鐵路雙線變截面圓端形空心薄壁高墩群施工方法的選擇及快速施工技術

摘要：本文通過向莆鐵路京山特大橋空心高墩的施工實踐，闡述了鐵路雙線變截面圓端形空心薄壁高墩群施工方案的選擇及其快速施工技術，重點介紹了模板、鋼筋連接、起重、混凝土輸送、墩身封頂、人行通道施工的方案比選及相應的各種施工工藝，為今后的類似工程總結施工經驗。

關鍵詞：變截面；圓端形；空心薄壁高墩群；施工方法；施工技術

1 工程概況

向莆鐵路（江西向塘至福建莆田）京山特大橋位于福建省永泰縣長慶鎮梅樓村，中心里程DK453A+280.688，全長1149.855m；設計為鐵路雙線，橋墩采用變截面圓端形空心薄壁高墩，基礎除橋臺采用擴大基礎外，其余均采用鉆孔樁基礎，全橋共30個橋墩，平均高度52m，超過50m的墩身共20座，其中4#墩最高為73.35m，空心墩身外坡比采用35:1，內坡比根據墩身高度不同采用55:1、70:1、80:1三種，墩身底部設置高250cm～750cm不等的實心段，墩身頂部設計為圓端形頂帽，空心段壁厚50cm～167.2cm，空心段上下各設高100cm倒角；墩底最大尺寸為4#墩長A1477.1cm×寬B1097.1cm，圓端直徑R=1097.1cm，中間直線段寬L=380cm，墩底實心段高H1=750cm，墩頂實體段高H2=500cm，壁厚b=70cm～167.2cm；上部結構設計有3聯（40+64+40）m預應力混凝土懸灌梁，線間距4.6m～5.0m，懸灌梁中支點梁高為5.2m，跨中梁高為2.80m，梁體為單箱單室、斜腹板、變高度、變截面結構，箱梁頂寬12.2m，底板寬度6m。梁部主體采用C50高強混凝土，普通鋼筋采用Q235和HRB335級別，預應力采用三向預應力體系。

2 施工方案比選

京山特大橋作為向莆鐵路第一高橋，是全線的重點工程，施工方案的選擇將直接影響工程的施工進度、質量和安全，為了能夠滿足業主的總體工程要求，在施工前進行了詳細的方案比選：

2.1 模板方案選擇

根據以往類似工程的施工經驗，目前高墩施工主要有三種施工方法：滑模、爬模、翻模。一是滑模方案，滑模主要是將模板懸掛在工作平臺的周圍上，沿著所施工的混凝土結構截面的周界組拼裝配，并隨著混凝土的灌注由千斤頂帶動向上滑升，優點是采用干硬性混凝土連續作業，施工速度快，可用于直坡墩身和斜坡墩身，缺點是結構復雜，工藝要求高，設備投入大，混凝土表面和內部質量不穩定，滑升高度受限制，施工精度低；二是爬模方案，爬模是以空心墩已經凝固的混凝土為支撐體，利用自身攜帶的提升爬架，以液壓頂升油缸為爬升設備主體進行爬升，主要用于空心高墩，優點是模板、平臺、支架一體，機械化程度高，勞動強度低，施工安全方便，工序少，質量好，缺點是如果墩身變坡度，模板調整困難；三是翻模方案，這種模板系統依靠混凝土對模板的粘著力自成體系，隨著混凝土的澆筑，下面一層模板向上翻滾，依次循環直至設計標高，主要用于不變坡的方墩，這種模板優點是制造簡單，構件少，費用低，施工靈活，施工速度快，混凝土接縫易于處理，便于模板誤差調整，缺點是對起吊設備依賴性強，如果變坡度墩身模板尺寸調整困難。

根據以上三種高墩模板施工方案對比，結合京山特大橋空心墩內外均收坡，同時圓端直徑不斷變化的特點，項目部最終選取了類翻模施工工藝，即根據每個墩身中間直線段L的尺寸不變，圓端模板直徑R自下向上不斷減小的特點，直線段平模采用翻模的施工工藝，圓端模板以全橋頂口圓端半徑尺寸最小處作為模板頂口，以全橋底口圓端半徑最大尺寸為模板底口1.5m為一節加工全套模板，根據各個橋墩頂、底口尺寸調整模板節段長度，保證每個橋墩頂、底口處尺寸單獨成節。施工時中間平模直接向上翻升，圓端模板根據圓端直徑選取，同時將施工完畢的的圓端模板轉移到其他墩使用，各墩之間形成自帶支架模板流水法施工作業，確保多個墩身基本保持同時施工。根據實際使用情況看，這種方案能夠同時施工15個墩，滿足總體施工工期要求。

