大吨位预应力混凝土箱梁跨密集型铁路站场顶推施工技术

贾建平

(中铁十七局集团第二工程有限公司，西安 710043)

1 工程概况

石环公路307国道东互通立交位于石家庄市裕华区小西帐村北,由南向北依次跨越307国道、石德铁路良村车站、307国道复线、石津灌溉渠。其中主桥为跨度102 m两幅并列的哑铃形钢管混凝土系杆拱桥,系梁为单箱三室预应力钢筋混凝土箱梁,主桥全宽49 m,每幅系梁位于R=6 000 m的竖曲线上,双向横坡,梁高为263～301.4 cm,单幅宽为2 430 cm,总体布置见图1。

图2 系杆拱桥与铁路交叉关系(单位：cm)

图1 石环公路307东互通立交系杆拱桥桥型布置(单位：cm)

该系杆拱桥一跨跨越石德线良村车站站场,从南向北依次是2条到发线、石德铁路Ⅰ线、石德铁路Ⅱ线、3条到发线和1条货物线,共计8股道,股道间最大间距7.55 m,最小间距5.0 m,主桥和石德铁路斜交79°。石德铁路主要通行货物列车,车流密集,平均行车间隔时间10 min。主桥和石德线的交叉关系如图2所示。

2 总体施工方案的确定

由于本桥系杆拱跨越运输繁忙的石德铁路,根据铁路部门的意见,施工时要求快速跨越铁路,且不能在铁路上方有现浇混凝土作业,总体施工方案主要围绕“跨越铁路、必须保证既有线安全”和“质量大、荷载集中的顶推结构顺利完成施工”这两个核心问题来展开,经比选最后确定采用顶推法施工,并就顶推方法、工艺等进行比选,确定最佳方案。

2.1 “带拱”顶推和“不带拱”顶推的比选

“带拱”顶推是指系梁、钢管拱、吊杆全部完成后,临时固接钢管拱并部分张拉吊杆,然后顶推。“带拱”顶推方案优点是拱肋拼装等大部分上部结构施工在铁路限界外完成,更有利于行车安全。缺点有：首先从受力角度分析,在顶推之前,钢管拱拱肋不能合龙,且吊杆不能张拉到位,顶推过程中由于系梁的竖向变形,会导致吊杆对拱肋的拉力不断变化,拱肋及系梁受力较为复杂；再者顶推重力大(为80 300 kN),施工难度加大,安全隐患增大；另外系杆拱顶推前施工周期长,占用引桥施工场地,对整体工程工期影响大。

“不带拱”顶推是指先将系梁预制完成后顶推到位,然后在系梁上面拼装拱肋。采用此方案,顶推重力小(为78 000 kN),另外,顶推结构简单,受力明确。系梁顶推到位后,钢管拱拱肋节段拼装、焊接等工作均在混凝土系梁这一大的工作平台上完成,对铁路运营影响甚小。

经过综合比较,确定采用“不带拱”顶推方案。

2.2 原位顶推和高位顶推后落梁的确定

系梁顶推时在竖向位置的比选可以有高位顶推和原位顶推两种,高位顶推是指在支座安装好后再进行顶推,到位后再落梁到位；原位顶推则是先进行系梁顶推到位后再安装支座。根据工艺比选及结构计算,确定采用原位顶推,到位后在系梁边支点15号、16号墩处将系梁单独顶起(起顶高度控制在20 mm),起顶力不大且系梁未出现拉应力。

2.3 顶推方法的确定

顶推方法设计为“拉肚皮”法,即在临时墩和永久墩上布置多点顶推千斤顶,在梁底设置拉锚器,采用钢绞线连接拉锚器和千斤顶,通过千斤顶施加牵引力顶推系梁向前移动。根据主墩和临时墩与既有线的位置关系布置千斤顶,避免了顶推钢绞线跨越铁路,保证了铁路安全。

2.4 顶推滑道布置形式的确定

由于系梁为单箱三室预应力混凝土箱梁,横向宽度达24.3 m,在方案选择上比较了“两滑道”和“四滑道”两种布置形式。“两滑道”方案是将滑道布置在最外侧两个腹板,“四滑道”是在每道腹板下设滑道。“两滑道”方案使系梁横向成为一简支体系,受力明确,滑道顶高程控制精度要求低。但分别对“两滑道”和“四滑道”方案进行结构分析计算后,发现“两滑道”方案要求导梁刚度很大、与系梁联结处理难度很大,滑道下支撑反力也很大,临时墩及永久墩基础全部需要加倍处理,投入大,不如“四滑道”经济。最后确定采用“四滑道”方案。

