桥群、隧道群广泛相间情况下桥梁施工方案研究

吴红军

(中铁工设计咨询集团有限公司工经院,北京 100055)

1 工程概况

新建南广铁路桂平(不含)至肇庆东(不含)段,正线全长 284.457正线 km,设计速度 200 km/h,预留250 km/h条件,项目总工期 4年。全线大中桥梁63498.98m/155座,采用箱形梁。简支箱梁综合设计原则是“以预制架设为主,现浇施工为辅”。隧道 104 268m/98座。桥隧总长 167 766.98 m,桥隧比重为59%。沿线以重丘陵地形为主,山坡陡峻,地形复杂,众多桥隧工程广泛交错分布。

本项目中,桥梁设计、隧道设计以及架梁施工方案之间存在很强的互动关系,且该互动关系处理的好坏,对本项目整体设计质量具有重要影响。

2 项目主要控制工程情况

(1)铺轨工程:在梧州南设置铺轨基地,先向西、再向东铺轨,铺轨工期 9个月。

(2)长大隧道:根据设计筹划的五指山隧道、飞鹰隧道、北岭山隧道、花培岭隧道施组方案,它们的工期在 32～35个月,均为项目控制工程,简支梁运架不通过这些长隧道。

(3)复杂桥梁工程:肇庆西江特大桥,桥长 604.5 m,主跨 450m,通航净宽 400m,桥下水深数十米。施工工艺复杂,技术难度大,计划工期 32个月,为项目控制工程,简支梁运架不通过该桥。

3 简支梁桥施工方案

3.1 简支梁在全线的分布

南广铁路桂平至肇庆东段 1 830孔双线简支箱梁,除了 DK163处 272孔简支箱梁、DK 240处 130孔简支箱梁、DK400处 187孔简支箱梁等个别路段相对集中外,其他路段桥梁分散分布。桥隧座数多且桥隧交错分布是本线的突出特点。合理选择 1830孔双线简支箱梁的施工方案是本线设计、施工面临的关键问题之一。

3.2 南广线常用梁型选型方案定性分析

客运专线常用跨度梁通常选用整体性较好的箱形结构,但南广线桥隧相连地段较多,一般条件下隧道净空不能满足整孔箱梁运输条件,针对南广线特点,对可能的方案进行分析、比选,以确定适合南广线桥隧相连地段的梁型结构。对于山区铁路,桥隧相连地段的桥梁结构类型主要有以下几种方案。

(1)增加梁部预制场布点,避免整孔箱梁运输过隧道;

(2)加大隧道断面,满足整孔箱梁运输的净宽要求;

(3)梁部采取现浇法施工;

(4)梁部采用组合式箱梁,替代整孔箱梁;

(5)梁部采用多片式箱梁或者多片式 T梁,替代整孔箱梁;

(6)割除整孔箱梁部分翼缘板。

以上方案主要特点如下。

(1)增加制存梁场,避免梁部运输

南广线若完全避免梁部运输过隧道,需要设置众多座梁场,梁场布置密度太大,不经济,不可行。

(2)加大隧道断面方案

通过加大隧道断面,满足整孔箱梁运输净宽要求。以 32m整孔箱梁为例,顶翼缘板宽度 12.2m,梁高 3.0 m;运梁平板车为 DFM 900t运梁车,高度2.2m,运输整孔箱梁的控制高度为 5.3m。平板车走行面位于设计轨面下 0.7m。箱梁翼缘板已达到隧道限界。参考类似工程,翼缘板边缘与隧洞壁间安全距离按 0.3 m考虑。满足整孔箱梁通过的隧洞断面需进行扩大。

采用加大隧道断面方案,可以增加采用整孔箱梁,桥梁结构形式简洁,具有整体性能好、刚度大、建成后的养护维修费用少、耐久性好等特点。特别是山区铁路,桥墩较高,避免了现浇支架施工的临时支架费用;梁部施工可与墩台施工同步进行,架设后桥位工程量少,便于质量控制和工期控制。但需要综合分析扩孔隧道的技术、工期、经济合理性。

