重载铁路桥梁支座顶升更换施工技术

郑汝亮

(中国铁路昆明局集团有限公司滇中铁路建设指挥部,云南昆明 650011)

在2000 年前后施工的一些项目上,既有铁路桥梁支座病害较为常见,受当时标准、施工技术、施工质量、地质条件、投资控制和维护管理等因素的影响,致使一些铁路桥梁支座纵向位移超限。 为了确保运营的安全,需对桥梁进行限速和长期的监控量测,使得铁路生产受到较大影响[12]。

王海龙等分析了铁路桥梁支座病害产生的原因,对更换方案进行了研究[37];聂桂良等分别从支座更换过程中的梁体受力状态、桥梁支座更换的方法、桥梁支座更换的施工和监控要点三方面进行了研究[810];刘宝军等对同步顶升更换桥梁支座控制指标进行了研究[15]。 以往研究均取得了一定的成果,但对运营铁路桥梁支座更换施工技术研究较少,以下对该项施工技术进行深入研究。

1 工程概况

1.1 既有桥梁概况

大丽铁路全长161.006 km,铁路等级为国铁Ⅰ级,设计速度为120 km/h,单线电气化铁路。 2004 年12 月开工建设,2009 年9 月正式通车运营。 其中,下河村1 号特大桥(K12+560)全长523.44 m,孔跨布置为5×32 m+21×16 m 简支梁,桥梁位于R=1 200 m的圆曲线上,线路纵坡为-3‰。

1.2 病害情况及结果

2013 年间,桥下堆载及重车通行造成下河村1 号特大桥的7 ～21 号桥墩沉降及倾斜,致使支座纵向位移超限。 其中,8 号、11 号、14 号、15 号墩纵向位移量超过设计规定值(30 mm),11 号桥墩支座位移达47 mm。 对超过设计位移量的4 个墩顶支座进行了更换;对没有超过设计位移量的9 个墩顶支座进行了调整。

2013 年至2018 年6 月,该桥一直以80 km/h 的速度限速通行。 根据2015 年及2018 年的监测结果分析,支座纵向位移仍在继续发展。

2 施工方案、工艺流程与施工准备

2.1 施工方案

(1)支座更换和调整主要针对活动支座;固定支座不进行更换和调整,仅进行松动除锈处理。

(2)支座更换顶升高度:受空间限制,需整体拆除及安装支座,安装高度为“上底板螺栓伸出长度+支座高度”,顶升高度为“上底板螺栓伸出长度”。

(3)调整支座顶升高度:调整高度为“下底板螺帽取出高度”,顶升高度为“下底板螺帽高度-上下螺帽之间的间隙”。

(4)支座类型为YZM180-Z8-0.2g(见图1)。

图1 支座半顶示意(单位:mm)

2.2 施工工艺流程

支座更换分为轨道和支座两个部分进行施工,流程如图2 所示。

2.3 轨道施工准备

(1)铺设0 号桥台至21 号墩范围线路右侧步行板并固定(厚20 mm 的木板)。 施工过程中,所有材料均不得摆放在步行板上。 对7 号墩至21 号墩的护栏安装防护网,防止物体掉落。

(2)无缝线路长轨解体:①切缝距离既有轨缝不小于6.25 m;②轨缝不得与梁缝位置重合;③钢轨切缝选择在靠近需要更换支座的位置。

(3)钢轨切割及钻孔:将无缝线路解体成短轨,采用鱼尾板与短轨连接,采用冻结螺栓(10.9 级)。

2.4 桥面系施工准备

(1)防落梁拆除:先拆除螺栓,再拆除防落梁木。

图2 施工工艺流程

(2)电缆槽解体:拆除桥跨两端梁缝处电缆槽螺栓,将电缆槽盖板取下,确保电缆槽在梁体顶升过程中不受破坏。

(3)梁缝盖板拆除:对桥跨两端梁缝处进行清砟,拆除挡砟板,再拆除梁缝盖板。

(4)桥面护栏解体:拆除梁缝两端护栏螺栓,使护栏与相邻桥跨间处于分离状态。

3 施工技术参数

3.1 千斤顶选取

(1)在进行支座更换及复位施工时,采用千斤顶将一孔梁片整体顶起。

桥跨总重量:2 片T 梁2×70=140 t;

步行板3.8 t;道砟30 t;轨枕8.5 t。

钢轨:16.5×2×0.06=1.98 t;

