高鐵節(jié)段箱梁信息化管理長短線偶配預制技術

宋志堅/SONG Zhi-jian

（中鐵三局集團第五工程有限公司，山西 晉中 030600）

隨著多年來我國橋梁設計理念、施工技術和配套工裝的發(fā)展成熟，整孔預制架設裝配施工早已是橋梁建造過程中最為普遍的施工工藝。對于因跨越河流、溝谷、城區(qū)、既有建筑等跨度較長或者處于小曲線半徑上的橋梁建造，仍主要采用整體支架現(xiàn)澆或者懸臂澆筑施工的方式，存在施工工期較長、安全風險性高、人員投入多、質量難以保證、受天氣影響大、對周邊環(huán)境及交通影響大等弊端。采用節(jié)段預制拼裝技術可較好的彌補整孔預制架設和現(xiàn)澆施工存在的不足，目前該技術在我國公路和城市軌道交通工程中應用較廣，上海新瀏河大橋、上海滬閔高架、蘇通大橋引橋、廣州地鐵4 號線、6 號線等項目都采用了節(jié)段預制拼裝技術。但是對于我國鐵路橋梁的節(jié)段預制拼裝技術，其發(fā)展應用遠滯后于公路和軌道交通行業(yè)，由于材料、技術、設備等多方面原因，與整孔預制架設、現(xiàn)澆施工方法相比，節(jié)段預制拼裝技術在鐵路工程應用份額不足3%，高速鐵路建造中應用更是少之又少，缺少成熟的施工經(jīng)驗和標準參考。

1 工程概況

新建魯南高速鐵路是山東省“三橫五縱”高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要連接通道，速度目標值350km/h。其中，魯南高鐵菏澤至曲阜段1 標泗河特大橋109#-136#共27 孔簡支箱梁因跨越泗河河道原因，設計跨度48m，采用節(jié)段預制膠結拼裝結構，每孔梁共分為11 個節(jié)段。該橋是國內高速鐵路工程首次采用膠接拼裝簡支節(jié)段箱梁結構的項目，結構新型，施工難度大，科技含量高。

2 高速鐵路膠拼簡支節(jié)段箱梁結構形式

泗河特大橋簡支節(jié)段梁采用梁場預制節(jié)段箱梁、架橋機逐孔拼裝施工工藝，梁體設計為單箱單室等高度直腹板預應力混凝土簡支箱梁，全橋共27 孔，每孔梁跨度為48.6m 共分為11 個節(jié)段，總計預制箱梁節(jié)段297 節(jié)段。梁段分節(jié)長度有2 種分別為3.15m、4.7m，其中1#、11#（長3.15m）和2#、10#（長4.7m）節(jié)段為異形節(jié)段、3#～9#節(jié)段為標準節(jié)段（長4.7m）。節(jié)段梁底板寬6.4m，梁面寬12.6m，梁高4.8m，跨中截面頂板厚35cm，底板厚35cm，腹板厚50cm；支點處頂板加厚至55cm，底板加厚至90cm，腹板加厚至100cm。在箱梁兩端支座處設置帶過人孔的橫隔墻，厚140cm。

箱梁預制長度根據(jù)梁段重量控制在170t 以內及減少梁段種類的原則劃分，節(jié)段重量分為167t（1#、11#）、165t（2#、10#）、141t（標準節(jié)段）3 種形式。節(jié)段箱梁混凝土設計為C60 強度等級，每個節(jié)段梁大約需澆筑56m3混凝土。

節(jié)段梁段在頂板、底板、腹板位置均布置一定數(shù)量剪力鍵，剪力鍵采用梯形，鍵頂寬5cm，鍵根部寬15cm，鍵高5cm，各節(jié)段剪力鍵位置各不相同。

3 節(jié)段箱梁長短線偶配預制技術原理

3.1 長短線偶配法預制工藝原理

根據(jù)箱梁的結構形式及成橋的線形特點，采用“長短線偶配結合預制法”，梁首尾節(jié)段在短線臺座進行預制，預制完成后，將首尾節(jié)段移動至長線臺座兩端的精調臺座上，并按照理論坐標調整首尾匹配節(jié)段空間位置，完成首尾節(jié)段定位后，通過移動長線臺座外模（與整孔預制類似），依次預制剩余節(jié)段。當長線臺座上某一節(jié)段預制完成后，作為前方下一節(jié)段匹配端，進行下一節(jié)段預制時，就可以把其后方自身的原匹配梁段吊離；條件滿足時，長線臺座上空余的位置就可以進行下一孔梁該節(jié)段號的預制，保證了每個臺座的快速循環(huán)使用。

