和檢算，以確保在施工荷載作用下，支架的變形及沉降滿足設(shè)計(jì)要求。

本文以合安鐵路某跨既有高速公路的系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)跨越既有高速公路的鐵路系桿拱橋施工關(guān)鍵步驟進(jìn)行分析，并對(duì)施工中存在的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行闡述，為后續(xù)的類似工程項(xiàng)目建設(shè)施工提供必要的參考和借鑒, 具有較為重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

某新建合安鐵路跨既有高速公路系桿拱橋?yàn)橄鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋，主跨長(zhǎng)116 m，計(jì)算跨徑112 m，矢跨比1/5，拱肋平面矢高22.4 m。拱肋整體線形為懸鏈線，截面為啞鈴型鋼管混凝土截面。兩拱肋之間設(shè)置5道橫撐，拱頂處為X撐，拱頂至拱腳設(shè)4道K撐。系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面，橋面寬17.8 m，梁高2.5 m。吊桿采用尼爾森體系，吊桿材料采用127根Ф7高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲。橋梁整體布置如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置圖

2 跨既有高速公路的系桿拱橋施工技術(shù)研究

結(jié)合工程特點(diǎn)，該鐵路系桿拱橋采用“先梁后拱”的施工原則，主要施工步驟可分為：①系梁滿堂支架施工，一次澆筑成型；②系梁預(yù)應(yīng)力張拉；③拱肋及橫撐吊裝施工；④拱肋混凝土灌注；⑤吊桿安裝及索力張拉。考慮到在橋梁施工過程中，確保下穿高速公路的正常通行，需要對(duì)系梁支架的基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢算，支架設(shè)計(jì)應(yīng)成為此類型橋梁施工的首要步驟。因此，對(duì)于跨既有高速公路的鐵路系桿拱橋施工方法主要包括以下內(nèi)容。

2.1 系梁支架設(shè)計(jì)

結(jié)合該橋梁工程下穿高速公路的通行狀態(tài)和實(shí)際需求，采用在高速公路雙幅車道上各設(shè)置一個(gè)門洞的支架形式，門洞凈寬為8.5 m、凈高為6 m，雙向通行。系梁支架除門洞區(qū)域外，其余各處采用滿堂支架。門洞支架自下而上由條形基礎(chǔ)、鋼管立柱、工字鋼橫梁、貝雷梁、底模組成。其中為方便行車安全，門洞位置與行車線位置相對(duì)應(yīng)，將行車路線預(yù)留出來，并設(shè)置支架防護(hù)設(shè)施。門洞立柱采用Φ426 mm螺旋鋼管，橫梁采用雙拼40a工字鋼，縱梁均采用貝雷梁，通過門洞縱梁貝雷梁上鋪設(shè)10#工字鋼，工字鋼上直接鋪設(shè)木模板作為底模；實(shí)體段門洞立柱采用Φ426 mm螺旋鋼管，橫梁采用雙拼40a工字鋼，縱梁均采用25b工字鋼。系梁混凝土一次澆筑成型，內(nèi)模和外模采用18 mm厚優(yōu)質(zhì)竹膠板。

圖2 系梁支架布置示意圖

在支架結(jié)構(gòu)形式確定之后，為防止因支架基礎(chǔ)沉降而對(duì)下部通行造成影響，因此，需要對(duì)支架基礎(chǔ)承載能力進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)地基做相應(yīng)的加固或硬化處理。根據(jù)該系桿拱橋的地質(zhì)資料，此段為高速公路路塹地段，地基條件較好，條形基礎(chǔ)施工前將基礎(chǔ)底部地基承載力不滿足檢算要求的土體挖除，換填建筑垃圾壓實(shí)，從而完成系梁支架基礎(chǔ)的加固工作。待支架搭設(shè)完畢之后，按1.2倍的結(jié)構(gòu)自重荷載對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓，用以消除支架系統(tǒng)的非彈性變形，確保施工安全進(jìn)行。

2.2 系梁施工

待系梁支架預(yù)壓完成之后，將進(jìn)行主梁施工。依據(jù)設(shè)計(jì)資料，主橋系梁截面采用單箱三室構(gòu)造形式。在系梁混凝土澆筑前，首先進(jìn)行吊桿下錨管安裝及定位，待下錨管安裝完成之后，開始進(jìn)行系梁混凝土澆筑。在系梁混凝土澆筑中，實(shí)體段混凝土為整斷面澆筑，分層厚度在30 cm左右。中間段就每箱的底板、腹板高度沿結(jié)構(gòu)橫截面以斜坡層向前推進(jìn)，分段長(zhǎng)度5 m左右，根據(jù)情況適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整距離，保證混凝土不出現(xiàn)冷接縫為原則，當(dāng)分段距離遠(yuǎn)時(shí)，為了保證不出現(xiàn)冷接縫，分層厚度可適當(dāng)降低?；炷翝仓^程中橫向堅(jiān)持“對(duì)稱、平衡、均勻、同步進(jìn)行”的原則，沿梁高方向先澆筑底板，再澆筑腹板、頂板，并最終成型。然后，進(jìn)行混凝土振搗，養(yǎng)護(hù)等工序，待養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，并最終完成系梁施工。

