京张高速铁路门式墩方案设计优化及施工技术研究

刘志如

（中铁三局集团有限公司，山西 太原030001）

随着中国高铁由“四纵四横”向“八纵八横”发展，新建铁路上跨既有铁路的交叉工程越来越多、结构形式也日益复杂。设计和施工中应综合考虑地理条件、铁路限界、桥梁结构、运营安全等因素，制订最佳技术方案，减少对既有线行车安全的影响[1-3]。目前跨越方案通常有两种，即采用大跨连续梁跨越既有线和采用门式墩结构与既有铁路交角较小跨越。门式墩因具有结构形式简单、施工周期短、投资低等优点，且上部结构可采用标准梁型，被广泛使用。

1 工程概况

新建京张高速铁路为世界上首条时速350 km/h 的智能化高速铁路，也是世界上首条最高设计时速350 km/h 的高寒、大风沙高速铁路。新保安高架特大桥全长15.05 km，为京张高速铁路全线最长的特大桥。该桥26 号墩与27 号墩在铁路里程DK117+697 处跨越既有京包铁路上行线，与既有京包铁路上行线线路的夹角为12°。门式墩平面布置如图1所示。新保安高架特大桥26、27 号门式墩原设计横向跨度12 m，计算跨度10 m，净跨度8 m，横梁截面为组合梯形，上顶面宽3.4 m，下底面宽2.8 m，立柱为矩形界面，截面为横向宽2.0 m×纵向宽2.2 m。门式墩结构如图2 所示。

图1 门式墩平面布置图

图2 门式墩结构示意

2 总体方案比选及优化

2.1 门式墩原方案施工问题

新保安高架特大桥26 号、27 号墩采用门式墩结构上跨既有京包上行线，主要考虑铁路限界、运营安全因素，总体方案采用门式墩与施工便线相结合的方式，即先进行便线施工实现既有京包铁路临时过渡，采用现浇法进行门式墩施工，再对施工便线拆除、恢复线路。总体方案涉及既有运营铁路断道，因此，面临与繁忙铁路断线要点协调难、便线施工周期长无法满足架梁工期等问题。

2.2 门式墩优化方案

为确保铁路正常运营，加快门式墩施工进度，满足架梁工期要求，有必要针对门式墩设计与施工方案进行深化研究。对运营安全、施工工期等因素进行方案综合比选，将门式墩跨度加大，同时取消施工便线的总体方案思路。门式墩跨度调整加大方案与原方案相比，工期方面，取消了便线施工，缩短工期1 个月左右；安全管理、协调方面，将运营铁路断线要点施工转变为门式墩基础临近既有线施工、横梁一次吊装封锁要点施工，规避了施工单位、铁路部门在便线施工后带来的临时限速、运营管理等责任。

2.3 门式墩结构优化

通过优化计算，新保安高架特大桥26 号、27 号门式墩设计调整为横向跨度20.1 m，计算跨度17 m，净跨度14.5 m。横梁截面优化为上顶面宽4 m，下底面宽3.3 m，立柱为矩形截面尺寸为横向宽2.5 m×纵向宽2.8 m。因总体采用门式墩跨度加大，横梁一次吊装的方案，横梁分预制吊装段及现浇段，长度分别为13.3 m 及3.4 m，预制吊装段采用空心箱室结构，门式墩优化设计如图3 所示。

图3 门式墩优化设计

3 门式墩横梁吊装施工技术

3.1 施工方案

进行桩基、承台及墩身施工，将预制好的横梁采用大吨位吊车将横梁一次吊装到位，然后进行后浇段施工，实现横梁与墩身的连接，张拉剩余预应力钢束，完成门式墩施工。其中，横梁吊装施工是门式墩施工成败的关键环节。

3.2 横梁预制

横梁中间部分采用现场预制，墩顶预留3.4 m 长混凝土后浇段。在既有线附近选择预制场地，对地基进行处理并进行硬化，立模绑扎横梁钢筋、安装预应力管道、浇筑混凝土，待混凝土强度达到设计强度后张拉预应力钢束、压浆，预制过程中做好混凝土强度、预应力工序控制，确保吊装过程横梁的强度和刚度。

3.3 横梁吊装设计及计算

3．3．1 吊车选型计算

因预制横梁重量较大，达240 t，需对吊装设备进行选择计算。横梁自重G1=240 t，吊具、吊钩G2=6 t，实际吊装质量G3=G1+G2=246 t。查询选定吊车QUY650-SHB 吊车，超起平衡重半径16 m，工作半径按22 m 计算（实际工作半径最大为20 m），主臂54 m，额定荷载G4=340 t，经计算安全系数η=1.38，大于1.2，满足要求。

