滬杭高速鐵路大跨徑預應力混凝土橋梁工程與技術創新

錢桂楓，程 飛

(滬杭鐵路客運專線股份有限公司，上海 200237)

1 概述

滬杭高速鐵路自上海虹橋站引出，終到杭州站(杭州東站在建)，運營里程202 km，沿途設松江南、金山北、嘉善南、嘉興南、桐鄉、海寧西、余杭南等站。滬杭高速鐵路設計時速350 km，建設標準高、質量優、速度快、運營安全穩定。滬杭高速鐵路于2009年4月開工建設，2010年10月26日正式開通運營，在滬杭間構筑起一條安全、方便、快捷的大能力客運通道，對推動滬浙兩地和長三角地區的經濟一體化發展具有十分重要的意義。

滬杭高速鐵路具有如下鮮明的特點:(1)設計速度350 km/h，技術新，系統集成度高。(2)沿線經濟發達，城鎮規劃完善，環境敏感點多，環保、水保要求高。(3)廣泛分布深厚軟土層，工程地質條件差。(4)橋梁比重高，特殊橋跨、類型多。沿線河渠密集，通航河道及高等級公路星羅密布，與高速公路相交有18處，跨等級航道36處。橋梁占線路長度比重高達90%，特殊孔跨有155聯，有連續梁、道岔梁、剛構、剛架、特殊墩臺等多種形式。

針對橋梁的技術特點，滬杭高速鐵路因地制異，采取了技術創新:(1)在滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路和跨石大公路2座160 m大跨連續自錨上承式拱橋施工中，采用轉體施工方式。(2)首次設計并建成了高速鐵路跨度最大且孔數最多的2×135 m混凝土連續梁橋——橫潦涇大橋，鑒于工期要求，橫潦涇橋采取了一系列的技術創新，最終實現了在保證安全和質量的前提下，快速施工，節約綜合投資，保證了全線按期貫通。(3)沿線主跨超過100 m的特大跨連續梁橋還有10余座，采取了一系列創新技術，提高了工程質量，保證了施工安全，并加快了施工進度。

這些技術創新很多屬于我國高速鐵路橋梁建設史上開創性的工作，本文對此做簡要概述，期望對今后我國高速鐵路的建設提供借鑒。

2 2座轉體施工自錨上承式系桿拱橋

在2處上跨繁忙公路處設計為88.8 m+160 m+88.8 m自錨上承式拱橋，主跨跨越滬杭高速公路主線和石大路公路，重點介紹前者。滬杭高速公路與滬杭高速鐵路軸線夾角為33°，滬杭高速公路目前已拓寬為雙向8車道，路肩正寬41.5 m，邊坡1∶1.5，凈高要求5.5 m，交通十分繁忙。橋址處軟土厚度一般10～25 m、埋深3～35 m，軟土強度指標低，壓縮性高。在高速公路兩側設置2個主墩，每個主墩采用18根直徑為2 m的鉆孔樁，樁長為129 m，順橋7排，橫橋向5排。承臺設計為平面尺寸19.1 m(順橋向)×22.9 m(橫橋向)×6.5 m，為盡量避開高速公路的邊坡，承臺四角作切角處理，切角尺寸為2.25 m(順橋向)×4.2 m(橫橋向)。拱肋采用拋物線線形，矢跨比為1/6，邊、中跨拱肋跨中截面高4.0 m，邊、中跨拱肋拱腳處截面高6.0 m。主拱截面采用單箱單室箱形截面，頂板寬7.5 m，頂、底板及腹板厚度均采用60 cm，拱腳處局部加厚。邊拱在主拱的端部、拱腳、拱上立柱等處各設相應厚度的橫隔板。中拱主拱的拱腳、拱上立柱、中合龍等處各設相應厚度的橫隔板。拱上立柱均采用矩形實體截面。拱腳上立柱縱向厚度為2.0 m，兩邊拱肋立柱縱向厚度為1.8 m。上部采用花瓶形狀，橫向寬度由5.5 m過渡到7.5 m。拱上連續梁計算跨度為(20+22+22+20)m，為配合拱肋曲線景觀需要，邊跨支點梁高為4.5 m，跨中梁高為3 m。拱上連續梁共設置5道橫隔板，在對應支點位置處設置。拱上連續梁采用先簡支后連續的施工方法。系桿分臨時系桿及永久系桿，是該橋的重要受力結構，采用高強度、低松弛鋼絞線。臨時、永久系桿均為體外預應力形式，臨時索采用直索布置，永久系桿部分在梁端做平彎處理，在拱肋端部錨固。采用轉體法施工。通車后的跨滬高速公路自錨上承式混凝土轉體拱橋見圖1。