2.2 墩身豎向鋼筋連接方案選擇

目前橋梁施工鋼筋連接方式主要有閃光對焊、電弧焊、直螺紋套筒連接。閃光對焊連接方式主要用于鋼筋方便倒運、低空或水平作業的部位，對對焊機操作人員的技術水平要求較高，不適用于直徑較細的鋼筋連接；電弧焊連接可用于各種部位及各種型號的鋼筋連接，但費時費力，尤其是豎向鋼筋的連接，要求具有相當高的焊接水平才能保證施工質量；直螺紋套筒連接應用范圍廣、速度快、效率高，但容易出現質量控缺陷，要求操作人員具有較強的責任心，同時必須加強套絲和連接工藝的施工監督。

通過以上三種鋼筋連接方式的比較，考慮京山特大橋工期緊、鋼筋運輸及安裝不便、質量標準高的施工特點，選擇速度快、效率高、質量有所保證的鐓粗直螺紋套筒連接方式。

2.3 起重設備的選擇

京山特大橋共30座橋墩，其中高于30m的墩有28座，大部分高于50m，施工中必須使用塔吊，考慮工程進度及施工成本，塔吊采用租賃及購買相結合的方式使用，所有懸灌梁主墩均使用自購塔吊，其余的普通墩身均采用租賃方式。根據京山特大橋墩跨、墩高、單位起重要求，最終選擇QTZ80C型塔吊，QTZ80C型塔吊為水平臂架、小車變幅、上回轉自升式多用途塔吊，該機具有適應性強，占地面積小，裝拆迅速，起升速度快，效率高的特點，適應于惡劣的施工環境，工作幅度3～55m，獨立式起升高度達到46m，附著式起升高度達150m，最大起重量8t，大臂40米處起重量為2t，滿足施工起重要求。懸灌梁主墩部位的塔吊負責懸灌梁主墩、邊墩及梁體的施工，其余每3個普通墩身共用1個塔吊。全橋最多使用8臺塔吊，能夠同時負責兩聯懸灌梁和50%的墩身同時施工，滿足施工工期要求。同時為了方便協調現場施工，進場2臺輪式25t吊車配合塔吊進行起重作業。

2.4 墩身封頂方案選擇

一般墩身封頂采用落地支架或高空托架施工方案，但由于京山特大橋墩身均較高，并且在封閉內空間施工，空間小，落地支架方案操作不便、腳手架投入量大、施工周期長、拆除困難；而托架施工方案在封頂后托架拆除困難、安全風險非常大。考慮到施工進度及安全風險，以上兩種方案均不適合本工程。在進行充分比較后，選擇省工省時、操作簡單方便、安全系數大的預制板法，即在已施工完的空心墩頂部倒角上鋪設預先預制好的預制板作為封頂實體段的底模，然后在預制板上澆筑實體段的方案，預制板不再進行拆除。

3 墩身主要施工工藝

3.1 模板設計及施工

模板根據方案比選結果選用類翻模施工工藝。

3.1.1 模板設計

根據計算結果，京山特大橋不同直徑的圓端模共計加工105米，平面模板共加工12套，數量完全能夠滿足施工需要。

3.1.1.1 外模板構造設計

由于墩身高，模板循環次數多，面板使用δ=5mm厚鋼板制作，模板縱肋采用[12槽鋼，后橫梁采用2[16槽鋼，縱肋和橫梁組焊而成，模板法蘭采用δ=15mm鋼板，連接螺栓采用Φ20螺栓，間距20cm。模板拉桿采用Φ20精扎螺紋鋼，Φ32拉桿孔只設置在墩身平面位置，橫向間距1m，縱向間距90cm。模板外側設置工作平臺。模板具體參數見下圖：

3.1.1.2 內模設計

考慮到內模施工空間較小，墩身內部平面部分模板設計與外模一樣，分割成高度1.5m的小塊模板進行組合，將兩端圓模制作成兩塊大模板進行組合。面板使用δ=5mm厚鋼板制作，模板縱肋采用[8槽鋼，圈肋采用[16槽鋼，縱肋和橫梁組焊而成，模板法蘭采用δ=10mm鋼板，撐桿采用[16槽鋼。內模板拉桿采用Φ20精扎螺紋鋼，拉桿孔與外模相對應。

