大噸位預應力混凝土箱梁跨密集型鐵路站場頂推施工技術

賈建平

(中鐵十七局集團第二工程有限公司，西安 710043)

1 工程概況

石環公路307國道東互通立交位于石家莊市裕華區小西帳村北,由南向北依次跨越307國道、石德鐵路良村車站、307國道復線、石津灌溉渠。其中主橋為跨度102 m兩幅并列的啞鈴形鋼管混凝土系桿拱橋,系梁為單箱三室預應力鋼筋混凝土箱梁,主橋全寬49 m,每幅系梁位于R=6 000 m的豎曲線上,雙向橫坡,梁高為263～301.4 cm,單幅寬為2 430 cm,總體布置見圖1。

圖2 系桿拱橋與鐵路交叉關系(單位：cm)

圖1 石環公路307東互通立交系桿拱橋橋型布置(單位：cm)

該系桿拱橋一跨跨越石德線良村車站站場,從南向北依次是2條到發線、石德鐵路Ⅰ線、石德鐵路Ⅱ線、3條到發線和1條貨物線,共計8股道,股道間最大間距7.55 m,最小間距5.0 m,主橋和石德鐵路斜交79°。石德鐵路主要通行貨物列車,車流密集,平均行車間隔時間10 min。主橋和石德線的交叉關系如圖2所示。

2 總體施工方案的確定

由于本橋系桿拱跨越運輸繁忙的石德鐵路,根據鐵路部門的意見,施工時要求快速跨越鐵路,且不能在鐵路上方有現澆混凝土作業,總體施工方案主要圍繞“跨越鐵路、必須保證既有線安全”和“質量大、荷載集中的頂推結構順利完成施工”這兩個核心問題來展開,經比選最后確定采用頂推法施工,并就頂推方法、工藝等進行比選,確定最佳方案。

2.1 “帶拱”頂推和“不帶拱”頂推的比選

“帶拱”頂推是指系梁、鋼管拱、吊桿全部完成后,臨時固接鋼管拱并部分張拉吊桿,然后頂推。“帶拱”頂推方案優點是拱肋拼裝等大部分上部結構施工在鐵路限界外完成,更有利于行車安全。缺點有：首先從受力角度分析,在頂推之前,鋼管拱拱肋不能合龍,且吊桿不能張拉到位,頂推過程中由于系梁的豎向變形,會導致吊桿對拱肋的拉力不斷變化,拱肋及系梁受力較為復雜；再者頂推重力大(為80 300 kN),施工難度加大,安全隱患增大；另外系桿拱頂推前施工周期長,占用引橋施工場地,對整體工程工期影響大。

“不帶拱”頂推是指先將系梁預制完成后頂推到位,然后在系梁上面拼裝拱肋。采用此方案,頂推重力小(為78 000 kN),另外,頂推結構簡單,受力明確。系梁頂推到位后,鋼管拱拱肋節段拼裝、焊接等工作均在混凝土系梁這一大的工作平臺上完成,對鐵路運營影響甚小。

經過綜合比較,確定采用“不帶拱”頂推方案。

2.2 原位頂推和高位頂推后落梁的確定

系梁頂推時在豎向位置的比選可以有高位頂推和原位頂推兩種,高位頂推是指在支座安裝好后再進行頂推,到位后再落梁到位；原位頂推則是先進行系梁頂推到位后再安裝支座。根據工藝比選及結構計算,確定采用原位頂推,到位后在系梁邊支點15號、16號墩處將系梁單獨頂起(起頂高度控制在20 mm),起頂力不大且系梁未出現拉應力。

2.3 頂推方法的確定

頂推方法設計為“拉肚皮”法,即在臨時墩和永久墩上布置多點頂推千斤頂,在梁底設置拉錨器,采用鋼絞線連接拉錨器和千斤頂,通過千斤頂施加牽引力頂推系梁向前移動。根據主墩和臨時墩與既有線的位置關系布置千斤頂,避免了頂推鋼絞線跨越鐵路,保證了鐵路安全。