(3)梁部采取现浇施工

满堂支架法因支架用量大,工程费用高,现场施工差异大,整体质量控制难度大,不宜作为主要施工方案。

移动模架法具有重复使用、便于标准化施工等优点,随着重复使用次数增加,施工成本可以适当降低。但是,移动支架法的施工特点是逐跨成桥,施工速度慢,工期长,还受到可利用设备数量的限制。

考虑梁部现浇施工的经济性、工程质量、施工速度等因素与预制架设法的差异,只有在孤桥、野桥等个别情况下,采取现浇施工。

(4)梁部采用双片式箱梁(组合箱梁)

采用组合箱梁可有效解决箱梁运输通过隧道问题,组合前的单线箱梁具有尺寸小,质量轻,便于运输、架设的优点,但其有如下不足。

组合式箱梁较整孔箱梁圬工量增加 10%左右(32 m整孔箱梁梁体混凝土 310.6m3,32m组合箱梁梁体混凝土 341.84m3)。

组合式箱梁整体性、刚度不如整孔箱梁。

墩台圬工量增加,继而基础的工程量也要增加,经设计比较,相同情况下组合式箱梁的桥墩比整孔箱梁的桥墩增加圬工量 6%～15%。

组合式箱梁梁片数是整孔箱梁的 2倍,运架时间成倍增加。

组合式箱梁架设以后,现场需要浇筑桥面湿接头和横隔板,增加了施工工序、成本和工期。

组合式箱梁架设设备难以与整孔箱梁架设设备通用。

(5)梁部采用多片式箱梁、T梁

多片式箱梁、T梁采取分片预制,架设后现浇整体桥面及刚度很大的端隔板,或者采用横向预应力将桥面、横隔板联成整体,以保证桥梁具有足够的整体性和横向刚度。

采用多片式箱梁、T梁与双片式箱梁类似,桥梁的高速走行性、经济性、施工便利性均不如采用整孔箱梁,不适合线上大量采用。另外,在整体桥面施工完成之前,桥上不能通行大吨位运梁车,施工进度慢。

(6)割除整孔箱梁部分翼缘板

割除整孔箱梁部分翼缘板,满足过隧道的净宽要求,待箱梁运输、架设就位后,再将缺少的翼缘板补上。

该方案的特点是箱梁外形尺寸及墩台尺寸均与整孔箱梁一致,不需扩大隧道断面,但桥位施工工程量大,同时,翼缘板接缝处结构处于受拉区,需采取可靠措施保证后浇筑的悬臂板与主体之间的可靠连接,满足强度和耐久性要求。

前述 6个方案,综合分析结构受力、工程造价、工程质量、施工速度等方面因素,当通过隧道运输的箱梁较多,而需要扩孔拓宽的隧道少时,采用增大隧道断面的方案优势较为明显。具体采用何种桥梁梁型方案及施工方案,针对上述“加大隧道断面,满足整孔箱梁运输的净宽要求”、“梁部采取现浇法施工”、“梁部采用组合式箱梁替代整孔箱梁”方案,结合南广铁路各桥隧段落的具体情况,进行综合分析,然后确定。

3.3 简支箱梁施工方案比较的基础数据

(1)双线箱梁运输轮廓与双线单洞隧道标准衬砌断面关系见图1。

图1 南广铁路双线箱梁运输轮廓与隧道标准断面关系(单位:cm)

①双线整孔箱梁运输通过隧道,双线梁翼缘板宽度 12.2 cm,考虑接触网支柱基础预留钢筋接头,双线梁翼缘板宽度按 12.3m控制。

②箱梁高度为 3m,运梁车高度(地面到梁底)按2.2m考虑。另外需要考虑箱梁上拱度影响(按 10 cm考虑),双线整孔箱梁运输通过隧道的控制高度则为5.3m。

③双线整孔箱梁运输通过隧道时,相关隧道仰拱填充混凝土先填至 7.5m宽左右(运梁车宽度 6.3 m),方便行车,其他绝大部分仰拱填充混凝土待架完梁后浇筑。

④按照上述基础数据比照运梁轮廓与隧道标准断面的关系,隧道标准断面对应翼缘板位置的内净空宽度为 12.5m,建议加宽 40 cm,使对应翼缘板位置的内净空宽度达到 12.9m。运梁时,翼缘板左右两侧空隙在 20～30 cm(不另考虑隧道曲线因素)。