3.1.1.3 工作平臺

考慮墩身較高，外模的工作平臺采用搭設腳手架形式難以滿足要求，支架的穩定性也得不到保證，同時工程量較大，投入的成本較高。簽于以上原因，京山特大橋外模工作平臺根據模板整體特點單獨設計，設計外模時豎向加勁肋上預留螺栓孔，在豎向加勁肋上安裝吊籃式三角支架，施工人員通過爬梯進入工作平臺，工作平臺寬80cm，采用螺栓每1m間距與模板進行鉸接。工作平臺為施工提供較為寬闊的操作平臺，同時工作平臺通過螺栓連接后組成空間桁架保證了工人的施工安全。內模工作平臺考慮施工方便、人員操作安全和施工空間問題，在進行墩身施工時每隔10米在墩身上大小里程側各預埋3個[20預埋件，然后在墩內焊接工作平臺，在工作平臺上搭設鋼管支架，頂部設置頂托和方木，鋪設厚度1.5cm的腳手板，作為操作平臺。

3.1.1.4 模板的抗風設計

福建地處沿河，受季風和臺風的影響，而且墩身模板迎風面積較大，模板設計時應充分考慮了模板的抗風性能，單塊模板的設計剛度足夠滿足當地最大風力的要求。施工過程中主要從模板的整體性進行考慮加固，從工況最不利時考慮，風力組合影響最大的時候在兩層模板全部安裝和翻升完畢后。施工過程中要求當風力超過4級時禁止模板翻升和拆除作業，當模板翻升到位后立即組裝成型，形成環形閉合體，在模板的四個平模角分別設置四個吊環，利用已經施工完的下部混凝土Φ32的拉桿孔和通氣孔設置為作為臨時約束，采用Φ20鋼絲繩利用緊線器將模板進行預拉緊，必要的時候可以暫時利用鋼筋直接臨時焊接處理。

3.1.2 模板施工

空心墩分節施工，每節施工高度3m，模板分定位導向模板與混凝土施工模板。每個橋墩對應使用模板4.5m，前一節模板預留1.5m模板保持緊固狀態，作為導向模板，再向上順接內外模板3m，成為混凝土施工的模板體系。墩身平模直接向翻升，圓端模板不同對應高度采用不同的模板型號（不同高度直徑不同），同一型號模板在每個橋墩僅使用一次，然后拆除移到下一個橋墩對應工作面上，這樣各個橋墩依次階梯狀使用圓端模板，形成一種流水節拍倒用模板，每一節段圓端模板向前流動使用。墩身的中心對位和平面尺寸通過外模螺栓調整和承臺上的錨樁調整。由于墩身的內外壁均有坡度，因此在施工過程中應注意模板使用的排列順序以保證墩身的線形平順。在施工過程中各墩身施工高度相差一模(3m)以上，使一整套流水圓端鋼模板分節段應用于若干橋墩上，拆除前一墩身的圓端模板在地面進行打磨、涂油后，直接吊裝下一墩身進行施工。

由于墩身施工自然環境相同，在進行空心墩流水法施工時，應重點解決施工空心墩不同部位時圓端模板的配套以及施工機械和人員的現場調配工作，使每節段圓端模板在各墩身之間形成不間斷循環向前使用的流水效應。

3.2 鋼筋工程

根據京山特大橋的施工特點，鋼筋連接施工采用鐓粗直螺紋套筒連接方式。這種連接方式首先使用鋼筋鐓粗機將鋼筋端頭鐓粗，然后將鋼筋待連接部分滾壓成螺紋，利用連接套筒進行連接，使鋼筋絲頭與連接套筒連接為一體，從而實現了等強度連接的目的。

為了保證施工質量，鋼筋端面應平齊頭，端面與母材軸線方向垂直，易采用砂輪切割機或其他專用切斷設備，嚴禁氣割。鋼筋鐓粗機采用ZFD-40型鐓粗機，此設備結構簡單，工作穩定可靠，以特有的單缸自動夾緊原理設計，操作簡單、便于維護、鐓粗時間短、效率高；套絲采用JCBL-40型鋼筋剝肋滾壓直螺紋機，此機構思新穎，性能優良，成型螺紋精度高，滾輪壽命長，集鋼筋剝肋及螺紋滾壓于一身，一次裝卡即可完成兩道工序，效率非常高；套筒采用45號優質碳素結構鋼或合金結構鋼，套筒尺寸應保證接頭的屈服承載力和抗拉極限承載力不小于相應的鋼筋標準屈服承載力和抗拉極限承載力的1.1倍。對套絲完成的絲頭應逐個進行質量檢查，避免不合格的用于工程主體，套絲完畢的鋼筋采用塔吊或吊車吊裝到位后人工使用扳手擰緊，所有連接工藝及技術標準應符合《鋼筋機械連接通用技術規程》內的相關規定。