3 顶推总体布置

3.1 顶推跨度

由于施工场地限制系梁在12号～15号墩之间预制平台上预制,预制完成后顶推到15号～16号墩,顶推总长102 m,而15号～16号墩之间跨度达100 m,跨度太大系梁满足不了顶推要求,因此根据石德铁路良村车站站场内轨道的实际情况增设4个临时墩(图3),即临1号、临2号、临3号、临4号墩；另外系梁在12号～15号桥墩之间预制,因地制宜在12号、13号、14号、15号、16号墩(而原有的12号、13号、16号墩不能或不完全能安装滑道,为了节省投资,经过必要的改造)设置滑道(图4)；同时石德铁路良村车站站场内轨道间距以及与系梁成89°的交角限制从而使本桥的顶推跨度实际变为：

右幅 32 m+35.5 m+32.68 m+13.14 m+25.12 m+19.66 m+15.21 m+27.36 m；

左幅 35.5 m+32 m+32.68 m+17.52 m+25.12 m+19.66 m+15.21 m+23.18 m。

图3 石德铁路良村车站站场内桥墩布置

图4 系梁预制及桥墩布置

3.2 前后双导梁结构

在顶推过程中前、后悬臂最大长度分别为26.83、35.5 m,采用前后双导梁结构进行顶推。

3.3 千斤顶布置形式

预制台位设在西侧,顶推方向由西向东,两幅分条顶推,按施工顺序,先右幅后左幅每幅最终顶推总重力达78 000 kN,按静摩擦系数0.1计,全桥布置8台1 000 kN连续顶推千斤顶,采用分级调压、集中控制技术,确保桥墩承受水平力在设计容许范围内。顶推初期14号墩安装2台千斤顶、15号墩安装四台千斤顶、临1号墩安装2台千斤顶,后期14号墩倒换到临3号墩、15号墩倒换到16号墩。

3.4 顶推姿态

由于本桥梁底位于R=6 000 m的竖曲线上,因此浇筑系梁及滑道高程、钢导梁必须同处于一圆弧竖曲线上,这样顶推箱梁的姿态始终处于R=6 000 m的竖曲线上。

4 顶推体系

桥梁顶推作业包括箱梁预制、临时墩安装、滑道安装、导梁及限位装置安装等,而顶推体系的施工是最关键的施工环节,其主要由滑道体系、牵引体系、位控体系组成。

4.1 滑道体系

顶推滑道体系由临时墩、滑道板和聚四氟乙烯滑块组成。滑道安装是顶推施工的关键环节,制作和安装精度要求很高,必须精心施工、精心测量,其位置的精度将影响顶推施工的安全。

由于主墩之间跨度太大，箱梁不能满足顶推要求,因此在主跨内根据铁路车站站场内铁路轨道的实际情况增设临时墩。为提高临时墩的稳定性,临时墩采用桩基础、钢管墩柱,防止临时墩在箱梁顶推过程中产生较大的水平位移,以满足箱梁顶推的要求。

在临时墩和永久墩上均采用单滑道板形式,滑道板由3 cm厚钢板制成,钢板表面包裹3 mm厚不锈钢板,将滑道板焊接固定在垫梁上,为便于喂入滑块和滑块从前端滑出时能重复利用,滑道两端设置成弧线形状。这种形式的滑道能在工厂批量精确加工,很好地承受各向作用力,而且高程容易控制,拆除也非常方便。滑块采用国产聚四氟乙烯滑块,为减小顶推摩擦因数,在滑块表面涂上耐久、耐摩擦的硅脂油。

4.2 牵引体系

牵引体系采用自动连续同步顶推系统,牵引索连接千斤顶和拉锚器,形成水平方向的拉力。顶推牵引体系由连续千斤顶、千斤顶反力装置、牵引索和拉锚器组成。

4.2.1 千斤顶及反力装置

千斤顶采用ZLD100连续千斤顶,试顶时布置10台(使用8台,备用2台),正式顶推时布置8台。由于是多点顶推,则根据千斤顶布置情况，其反力装置分别作用在临时墩、永久墩上。

4.2.2 拉锚器

根据顶推要求,拉锚器分插入式和锚固式2种。插入式用2[40型钢焊接而成,简单、易操作,用于箱梁无腹板处,顶底板同时受力,旨在避免只用底板受力易把拉锚孔前侧混凝土压坏的质量通病。锚固式直接锚固在箱梁的横隔板、腹板处,用精轧螺纹钢锚固。