節(jié)段梁場共布置短線臺座2 個，分別負責1#塊和11#塊2 個梁端節(jié)段的預制；長線臺座2 個，負責2#～10#段預制施工。1#和11#節(jié)段在短線臺座預制完成后，將其吊入長線臺座兩端的三維精調臺座上作為匹配端，用于2#、10#段的預制精調匹配，依次在長線臺座上完成剩余節(jié)段的施工。

3.2 梁場功能區(qū)布置

為了便于后續(xù)架梁吊裝，預制梁場布置在109#墩節(jié)段箱梁架設起始位置，該地處于泗河東大堤和泗河東河道之間的河灘地，地形狹長面積較小，梁場規(guī)劃布局存在一定困難。事先通過建立梁場BIM 模型，對場地布置進行了精細規(guī)劃：梁場分為南北兩側，南側從西至東依次為迎檢區(qū)、物資存放區(qū)、信息化管控區(qū)、生活區(qū)；北側從西至東依次為鋼筋加工區(qū)（含3 個鋼筋專業(yè)綁扎胎具）、第1 個長線預制臺座、1#短線預制臺座、11#短線預制臺座、第2 個長線預制臺座、養(yǎng)護區(qū)（10 個節(jié)段養(yǎng)護能力）、存梁區(qū)（28 個存梁臺座，雙層存）等。通過BIM 技術對于現(xiàn)場的模擬指導，一方面充分利用現(xiàn)有地形，盡量減少河灘區(qū)大臨建設占地，從而減少填方量和征地面積，降低施工成本；另一方面滿足了預制梁場功能區(qū)設置齊全、梁場建設高標準化的要求。

3.3 鋼筋機械化、標準化加工

1）引進全自動數(shù)控調直切斷機、數(shù)控彎箍機實現(xiàn)鋼筋機械化加工，既降低人工消耗，又提高施工效率；開發(fā)設計了多功能除煙型鋼筋定位焊接工裝臺，該裝置具有鋼筋定位、照明、焊煙收集、焊渣收集等功能，在提高鋼筋焊接精度的同時兼顧作業(yè)人員的健康保護。

2）為提高鋼筋綁扎功效和綁扎精度，減少對于預制臺座的占用，特利用槽鋼、角鋼制作3 個鋼筋綁扎胎具，2#～10#節(jié)段鋼筋在胎具上綁扎完成后整體吊入臺座模板內；1#和11#節(jié)段為梁端節(jié)段，因預埋件較多、鋼筋密度大，故鋼筋和預埋件直接在預制臺座上綁扎安裝。

3）節(jié)段梁預埋件種類多且定位精度要求高，開發(fā)應用了預應力管道、三墻預埋鋼筋、接觸網(wǎng)支座基礎預埋螺栓、下錨拉線基礎預埋螺栓、吊裝預留孔等多個預埋預設結構的定位工裝，確保了定位效率和位置準確性。

3.4 模板加工優(yōu)化

1）節(jié)段預制箱梁模板采用液壓全鋼大模板，模板加工尺寸、強度、剛度滿足要求，可有效保證節(jié)段梁段預制精度。底模全部固定于臺座基礎上；側模、內模均為全自動液壓收支，可自行合模、脫模，同時配備自動行走軌道系統(tǒng)，便于模板移動，工人勞動強度低；端模分為兩種，一為固定端模（短線臺座），一為活動端模（長線臺座）。項目2 個短線制梁臺座配備固定端模和底模各一套，內模共用1 套；2 個長線制梁臺座分別配備2 個外側模、1 個底模、1 個變截面內模和2個標準段內模。

2）節(jié)段梁匹配端設置有剪力鍵，則端模上對應設置有剪力槽。圖紙設計中節(jié)段梁剪力鍵原為凸形，且每一節(jié)段剪力鍵位置各不相同，對應的端模上剪力槽均為凹形，由于剪力鍵位置各不相同、凹形無法移動的原因，每一梁段都需要配備一套活動端模。為了避免端模設備重復投入，經(jīng)過自行研究優(yōu)化并征得設計單位同意，將梁段剪力鍵改為凹形結構，則對應的端模處剪力槽則變?yōu)橥剐?，同時通過在端模所有剪力鍵部位鉆孔并配置螺栓的方式，將模板剪力槽變?yōu)榭苫顒咏Y構，預制不同的節(jié)段時簡單調整一下剪力槽位置即可，確保了同一個活動端模在所有梁段的適用性。