2.3 拱肋安裝

鋼管混凝土拱肋安裝是系桿拱橋關(guān)鍵的施工步驟，依據(jù)施工方案，拱肋采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)段拼裝的方法進(jìn)行施工。由于拱肋現(xiàn)場(chǎng)采用現(xiàn)場(chǎng)高空拼裝的方式進(jìn)行施工，因此，對(duì)拱肋的制造精度提出較高的要求。拱肋部分施工主要包括：主拱肋、橫撐、K撐等，由于這些構(gòu)件均為圓管造型，其整體組裝和檢查尺寸均難以通過直接測(cè)量得出或控制，因此，在主拱肋施工時(shí)，需通過控制點(diǎn)坐標(biāo)定位進(jìn)行組裝和控制。由于在拱肋施工完成之后，需要進(jìn)行吊桿安裝，因此，吊桿上錨點(diǎn)的安裝精度成為系桿拱橋施工控制的重點(diǎn)內(nèi)容。

在拱肋安裝前，首先在橋面搭設(shè)拱肋臨時(shí)支架，支架采用混凝土墩加支架柱形式，支架柱選用2根φ609×10 mm鋼管，管中心相距2 m，中間腹桿采用Φ299×6的鋼管連接，腹桿間距2.5 m設(shè)一組，保證支架的穩(wěn)定。在支架頂設(shè)分擔(dān)梁，采用20#工字鋼連接組成3 m×3 m的支架平臺(tái)。

拱肋現(xiàn)場(chǎng)施工如圖3所示，總體流程可表述為：首先將工廠預(yù)制的拱肋節(jié)段運(yùn)至橋面待吊裝區(qū)域；然后，利用2臺(tái)75 t汽車吊對(duì)拱橋兩側(cè)拱肋節(jié)段進(jìn)行同步吊裝，確保橋面在拱肋施工過程中受力平衡；在吊裝過程中，通過在拱肋表面設(shè)置坐標(biāo)控制點(diǎn)對(duì)拱肋的安裝線形進(jìn)行控制，待拱肋位置定位完成之后，作業(yè)人員對(duì)拱肋節(jié)段進(jìn)行焊接、固定，待焊接完成之后，由專業(yè)檢測(cè)人員對(duì)焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)并復(fù)核安裝線形。待確認(rèn)無誤后，進(jìn)行下一節(jié)段拱肋安裝，以此類推，直至拱肋合龍完成。拱肋合龍之后，將進(jìn)一步進(jìn)行拱肋內(nèi)混凝土灌注，完成拱肋全部施工。

圖3 鋼管混凝土拱肋現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工圖

2.4 吊桿安裝及張拉

待系梁和拱肋施工完成之后，將進(jìn)行吊桿的安裝及張拉工序。吊桿作為系桿拱橋體系中的重要傳力構(gòu)件，其安裝精度及張拉力控制結(jié)果直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性能，因此，吊桿的安裝及張拉是拱橋施工控制的重要內(nèi)容。在系梁和拱肋安裝完畢后，吊桿的上、下錨筒的位置已基本確定，因此，在施工前期應(yīng)對(duì)吊桿錨筒的安裝精度進(jìn)行控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量拱肋與下錨筒之間的實(shí)際距離，下料吊桿索，然后進(jìn)行吊桿安裝。

在吊桿安裝時(shí)，首先將吊桿索運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，然后作業(yè)人員到達(dá)拱肋上錨筒區(qū)配合吊機(jī)進(jìn)行安裝作業(yè)。安裝流程大致可表述為：

