大跨度钢管拱桥顶推施工技术

刘 瑞

(中铁十八局集团 第五工程有限公司, 天津 300350)

1 工程概况

本项目位于河北省衡水市榕花大街。设计起点为既有大庆路，从北往南依次与既有京九铁路、石德铁路、站前路交叉，终点接于既有和平路。主线路线总长为1133.741m。主线高架桥总长度625.7m，桥宽25m、28m，孔跨布置：3-3x30m连续箱梁+1-80m钢管混凝土拱桥+3-3x30m连续箱梁，主桥采用顶推法施工，顶推段长58m，梁体重4300t(含护栏)，顶推距离90m，轨迹为直线，无坡度，顶推就位后两端为原位现浇，现浇段长度均为10.9m，再进行拱肋施工。

2 方案选定

衡水市榕花大街高架桥工程跨越六股铁路，新建桥梁周围全是住宅楼，施工场地狭小。本工程如果选择转体法施工，顺铁路方向预制转体梁，周围居民楼必须拆迁，拆迁费用太高，因此我们考虑采用顶推法施工。

常规的顶推施工是将80m箱梁直接顶推跨越铁路后落梁，顶推段现浇梁预制须要占用相邻桥梁施工场地，会影响主桥两侧引桥现浇梁施工，整体工期将会增加。如采用80m整体一次顶推就位，顶推重量很大，增加了顶推控制难度。在查阅国内外该领域发展现状及最新技术后，确定采用大跨度钢管拱桥顶推施工技术。

大跨度钢管拱桥顶推施工，将跨径80m箱梁分为三段(顶推段58m、两后浇段各10.9m)，将58m顶推段顶推至铁路两边临时墩后拆除导梁，进行两端后浇段施工，后浇段完成后在梁体上进行钢管拱拱肋安装及吊索张拉。通过该方法施工，既解决了跨度大的难题，又减小了顶推重量，缩短了工期。

3 施工特点

(1)研发形成桥位支架分段现浇箱梁、设置前导梁及墩旁反力支架、连续作用千斤顶拖拉顶推技术，确保了运营线行车安全。

(2)研究确定的混凝土箱梁现浇中段顶推长度，一次顶推跨越运营线，无需落梁。兼顾两边段与拱脚混凝土整体现浇，保证了设计施工质量，具有创新性。

(3)通过滑块限位、导向纠偏装置、顶推千斤顶顶力纠偏方式纠偏以上三种种限位纠偏方式，确保了梁体就位精度。

(4)通过大跨度钢管拱桥分段施工，减少了顶推重量，缩短了顶推段现浇梁占用相邻现浇段时间，从而缩短了整体工期，增加了碗扣支架、模板、方木的周转次数，节省了资金。

4 工艺原理

大跨度钢管拱桥顶推施工，将箱梁分为三段(顶推段为58m、两后浇段各为11m)，先将58m顶推段顶推至铁路两边临时墩上后拆除导梁，再进行两端后浇段施工，最后在80m梁体上安装钢管拱拱肋及吊杆张拉。

顶推法施工原理是顶推段箱梁通过滑块作用于支撑墩上进行预制，由墩身传至承台和桩基上。待箱梁主体施工完毕，进行纵向预应力筋张拉后，通过水平千斤顶施力，借助滑道(钢箱)、滑块(由橡胶、薄钢板、聚四氟乙烯板组成)滑动装置，克服滑块与滑道之间的摩擦来达到梁体向前顶推[1]，顶推过程中对顶推段位置进行跟踪观测，利用导向纠偏装置对顶推梁体位置进行限制及纠偏，准确就位后58m箱梁支撑于铁路两侧临时钢墩柱上。

顶推就位后采用满堂支架法现浇两侧各10.9m后浇段，并与支座连接完成80m箱梁预制。后浇段完成后进行拱脚施工和拱肋安装，钢管拱肋通过搭设在80m箱梁顶面的支架采用分段拼装，管内混凝土采用泵送顶升压注施工，由两拱脚至拱顶对称均衡地连续压注完成。吊杆张拉采用应力控制、应变校核方法张拉，张拉完成后进行桥面系施工[2]，拆除铁路两侧临时钢墩柱后对吊索进行一次调整，使其满足成桥后吊索应力要求。至此，80m钢管拱桥完成。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

图1 大跨度钢管拱桥顶推施工工艺流程图

5.2 操作要点

5.2.1 支撑系统施工

桥梁顶推支撑墩共9组，其中2组混凝土主墩，7组钢管临时墩。主墩与临时墩之间间距分别为15m、15m、15m、15m、15.65m、14.35m、150m、14.35m，墩柱最大跨度为50m。支撑系统布置图如图2所示。