3）加工制作預應力管道橡膠堵頭，因每節(jié)段預應力管道布置位置均不相同，每次端模安裝時，將其粘貼在每節(jié)段端模和預應力管道相對應的位置，預應力管道安裝時用橡膠堵頭進行封堵，確保了混凝土澆筑時預應力管道偏位，也避免了混凝土進入堵塞管道。

3.5 測量控制及數(shù)據(jù)采集

1）相較于短線法，長短線偶配法僅需要進行首尾節(jié)段匹配，其余節(jié)段均在長線臺座完成，無需匹配，故其線控及現(xiàn)場預制難度較短線法低。節(jié)段預制時，1#和11#移動至長線臺后的精確定位是節(jié)段預制線形控制的要點，需建立精確的測量控制體系。

2）測量數(shù)據(jù)采集采用新開發(fā)的長短線偶配法節(jié)段梁段預制線控系統(tǒng)，手機App 藍牙直接連接全站儀，全站儀采集完數(shù)據(jù)后直接自動上傳線控系統(tǒng)云平臺數(shù)據(jù)庫，且不可人為修改，避免誤差；同一測點不同測回的測量誤差大于2mm 時，系統(tǒng)內對應點位的測量值字體會變色，提示重新測量該點；系統(tǒng)內自動計算梁端節(jié)段從短線臺座轉換至長線臺座時的控制點坐標，為節(jié)段預制線形控制提供數(shù)據(jù)基礎。

3）長短線偶配法匹配法梁段預制線控APP基本操作流程為：施工測量人員單點登錄→全站儀與手機藍牙通訊→掃碼或搜索完成節(jié)段任務選取→節(jié)段匹配與數(shù)據(jù)采集→生成節(jié)段預制報告。

3.6 信息化應用管理

節(jié)段梁生產(chǎn)管理系統(tǒng)分為為主頁面、BIM 信息中心、物料信息、鋼筋加工信息、節(jié)段預制信息及節(jié)段安裝信息等6 個模塊，通過信息化管理系統(tǒng)的應用，提高了管理效率和質量，確保施工生產(chǎn)過程具有可追溯性，有效控制施工質量、施工進度等。

1）梁場基本信息管理 建立梁場BIM 輕量化模型，對梁場的總體布局，功能區(qū)域的劃分，各功能區(qū)域的基本信息等梁場信息進行管理，并將信息附著在梁場BIM 模型中。

2）材料進場、檢驗及存儲信息管理 對原材料的進場檢驗信息進行系統(tǒng)管理，包括每批次原材料進場時間、原產(chǎn)地、送料信息，進場檢驗及材料存儲情況等。并與梁場三維模型進行附著，可通過點擊原料區(qū)模型進行查看相關信息。也可將不同批次原料與生產(chǎn)節(jié)段之間進行指向連接，通過查看節(jié)段的信息可以追溯其原料信息情況。

3）預制施工進度及齡期管理 通過對節(jié)段的預制時間的管理，通過時間自動累加功能實現(xiàn)對齡期的管理，并以直觀的形式展現(xiàn)出齡期情況。同時利用BIM 模型不同著色的原理對當前節(jié)段預制計劃進度，預制實際進度等進度信息管理。

4）架設施工進度及預應力施工信息管理 對架設進度進行管理，管理架設進度，包括計劃進度和實際進度，及預應力施工的相關信息。包括預應力安裝信息，預應力張拉信息等內容，并與BIM 模型進行連接。

5）存梁及養(yǎng)護信息管理 建立存梁場的BIM模型，及實際的存量臺座等模型，通過著色變化顯示各臺座的存梁情況，并將各節(jié)段在在存儲前的信息均與模型進行連接，通過點擊模型可了解到改節(jié)段的養(yǎng)護相關信息，及前期已經(jīng)完成的相關預制施工信息。

6）節(jié)段預制質量管理 對節(jié)段預制生產(chǎn)質量進行管理，包括預制尺寸信息、預制節(jié)段重量、預制強度、預制管道偏差等相關質量信息進行管理。在檢驗后可輸入相關檢驗信息，與BIM 模型進行對應。

7）節(jié)段預制及安裝線形控制管理 對施工過程中施工監(jiān)控的成果進行管理，將節(jié)段線形以直觀的圖表進行顯示，能夠指導節(jié)段預制及安裝過程中的平面、高程的誤差情況。