3.3 混凝土施工及養護工藝

3.3.1 混凝土施工工藝

混凝土采用兩臺JS1000混凝土拌合站集中拌和，混凝土運輸車進行運輸。為了加快施工循環進度，混凝土入模采用塔吊、拖式混凝土泵、臂架式混凝土泵車互相配合施工，混凝土入模高度低于25m時主要采用臂架式混凝土泵車；高于25米時主要采用拖式混凝土泵輸送混凝土，混凝土泵管用卡扣直接附著在塔吊上，到達入模高度后搭設塔吊至墩身的臨時平臺固定泵管進行布料；在泵出現損壞或進行維修時即可采用塔吊進行臨時作業，以保證現場的施工正常運轉，使用塔吊起吊混凝土時應采取措施防止混凝土漏漿，具體辦法是在混凝土吊斗底部的閥門鋼板上固定厚度3cm的橡膠墊，閥門關上時橡膠墊堵住縫隙。

混凝土坍落度控制在14～18cm左右，采用輸送泵垂直運輸時，以滿足泵送條件為宜。澆注過程中一定要注意布料均衡的問題，分層澆筑，每層澆注厚度控制在30cm，按順（逆）時針的方向順序澆注。上層混凝土的灌注必須在下層混凝土初凝前進行，否則應采取措施加快澆筑進度，澆注速度宜控制在0.6～0.8m/小時。同時澆筑時注意日照對模板的影響，先從模板陰面的一面開始澆注分層均勻進行。混凝土澆注過程中注意保護模板拉桿，工人不能踩在拉桿上，振搗混凝土時振動棒不能碰拉桿。澆注過程中保證第一層混凝土的坍落度不宜過大，防止由模板周圈泌漿、泌水污染墩身，混凝土澆注前模板周圈的縫隙使用玻璃膠封堵嚴密。因墩身混凝土分節澆注，控制好每節混凝土頂面高度可以保證相鄰兩段墩身接縫良好，當混凝土澆注到頂層時，使混凝土面稍高于模板頂，以便鑿毛時方便清洗處理；澆注完畢后派專人用木抹子將模板四周附近的混凝土抹平，保證混凝土面與模板頂面平齊，以保證上下兩節段為一條平齊的接縫。

京山特大橋空心墩底部設計為實體段，體積較大，為了防止混凝土在溫度應力作用下出現開裂，在控制混凝土拌和與澆筑溫度的同時，采用預埋冷卻管的方式進行養護，依據承臺溫度應力場特征安置冷卻水管，采用50×3mm鋼管，原則上從中間向兩側分部布置，水平管間距為120cm，層間距100cm，水管距離四周邊緣不大于50cm，進、出水管均各自獨立，散熱管進出水口露出混凝土面20cm左右。

3.3.2 墩身混凝土養護

由于本橋墩身比較高，采用灑水養護操作不方便，水源供應也是解決難題，故墩身養護采用混凝土養護液，墩頂及施工時的接茬面覆蓋土工布澆水養生，并保持其濕潤狀態。根據以往的施工經驗，混凝土養護劑采用YF-6型養護劑。YF-6型混凝土養護劑是復合類成模型養護劑，主要成份為：成模劑、改進劑、促進劑。YF-6型養護劑以水為連續相，選用了具有良好成模性與粘著性的成份作為成模劑；以有機胺作為改進劑，提高成模劑的溶解度，改良成模后的脆裂性，使覆蓋模具有合宜的韌性；促進劑能促使成模物在養護劑中保持穩定的均一相，促進液模向混凝土表面滲透，粘結形成堅硬的致密封閉層，使水分難以揮發。該養護劑具有提高混凝土抗壓、抗折強度，提高混凝土耐磨性，無毒、無污染的特點。

施工時采用3WS-7型壓縮噴霧器將養護劑溶液均勻噴灑在混凝土表面上，噴頭距表面30cm左右。噴灑時，操作人站在上風處，按順序逐行噴灑，向前推進。混凝土拆模后應立即進行養護劑的噴灑作業，噴灑過遲會造成混凝土中水份過早過多蒸發，噴灑過早則降低養護劑對混凝土表面的粘結力。養護劑噴灑的厚度用每公斤溶液的噴灑面積來控制，根據現場實際操作經驗來看，YF-6型養護劑每公斤可養護3～4m2混凝土面積。

4 結束語

京山特大橋作為向莆鐵路第一高橋，難度大、技術含量高，通過各種方案的比選及現場實際使用，把近年橋梁工程中比較先進的工藝和方法應用于本工程，不僅保證了總體工期，創造了可觀的經濟效益，同時完成了安全事故零的目標，為今后類似的工程摸索了一套完整的施工工藝，值得在今后的工程中繼續推廣使用。

參考文獻

[1]李自光.橋梁施工成套機械設備[M].北京.人民交通出版社.2003

[2]中國建筑科學研究院.鋼筋機械連接通用技術規程[S].北京.2003