图2 临时墩布置立面图

临时墩基础采用8根直径1.2m的钻孔灌注桩，深度为15m-50m，临时承台采用2m厚混凝土结构。L1#-L3#临时墩采用4根(Φ800×12mm)钢管连接而成，7#、8#、L4#、L5#临时墩采用4根(Φ800×16mm)钢管锚固在承台预埋钢板上，墩顶铺设一层3cm钢板与立柱焊接，作为滑道基础平台。为了确保各排临时墩稳定，纵向采用4根(φ406×8mm)钢管联成一体，横向采用4根(φ406×8mm)钢管联成一体。

5.2.2 滑动系统控制

顶推段在L1#～L3#墩上搭设满堂支架预制，地基利用既有路面。腹板及横梁处支架间距0.3×0.3m，翼板范围内间距为0.6×0.9m，其它部位支架间距0.6×0.6m，横杆竖向步距均为1.2m。58m现浇梁支架全断面进行预压，预压重量为1.2倍箱梁自重。为减少顶推过程中的水平阻力，箱梁预制时底板铺设标高需严格控制，要求箱梁底板高程符合设计要求且相对高差小于5mm。

图3 58m顶推箱梁预制图

本工程滑道采用点式滑道，分别在7#、8#、9#永久墩，L1#～L5#墩共布。

设8组滑道，每个墩上对称布置两条滑道，全桥共16块滑道。滑道安装标高严格控制，单个滑道安装标高控制在1mm以内，同墩两滑道标高差控制在2mm以内。滑块续放间距不超过5cm，四氟乙烯面和不锈钢板接触面之间涂抹硅脂润滑剂以减少顶推摩阻力，保证静摩擦系数≤0.08，动摩擦系数≤0.045。现场备用部分薄厚不一钢板(2mm、3mm、5mm)防止滑块与梁底脱空。

顶推过程中滑道上满铺滑块，滑块采用橡胶、钢板和一层2mm聚四氟乙烯板(F4)压制而成，总厚度为30mm，尺寸为99×50×3cm，抗压强度不小于20MPa。

5.2.3 顶推导梁安装技术

为保证箱梁顶推过程中的结构安全，在顶推段前进方向设置了长36m的导梁，导梁前端设置于L4#墩上。跨越铁路时混凝土梁最大悬臂仅为14m，根据计算结构受力满足要求[3]。

导梁长36m，由4段组成，预埋段A段(长3.2+6m)、B段(长10m)、C段(长10m)、D段(长10m)，顶、底板、腹板均为Q345D钢板。高度由3.3m变化为1.5m，上下翼缘宽度由1.5变化为0.8m，上下翼缘钢板厚度由50mm变化为28mm，两腹板厚度由40mm变化为24mm。各节段间对接采用10.9级M30高强螺栓,预拉力为360KN。两片导梁腹板通过钢管横联形成一体。加工选用有资质的专业加工厂制作，并在加工场内进行试拼装。导梁安装完成后张拉锚固预应力钢绞线。

为检验钢导梁与主梁连接强度，避免在正式顶推过程中，因导梁与主梁连接处强度不够导致连接处拉应力过大造成连接处混凝土开裂，无法顶推，影响铁路行车安全。本工程在正式顶推前模拟顶推最大悬臂状态对导梁进行预顶试验来检验出导梁自身强度及钢混结合部位强度。顶推前对导梁进行荷载试验，经计算，当箱梁前端至5#临时墩前14m时，箱梁与导梁接缝处受力最大，每片导梁的弯矩为53500KN/m[3]。导梁安装完成后，在距箱梁与导梁接缝20m处(9#墩上)采用400t千斤顶向上顶升。单侧导梁达到最大正弯矩顶力为53500/20=2675KN，同时，需克服导梁自重为800KN，总顶升力为3475KN。试顶力应逐级加载，在克服自重后，加载应先加预顶力的50%，然后按预顶力的10%逐级加载，并对导梁与混凝土连接处及导梁自身应力应变进行实时监测监控，避免发生异常现象。在顶推过程中导梁最大挠度设计值为14.9cm，导梁荷载试验测定的挠度为15.1cm。

