DF900D導梁式定點起吊架橋機通過隧道及隧道口架梁技術研究

周治國,陳德利,陳 浩

(鄭州大方橋梁機械有限公司,鄭州 450064)

1 概述

DF900D型導梁式定點起吊架橋機是鄭州大方橋梁機械有限公司針對國內鐵路客運專線及城際鐵路雙線整孔箱梁架設安裝實際而開發的具有獨立自主知識產權的大型橋梁施工設備。該設備如圖1所示,主要由提梁機主梁、提梁機前后支腿、輔助支腿、前后吊梁天車、導梁天車、導梁機主梁、導梁機前后支腿、導梁吊機、過渡軌橋、馱運支架、液壓系統、電氣系統等組成。本文著重介紹該架橋機通過目前國內的鐵路雙線單洞隧道的施工方案。

2 施工方案介紹

根據施工現場實際條件的多樣性及 DF900D導梁式定點起吊架橋機的工作原理及特點,該架橋機通過隧道的方案可以分為三大基本典型工況:工況 1,隧道前后路基均能滿足架橋機站位需求;工況 2,隧道前路基不能滿足架橋機站位需求;工況 3,隧道后路基不能滿足架橋機站位需求,即隧道出口架梁;

圖1 DF900D導梁式定點起吊架橋機(單位:mm)

上述 3種基本典型工況中第 3種工況(隧道口架梁)相對較為復雜。

2.1 工況 1

2.1.1 施工方案綜述

首先整機高位馱運到隧道入口,運梁車單獨馱導梁機回梁場,通過液壓升降支架將運梁車落放到運梁車上,運梁車馱架梁機通過隧道,操作升降支架恢復架梁機系統,運梁車返回梁場馱導梁機,實現架橋機高位馱運狀態,至橋頭首跨架設。

2.1.2 作業流程(圖2,圖3)

步驟1:

(1)末跨施工完畢后,實現高位馱運狀態;

(2)運梁車高位馱運架橋機離開橋頭,到隧道口前方選擇一開闊處停下;亦可根據施工實際情況選擇將架橋機高位馱運回制梁場。

步驟2:

(1)將馱梁小車通過手拉葫蘆固定在導梁機之上;

(2)運梁車下落,架橋機前后支腿支撐到地基之上;

(3)啟動吊梁天車將鋼絲繩收緊(只需收緊,不能帶載);

圖2 典型工況 1步驟 1～步驟 5(單位:mm)

(4)運梁車繼續下落,馱梁小車和運梁車脫空;

(5)運梁車駛出;

(6)在馱梁小車的下方、地基之上鋪設鋼軌;

(7)啟動吊梁天車,前后天車同步下落,此時導梁機、馱梁小車、高位馱運支架將整體下落,直至馱梁小車落到軌道上停止,解除吊梁天車和導梁機之間的聯接,將天車吊具收至高位;

(8)啟動輔助支腿油缸,將導梁機主梁 5號節與其余梁節對齊并恢復接頭連接。

步驟3:

(1)拆除吊翅將其放至導梁尾端上部,拆除導梁機前端爬梯;

(2)驅動馱梁小車,將導梁機攜高位馱運支架整體向后平移約 3.3m;

(3)將高位馱運支架旋轉 90°放置于導梁機頂面;

(4)驅動吊梁天車吊具下落,連接導梁機和吊具。

步驟4:

(1)驅動吊梁天車吊具攜導梁機及馱梁小車上升約2.8m;

(2)移除軌道,將運梁車駛入導梁機之下;

(3)驅動天車吊具下落,將導梁機攜馱梁小車、高位馱運支架一同置于運梁車之上;將馱梁小車在運梁車上固定牢固;

(4)解除天車吊具和導梁機之間的聯系;

(5)利用吊車將導梁吊機摘除放置到運梁車上。

步驟5:

圖3 典型工況 1步驟 6～步驟 10(單位:mm)

(1)運梁車攜馱梁小車、導梁機、高位馱運支架、導梁吊機返回制梁場;

