杨彦海 江忠贵 韩晓强
(中国国家铁路集团有限公司工程管理中心,北京 100038)
既有铁路桥梁改造工程,介于新建桥梁和桥梁构筑物维修[1]之间,参照新建铁路项目相关程序管理,但涉及铁路运输方案调整,有时甚至会暂时封闭线路,给运输和出行造成一定影响。其施工安全、建设工期、舆论压力等风险均较高,须严格论证技术方案,充分发掘现场条件,加强施工组织,优化资源配置,确保按期提供安全优质工程。本文对某既有铁路黄河大桥改造方案进行了研究,提出了墩帽改造“钢壳”方案、提高物资运输效率、均衡设置钢梁施工场地等优化措施,可有力保证建设目标的顺利实现。
某既有铁路黄河大桥于1966年筹建,1970年交付运营,距今已将近50年。桥面为直线平坡,无上拱度。原设计上部结构采用24孔48 m上承式简易钢桁梁,设计使用寿命仅30年。主桁高5 m,中心距2.2 m,杆件连接为栓焊结合形式,采用铁路明桥面布置。桥梁基础为预制管桩和混凝土沉井,圆形桥墩高12~19 m,墩身直径3.0 m或4.0 m,两岸桥台为T形桥台。
铁路运维管理部门对该桥进行了技术检定[2],检定结果:大桥8号墩沉井基础受上游水库排淤河床急剧下降影响产生裂缝,其余墩台基础未发现明显病害;钢梁横向刚度不足,存在上横联杆件端部开裂、高强度螺栓折断、横向振幅过大等病害[3]。目前,对8号墩沉井进行了修复处理,并对钢梁采取了病害部位安装拉杆、补充折断螺栓等临时加固措施。梁部病害已危及行车安全,不能适应铁路运输要求,急需进行彻底整治。2001年5月17日起,限速25 km/h(大桥设计速度80 km/h)。
该桥改造工程设计方案主要是采用明桥面钢箱梁替换既有钢桁梁。钢箱梁长49.1 m,梁高4.0 m,底板支座中心距3.8 m,节段间采用栓焊结合方式连接,顶板在工地对接焊,底板和腹板通过高强螺栓拼接,见图1。
为适应新箱梁与既有桁梁结构尺寸差异,须凿除墩身顶帽后作接高加宽改造施工,垫石顶面接高1.285m,顶帽加宽1.3~1.8 m,见图2。
图2 既有墩身顶帽改造示意(单位:cm)
大桥位于黄河重点湿地保护区和防洪区,其中21孔桥跨在河道范围内,不具备修建施工栈桥或便道条件。钢梁更换采用新、旧钢梁顺桥向整体拖拉[4]、边拆旧梁边装新梁的方案。对已服役近50年的墩台顶帽进行凿除安全风险极高[5],运营部门不同意在运输天窗点内安排墩身作业,因此须按全过程封闭断道方式组织施工。大桥改造施工主要包含了施工准备、既有桁梁顶高及墩身顶帽改造、新钢梁安装、后续桥面附属及四电施工4部分内容,原方案施组工期总计12个月。
施工准备包括了黄河湿地、防洪及两岸临时用地等施工审批手续办理,南岸旧梁拆除平台、北岸新梁安装场、钢筋加工场、工地试验室等大型临时设施建设,以及对桥上9根省级通信光缆的迁改等工作。计划工期约12 d。
利用千斤顶抬高既有钢桁梁,安装钢垫块作为临时支撑,为顶帽加高提供作业空间。在承台上搭设落地支架,其上布置施工平台。将既有墩身顶帽全部凿除,拼接混凝土浇筑模板。在原墩身上植筋,绑扎新钢筋骨架,浇筑顶帽接高及加宽混凝土[6]。其中,1#—5#,23#墩顶帽每墩新浇筑混凝土方量约44 m3,6#—22#墩顶帽每墩新浇筑混凝土方量约34 m3。该施工步骤计划工期144 d。
在旧梁的下弦杆底部安装滑道,墩顶设横向限位装置。旧钢梁首尾临时连接,变简支梁为连续梁,并利用竖向和水平拉杆加固旧梁,保证梁部拖拉过程安全。在南岸设置拆除平台,边拆除旧梁边逐跨向南拖拉;同时在北岸拼装场内利用龙门吊机拼装新梁,连接新梁与旧梁,实现新、旧梁同步拖拉。旧梁拆除及新梁安装计划用96 d完成。
新梁到达设计位置后,精调线形并灌注支座砂浆。开展后续人行道、电缆槽等明桥面附属设施施工,铺设枕木及轨道,安装四电设施,安排工期113 d。