总重量:140+3.8+30+8.5+1.98=182.28 t;

182.28×1.3=236 t=2 360 kN。

顶梁时,在梁体活动端设置2 个千斤顶;固定端直接承放在墩顶支座上。 则每端梁端的受力为N =2 360/2= 1 180 kN,则每个千斤顶的受力为N =1 180/2=590 kN。

(2)经现场实测,梁底与桥墩顶面高差最小为385 mm,支座上底板螺栓长度最大为92 mm;支撑面最窄处宽350 mm。 墩顶尺寸如图3 所示。

图3 桥墩顶面尺寸(单位:cm)

(3)千斤顶选取:参照顶力及墩顶顶面尺寸,宜采用DYG200 型号的千斤顶两台。 单台顶力为2 000 kN,千斤顶本高为360 mm,最大行程为200 mm,油缸外径为245 mm,油缸内径为200 mm。

3.2 桥墩顶帽局部承压检算

(1)相关应力参数

每个千斤顶的受力为N1=590 kN。

既有桥墩顶帽为C25 混凝土,[σc]=6.8 MPa[2]。

千斤顶外径为245 mm 的圆形,紧靠垫石布设,则底面半径为350-245/2=227.5 mm。

参照《混凝土结构设计规范》[1](GB50010—2010) 及《铁路桥涵混凝土结构设计规范》[2](TB10092—2017)计算面积,有

局部承压计算底面积Ac=3.14×(0.35-0.245÷2)2=0.162 5 m2

(2)局部承压应力检算混凝土局部承压提高系数

局部承受压应力

代入数据,有

满足设计要求。

(3)局部承压力检算[2]

fc为混凝土轴心抗压强度设计值, 取11.9 N/mm2;

满足设计要求。

3.3 梁缝缩小值检算

梁体一端顶升发生位移,则梁体另一端垂直度发生变化,导致梁缝宽度缩小。 对支座梁缝进行现场实测,顶升高度按式(4)计算,T 梁高度为2.33 m,长度为16.5 m,得出梁缝缩小值(见表1),满足设计要求。

表1 梁缝缩小值 mm

4 支座更换施工技术

4.1 支座及工料具准备

(1)支座施工前,先进行桥下排水、清淤、回填,再将新支座及千斤顶等材料设备运至桥墩下。

(2)在墩顶横桥向侧面安装一台1 t 卷扬机,使用卷扬机缓慢地将支座及千斤顶运至墩顶待用。

(3)墩台顶帽清理:清理墩台顶帽上的土石块及松散物质,用钢丝刷对顶帽支座垫石表面的沉积物、杂物进行清扫;对两跨相邻梁体之间的石渣进行清理,为T 梁顶升时缩小梁缝预留空隙。

(4)千斤顶并联:对两台千斤顶进行并联,使两台千斤顶均产生相同的油压力。 每台千斤顶分别设置控制阀,确保顶升过程中顶升高度一致。

(5)垫板准备:为了增大千斤顶接触面积,避免T梁梁肋产生过大的局部受力。 千斤顶下方采用300 mm×300 mm×20 mm(长×宽×高)的正方形钢垫板,上部采用800 mm×300 mm×20 mm(长×宽×高)的钢垫板,以扩大承压面积。

(6)临时支撑:两端空隙采用四个临时支撑(见图3)共同受力。

(7)试顶:

①试顶前对所使用的千斤顶进行校验,检查其起顶能力;检查千斤顶安装是否垂直牢固。

②检查防落梁、电缆槽、梁缝盖板、桥面护栏的状态,确保顶升过程不受外力牵扯。

③在顶升前,应检查各个位置仪表、设备、梁体的情况,发现异常时,应停止顶升并分析原因,排除问题后方能继续顶升。

4.2 切除垫石螺栓

(1)利用既有的桥墩侧面挂篮作为施工作业平台,在墩顶侧面安装水钻支架。

(2)采用直径60 mm 的水钻,由上至下进行垫石砼钻孔切割,至距螺栓20 mm 处停止,最终在1 个支座垫石上形成2 个80 mm(宽)×570 mm(长)×350 mm(高)的U 形槽。