(2)利用制梁場門式起重機或提梁機將運梁車之上馱運物卸下,之后在梁場將高位馱運支架放置在運梁車上。

步驟6:

運梁車攜高位馱運支架重新駛入架橋機腔內。

步驟7:

(1)利用起吊設備將高位馱運支架立柱接高、安裝柱頭、平衡梁、螺紋鋼筋等;

(2)在高位馱運支架柱頭牽攬風索,攬風索共設 8道,每個升降支架 4道,每道攬風索應能抵抗 100 kN水平力,攬風索生根于運梁車之上。

步驟8:

(1)驅動液壓升降支架,使其托架上升與架梁機主梁貼緊;

(2)繼續驅動升降支架使架橋機各支腿脫空;

(3)利用吊車將后支腿摘除;

(4)利用起吊設備將前支腿摘除。

步驟9:

(1)驅動液壓升降支架,使托架攜主梁下落約3.5m;

(2)利用鋼墊塊將托架直接支撐在運梁車上。

步驟10:

(1)利用起吊設備拆除升降支架平衡梁、柱頭、上部立柱及螺紋鋼筋;

(2)運梁車中位或低位通過鐵路雙線單洞隧道;

(3)通過隧道后按上述步驟的逆順序恢復架橋機至高位馱運狀態;

(4)由高位馱運工況馱至橋頭實現首跨架梁。

2.2 工況 2

2.2.1 施工方案綜述

若隧道前路基不能滿足架橋機站位需求,其施工特點為:必須在已架橋面上實現高位馱運狀態。

在橋面馱運時,架橋機后支腿臨時支撐于橋面之上,其荷載的大小及位置應能滿足混凝土箱梁的承載力需求。若混凝土梁不能滿足此工況的承載力需求,需要設置荷載轉換將其支撐力作用在混凝土梁允許承載區。

目前國內箱梁梁型較多,針對不同的梁型,應有針對性地請相關混凝土梁設計單位進行驗算。

2.2.2 作業流程

在橋面實現高位馱運轉換后,該工況的施工步驟同工況 1。

2.3 工況 3

2.3.1 施工方案綜述

當隧道后路基不能滿足架橋機站位要求時,意味著架橋機出隧道口后必須低位走行到第一孔橋墩處,才能在該位置轉換成高位狀態,實現首跨架設。為此必須首先將導梁機先于架梁機放置到橋頭,當架梁機低位馱運到橋頭時,導梁機和架梁機相互配合首先將導梁置于首跨墩頂,然后架梁機再低位走行到導梁機之上,并在導梁機上實現低位到高位的轉換,

2.3.2 作業流程

步驟 1:(同 2.1.2步驟 1,見圖2(a))。

步驟 2:(同 2.1.2步驟 2,見圖2(b))。

步驟 3:見圖4(a)。

(1)利用導梁吊機將前方的高位馱運支架后方吊移 18m,與后方的高位馱運支架放置到同一處;

(2)利用導梁吊機將前吊梁天車向后平移 12m;

(3)將導梁機前端支撐在路基之上,頂升輔助支腿使前支腿脫空;

(4)將前支腿上端的固定框架通過吊掛向后走行12m,其余部分通過一鋼墊塊連接到主梁之上(其內側間距能滿足運梁車的通過需求);

(5)拆除輔助支腿立柱、橫梁,將其輪箱和吊柱直接連接到該處主梁聯系梁上。

步驟 4:見圖4(b)。

圖4 典型工況 3步驟 3～步驟 5(單位:mm)

(1)拆除輔助支腿立柱、橫梁,將其輪箱直接連接到該處主梁聯系梁上;

(2)拆除導梁機前端的墊塊;

(3)利用導梁吊機將高位馱運支架吊起;

(4)將前支腿上端固定框架放置在導梁機之上,利用前吊梁天車將其吊起;

(5)拆除吊翅將其放至導梁尾端上部(亦可現場在吊翅法蘭處臨時焊接鉸耳平面內折疊);

