橋群、隧道群廣泛相間情況下橋梁施工方案研究

吳紅軍

(中鐵工設計咨詢集團有限公司工經院,北京 100055)

1 工程概況

新建南廣鐵路桂平(不含)至肇慶東(不含)段,正線全長 284.457正線 km,設計速度 200 km/h,預留250 km/h條件,項目總工期 4年。全線大中橋梁63498.98m/155座,采用箱形梁。簡支箱梁綜合設計原則是“以預制架設為主,現澆施工為輔”。隧道 104 268m/98座。橋隧總長 167 766.98 m,橋隧比重為59%。沿線以重丘陵地形為主,山坡陡峻,地形復雜,眾多橋隧工程廣泛交錯分布。

本項目中,橋梁設計、隧道設計以及架梁施工方案之間存在很強的互動關系,且該互動關系處理的好壞,對本項目整體設計質量具有重要影響。

2 項目主要控制工程情況

(1)鋪軌工程:在梧州南設置鋪軌基地,先向西、再向東鋪軌,鋪軌工期 9個月。

(2)長大隧道:根據設計籌劃的五指山隧道、飛鷹隧道、北嶺山隧道、花培嶺隧道施組方案,它們的工期在 32～35個月,均為項目控制工程,簡支梁運架不通過這些長隧道。

(3)復雜橋梁工程:肇慶西江特大橋,橋長 604.5 m,主跨 450m,通航凈寬 400m,橋下水深數十米。施工工藝復雜,技術難度大,計劃工期 32個月,為項目控制工程,簡支梁運架不通過該橋。

3 簡支梁橋施工方案

3.1 簡支梁在全線的分布

南廣鐵路桂平至肇慶東段 1 830孔雙線簡支箱梁,除了 DK163處 272孔簡支箱梁、DK 240處 130孔簡支箱梁、DK400處 187孔簡支箱梁等個別路段相對集中外,其他路段橋梁分散分布。橋隧座數多且橋隧交錯分布是本線的突出特點。合理選擇 1830孔雙線簡支箱梁的施工方案是本線設計、施工面臨的關鍵問題之一。

3.2 南廣線常用梁型選型方案定性分析

客運專線常用跨度梁通常選用整體性較好的箱形結構,但南廣線橋隧相連地段較多,一般條件下隧道凈空不能滿足整孔箱梁運輸條件,針對南廣線特點,對可能的方案進行分析、比選,以確定適合南廣線橋隧相連地段的梁型結構。對于山區鐵路,橋隧相連地段的橋梁結構類型主要有以下幾種方案。

(1)增加梁部預制場布點,避免整孔箱梁運輸過隧道;

(2)加大隧道斷面,滿足整孔箱梁運輸的凈寬要求;

(3)梁部采取現澆法施工;

(4)梁部采用組合式箱梁,替代整孔箱梁;

(5)梁部采用多片式箱梁或者多片式 T梁,替代整孔箱梁;

(6)割除整孔箱梁部分翼緣板。

以上方案主要特點如下。

(1)增加制存梁場,避免梁部運輸

南廣線若完全避免梁部運輸過隧道,需要設置眾多座梁場,梁場布置密度太大,不經濟,不可行。

(2)加大隧道斷面方案

通過加大隧道斷面,滿足整孔箱梁運輸凈寬要求。以 32m整孔箱梁為例,頂翼緣板寬度 12.2m,梁高 3.0 m;運梁平板車為 DFM 900t運梁車,高度2.2m,運輸整孔箱梁的控制高度為 5.3m。平板車走行面位于設計軌面下 0.7m。箱梁翼緣板已達到隧道限界。參考類似工程,翼緣板邊緣與隧洞壁間安全距離按 0.3 m考慮。滿足整孔箱梁通過的隧洞斷面需進行擴大。

采用加大隧道斷面方案,可以增加采用整孔箱梁,橋梁結構形式簡潔,具有整體性能好、剛度大、建成后的養護維修費用少、耐久性好等特點。特別是山區鐵路,橋墩較高,避免了現澆支架施工的臨時支架費用;梁部施工可與墩臺施工同步進行,架設后橋位工程量少,便于質量控制和工期控制。但需要綜合分析擴孔隧道的技術、工期、經濟合理性。