圖1 跨滬杭高速公路自錨上承式混凝土轉體拱橋

2010年5月18日，跨滬杭高速公路160 m特大橋自錨上承式拱橋順利合龍，創下3項世界第一:高速鐵路自錨上承式拱橋世界第一跨;軟土地基上第一座跨度達160 m的自錨上承式拱橋;單邊轉體質量達16 800 t，為世界同類橋梁之最。其次，該橋主跨跨度達160 m，拱肋矢跨比為1/6，整個結構給人以輕盈、通透之感，這在高速鐵路橋梁中是較少見的，該橋的轉體過程如圖2所示。

圖2 滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路88 m+160 m+88 m自錨上承式系桿拱橋轉體施工

該橋在設計階段始終運用安全、適用、經濟美觀的設計理念，經過多種方案的比選，才最終確定此方案。安全性由設計計算及構造保證;適用性體現在，由于采用轉體施工，使得新建橋梁對既有滬杭高速公路的影響降至最小，同時在軟土地基建造拱橋，采用自錨上承式系桿體系可以完美解決拱腳水平推力難以克服的問題，因此這種體系是適用于軟土地基的;經濟美觀性可由拱結構的普遍特性來闡述，首先，拱結構以受壓為主，可以充分發揮混凝土抗壓強度高的優勢，同樣跨度的橋梁，拱結構通常比連續梁、連續剛構節約材料，其次，拱結構與生俱來的曲線外形是傳統審美標準下美的典型。

在具備先進設計理念的同時，本工程在技術層面上的創新更加突出。本工程主橋設計為基礎、拱肋、梁固結體系，采用支架現澆、轉體就位的施工方法。為了實現這樣的施工工藝，需要解決幾大技術難題:首先，球鉸的制作與安裝精度要求非常高，這直接關系到能否轉動的問題，實際操作中，通過對工廠制作把關以及現場安裝的嚴格要求，來確保球鉸的精確安裝定位，整個轉動體系的構造如圖3所示;其次是施工過程中的穩定性控制，如此大跨度的懸臂結構在轉動過程中的穩定性非常重要，稍有不慎就會發生災難性的后果，實際轉體過程中，轉體的速度是受到控制的，既要保證連續性，又要保證平穩;再者是施工控制較復雜，由于經歷多次體系轉換，使得施工全過程仿真分析的影響因素種類繁多，難以把握，體現在預拱度的設置和應力、變形控制上，同時，合龍前的高程調整也是難點。最后沉降徐變變形觀測和控制復雜，對于無類似工程實踐先例的大跨轉體橋，從基坑施工開始公司走專家治理路線，論證重大施工方案，明確基礎沉降梁體變形觀測方案，加密觀測點，在每次體系轉換到位后加密觀測頻次，在經專家論證分析綜合設計意見，采用預留徐變值等措施后進行無砟軌道施工。最終，在克服重重困難之后，本橋順利實現合龍，目前已投入使用。

圖3 轉動體系構造圖及有限元模型(單位:cm)

在取得技術突破的同時，相關技術在理論上也得到了深化。通過對本項目幾類技術難題的科研攻關，取得了一些理論成果，如運用拉壓桿模型對本工程承臺的配筋進行論證，結果是滿足要求的，并對今后此類構件的設計提出建議;同時運用有限元軟件Ansys和Midas，考慮結構體系轉換，研究了收縮徐變對橋梁成橋狀態及長期使用性能的影響，對轉體結構的存放時間及分段澆筑劃分和順序提出建議;運用有限元軟件Ansys對球鉸的受力進行數值模擬，得到了不用摩擦系數下的啟轉力及球鉸內部的應力狀態，并與實際操作中的數據進行對比，發現啟轉力的數值模擬結果與實際較接近，驗證當前摩擦系數的取值是合理的，同時說明數值模擬具有實際意義。

本工程的建成借鑒了眾多以往成功經驗［1～4］，同時在此基礎上，進行了大量的技術攻關與理論深化，在設計方法與施工經驗上都取得了重大突破。在我國大規模基礎設施建設的大背景下，采用轉體施工工藝建設跨既有公路和鐵路的橋梁成為一種趨勢，本項目建設的成功經驗必將為今后同類橋梁的設計與施工提供寶貴的參考資料。