8）方案、檢驗批等資料歸檔管理 對橋梁施工過程中的主要資料信息進行管理，如方案審批資料、檢驗批、試驗報告、內部檢查資料、交底資料、項目人員管理資料等信息進行管理。可以隨時查看相關資料信息，并為竣工后的資料上報做好儲備。

9）二維碼的融合應用 將每段節(jié)段梁預制過程中的各種生產(chǎn)信息集合后生產(chǎn)二維碼，粘貼在對應梁段，便于信息追溯。

10）BIM 技術與平臺深入融合 通過BIM技術的融合能夠更加直觀的將管理信息展現(xiàn)在管理者面前，能夠形象地展現(xiàn)施工過程中的管理信息，避免了之前系統(tǒng)信息單一枯燥和不直觀的弊端。

結合圖紙要求及BIM 標準，完成節(jié)段梁BIM模型的創(chuàng)建，利用模型的三維可視化交底、圖紙復核、碰撞檢查、施工模擬及場地規(guī)劃等功能，為現(xiàn)場作業(yè)全過程提供數(shù)據(jù)參考和模型指導。

4 施工控制要點

1）鋼筋在貯存過程中應上蓋下墊，防止銹蝕、污染和變形。鋼筋原材堆放按照不同的規(guī)格存放，鋼筋貯存在距地面不小于0.3m 的平臺、墊木或其他支承上，并應使其不受機械損傷及由于暴露于大氣而產(chǎn)生銹蝕和表面破損?，F(xiàn)場應設置材料標識牌，鋼筋按規(guī)格分類堆碼整齊，按其檢驗狀態(tài)與結果、使用部位等進行標識。

2）側模就位后通過精軋螺紋鋼筋與預制臺座臺座板、和頂板槽鋼對拉固定連接。側模與底圓弧段與直線段相接處的加工精度一定要確保，以保證該處過渡平順，接縫嚴密。側模與固定端模拼縫要嚴密。

3）箱梁預制節(jié)段混凝土應保證整體灌注，并采用底振和側振，輔以插入式振搗器，但應避免碰擊管道、鋼筋、模板、混凝土剪力鍵及預埋件。由于腹板較高，施工腹板混凝土時應采用導管輸送等有效措施混凝上，以免造成混凝土離析。

4）所有模板均采用鋼模，嚴格保證端模剪力鍵位置的準確性，預應力孔道邊緣距剪力鍵邊緣距離不小于5cm。為保證孔道壓漿的密實性，模板拉桿及通風孔等各種孔道距預應力孔道邊緣不小于5cm。模板安裝前應在匹配面上均勻涂刷對混凝土無害并便于清洗的水性脫模劑，并在節(jié)段拼裝前予以清洗干凈，其性能不得影響節(jié)段拼裝對接時接縫粘結材料的粘結性能。

5）箱梁吊裝采用在梁段翼緣預埋鋼套管的方法，起吊時應結合施工現(xiàn)場對箱梁吊點進行設計，尤其是偏心節(jié)段的吊裝孔，應注意符合圖紙上的位置是否正確。

5 施工關鍵技術及實施效果

1）采用膠接法拼裝節(jié)段梁結構，較于施工中常用的整孔預制架設方法，其對于孔跨長度、線路曲線半徑等方面適應性更強，預制時梁場占地規(guī)模更??；和現(xiàn)澆施工相比，人員材料投入少，施工工期短，標準化水平高，安全質量更有保證，同時受外界環(huán)境的影響和對作業(yè)區(qū)域外界環(huán)境的影響都比較小。

2）創(chuàng)新應用了節(jié)段梁長短線偶配法預制的施工方法，一方面避免了傳統(tǒng)短線法預制時各節(jié)段均需匹配試拼裝，預制線形精度要求高，測量匹配時間長且后續(xù)可能造成架設拼裝誤差大的缺點；另一方面相較于傳統(tǒng)的長線法預制施工，同一孔梁所有節(jié)段不需要等待整孔梁預制完成后方能吊離，減少了同一節(jié)段對長線臺座的占用時間。

3）施工過程引入BIM 技術，利用BIM 模型的各項功能，對河堤下方狹長區(qū)域梁場建設規(guī)劃、大密度鋼筋的綁扎優(yōu)化、數(shù)量繁多的預埋件精確定位等預制施工步驟內容進行模擬，通過三維可視化的交底，使得在有限的地形條件下，各功能分區(qū)合理布局滿足流水化作業(yè)要求；指導現(xiàn)場管理人員、作業(yè)人員提前熟知施工要點，加快了施工進度，降低了材料浪費，簡化了施工難度。