(3)对垫石切割形成的U 形槽面进行凿毛处理,为灌浆前放入小型条形钢筋笼做好准备。

4.3 顶梁

(1)根据最长螺栓长度及作业空间确定顶梁高度(见表2)。

(2)顶升前,先在墩顶和垫石上画出既有梁体腹板外侧的投影边线,采用标尺测量两片梁体的顶升高度及横向位移,产生偏差时及时调整。

(3)顶升前,根据既有支座位置在垫石上标出支座十字交又中心线,保证落梁过程中支座的中心线与既有中心线重合。

(4)顶升过程中,应严格控制两台千斤顶的行程同步,全程采用位移传感器监测梁体顶升位移情况。若两个千斤顶的高差超过0.5 mm,必须停止顶升,并调整其高差,使两台千斤顶的行程同步。 千斤顶安放于梁体重心线位置,每台千斤顶两侧各设置2 个临时支撑(见图3)。

表2 各桥墩顶升高度 mm

(5)顶升高度为20 mm 时,设置2 个顶升行程,每一顶升行程为10 mm;顶升高度为90 mm,设置3 个顶升行程,每一顶升行程为30 mm。 顶升速度按3 mm/min 控制。 顶升过程按下列程序进行:①按预设荷载进行加载顶升;②观察仪表、设备、梁体的情况,认真做好测量工作并及时汇报测量数据;③顶升过程中发现异常情况,立即停止顶升并分析原因,排除问题后方能继续顶升;每一个顶升行程结束后,进行测量数据与理论数据的对比分析。

(6)在顶升过程中,梁体顶升到一定高度时,采用预先加工好的钢板加垫在临时支撑上,临时支撑高度为385 mm(见图3);按顶升高度加3 mm,以确保临时支撑垫片可以加入,并核查4 个临时支撑高度在同一水平面上。

(7)按3 mm/min 的速度回收千斤顶,使梁体压力转换到临时支撑上并拆除千斤顶。

4.4 支座更换与调整

(1)支座更换:切除垫石中预埋的地脚螺栓,顶升梁体88 ～92 mm(实测梁底上底板螺栓的伸出长度),拆除既有支座(顺梁体预埋螺栓下移滑出)并安放新支座(顺梁体预埋螺栓上移滑入)。

(2)支座调整:切除垫石中预埋的地脚螺栓,顶升梁体高度20 mm,调整既有支座下底板,切割U 形槽,安装新的地脚螺栓,紧固下底板螺帽。

(3)支座更换后,对新支座进行检查,确保各项指标满足规范要求。

4.5 落梁

(1)在防落梁与梁体间加塞硬木,防止梁体发生横向位移;在梁缝处加塞硬木,防止落梁时梁体发生纵向位移。

(2)落梁过程中,为确保支座位置正确,应手动打开高压油泵的回油阀,在梁体及附属重力作用下,回路及千斤顶中的液压油反向流回油箱,使梁体缓慢下落就位。

(3)落梁时,测量落梁过程中梁体的高度及横向偏差,若梁体产生横向位移,可采用10 t 千斤顶(利用防落梁)进行纠偏。

(4)梁体就位后,对支座上钢板与梁底的密贴情况、支座下钢板与垫石的密贴情况进行检查,确保支座与梁底、垫石密贴。

(5)支座各项指标检查合格后,拆除千斤顶及临时支撑等顶升设备并清理、收集相关工具。

4.6 模板封口、灌浆

(1)采用90 mm×350 mm 模板对U 形槽进行封口。

(2)灌浆

①采用CGM-320A 支座灌浆料。

②灌浆料的搅拌:按水料比1 ∶0.16(重量比)配制灌浆料,采用搅拌枪搅拌,边搅拌边逐步投料,持续搅拌2 ～3 min。 搅拌好的浆料应在25 min 内灌注完毕。

③灌浆要求:从垫石侧面灌入浆料,直至浆液溢出时停止灌浆,使浆液充满已切开的支座槽;在浆液结硬过程中应避免碰撞模板;在天窗施工时间内,应确保浆液结硬,以避免列车通行振动引起未结硬的浆液损坏。

4.7 线路、桥面系恢复,更换长钢轨、应力锁定

每处支座更换、调整施工完毕后,需对线路、桥面系及时进行恢复,检查复核相关参数是否达到验收标准。 梁缝盖板恢复后,应确保不漏砟;对施工中损坏的步行板和挡砟块进行更换。

待支座调整、复位全部结束后,需更换长钢轨,对线路进行应力放散与锁定,并恢复无缝线路轨道。

5 整治效果

该桥支座经过病害整治后,由长期限速(80 km/h)恢复到设计速度(120 km/h);经过近3 个月的运营实践,线路条件安全可控,达到了预期的效果。