3．3．2 吊具设计及计算

横梁顶部设置8 个φ90 mm 吊点孔，在预制横梁时在两侧对称设置，用以安装吊点装置。吊点设计采用Q345 高强钢棒及钢板吊具组成，高强钢棒下端与横梁通过螺帽及垫板固定，上端与高强钢板吊具通过螺帽及垫板固定，钢板吊具侧面预留吊具。其中，钢板吊具采用钢板焊接而成，底板板厚为8 mm、侧板及肋板板厚5 m。因吊具结构复杂，通过建立有限元模型进行计算，结果表明应力最大值为195 MPa，位于横梁吊点处；位移最大值为0.9 mm，位于底板四角处，整体应力和变形均满足规范要求。钢板吊具应力分析结果如图4 所示。

图4 钢板吊具应力

3．3．3 钢丝绳计算

吊具和吊车吊钩通过8 个55 t 级卡环和4 根Φ70，L=30 m 钢丝绳连接。查粗直径钢丝绳载荷表，主吊车钢丝绳选用4 根长为30 m 的钢丝绳Φ70-8×61（b 类）-1870 钢芯钢丝绳，使用时每根采用一弯二股。

查表可得：P破=3 760 kN=383.7 t。钢丝绳最大受力：单股受力P=246 t/8/sin60°=35.4 t，则钢丝绳安全系数K=P破/P=383.7 t/35.4 t=10.8＞6，满足要求。

3．3．4 门式墩横梁支架体系设计

框架墩预制横梁吊装施工过程中，需要在26 号、27 号墩旁设置临时支撑，作为预制横梁的落梁平台。为保证吊装施工安全，采用钢管+工字钢的临时支架体系[4]，门式墩横梁支架体系如图5 所示。立柱采用Φ609×16 mm 钢管，每个桥墩内侧各布置一排3 个，钢管中心间距为1.8 m；钢管下端固定在桩顶承台处，应垫设钢板，防止承台混凝土局部受力，立柱上端布置双拼45b 工字钢作为落梁平台，长度6 m。立柱侧面设置10#槽钢作为剪刀撑，以增强稳定性。

3.4 横梁吊装施工

3．4．1 吊车进场组装

根据组装计划和需要，50 t 汽车式起重机完成QUY75型75 t履带式起重机的组装；75 t履带式起重机完成QUY650型650 t 履带式起重机的组装。

图5 门式墩横梁支架体系

3．4．2 吊装准备及试吊

履带式起重机行走至设计位置，将横梁高度提升30 cm，持荷5 min，详细检验起重机载荷性能、地基承载力状况及钢丝绳卡环受力状况，一切无异常，则进行正式吊装。

3．4．3 正式吊装起吊

主吊车以19 m 半径起吊，将设备提升至设备最低处与制台座最高处距离约300 mm，起到位后停止，检查吊装起重机及吊装索具是否处于良好状态，一切无异常，然后主吊机起钩将横梁提升至横梁底部距离接触电网2 m 高度，起重机控制吊装半径调整为20 m，等待铁路要点计划指令。

3．4．4 主吊车转杆

铁路要点指令下达后主吊车向既有线方向以20 m 半径转杆，起重操作至横梁到达指定位置，配合缆风绳调整就位。

3．4．5 横梁就位、摘钩

横梁轴线就位后，起重机回钩将横梁放置于支架体系上，起重总指挥发出摘钩指令，主吊车摘除超起装置后，拆除索具，通过起钩、转杆等动作将索具吊至地面。

4 结语

新建京张高速铁路新保安高架特大桥26 号、27 号墩采用门式墩结构上跨既有京包上行线，原方案采用门式墩原位现浇与施工便线相结合的方法，面临架梁工期压力大、便线施工后需施工单位和铁路部门管理及协调的诸多问题。通过比选确定采用取消施工便线，门式墩横梁一次吊装就位的技术方案。将门式墩结构设计净跨度由8 m 调整为14.5 m，横梁实体结构调整为空心箱室结构，为门式墩横梁一次吊装完成跨线施工创造了技术前提。施工中通过吊车选型计算、吊具设计、钢丝绳计算、横梁支架体系设计、横梁吊装施工等关键技术深化研究，于2017-10 成功完成240 t 大吨位门式墩横梁一次跨线吊装施工，经济、社会效益显著，为今后上跨铁路运营线的交叉工程提供了新思路。