4）考慮工廠化預制和節(jié)段梁段尺寸精度要求非常高的特點，研制高精度、高強度的液壓大模板用于施工，有效保證梁段預制精度；同時設計了側模和內模自動行走系統(tǒng)，拆模后利用行走軌道自行滑出，勞動強度低，施工效率高。

5）鋼筋原材加工采用全套機械化工裝；特制鋼筋綁扎專用胎具，除預埋件較多的1#、11#節(jié)段外，剩余標準節(jié)段鋼筋在胎具上綁扎，綁扎完成后整體吊入模板內，避免了工序干擾，提高了流水作業(yè)效率和加工精度，減少了人員投入和材料浪費。

6）開發(fā)了吊裝孔、預應力管道、三墻預埋鋼筋、接觸網(wǎng)支座基礎預埋螺栓等預留孔或預埋管件的定位工裝，確保各項預埋件精確定位。

7）原設計剪力鍵采用凸鍵形式，同時各節(jié)段凸鍵設置不統(tǒng)一。將剪力鍵優(yōu)化調整為凹鍵形式，同時凹鍵處模板做成可活動安裝式，通過每次對剪力鍵凹鍵模板簡單調整，一套活動端模可適宜于所有節(jié)段施工，避免原設計中每一節(jié)段都要配置一套活動端模的情況，減少設備投入節(jié)省成本。

8）優(yōu)化原設計中節(jié)段梁體通風孔、泄水孔等預留孔間距一致的設置，改為每個標準節(jié)段預留孔位置統(tǒng)一固定，確保同一套模板在所有標準節(jié)段施工的通用性，側模一次開孔即滿足所有節(jié)段施工要求，避免因側模多處開孔對模板質量和孔位處混凝土外觀質量造成影響。

9）將節(jié)段梁腹板內側的臨時預應力張拉錨固塊在梁體內的預埋U 型螺栓和鋼板結構，直接優(yōu)化改為預埋PVC 管橫向預留通孔，在不影響后續(xù)張拉錨固塊安裝的前提下，減少了U 型螺栓和鋼板等材料投入，節(jié)省了施工成本。

10）節(jié)段梁匹配時，特制一種橡膠堵頭，用于匹配梁端和活動端模端的預應力孔道口的封堵，一方面通過堵頭的定位，保證新預制梁段預應力管道位置準確；另一方面避免了混凝土澆筑過程中，混凝土涌入造成預應力孔道堵塞。

11）節(jié)段梁場內布設專門的測控系統(tǒng)，預制測量采用最新開發(fā)的長短偶配法節(jié)段梁預制架設線控軟件，利用手機APP 和藍牙終端，預制測量數(shù)據(jù)由儀器采集后直接傳入系統(tǒng)且不可人為修改，避免誤差；梁端兩節(jié)段從短線臺座移至長線臺座時，直接通過系統(tǒng)內設定的線形算法，自動給出臺座轉換后的控制點空間坐標，確保梁首尾兩節(jié)段的匹配定位精度，從而確保整孔梁的預制精度。

12）施工中自行研究開發(fā)節(jié)段梁場生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場物料管理、鋼筋加工、節(jié)段梁生產(chǎn)信息、節(jié)段梁架設信息及內業(yè)資料的信息化、智能化管控，所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有可追溯性，確保施工質量和成本管控。

6 結語

魯南高鐵菏澤至曲阜段1 標泗河特大橋施工中，面對結構新穎（膠拼簡支節(jié)段箱梁在高速鐵路首次應用）、工期緊張（預制工期不足十個月）、地形受限（河道狹長區(qū)域，梁場布置困難）、經(jīng)驗缺乏（無成熟標準）的挑戰(zhàn)和難題，開發(fā)應用了高速鐵路節(jié)段箱梁信息化管理長短線偶配預制技術，創(chuàng)新采用了長短線偶配法進行節(jié)段梁預制施工，在鋼筋綁扎、模板安裝、預埋件定位等方面研制多項工裝設備，并在過程中輔以信息化技術進行全方位管理，確保了國內首次采用膠接拼裝簡支節(jié)段箱梁結構的高速鐵路工程按期完成工程施工，成套工藝已成熟，基于工廠化、機械化、專業(yè)化、信息化的管理需求和綠色工程建設理念符合行業(yè)趨勢，具有廣闊的應用前景。O