⑤对应隧道加宽 40 cm,每米隧道工程量增加见表1。

(2)经分析测算,有关参考经济指标见表2。

双线整孔箱梁通过隧道时,按隧道拓宽 0.4m测算。隧道因扩孔增加费用 0.2万元/m。

表1 标准隧道断面与加宽 40 cm隧道断面每米工程量比较

表2 参考经济指标

(3)架桥机、运梁车设备差异

针对预制梁方案,经分析,架桥机作业能力不控制南广铁路桥梁工程施工工期。

3.5m高运梁车、2.1m高运梁车及其配套架桥机设备购制费用差别不大(差别在 100万元/台左右)。以下比较时略去该因素差异。车体较矮的 DFM900t运梁车在国内桥梁工程中已有应用。

(4)简支箱梁施工方案选择原则

结合南广铁路工程条件及初步设计专家审查意见,制订简支箱梁施工方案比选原则如下。

①尽量多地集中预制梁,以集中预制为主,以现场浇筑为辅;

②有条件时,尽量多集中预制箱梁;

③经济效益明显时才考虑隧道扩孔方案,尽量少进行或不进行隧道扩孔。

④集中制梁场充分利用新建铁路站坪设置,合理减少占地。

⑤针对项目中的具体段落进行安全、技术、经济综合比较。

3.4 简支箱梁施工方案的分段比较

分析南广铁路桥隧分布,具体分段比较如下。

(1)DK123～DK176

该段桥梁相对集中,共 45座 14 576.45m,429孔简支箱梁,期间分布短隧道 10座 2 629 m。其中DK144～DK172间 272孔比较集中,利用 DK153附近的平南车站站坪梁场,有利于预制整孔箱梁需要。梁场位置经济、合理,且具有相当规模(表3)。

表3 DK 123～DK176简支箱梁施工方案

本段桥梁较多,平南站站坪场地开阔,可以较好地提供制存梁场地,应以预制为主。放弃满布支架现浇方案和需要多套移动模架的现浇方案。所以,该段落推荐预制整孔梁施工方案,对9座 1859m隧道扩孔运梁。

DK128～DK176段的 422孔箱梁采用DK153平南站梁场集中预制。供梁段落长度 48km。

(2)DK180～DK201段(表4)

DK180～DK201段有桥梁 8 163.83m/34座,简支箱梁 234孔,中间分散着 7座隧道 1 808m,本段落沿线全部是起伏跌宕的丘陵地形。选择 DK191处山坡设置预制梁场。该处不占良田,交通条件方便,地质条件相对较好。

虽然桥梁与隧道交叉分布频繁,桥梁集中程度偏低,但是整孔预制方案明显经济合理,所以,该段落推荐预制整孔梁施工方案,对 7座 1 808 m隧道扩孔运梁。

DK180～DK201的234孔简支箱梁在DK191梁场集中预制。

(3)DK207～DK228

DK207～DK228段的桥梁 4 232.33m/13座,简支箱梁 119孔,被 DK 210处 965m的石岭顶隧道分隔为28孔和 91孔。DK 212处的藤县站站坪可以提供小型制梁场条件。从工期控制有利、施工方便、梁场规模和经济性几方面综合考虑,集中预制 91孔整体箱梁方便 、有利 。

表4 DK 180～DK201简支箱梁施工方案

DK207～DK209的 28孔简支梁规模过小,不足以支撑 1套组合箱梁模板等设施,965 m的石岭顶隧道较长,不考虑隧道扩孔。对应 28孔梁,配备 1套移动模架比较合适。

所以,本段 DK211～DK228段的 91孔箱梁采用DK212藤县站梁场集中预制整孔箱梁。

(4)DK232～DK252(表5)