(6)驅動馱梁小車,利用農用拖拉機循環倒裝軌道,馱梁小車攜導梁機通過隧道至隧道口橋頭停止。

步驟 5:見圖4(c)。

(1)運梁車駛入架橋機腹內,將高位馱運支架、前支腿上端固定框架旋轉 90°放置在運梁車之上;

(2)利用汽車吊將導梁吊機摘除,在運梁車駛出架橋機后將導梁吊機放置到運梁車之上。

步驟 6:見圖5(a)。

(1)運梁車返回制梁場,利用梁場門式起重機將運梁車貨物卸下;

(2)利用梁場門式起重機將液壓升降支架放置到運梁車之上;

步驟 7:見圖5(b)。

運梁車攜高位馱運支架重新駛入架橋機腔內;

步驟 8:見圖5(c)。

(1)利用起吊設備將高位馱運支架立柱接高、安裝柱頭、平衡梁、螺紋鋼筋等;

圖5 典型工況 3步驟 6～步驟 10(單位:mm)

(2)在高位馱運支架柱頭牽攬風索,攬風索共設 8道,每個升降支架 4道,每道攬風索應能抵抗 100 kN水平力,攬風索生根于運梁車之上。

步驟 9:見圖5(d)。

(1)驅動液壓升降支架,使其托架上升與架梁機主梁貼緊;

(2)繼續驅動升降支架使架橋機各支腿脫空;

(3)利用起吊設備將后支腿摘除;

(4)利用起吊設備將前臨時支腿摘除。

步驟 10:見圖5(e)。

(1)驅動液壓升降支架,使托架攜主梁下落約3.4m;

(2)利用鋼墊塊將托架直接支撐在運梁車上;

(3)將前臨時支腿降低高度后安裝在主梁跨內;

(4)安裝后臨時支腿。

步驟 11:見圖6(a)。

(1)利用汽車吊拆除升降支架的上部 3m段立柱及長螺紋鋼筋,在剩余的立柱上恢復柱頭、平衡梁并穿入短螺紋鋼筋;

(2)運梁車攜架橋機整體通過隧道。

步驟 12:見圖6(b)。

(1)運梁車攜架橋機到達導梁機位置時,操作液壓升降支架使架橋機整體升高 200mm(使液壓升降架馱架底板能滿足通過導梁機的要求);

(2)將導梁前端支墊牢固,利用手拉葫蘆將導梁前方的馱梁小車橫移到導梁機側面;

(3)將輔助支腿輪箱壓到導梁機軌道之上,將后臨時支腿在地基上支墊牢固,卸載運梁車和升降支架;

(4)將液壓升降支架吊掛在架梁機之上,將立柱收縮到托架底面之上。

步驟 13:見圖6(c)。

運梁車駛出架橋機腹內,將導梁機側面的馱梁小車通電,使其自行至架梁機后吊梁天車之下。

步驟 14:見圖6(d)。

(1)利用后吊梁天車將其下的馱梁小車吊起約 3 m高;

圖6 典型工況 3步驟 11～步驟 15(單位:mm)

(2)運梁車重新駛入架橋機腹內;

(3)驅動后吊梁天車將馱梁小車放到運梁車軌道之上;

(4)解除馱梁小車和吊梁天車之間的連接,驅動馱梁小車使其順運梁車向后行駛約 3m,使其位于后支腿聯系梁之下;

(5)在馱梁小車上設置鋼墊塊使其支撐后支腿聯系梁;

步驟 15:見圖6(e)。

(1)通過電控使馱梁小車和輔助支腿走行輪箱控制速度一致;

(2)驅動架梁機后端的馱梁小車和輔助支腿輪箱,使架橋機整體向前平移直至前支腿可以支撐在橋臺墊石上;

(3)若運梁車上軌道不夠長,可通過吊梁吊機和導梁機下的馱梁小車將導梁機向前倒運,隨后架橋機前后臨時支腿支撐,運梁車向前跟進;直至前支腿可以支撐在橋臺墊石上;