该桥改造封闭施工期间,须调整相关线路运行图。其中3对通往东南部发达地区的旅客列车须停运,12对货物列车须迂回运行,影响沿线部分站点人民出行需求,带来较大运输收入损失。因此,在保证工程质量和安全前提下,应研究加快工程建设的措施,以节约工期[7]。既有墩帽改造和钢梁换装工期合计240 d,约占整个工期的2/3。本文重点分析了上述2个工序,分别从结构设计、施工组织2大方面提出了3项优化措施,可有效减少工期。
墩帽接高加宽钢筋绑空间狭小,模板需多次安装、拆除和倒用,安装接口多,施工效率低,安全风险较高。同时钢筋和模板作业均需借助搭设在承台上的墩旁支架作为平台,汛期施工防洪手续办理困难。
将模板和作业平台整合设计,同时考虑结构永临结合[8],研究提出了利用“钢壳”改造既有墩帽的方案,见图3。钢壳在横桥向分为2个对称部分,在工厂加工成型,利用墩顶钢梁竖向吊架运输到位,以栓接和拉筋实现组合拼装,减少了现场模板安装和周转工作量,降低了施工风险,可减少甚至避免对既有墩帽的凿除。钢筋在工厂分层或分块加工成型,吊至钢壳内拼接成整体,提高了安装效率。“钢壳”方案较原常规立模浇筑混凝土可减少工期约2个月。
图3 墩帽改造永临结合钢壳方案
桥位处于黄河重点湿地保护区和防洪区,河道内禁止搭设临时栈桥,同时施工物资不能通过桥下水运和滩地便道运输,只能采用在铁路梁上运输的方式。运输通道与作业面存在交叉和干扰,组织难度大,运输效率低,安全风险高。为满足施工需求,研究提出了钢梁提升架、梁面有轨小车、钢梁吊装桥式吊机等多个吊装和运输设施,加快物资运输组织速度。
墩帽改造前将旧梁升高约1.3 m以提供作业空间,同时模板、钢筋、混凝土等材料均沿旧梁顶面纵向运输,施工物资的组织压力在该阶段尤为突出。旧梁升高原计划采用4台千斤顶梁底顶升方式,千斤顶需多次安拆和倒用,作业效率低,占用运输通道时间长,旧梁顶升失稳风险高。建议研制2台新梁提升架,利用扁担原理,改钢梁底部顶升为钢梁顶部提升,可减少钢梁升高所需时间,提升架整体性和同步性好,降低了安全风险。为提高梁面物资组织效率,设计制造了利用既有梁面轨道走行的有轨小车,承担施工材料和小型机具的运输工作。同时设置墩顶吊架,实现材料和机具由梁及墩的垂直转运。新梁安装阶段,在北岸临时拼装场内相应桥跨位置的岸地上搭设落地支架,其上设置可顺桥和横桥向移动吊装功能的大型桥式吊机,提高钢梁拼装效率,保障新梁拼装和顶推作业的匹配和均衡。
受环保、防洪等要求限制,河道不能搭设贯通栈桥,须在大桥两岸设置旧梁拆除和新梁安装作业平台。两侧桥台均与隧道洞口相接,可供选择的场地条件有限,尤其是南岸侧有下穿公路,仅能利用与洞口相连的最后一个桥跨位置。综合场地需求和运输条件,将南岸作为旧梁拆除、外运场地,北岸作为新梁存放、拼装场地。
原施工方案单孔新梁分为5个拼装节段,最长节段10.7 m,最大质量43 t。除去桥端拖拉设施长度影响,原施工方案中南岸拆装场地现有条件最多能满足单次3个节段长度的旧梁拆除、拖拉及相应长度新梁安装的要求。研究发现南岸23#桥墩位于岸堤处,具备搭设墩旁支架以增大拆装平台的条件,旧梁单次拆除节段数可提升为4个。通过优化北岸新梁拼装场的配套设施,协调湿地、环保等管理部门,扩大了梁场规模30%,增加箱梁拼接的设备和焊接技术人员,实现了现有条件下旧梁拆除、新梁拼装的饱和、均衡作业,有效减少了循环次数,可节约工期1个月。
原铁路黄河桥改造工程原方案需封闭既有铁路约12个月,对铁路正常运营干扰较大。本文结合项目实际和现场条件,采取了墩帽改造“钢壳”方案、提高物资运输效率、均衡配置钢梁施工场地等措施,同时适当加强组织管理和资源配置,通过优化取得了良好效果,可缩短工期约4个月,同时降低了安全风险,有助于提高工程实体质量。该黄河桥改造工程正在实施中,可为后续类似工程提供借鉴和参考。