DK232～DK252段桥梁 9 643.43m/22座,简支箱梁 279孔。中间分散着 12座隧道 2 626m。该段落桥梁高度较高,接近 30m。

DK236～DK245段是本段落中桥梁最集中处,有8座桥 130孔简支箱梁,选择 DK237处梧州南站站坪设置预制梁场,可以节约用地。

DK232～DK235段 4座桥 51孔简支箱梁,被长度分别为 439m/1座、195m/1座、524m/2座的隧道分成 3组,分别是 11孔、37孔、3孔。如因预制 51孔整孔箱梁需要对 4座 1 158m隧道扩孔运梁,涉及面过宽,对以浅埋、偏压等为主的短隧道施工安全不利,运梁却不多。如采用组合梁,则因上小河特大桥桥高、水阔而增加费用较多。从经济性、方便性两方面比较,该51孔梁选择移动模架现浇施工。

DK236～DK251段 7座桥 98孔简支箱梁,被长度分别为 544m/3座、592m/3座的隧道分成 2组,分别是 76孔 、22孔。

表5 DK 232～DK252简支箱梁施工方案

对应 DK236～DK249间的 76孔简支梁,一方面,比组合梁方案和满布支架方案便宜,也比移动模架稍便宜。另一方面,可以充分利用梧州南站梁场设施,提高梁场的规模效益,少使用 2台移动模架。从经济性、方便性两方面比较,建议对燕子山 1、2、3号隧道适当扩孔,充分利用梧州南站梁场,多制整孔箱梁。需要扩孔的 3座隧道短而集中,影响面较小。

对应 DK 250～DK252间的 22孔简支梁,配备 1套移动模架比较合适。

DK236～DK249间的 206箱梁采用 DK237处梁场集中预制。

(5)DK396～DK403

该段落只有凤凰特大桥6 754.17m,简支箱梁 187孔。受敏感环境因素等影响,该桥附近线路外难以设置制梁场。利用桥头东端 DK405附近单线路基段设置制梁场地集中预制简支箱梁,可以合理利用本项目红线内土地。凤凰特大桥包含 4联连续梁,相应连续梁需要满足桥上运梁。

(6)DK262～DK382

该段落特、大、中桥 20 338.29 m/60座,简支箱梁539孔。该段内桥梁与92 263m隧道/60座交错分布,隧道多且长,桥梁最集中处 59孔简支箱梁,规模过小,不适合设置集中制梁场。所以,该段落内简支箱梁全部现浇。采用 13套移动模架施工相对集中处的简支箱梁 419孔。其他相对分散的 120孔简支箱梁主要采用满布支架施工。

3.5 桂平至肇庆东段简支箱梁施工方案(表6)

桂平至肇庆东段全线共需要使用移动模架 18套。

4 研究结果应用

本专题研究包括了铺轨方案、桥梁施工方案和相关隧道施工方案,重点在于桥梁设计施工方案。基于本专题研究的铺轨、桥梁、隧道工程施工方案已经应用在南广铁路初步设计之中,且获得初步设计审查认可。南广铁路公司筹备组编制《新建铁路南宁至广州线站前工程招标指导性施工组织设计》时,在进一步沟通、分析之后,基本沿用了相关初步设计内容。本专题研究的思路对同类项目具有一定的借鉴意义。

南广铁路开工之后,我们将继续跟踪现场施工方案,继续补充、完善研究结果应用方面的内容。

[1] 中铁工设计咨询集团有限公司.新建铁路南宁至广州线可行性研究报告[R].北京:2007.

[2] 中铁工设计咨询集团有限公司.新建铁路南宁至广州线桂平至肇庆北段初步设计[R].北京:2008.

[3] 李新月.武广客运专线云岭梁场规划、设计与施工组织管理[J].铁道标准设计,2008(6).

[4] 王怀海.客运专线 900 t双线箱梁运架设备研究[J].安徽建筑,2006(3).

[5] 杨先凤.客运专线预应力混凝土箱梁浇筑施工技术[J].铁道标准设计,2008(6).