(4)將前臨時支腿支撐在橋臺墊石上,將輔助支腿吊柱安裝在主梁聯系梁上。

步驟 16:見圖7(a)。

(1)通過電控使馱梁小車和導梁天車走行輪箱控制速度一致;

(2)拆除導梁機前端的墊塊;

(3)導梁天車吊掛導梁機前端,驅動馱梁小車和導梁天車走行輪箱使導梁機前移約 15.2m。

步驟 17:見圖7(b)。

(1)解除導梁天車和導梁機前端的連接,導梁天車先后走行約 15.2 m,將其吊具與導梁機中部吊孔連接;

(2)導梁天車與馱梁小車同步配合將導梁機繼續前移,當導梁機重心超過輔助支腿吊柱時暫停;利用手拉葫蘆將導梁后方的馱梁小車橫移到導梁機側面;

(3)導梁天車與輔助支腿反滾輪同步配合將導梁機前移到位(至前方墩頂)。

步驟 18:見圖7(c)。

(1)驅動導梁機腔內卷揚機,將導梁機前后支腿旋轉打開,使其支撐在橋臺和前方墩頂;

圖7 典型工況 3步驟 16～步驟 19(單位:mm)

(2)前方馱運支架已經出了隧道口,將液壓升降支架 3m段接在前液壓升降支架的下面,在前液壓升降支架的柱頭牽設攬風繩,不用抽換螺紋鋼筋;

(3)驅動前液壓升降支架,將壓在導梁機之上的輔助支腿輪箱卸載;

(4)驅動前液壓升降支架、驅動導梁機前后支腿油缸,使三者同步下落約 600mm(控制導梁軌道至地基面為 2750mm),此時后端液壓升降支架的高程降低約 160mm,前端液壓升降支架高程約降低 470mm;

步驟 19:見圖7(d)。

(1)卸載液壓升降支架和后臨時支腿,使輔助支腿輪箱和馱梁小車支撐架梁機;

(2)拆除前馱運支架攬風繩,將液壓升降支架吊掛在主梁之上,將 3m段立柱收縮到馱架底面以上,將前馱運支架短精軋螺紋鋼筋抽換為長精軋螺紋鋼筋;

(3)輔助支腿輪箱和馱梁小車配合同步使架梁機增加前移約 9m(使前液壓升降支架行至導梁機范圍之內)。

步驟 20:見圖8(a)。

(1)卸載馱梁小車,使后臨時支腿支撐架梁機,驅動運梁車跟進,將運梁車前端懸臂梁搭在導梁機尾端,使運梁車與導梁機軌道對接;

(2)馱梁小車與輔助支腿走行輪箱配合同步使架橋機整機向前走行,當后液壓升降支架走出隧道口后暫停;

(3)將升降支架 3 m段立柱接到后馱運支架下面,將收縮液壓升降支架使立柱置于馱架底面之上;

(4)將后馱運支架短精軋螺紋鋼筋抽換為長精軋螺紋鋼筋;

(5)馱梁小車與輔助支腿走行輪箱配合同步使架橋機整機向前走行到位;

(6)將前后升降支架柱頭均牽設攬風繩。

步驟 21:見圖8(b)。

(1)將前后升降支架柱頭均牽設攬風繩;

(2)將前支腿固定到前方墩頂,牽設攬風繩;

(3)運梁車將導梁吊機送到隧道出口,利用汽車吊安裝導梁吊機;

(4)操作液壓升降支架,卸載后臨時支腿、馱梁小車、輔助支腿輪箱;

(5)馱梁小車攜墊塊自行至運梁車之上,拆除后臨時支腿放置到運梁車之上,運梁車返回并卸貨;

(6)將輔助支腿輪箱及吊柱與聯系梁之間的連接拆除。

步驟 22:見圖8(c)。

圖8 典型工況 3步驟 20～步驟 25(單位:mm)

(1)驅動液壓升降支架,將架梁機主梁調平;

(2)驅動液壓升降支架,使架橋機同步起升約3.2m;

(3)運梁車將后支腿馱運到隧道出口,利用汽車吊安裝后支腿;