3 橫潦涇大橋快速施工與技術創新

跨橫潦涇連續梁橋位于上海市松江區，全長420 m，設計為(75+135+135+75)m的4跨預應力鋼筋混凝土連續梁，以62°交角斜跨橫潦涇。根據總體安排，要求該連續梁橋在2010年4月30日完工，施工工期10.5個月，為滬杭高速鐵路4大控制性工程之一，若采用常規施工方法，項目將推遲2.5個月，不能滿足工期要求。連續梁橋共5墩4跨，其中3個主墩為深水墩，水中墩是總工期控制的重點，為確保工期實現，要求根據3個主墩的結構情況及施工環境特點，結合現有的設備、人員等資源情況，打破常規，研究鉆孔樁、承臺、墩身、連續梁的各主要工序的快速施工法，使工期能按期實現(圖4)。

圖4 跨橫潦涇連續梁橋

該橋通過對鋼板樁圍堰內支撐布置方法［5］，墩身施工勁性骨架結構，0號塊拼裝平臺結構及滑移工藝等技術攻關，創造了圍堰與鉆孔樁同步施工方法;承臺、墩柱及墩帽同步施工方法;基礎與連續梁0號塊同步施工方法;0號塊29 m超長大節段現澆、梁部大節段掛籃懸臂澆筑施工技術;鋼板樁圍檁支撐自下而上施工、過江混凝土水下長距離泵送等等。橫潦涇橋有限元計算模型見圖5。

圖5 橫潦涇橋有限元計算模型

本工程在快速施工方面有以下幾點技術創新。

3.1 圍堰與鉆孔樁同步施工方法

常規施工應是在鉆孔樁完成后開始鋼板樁圍堰的插打工作，為先后的工序順序，本項目在鉆孔樁成樁近一半時，即開始插打圍堰鋼板樁，當鉆孔樁完成時，圍堰鋼板樁已插打完成4/5，鉆孔平臺拆除的同時，圍堰順利合龍，通過將兩工序的流水作業改為平行作業，節省施工時間約25 d。

3.2 承臺、墩柱及墩帽同步施工方法

一般承臺施工完后，混凝土養護及接觸面鑿毛，再安裝墩身鋼筋、模板，澆筑墩身混凝土，而本項目的主墩墩柱、墩帽鋼筋在場地勁性骨架及綁扎胎模上預綁扎，承臺底層鋼筋綁扎完畢后安裝墩柱勁性骨架底座，承臺頂層鋼筋綁扎完畢后吊裝墩柱鋼筋籠，定位并固定牢固后綁扎墩座鋼筋，安裝墩柱模板支撐在勁性骨架底座上，調整就位后澆筑承臺、墩座及墩柱連體混凝土;墩帽鋼筋整體吊裝至墩柱頂支承骨架上，剩余鋼筋及預應力孔道安裝，調整就位后澆筑墩帽混凝土;節省了兩次等待養護和鑿毛、安裝鋼筋模板的時間，結構的整體性更好。圖6為該橋墩身、墩帽整體吊裝施工場景。

圖6 墩身、墩帽鋼筋整體吊裝

3.3 水下布置鋼板樁圍堰的內支撐

鋼板樁圍堰的內支撐一般是由上向下逐層布置，而且是在墩位散拼，同時由于121號墩圍堰內施工時最大抽水深度達22 m，根據圍堰結構計算，即先抽水后下支撐方案，需在圍堰內先填4 076 m3的8 m厚砂層，以抵抗外側土壓力和水壓力，再逐層抽水并布置支撐。公司組織項目部多方反復論證，結合施工經驗，獨創了在水中下放內支撐和潛水員水下抄墊的方案，即由常規的自上而下，改為先下后上下放內支撐，大大縮短了圍堰施工時間。

3.4 基礎與連續梁0號塊同步施工方法

當圍堰內進行吸泥作業時，在圍堰上游側面布置連續梁0號塊鋼結構拼裝平臺，提前1個月安裝0號塊模板和鋼筋;墩帽施工完成后，水平整體滑移0號塊的模板、鋼筋至墩帽頂，調整后即澆筑0號塊混凝土，每個環節都順利有效銜接且受控。一般而言，29 m長的0號塊施工一般需要50 d，而最快的120號墩自墩帽完成后12 d，即開始澆筑0號塊混凝土。圖7為121號墩0號塊拼裝平臺滑移照片。