(3)梁部采取現澆施工

滿堂支架法因支架用量大,工程費用高,現場施工差異大,整體質量控制難度大,不宜作為主要施工方案。

移動模架法具有重復使用、便于標準化施工等優點,隨著重復使用次數增加,施工成本可以適當降低。但是,移動支架法的施工特點是逐跨成橋,施工速度慢,工期長,還受到可利用設備數量的限制。

考慮梁部現澆施工的經濟性、工程質量、施工速度等因素與預制架設法的差異,只有在孤橋、野橋等個別情況下,采取現澆施工。

(4)梁部采用雙片式箱梁(組合箱梁)

采用組合箱梁可有效解決箱梁運輸通過隧道問題,組合前的單線箱梁具有尺寸小,質量輕,便于運輸、架設的優點,但其有如下不足。

組合式箱梁較整孔箱梁圬工量增加 10%左右(32 m整孔箱梁梁體混凝土 310.6m3,32m組合箱梁梁體混凝土 341.84m3)。

組合式箱梁整體性、剛度不如整孔箱梁。

墩臺圬工量增加,繼而基礎的工程量也要增加,經設計比較,相同情況下組合式箱梁的橋墩比整孔箱梁的橋墩增加圬工量 6%～15%。

組合式箱梁梁片數是整孔箱梁的 2倍,運架時間成倍增加。

組合式箱梁架設以后,現場需要澆筑橋面濕接頭和橫隔板,增加了施工工序、成本和工期。

組合式箱梁架設設備難以與整孔箱梁架設設備通用。

(5)梁部采用多片式箱梁、T梁

多片式箱梁、T梁采取分片預制,架設后現澆整體橋面及剛度很大的端隔板,或者采用橫向預應力將橋面、橫隔板聯成整體,以保證橋梁具有足夠的整體性和橫向剛度。

采用多片式箱梁、T梁與雙片式箱梁類似,橋梁的高速走行性、經濟性、施工便利性均不如采用整孔箱梁,不適合線上大量采用。另外,在整體橋面施工完成之前,橋上不能通行大噸位運梁車,施工進度慢。

(6)割除整孔箱梁部分翼緣板

割除整孔箱梁部分翼緣板,滿足過隧道的凈寬要求,待箱梁運輸、架設就位后,再將缺少的翼緣板補上。

該方案的特點是箱梁外形尺寸及墩臺尺寸均與整孔箱梁一致,不需擴大隧道斷面,但橋位施工工程量大,同時,翼緣板接縫處結構處于受拉區,需采取可靠措施保證后澆筑的懸臂板與主體之間的可靠連接,滿足強度和耐久性要求。

前述 6個方案,綜合分析結構受力、工程造價、工程質量、施工速度等方面因素,當通過隧道運輸的箱梁較多,而需要擴孔拓寬的隧道少時,采用增大隧道斷面的方案優勢較為明顯。具體采用何種橋梁梁型方案及施工方案,針對上述“加大隧道斷面,滿足整孔箱梁運輸的凈寬要求”、“梁部采取現澆法施工”、“梁部采用組合式箱梁替代整孔箱梁”方案,結合南廣鐵路各橋隧段落的具體情況,進行綜合分析,然后確定。

3.3 簡支箱梁施工方案比較的基礎數據

(1)雙線箱梁運輸輪廓與雙線單洞隧道標準襯砌斷面關系見圖1。

圖1 南廣鐵路雙線箱梁運輸輪廓與隧道標準斷面關系(單位:cm)

①雙線整孔箱梁運輸通過隧道,雙線梁翼緣板寬度 12.2 cm,考慮接觸網支柱基礎預留鋼筋接頭,雙線梁翼緣板寬度按 12.3m控制。

②箱梁高度為 3m,運梁車高度(地面到梁底)按2.2m考慮。另外需要考慮箱梁上拱度影響(按 10 cm考慮),雙線整孔箱梁運輸通過隧道的控制高度則為5.3m。

③雙線整孔箱梁運輸通過隧道時,相關隧道仰拱填充混凝土先填至 7.5m寬左右(運梁車寬度 6.3 m),方便行車,其他絕大部分仰拱填充混凝土待架完梁后澆筑。

④按照上述基礎數據比照運梁輪廓與隧道標準斷面的關系,隧道標準斷面對應翼緣板位置的內凈空寬度為 12.5m,建議加寬 40 cm,使對應翼緣板位置的內凈空寬度達到 12.9m。運梁時,翼緣板左右兩側空隙在 20～30 cm(不另考慮隧道曲線因素)。