4.2.3 牵引索

牵引索采用φ15.24、强度为1 860 MPa钢绞线。安装时,钢绞线的一端逐根从千斤顶的尾部向千斤顶的前部穿入,另一端对称地穿入拉锚器的锥孔,为防止钢绞线扭转,便于穿索,先用梳线板导向梳理。所用的钢绞线必须是左、右旋向2种搭配使用,以免使用同一旋向钢绞线而引起千斤顶活塞旋转,造成设备损坏。钢绞线安装完毕后,用YDC240Q千斤顶进行单根预紧,预紧力控制在1 MPa(约50 kN),最后用顶推千斤顶进行整体预紧。

4.3 位控体系

在顶推过程中和顶推到位后,为防止箱梁在顶推过程中出现过大的偏斜,在每个临时墩左右侧安装侧向限位装置,限制箱梁的横向移动。施工采用的是丝杆式侧向限位装置,分别布置在每墩系梁两侧对称安装。顶推过程中,发现梁体有少量偏移时,可随时通过两侧限位器的调节丝杆进行纠偏。顶推到位后,为防止梁体前后再次移动,在梁体的前后端设置挡块；为防止梁体横向偏位,利用安装在梁体两侧的限位装置与箱梁顶紧。

4.4 顶推施工

对ZLD100系统联机调试,检测装置正常工作。开通电源、主控台、液压站、千斤顶,使梁体不断向前运行,在梁体前进的同时,各墩顶不断地将滑块从滑道后端喂入,由于施工的需要,中间需要倒顶或倒换拉锚器。

滑动时梁体匀速向前移动的条件是

∑Hi=∑fiNi

式中Hi——各顶推千斤顶的顶推力；

Ni——各支点的支反力；

fi——各支点顶推动摩擦系数。

为防止梁体在顶推过程中发生开裂,采取了如下措施。

(1)提高滑道的制作精度,严格控制滑道高程。

(2)在箱梁前后端设置钢导梁,用精轧螺纹钢加强钢导梁与箱梁的连接,改善箱梁前后端的受力状态。

(3)高标准严格控制梁体制作质量,确保混凝土的各项指标(特别是强度和弹性模量)和施工质量符合要求。

(4)系梁预制前,对支架进行预压,消除支架的非弹性变形,取得支架的弹性变形值,精确控制梁底高程,提高模板制作精度,提高梁底平整度。底模脱离梁底后,设专人负责箱梁底板的修整、打磨。

(5)采用四滑道顶推,准备多种规格的四氟滑块和薄钢板,顶推时根据需要四氟滑块和钢板配合使用,以防止梁底不均匀受力使梁体开裂。

4.5 落梁、更换支座

箱梁顶推到位后,15号、16号主墩由于滑道和永久支座位置重叠,需先在主墩处将梁单独顶起(每次起顶高度控制在10 mm以内,起顶高度≤20 mm),每墩用2台4 500 kN千斤顶顶起取出滑道板,可充分保证顶升力。起顶时及时将预先拼装好的新保险支墩放置在桥墩外侧,修整好支承垫石并放好永久支座即可。

5 结语

本桥顶推距离达102 m、顶推重力达78 000 kN,体积大(顶推宽度24.3 m)、结构比较复杂(系梁位于R=6 000 m的竖曲线上)。采用多点原位顶推施工技术,占用场地少,工艺先进,方便操作,工期短,节省投资,具有很好的社会效益和经济效益,很好地解决了上跨桥梁施工对繁忙的铁路运输的干扰问题,将对今后类似的工程提供良好的借鉴作用。该桥已于2008年年底建成通车。

[1]中华人民共和国交通部.JTJ041—89 公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，1991.

[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥发展综述[J].桥梁建设,1997(2).

[3]陈永宏.平胜大桥自锚式悬索桥钢箱梁顶推施工[J].桥梁建设,2006(S1).

[4]刘惠忠.浅谈钢筋混凝土连续梁桥梁顶升施工[J].中国水运,2009(1).

[5]曹小林,张志军,蓝戊已,张准胜.顶推法移植古樟树施工技术[J].施工技术,2003(5).

[6]王守明.桥梁工程中桥梁顶推的施工技术探讨[J].城市建设，2010(S1).

[7]王宪新.论桥梁箱梁顶推法施工原理及其施工工艺[J].黑龙江科技信息,2009(12).

[8]张晓东.桥梁顶推施工技术[J].公路,2003(9).

[9]田海英.探讨桥梁顶推施工技术[J].广东科技,2009(4).

[10]马华茂，张丽君.京山桥钢箱梁顶推施工技术[J].铁道标准设计，2008(5)：52-53.

[11]康 强.燕山大学斜拉桥30 m箱梁顶推施工技术[J].铁道标准设计，2009(3)：70-71.

[12]蔡享继.特大桥箱梁结构顶推法施工技术探讨[J].中国新技术新产品,2009(2).