5.2.4 导向纠偏技术

顶推就位精度允许偏差要求为10mm，本工程主要采取以下几种纠偏措施：

(1)滑块挡块限位

利用设置在滑道与滑块外侧的限位挡进行箱梁限位，滑块续放时贴近限位挡块续放，通过限制滑块偏移来进行梁体运动轨迹限位。

(2)限位滚轮限位及纠偏

利用布设在箱梁边腹板两侧的共4组限位导向装置进行箱梁顶推过程限位及纠偏，导向限位装置安装时与梁体保留1cm～2cm空隙，顶推过程中梁体发生偏位时利用油泵控制滑轮与梁体间隙进行纠偏。

(3)千斤顶顶力纠偏

利用2台连续顶推千斤顶顶力大小调整来实现梁体纠偏，顶推过程中，通过调整千斤顶顶力进行纠偏，如梁体往东侧偏移，则适当增大东侧千斤顶顶力，如梁体往西侧偏移，则适当增大西侧千斤顶顶力，通过以上方式同样可起到调整梁体位置的作用。

5.2.5 顶推施工

(1)顶推动力系统

本工程顶推选用2台ZLD300连续千斤顶、配套泵站系统及1套连续顶推自动控制系统，ZLD300连续顶推千斤顶安装在L4#墩位处的反力墩上，每个千斤顶通过19根Φ15.24mm钢绞线与梁尾端的拉锚器相连共同组成牵引系统，牵引索安装时逐根使用25t千斤顶施加3KN左右力预紧，保证均匀受力。

(2)试顶推

顶推段运行距离为90m，顶推重量为4300吨。正式顶推前需进行试顶推，试顶距离为4m。试顶上记录相关参数，并与理论参数进行对比，同时调整顶推相关参数。试顶记录数据如下：

1)顶推力大小(初始、正常运行、停止后再启动)、顶推速度、顶推摩擦系数、各种设备的运转情况、结构物关键点的受力情况、顶推过程中监测等情况的记录。

2)对实际数据及时进行分析，并与计划值进行比较，如有偏差，及时作出调整，使顶推各项参数达到计划值，确保正式顶推顺利进行。

(3)正式顶推

正式顶推时封锁铁路进行顶推，顶推先采用手动模式，然后转换到自动运行同步模式，主控台操作人员利用笔记本中控台连续自动顶推系统，使2台千斤顶统一同步顶推，进行主梁的自动连续顶推。

顶推开始后，工人将从滑道前端吐出的四氟滑板，拿到滑道后端重新喂入，必须保证相邻两块四氟板间间隙小于5cm，直至顶推完成。滑板喂入时需紧贴限位挡块喂入，同时需将滑板表面杂物清理干净并随时涂刷硅脂以减少摩擦力。顶推时每个点位设专职管理观察滑板喂入及是否有脱空情况。如滑板发生脱空或无法喂入，立即更换不同厚度滑板保证梁底全部铺满滑块。顶推过程中对梁体进行实时监测，每2m报横向偏移位置，同时对梁体进行纠偏。

通过对顶推支撑系统、滑动系统、导梁安装、纠偏系统、顶推同步施工技术等关键控制点位的技术研究及运用，避免顶推施工过程中发生任何安全或质量事故，保证了铁路不间断安全运营，间接经济巨大。

大跨度钢管拱顶推施工与普通现浇箱梁顶推施工相比，现浇梁截面尺寸较小，减少了顶推重量，节省了较大的混凝土、钢材用量，符合建筑节能工程的有关要求。大跨度钢管拱顶推施工为特殊条件下的跨越铁路施工方法提供了新的思路，有利于规模化应用。

6 结语

大跨度钢管拱顶推施工比普通顶推施工提前了至少两个月的时间，为后续桥面系列施工和附属工程施工赢得了宝贵的时间。解决了桥梁引道窝工的问题，减少了社会资源的浪费，取得了良好的社会效益和经济效益，为特殊条件下的跨越铁路施工方法提供了新的思路，取得了良好的成效。同时，为大跨度钢管拱顶推施工跨越铁路线路施工提供了宝贵的施工经验，具有一定的实用和参考价值。

参考文献：

[1] 刘镇伟.在役钢管混凝土拱桥检测技术及可靠性评价方法研究[D].郑州：郑州大学，2015.

[2] 孔德同.钢管混凝土拱桥的稳定性及地震响应分析[D].西安：长安大学，2014.

[3] 王杰.钢管混凝土拱桥地震响应分析[D].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2012.

[4] 周元元.大跨度钢管混凝土拱桥稳定性影响因素研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[5] 胡丽娟.钢管混凝土拱桥维修与养护技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[6] 解恒燕，刘彪.桁架拱轻钢大棚骨架K型节点受力性能对比与分析[J].数龙江八一农垦大学学报，2016，28(05)：105-108+127.