⑤對應隧道加寬 40 cm,每米隧道工程量增加見表1。

(2)經分析測算,有關參考經濟指標見表2。

雙線整孔箱梁通過隧道時,按隧道拓寬 0.4m測算。隧道因擴孔增加費用 0.2萬元/m。

表1 標準隧道斷面與加寬 40 cm隧道斷面每米工程量比較

表2 參考經濟指標

(3)架橋機、運梁車設備差異

針對預制梁方案,經分析,架橋機作業能力不控制南廣鐵路橋梁工程施工工期。

3.5m高運梁車、2.1m高運梁車及其配套架橋機設備購制費用差別不大(差別在 100萬元/臺左右)。以下比較時略去該因素差異。車體較矮的 DFM900t運梁車在國內橋梁工程中已有應用。

(4)簡支箱梁施工方案選擇原則

結合南廣鐵路工程條件及初步設計專家審查意見,制訂簡支箱梁施工方案比選原則如下。

①盡量多地集中預制梁,以集中預制為主,以現場澆筑為輔;

②有條件時,盡量多集中預制箱梁;

③經濟效益明顯時才考慮隧道擴孔方案,盡量少進行或不進行隧道擴孔。

④集中制梁場充分利用新建鐵路站坪設置,合理減少占地。

⑤針對項目中的具體段落進行安全、技術、經濟綜合比較。

3.4 簡支箱梁施工方案的分段比較

分析南廣鐵路橋隧分布,具體分段比較如下。

(1)DK123～DK176

該段橋梁相對集中,共 45座 14 576.45m,429孔簡支箱梁,期間分布短隧道 10座 2 629 m。其中DK144～DK172間 272孔比較集中,利用 DK153附近的平南車站站坪梁場,有利于預制整孔箱梁需要。梁場位置經濟、合理,且具有相當規模(表3)。

表3 DK 123～DK176簡支箱梁施工方案

本段橋梁較多,平南站站坪場地開闊,可以較好地提供制存梁場地,應以預制為主。放棄滿布支架現澆方案和需要多套移動模架的現澆方案。所以,該段落推薦預制整孔梁施工方案,對9座 1859m隧道擴孔運梁。

DK128～DK176段的 422孔箱梁采用DK153平南站梁場集中預制。供梁段落長度 48km。

(2)DK180～DK201段(表4)

DK180～DK201段有橋梁 8 163.83m/34座,簡支箱梁 234孔,中間分散著 7座隧道 1 808m,本段落沿線全部是起伏跌宕的丘陵地形。選擇 DK191處山坡設置預制梁場。該處不占良田,交通條件方便,地質條件相對較好。

雖然橋梁與隧道交叉分布頻繁,橋梁集中程度偏低,但是整孔預制方案明顯經濟合理,所以,該段落推薦預制整孔梁施工方案,對 7座 1 808 m隧道擴孔運梁。

DK180～DK201的234孔簡支箱梁在DK191梁場集中預制。

(3)DK207～DK228

DK207～DK228段的橋梁 4 232.33m/13座,簡支箱梁 119孔,被 DK 210處 965m的石嶺頂隧道分隔為28孔和 91孔。DK 212處的藤縣站站坪可以提供小型制梁場條件。從工期控制有利、施工方便、梁場規模和經濟性幾方面綜合考慮,集中預制 91孔整體箱梁方便 、有利 。

表4 DK 180～DK201簡支箱梁施工方案

DK207～DK209的 28孔簡支梁規模過小,不足以支撐 1套組合箱梁模板等設施,965 m的石嶺頂隧道較長,不考慮隧道擴孔。對應 28孔梁,配備 1套移動模架比較合適。

所以,本段 DK211～DK228段的 91孔箱梁采用DK212藤縣站梁場集中預制整孔箱梁。

(4)DK232～DK252(表5)