(1) 首先將鋼絲繩從拱肋吊桿導(dǎo)管套中順下并系在連接器吊環(huán)上，保持連接器與吊桿連接；

(2) 利用吊車的鋼絲繩將吊桿提升，當(dāng)?shù)鯒U升至拱肋吊桿套管時(shí)，錨頭對(duì)準(zhǔn)套管緩慢提升；

(3) 待吊桿伸出錨墊板后，把錨頭螺母擰到設(shè)計(jì)尺寸，松開鋼絲繩，擰下連接器；

(4) 在系梁下錨筒處將吊桿索下端與吊索拉桿連接，并穿入系梁上索導(dǎo)管中，通過梁下施工平臺(tái)旋上螺母，使吊索下端的螺母擰到2-3牙；

(5) 在單根吊桿索安裝完畢后，可對(duì)剛安裝完成的吊桿進(jìn)行初張拉，張拉力為成橋索力的20%，目的為確保吊桿索具有一定的初拉力；

(6) 并以此依次類推，安裝好所有吊桿索。施工現(xiàn)場(chǎng)的吊桿安裝如圖4所示。

圖4 吊桿安裝施工現(xiàn)場(chǎng)圖

待吊桿安裝完畢之后，下一步驟將進(jìn)行吊桿索的張拉。由于吊桿索的長(zhǎng)度短、相對(duì)剛性段比例較大，因此本方案直接采用液壓千斤頂來張拉索力，吊桿施工現(xiàn)場(chǎng)張拉如圖5所示。為了確保主橋在吊桿張拉過程中的受力性能，采用同步對(duì)稱的方式對(duì)吊桿進(jìn)行張拉。該系桿拱橋采用三級(jí)張拉原則對(duì)吊桿索進(jìn)行張拉，張拉控制力可根據(jù)系桿拱橋施工過程模型進(jìn)行計(jì)算。在吊桿每級(jí)張拉完成后，利用振動(dòng)法對(duì)吊桿索里進(jìn)行測(cè)試[5-6]，如圖6所示，并記錄當(dāng)前索力值，通過與張拉設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)下一次張拉力進(jìn)行控制，直至索力張拉至100%。待橋面二期鋪裝完成后，根據(jù)成橋索力測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)吊桿索力進(jìn)行調(diào)整，直至所有吊桿索力與設(shè)計(jì)值誤差控制在±5%[5]。

圖5 吊桿索張拉現(xiàn)場(chǎng)圖

圖6 基于振動(dòng)法的吊桿索測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

3 施工過程中技術(shù)難題及應(yīng)對(duì)策略

本文主要針對(duì)跨既有高速公路的系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，針對(duì)該類型橋梁，其主要的施工工序主要包括系梁澆筑及預(yù)應(yīng)力張拉、拱肋安裝、吊桿索安裝及張拉。相較于傳統(tǒng)的系桿拱橋施工，在進(jìn)行此類型橋梁施工時(shí)，不僅要確保上部橋梁結(jié)構(gòu)的施工安全，又要兼顧下部交通的正常運(yùn)行，因此，給施工帶來一定的難度。該類橋梁施工應(yīng)注意的技術(shù)難點(diǎn)主要包括：

(1) 系梁支架設(shè)計(jì)是此類型橋梁施工的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在支架搭設(shè)前應(yīng)對(duì)支架基礎(chǔ)承載能力及支架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，確保其承載能力及變形符合規(guī)范要求；同時(shí)，在施工過程中，尤其在支架預(yù)壓過程中，應(yīng)對(duì)跨高速公路區(qū)域的支架變形及沉降進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并對(duì)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)調(diào)整[7-8]；

(2) 在系梁混凝土澆筑時(shí)，吊桿索下錨筒的定位安裝是系桿拱橋施工的重點(diǎn)控制部分，其安裝精度直接決定了后期吊桿索的施工準(zhǔn)確性。因此，在施工過程中，應(yīng)采用定位技術(shù)對(duì)吊桿索下錨桶進(jìn)行安裝，安裝完成之后，應(yīng)采取有效的穩(wěn)固措施，保證下錨筒在施工時(shí)不發(fā)生移位；

(3) 由于拱肋一般采用高空吊裝施工，如何實(shí)現(xiàn)拱肋線形的精確化控制是系桿拱橋橋梁施工的一項(xiàng)重要難題。在拱肋吊裝時(shí)，應(yīng)首先提取拱肋節(jié)段的控制點(diǎn)理論坐標(biāo)，然后利用全站儀對(duì)拱肋節(jié)段的各控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)拱肋的安裝線形進(jìn)行調(diào)整，確保各節(jié)段的安裝誤差符合規(guī)范要求[9]；

(4) 吊桿索作為系桿拱橋的重要傳力構(gòu)件，對(duì)其張拉力的控制精度直接決定了橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性能。因此，在進(jìn)行吊桿索張拉時(shí)，首先要根據(jù)系桿拱橋施工模型，采用無應(yīng)力法確定張拉索力，然后采用分級(jí)、分批張拉的方法對(duì)吊桿索進(jìn)行張拉，并利用振動(dòng)法對(duì)吊桿索力進(jìn)行復(fù)測(cè)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)索力進(jìn)行調(diào)整，控制誤差精度為±5%[10-12]。

4 結(jié) 論

本文以合安鐵路某下承式鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)跨越既有高速公路的系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。首先對(duì)跨既有高速公路的鐵路系桿拱橋的施工過程進(jìn)行了闡述，主要包括系梁的支架設(shè)計(jì)、系梁施工、拱肋安裝、吊桿安裝及張拉等，然后對(duì)橋梁施工中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了重點(diǎn)分析。本文的研究成果可為后續(xù)類似工程項(xiàng)目建設(shè)提供必要的參考和借鑒。