(4)在 1號墩處利用汽車吊恢復輔助支腿。

步驟 23:見圖8(d)。

(1)卸載液壓升降支架,使后支腿及輔助支腿支撐架梁機;

(2)拆除升降支架攬風繩;

(3)利用導梁吊機拆除液壓升降支架,拆除后的零部件利用馱梁小車自行至運梁車上,馱梁小車及導梁吊機配合循環將液壓升降支架分解并轉運至運梁車上;

(4)運梁車返回梁場,卸貨并將前支腿上部固定框架放置到馱梁小車之上。

步驟 24:見圖8(e)。

(1)運梁車攜馱梁小車、前支腿上部固定節、后支腿橫梁到隧道出口;

(2)前馱梁小車攜前支腿上部固定節自行至架梁機腹內前支腿位置;

(3)安裝前支腿固定節;

(4)后馱梁小車攜后支腿橫梁自行至架梁機后支腿處,利用后支腿處的 2個 10 t電動葫蘆將后支腿橫梁吊起;

(5)前后馱梁小車分別返回運梁車,運梁車返回梁場。

步驟 25:見圖8(f)。

(1)在地基上后支腿輪箱對應處鋪設鋼軌;

(2)驅動后支腿處的 2個 10 t電動葫蘆,使其同步下落將后支腿橫梁放置到軌道之上;

(3)安裝后支腿橫梁;(4)安裝過渡軌橋;(5)恢復正常架梁。

3 施工效率

目前 DF900D型導梁式定點起吊架橋機在武廣鐵路客運專線已多次成功通過鐵路雙線單洞隧道,上述3種典型工況均已成功實踐。武廣客鐵路運專線的施工實踐證明,在人員、物資配備充分的條件下該架橋機可在 5 d內順利通過隧道實現一個作業循環。

4 施工條件及施工效率

武廣鐵路客運專線為時速 350 km、無砟軌道,混凝土梁梁寬 13.6m,梁高 3.05m,隧道內孔半徑 6.65 m,仰拱頂到隧道內頂約 9.8m,隧道內部仰拱、襯砌等已經施工完畢。運梁車高度 2.75m,馱梁小車高度0.75m,混凝土梁翼緣每側切肢 1.64m。

圖9 隧道口架梁工程實例(典型工況3)

5 施工方案的改善措施、方向

上述施工方案系根據 DF900D導梁式定點起吊架橋機在我國武廣鐵路客運專線通過鐵路雙線單洞隧道的實際情況整理的。是現場操作的實際反映,三種典型施工工況的作業原理均沒有冗余步驟,實現了最大程度精簡;但就施工細節而言,由于受施工工期緊、設計投入人力有限、現場施工條件等諸多因素的影響,顯見尚有很多改進空間,詳述如下。

5.1 后支腿改進措施

可以在后支腿處設置二級轉動(平面轉動和立面轉動),將架橋機后支腿縮到雙線單洞隧道界限以內,實現架梁機后支腿不拆除。后支腿的轉動可以借助架橋機已有的液壓系統通過適當改造、改裝實現而不需吊車配合作業。

5.2 導梁吊機改進措施

導梁吊機的主要問題是橫向尺寸超限嚴重,可以考慮在導梁吊機主梁中心設置豎向轉軸,將橫向超限的部件旋轉 90°,將其放置在順隧道軸向。這樣就可以避免使用大噸位吊車將其吊下。

5.3 輔助支腿改進措施

輔助支腿可以在其聯系梁上增加轉軸,利用導梁天車將其向前折疊。

結合該設備通過隧道的工藝流程及上述 5.1～5.3的改進措施,可知該設備在實施上述改進措施后可以實現不用吊車配合,自行實現低位馱運狀態、通過鐵路雙線單洞隧道、恢復架梁狀態并實現隧道口架梁。

5.4 關于隧道斷面及運梁車思考

目前國內時速 350 km客運專線隧道斷面一般為軌道頂以上 2430mm處內孔半徑 6650mm,軌道頂距仰拱頂約 700mm;時速 350 km的混凝土梁斷面一般寬度為 12m,高度為 3.08m,這樣的混凝土梁使用我公司高度 2.2m小輪胎運梁車運送可以實現混凝土梁不切肢通過隧道。