DK232～DK252段橋梁 9 643.43m/22座,簡支箱梁 279孔。中間分散著 12座隧道 2 626m。該段落橋梁高度較高,接近 30m。

DK236～DK245段是本段落中橋梁最集中處,有8座橋 130孔簡支箱梁,選擇 DK237處梧州南站站坪設置預制梁場,可以節約用地。

DK232～DK235段 4座橋 51孔簡支箱梁,被長度分別為 439m/1座、195m/1座、524m/2座的隧道分成 3組,分別是 11孔、37孔、3孔。如因預制 51孔整孔箱梁需要對 4座 1 158m隧道擴孔運梁,涉及面過寬,對以淺埋、偏壓等為主的短隧道施工安全不利,運梁卻不多。如采用組合梁,則因上小河特大橋橋高、水闊而增加費用較多。從經濟性、方便性兩方面比較,該51孔梁選擇移動模架現澆施工。

DK236～DK251段 7座橋 98孔簡支箱梁,被長度分別為 544m/3座、592m/3座的隧道分成 2組,分別是 76孔 、22孔。

表5 DK 232～DK252簡支箱梁施工方案

對應 DK236～DK249間的 76孔簡支梁,一方面,比組合梁方案和滿布支架方案便宜,也比移動模架稍便宜。另一方面,可以充分利用梧州南站梁場設施,提高梁場的規模效益,少使用 2臺移動模架。從經濟性、方便性兩方面比較,建議對燕子山 1、2、3號隧道適當擴孔,充分利用梧州南站梁場,多制整孔箱梁。需要擴孔的 3座隧道短而集中,影響面較小。

對應 DK 250～DK252間的 22孔簡支梁,配備 1套移動模架比較合適。

DK236～DK249間的 206箱梁采用 DK237處梁場集中預制。

(5)DK396～DK403

該段落只有鳳凰特大橋6 754.17m,簡支箱梁 187孔。受敏感環境因素等影響,該橋附近線路外難以設置制梁場。利用橋頭東端 DK405附近單線路基段設置制梁場地集中預制簡支箱梁,可以合理利用本項目紅線內土地。鳳凰特大橋包含 4聯連續梁,相應連續梁需要滿足橋上運梁。

(6)DK262～DK382

該段落特、大、中橋 20 338.29 m/60座,簡支箱梁539孔。該段內橋梁與92 263m隧道/60座交錯分布,隧道多且長,橋梁最集中處 59孔簡支箱梁,規模過小,不適合設置集中制梁場。所以,該段落內簡支箱梁全部現澆。采用 13套移動模架施工相對集中處的簡支箱梁 419孔。其他相對分散的 120孔簡支箱梁主要采用滿布支架施工。

3.5 桂平至肇慶東段簡支箱梁施工方案(表6)

桂平至肇慶東段全線共需要使用移動模架 18套。

4 研究結果應用

本專題研究包括了鋪軌方案、橋梁施工方案和相關隧道施工方案,重點在于橋梁設計施工方案。基于本專題研究的鋪軌、橋梁、隧道工程施工方案已經應用在南廣鐵路初步設計之中,且獲得初步設計審查認可。南廣鐵路公司籌備組編制《新建鐵路南寧至廣州線站前工程招標指導性施工組織設計》時,在進一步溝通、分析之后,基本沿用了相關初步設計內容。本專題研究的思路對同類項目具有一定的借鑒意義。

南廣鐵路開工之后,我們將繼續跟蹤現場施工方案,繼續補充、完善研究結果應用方面的內容。

[1] 中鐵工設計咨詢集團有限公司.新建鐵路南寧至廣州線可行性研究報告[R].北京:2007.

[2] 中鐵工設計咨詢集團有限公司.新建鐵路南寧至廣州線桂平至肇慶北段初步設計[R].北京:2008.

[3] 李新月.武廣客運專線云嶺梁場規劃、設計與施工組織管理[J].鐵道標準設計,2008(6).

[4] 王懷海.客運專線 900 t雙線箱梁運架設備研究[J].安徽建筑,2006(3).

[5] 楊先鳳.客運專線預應力混凝土箱梁澆筑施工技術[J].鐵道標準設計,2008(6).