2.4 頂推滑道布置形式的確定

由于系梁為單箱三室預應力混凝土箱梁,橫向寬度達24.3 m,在方案選擇上比較了“兩滑道”和“四滑道”兩種布置形式。“兩滑道”方案是將滑道布置在最外側兩個腹板,“四滑道”是在每道腹板下設滑道。“兩滑道”方案使系梁橫向成為一簡支體系,受力明確,滑道頂高程控制精度要求低。但分別對“兩滑道”和“四滑道”方案進行結構分析計算后,發現“兩滑道”方案要求導梁剛度很大、與系梁聯結處理難度很大,滑道下支撐反力也很大,臨時墩及永久墩基礎全部需要加倍處理,投入大,不如“四滑道”經濟。最后確定采用“四滑道”方案。

3 頂推總體布置

3.1 頂推跨度

由于施工場地限制系梁在12號～15號墩之間預制平臺上預制,預制完成后頂推到15號～16號墩,頂推總長102 m,而15號～16號墩之間跨度達100 m,跨度太大系梁滿足不了頂推要求,因此根據石德鐵路良村車站站場內軌道的實際情況增設4個臨時墩(圖3),即臨1號、臨2號、臨3號、臨4號墩；另外系梁在12號～15號橋墩之間預制,因地制宜在12號、13號、14號、15號、16號墩(而原有的12號、13號、16號墩不能或不完全能安裝滑道,為了節省投資,經過必要的改造)設置滑道(圖4)；同時石德鐵路良村車站站場內軌道間距以及與系梁成89°的交角限制從而使本橋的頂推跨度實際變為：

右幅 32 m+35.5 m+32.68 m+13.14 m+25.12 m+19.66 m+15.21 m+27.36 m；

左幅 35.5 m+32 m+32.68 m+17.52 m+25.12 m+19.66 m+15.21 m+23.18 m。

圖3 石德鐵路良村車站站場內橋墩布置

圖4 系梁預制及橋墩布置

3.2 前后雙導梁結構

在頂推過程中前、后懸臂最大長度分別為26.83、35.5 m,采用前后雙導梁結構進行頂推。

3.3 千斤頂布置形式

預制臺位設在西側,頂推方向由西向東,兩幅分條頂推,按施工順序,先右幅后左幅每幅最終頂推總重力達78 000 kN,按靜摩擦系數0.1計,全橋布置8臺1 000 kN連續頂推千斤頂,采用分級調壓、集中控制技術,確保橋墩承受水平力在設計容許范圍內。頂推初期14號墩安裝2臺千斤頂、15號墩安裝四臺千斤頂、臨1號墩安裝2臺千斤頂,后期14號墩倒換到臨3號墩、15號墩倒換到16號墩。

3.4 頂推姿態

由于本橋梁底位于R=6 000 m的豎曲線上,因此澆筑系梁及滑道高程、鋼導梁必須同處于一圓弧豎曲線上,這樣頂推箱梁的姿態始終處于R=6 000 m的豎曲線上。

4 頂推體系

橋梁頂推作業包括箱梁預制、臨時墩安裝、滑道安裝、導梁及限位裝置安裝等,而頂推體系的施工是最關鍵的施工環節,其主要由滑道體系、牽引體系、位控體系組成。

4.1 滑道體系

頂推滑道體系由臨時墩、滑道板和聚四氟乙烯滑塊組成。滑道安裝是頂推施工的關鍵環節,制作和安裝精度要求很高,必須精心施工、精心測量,其位置的精度將影響頂推施工的安全。

由于主墩之間跨度太大，箱梁不能滿足頂推要求,因此在主跨內根據鐵路車站站場內鐵路軌道的實際情況增設臨時墩。為提高臨時墩的穩定性,臨時墩采用樁基礎、鋼管墩柱,防止臨時墩在箱梁頂推過程中產生較大的水平位移,以滿足箱梁頂推的要求。

在臨時墩和永久墩上均采用單滑道板形式,滑道板由3 cm厚鋼板制成,鋼板表面包裹3 mm厚不銹鋼板,將滑道板焊接固定在墊梁上,為便于喂入滑塊和滑塊從前端滑出時能重復利用,滑道兩端設置成弧線形狀。這種形式的滑道能在工廠批量精確加工,很好地承受各向作用力,而且高程容易控制,拆除也非常方便。滑塊采用國產聚四氟乙烯滑塊,為減小頂推摩擦因數,在滑塊表面涂上耐久、耐摩擦的硅脂油。

4.2 牽引體系

牽引體系采用自動連續同步頂推系統,牽引索連接千斤頂和拉錨器,形成水平方向的拉力。頂推牽引體系由連續千斤頂、千斤頂反力裝置、牽引索和拉錨器組成。

4.2.1 千斤頂及反力裝置

千斤頂采用ZLD100連續千斤頂,試頂時布置10臺(使用8臺,備用2臺),正式頂推時布置8臺。由于是多點頂推,則根據千斤頂布置情況，其反力裝置分別作用在臨時墩、永久墩上。