混凝土梁翼緣切肢對混凝土梁整體質量將產生一些不利影響,因此小輪胎運梁車將是將來客運專線在山區等復雜工況下的主要研究方向。

國內時速 250 km客運專線隧道斷面一般為軌道頂以上 2270mm處內孔半徑 6410mm,軌道頂距仰拱頂約 700mm,時速 250 km的混凝土梁斷面一般寬度為 12.2m,高度為 3m,這樣的混凝土梁使用高度 2.2 m小輪胎運梁車運送混凝土梁也要切肢(仰拱全部施工完畢)。

因為 2.2 m的高度是目前業內 900 t小輪胎運梁車的一個極限值,使用此種運梁車尚不能滿足時速250 km混凝土梁不切肢通過小斷面隧道的要求。若在時速 250 km的線路上使用時速 350 km的隧道斷面,雖然先期固定投資增加了一些,但是會極大地提高施工效率、節省施工單位的設備投資(與使用運架一體機和使用雙線并置梁比較),極大地節省梁場的固定投資(與使用多梁場比較),使用時速 350 km隧道斷面和小輪胎運梁車可以實現混凝土梁不切肢通過施工完畢的隧道,節約大量的施工成本,同時也為后續的線路提速消除了瓶頸,增加了線路整體的儲備容量。因此在時速 250 km的線路上使用時速 350 km的隧道斷面也會是一個一本萬利的選擇,是解決此類問題的一個很好的方案。

6 結語

通過對 DF900D導梁式定點起吊架橋機通過鐵路雙線單洞隧道技術研究的介紹,旨在為業內同行提供一種有益的參考,為施工單位組織施工提供借鑒,同時也可作為鐵路橋隧設計單位參考資料。

[1]GB/T3811—2008,起重機設計規范[S].

[2]陳 浩,張志華,吳耀輝,等.DF900D型導梁式定點起吊架橋機[J].鐵道標準設計,2008(3).

[3]陳 浩.鐵路客運專線 900 t級架橋機研究[J].鐵道標準設計,2008(3)

[4]陳 浩,吳耀輝,張志華,等.鐵路客運專線 900 t箱梁提運架設備研究[J].鐵道標準設計,2008(3).

[5]熊春奎.鐵路箱梁架運設備 DF系列大噸位架橋機簡介[J].鐵道標準設計,2000(1).

[6]馬志富,王世清,王立暖.滿足客運專線預制梁通行的隧道擴孔研究[J].鐵道標準設計,2007(S1).

[7]徐 勇,金福海,楊福泰,等.武廣鐵路客運專線四院范圍橋梁總體設計[J].鐵道標準設計,2010(1).

[8]卜東平,王勝利.209m2擴大斷面石質圍巖隧道 CRD工法施工技術[J].鐵道標準設計,2008(11).

編后語:目前我國已開工建設大量的山區客運專線鐵路,遇到的比較突出的問題是橋隧相連地帶的箱梁架設問題,由于受隧道凈空的限制,架橋機和運梁車運送箱梁通過隧道成為迫切需要解決的技術難題。鄭州大方橋梁機械有限公司周治國等同志編寫的這篇論文,對解決山區鐵路橋隧相連地段簡支箱梁的架設難題具有重要的指導和借鑒意義。本刊在 2010年 2期發表了中鐵工程設計咨詢集團吳紅軍高級工程師撰寫的“橋群、隧道群廣泛相間情況下橋梁施工方案研究”論文,較全面地介紹了橋隧相連地段橋梁架設方案。解決此類問題必須樹立系統性和全局性的觀點,在確保安全、質量、進度的前提下,提高設計規劃的合理性,科學合理地規劃梁場,盡量減少占用耕地和農田,減少對自然生態環境的破壞,提高鐵路建設的技術水平。本刊將在以后陸續刊載此方面的論文,以更好地服務于當前大規模鐵路建設。