3.5 加大懸澆段長度，縮減懸澆段數量

圖7 121號墩0號塊拼裝平臺及滑移照片

當連續梁的塊段懸澆周期一定時，懸澆次數決定了懸澆時間。施工中通過設計優化，將0號節段長度由原來的19 m調整為29 m，懸澆節段采用4 m、4.5 m、5 m的超長節段，由原先的17塊段調整為11塊段，并增加了懸澆段混凝土的保溫、增溫等措施。實際每個塊段平均施工周期控制在8 d，通過此項措施，減少了6個懸澆周期，節省工期48 d，且施工質量優良。圖8為連續梁懸澆分塊調整示意。

圖8 連續梁懸澆分塊調整示意(單位:cm)

3.6 水中墩混凝土采用水下管束輸送方案

從岸上無棧橋直通水中墩，基礎至上部結構的混凝土供應出現嚴重問題，受條件限制又不能用空中泵管或船只運送。施工中采用水下管束輸送方案，通過8根100 m長的“U”形水下過江管道泵送，解決了11 m深水中的泵管架結構及密封處理、100 m長管道整體吊裝入水、預防泵送堵管、8根水下管道輸送18 000 m3混凝土問題，達到了水中墩混凝土澆筑與岸上泵送無差別，成為最便捷、最安全、最省時的混凝土輸送通道。如圖9所示。

圖9 北岸棧橋至121號墩水下混凝土輸送管道布置方案(單位:cm)

4 結語

滬杭高速鐵路于2009年4月開工建設，2010年9月1日動檢車上線聯調聯試，9月3日最高試驗速度達到350 km/h，9月23日完成聯調聯試，9月24日開始試運營，10月26日正式開通運營，用18個月的時間，創造了世界高速鐵路建設新速度，聯調聯試期間列車試驗運行最高時速416.6 km，刷新了世界鐵路運營試驗速度的新紀錄。

滬杭高速鐵路橋梁結構具有3個明顯的特點:(1)施工工期緊。根據本項目施組安排，土建施工時間不足12個月。如此緊張的周期，必然需要科學組織，對設計施工中預期難題提前進行科研攻關。(2)列車時速快。大部分的正線速度目標值均為350 km/h，這樣的高速對列車走行的平順性提出了更高要求，要嚴格控制橋梁的長期變形。(3)橋梁跨度大。滬杭線主跨超過100 m的橋梁數量較多，最大跨度達160 m，這在已經建成的高速鐵路橋梁中屬于較大跨徑，對其在運營期間可能出現的病害，需要采取合理的設計施工措施予以應對。因此，除了上述2座特大型橋梁，滬杭高速鐵路沿線橋梁還采取了很多創新技術。例如跨地鐵板梁結構，滬杭高速鐵路七寶線路所至松江特大橋橋頭之間以約87°角度與地鐵9號線(九亭站至中春路站間)交叉，長度30 m，里程為DK3+781.4～DK3+811.4，設計為無砟軌道路基，兩側各設25 m過渡段，共跨越3條地鐵隧道結構，跨越形式為板梁結構(16根鉆孔樁+4道托梁+4片托板)。還有冬季施工采取的自行移動式全封閉帶保溫棚掛籃技術，鋼纖維混凝土的防裂防收縮技術，超長0號塊施工技術等。

滬杭高速鐵路能夠安全、快速、高標準地建設成功，離不開橋梁的技術創新。技術創新也保證了滬杭高速鐵路的建設質量，這些創新技術也為今后高速鐵路橋梁建設提供借鑒。

［1］余常俊，劉建明，張 翔，等.客運專線上跨既有繁忙干線鐵路連續梁水平轉體施工關鍵技術［J］.鐵道標準設計，2009(12):46-51.

［2］張健峰，鐘啟賓.橋梁水平轉體法施工的成就及發展［J］.鐵道標準設計，1992(6):19-28.

［3］徐升橋，劉永鋒.北京市六環路斜拉橋設計關鍵技術［J］.鐵道標準設計，2009(11):52-55.

［4］鐘啟賓，馬景含.大里營剛性索斜拉橋轉體施工技術［J］.鐵道標準設計，1998(2):26-28.

［5］景兆德.京滬高速鐵路濟南黃河大橋鋼板樁圍堰設計與施工技術［J］.鐵道標準設計，2010(4):47-50.