4.2.2 拉錨器

根據頂推要求,拉錨器分插入式和錨固式2種。插入式用2[40型鋼焊接而成,簡單、易操作,用于箱梁無腹板處,頂底板同時受力,旨在避免只用底板受力易把拉錨孔前側混凝土壓壞的質量通病。錨固式直接錨固在箱梁的橫隔板、腹板處,用精軋螺紋鋼錨固。

4.2.3 牽引索

牽引索采用φ15.24、強度為1 860 MPa鋼絞線。安裝時,鋼絞線的一端逐根從千斤頂的尾部向千斤頂的前部穿入,另一端對稱地穿入拉錨器的錐孔,為防止鋼絞線扭轉,便于穿索,先用梳線板導向梳理。所用的鋼絞線必須是左、右旋向2種搭配使用,以免使用同一旋向鋼絞線而引起千斤頂活塞旋轉,造成設備損壞。鋼絞線安裝完畢后,用YDC240Q千斤頂進行單根預緊,預緊力控制在1 MPa(約50 kN),最后用頂推千斤頂進行整體預緊。

4.3 位控體系

在頂推過程中和頂推到位后,為防止箱梁在頂推過程中出現過大的偏斜,在每個臨時墩左右側安裝側向限位裝置,限制箱梁的橫向移動。施工采用的是絲桿式側向限位裝置,分別布置在每墩系梁兩側對稱安裝。頂推過程中,發現梁體有少量偏移時,可隨時通過兩側限位器的調節絲桿進行糾偏。頂推到位后,為防止梁體前后再次移動,在梁體的前后端設置擋塊；為防止梁體橫向偏位,利用安裝在梁體兩側的限位裝置與箱梁頂緊。

4.4 頂推施工

對ZLD100系統聯機調試,檢測裝置正常工作。開通電源、主控臺、液壓站、千斤頂,使梁體不斷向前運行,在梁體前進的同時,各墩頂不斷地將滑塊從滑道后端喂入,由于施工的需要,中間需要倒頂或倒換拉錨器。

滑動時梁體勻速向前移動的條件是

∑Hi=∑fiNi

式中Hi——各頂推千斤頂的頂推力；

Ni——各支點的支反力；

fi——各支點頂推動摩擦系數。

為防止梁體在頂推過程中發生開裂,采取了如下措施。

(1)提高滑道的制作精度,嚴格控制滑道高程。

(2)在箱梁前后端設置鋼導梁,用精軋螺紋鋼加強鋼導梁與箱梁的連接,改善箱梁前后端的受力狀態。

(3)高標準嚴格控制梁體制作質量,確保混凝土的各項指標(特別是強度和彈性模量)和施工質量符合要求。

(4)系梁預制前,對支架進行預壓,消除支架的非彈性變形,取得支架的彈性變形值,精確控制梁底高程,提高模板制作精度,提高梁底平整度。底模脫離梁底后,設專人負責箱梁底板的修整、打磨。

(5)采用四滑道頂推,準備多種規格的四氟滑塊和薄鋼板,頂推時根據需要四氟滑塊和鋼板配合使用,以防止梁底不均勻受力使梁體開裂。

4.5 落梁、更換支座

箱梁頂推到位后,15號、16號主墩由于滑道和永久支座位置重疊,需先在主墩處將梁單獨頂起(每次起頂高度控制在10 mm以內,起頂高度≤20 mm),每墩用2臺4 500 kN千斤頂頂起取出滑道板,可充分保證頂升力。起頂時及時將預先拼裝好的新保險支墩放置在橋墩外側,修整好支承墊石并放好永久支座即可。

5 結語

本橋頂推距離達102 m、頂推重力達78 000 kN,體積大(頂推寬度24.3 m)、結構比較復雜(系梁位于R=6 000 m的豎曲線上)。采用多點原位頂推施工技術,占用場地少,工藝先進,方便操作,工期短,節省投資,具有很好的社會效益和經濟效益,很好地解決了上跨橋梁施工對繁忙的鐵路運輸的干擾問題,將對今后類似的工程提供良好的借鑒作用。該橋已于2008年年底建成通車。

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