低施工凈空條件下的山區河流大跨度鋼桁梁架設方案比選研究

劉玲晶

(中鐵大橋局集團有限公司　武漢　430050)

低施工凈空條件下的山區河流大跨度鋼桁梁架設方案比選研究

劉玲晶

(中鐵大橋局集團有限公司武漢430050)

摘要在山區河流進行橋梁施工相比常規條件更加復雜，當橋梁施工還受到限高影響時，橋梁施工的難度和風險倍增。文中以新建成貴鐵路菜壩岷江特大橋鋼桁梁架設施工為例，針對該橋施工凈空低、山區河流、薄覆蓋層等工程特點，提出了3種鋼梁架設施工方案，并分別從受力安全、施工難度、經濟投入和施工工期等方面進行比選，最終給出本工程的最優施工方案。

關鍵詞鋼梁架設低凈空施工山區河流薄覆蓋層方案比選

山區河流一般具有汛期流速大、水位暴漲暴跌的特點，在山區河流進行橋梁施工，需充分考慮其復雜水文地質特征對橋梁施工的不利影響，因此，與常規條件相比，在山區河流涉水進行橋梁施工具有更大的施工難度和風險。當橋位臨近機場或其他具有特殊限高要求的區域時，橋梁施工環境更加復雜，施工難度和風險巨大。

1工程背景

1.1　橋梁概述

新建成貴鐵路菜壩岷江特大橋位于宜賓菜壩機場的西側。主橋為3跨連續鋼桁梁，跨徑布置為140 m+224 m+140 m，鋼桁梁自重約為13 000 t。由于橋址處于宜賓菜壩機場的西側約3 km，橋梁施工受機場航空限高的影響，見圖1。

圖1　橋型布置(單位：m)

主橋鋼桁梁采用N形、K形組合桁式，跨中桁高16 m，支點桁高32 m，節間長度14.0 m，2片主桁，主桁中心距14 m。主桁節點均采用焊接整體節點。上、下弦桿采用箱形截面。腹桿根據受力大小采用箱形截面和H 形截面。主桁桿件采用Q370qD，Q370qE，Q420qD，Q420qE等鋼材，聯結系桿件采用Q345qD 鋼材。桿件最大重量68 t。

1.2　水文地質

橋址區屬宜賓市，雨量充沛。據上游高場水文站提供的資料，枯水期水位272 m，洪水期水位281 m，汛期最大流速達到3.34 m/s。

橋位處水文條件具有典型的山區河流特征，汛期水位暴漲暴跌，晝夜水位差可達8 m以上。圖2為2012年7月橋位處逐日水位。

圖2　橋位處2012年7月逐日水位

河床覆蓋層較薄，局部無覆蓋層，覆蓋層主要為卵石土，土層中卵石含量約90%，粒徑為20～50 mm約占30%，粒徑為50～180 mm約占60%，最大為230 mm，屬III級硬土。下伏基巖為薄層砂巖夾泥巖及弱風化砂巖。砂巖夾泥巖為強風化層，呈碎石狀結構，屬IV級軟石。砂巖層風化程度低，強度較高。主橋17，18號主墩基礎均為水中基礎。17號墩位處覆蓋層較薄，厚度范圍為1.5～5 m；18號墩位處河床無覆蓋層[1]。

2工程特點及難點

(1) 本橋施工受鄰近宜賓菜壩機場民航部門的限高影響。因此，鋼桁梁架設時所用的機械設備均需滿足限高要求。例如，架梁吊機的本體高度均較高，在其自身安裝以及吊裝桿件的過程中，會有超高的可能性。所以，本橋鋼梁架設需采用特制架梁吊機或龍門吊機進行安裝，以降低設備的操作空間。

(2) 岷江屬于典型的山區河流，具有汛期流速大，水位暴漲暴跌的特點。根據工期安排，岷江橋鋼桁梁架設計劃在2015年7月開始，正好是汛期施工。棧橋作為鋼梁桿件的運輸通道，是必不可少的大臨設施。因此對棧橋渡洪設計提出了更高的要求。

(3) 橋位處河床沖刷顯著，大部覆蓋層較薄，局部無覆蓋層。為確保棧橋鋼管樁的承載能力滿足汛期施工的需要，鋼管樁基礎需嵌入基巖。因此，施工較為困難。

3鋼梁架設施工方案

根據本橋的工程特點，對本橋鋼梁架設擬定了3種可行的施工方案。

3.1　方案一(采用龍門吊機從中跨向邊跨架設)

(1) 利用龍門吊機在墩旁托架上完成起始6個鋼梁節間的拼裝，然后在起始節間鋼梁上安裝架梁吊機下部。

(2) 龍門吊退出工作區，利用履帶吊完成架梁吊機上部的安裝。

(3) 進行鋼梁對稱懸臂架設。成都側邊跨鋼梁由龍門吊機安裝；貴陽側邊跨鋼梁由龍門吊和履帶吊機安裝；主跨鋼梁由架梁吊機安裝。

方案一中，龍門吊機作為鋼桁梁起始節間及邊跨節間架設的吊裝設備。為滿足龍門吊機工作要求，需在橋位上、下游分別設置棧橋。主墩旁設置墩旁托架作為鋼梁起始節間架設的支撐，并作為對稱懸臂架設的穩定措施。

3.2　方案二(采用架梁吊機從中跨向邊跨架設)

(1) 利用2 000 t·m塔吊在墩旁托架上完成起始6個鋼梁節間的拼裝，然后在起始節間鋼梁上安裝架梁吊機。

(2) 利用4臺架梁吊機進行鋼梁對稱懸臂架設。

方案二中，考慮墩位處常水位較低，無法滿足大型浮吊施工的需要，因此需在主墩墩位處設置大噸位塔吊完成起始節間鋼梁架設和架梁吊機的安裝。

3.3　方案三(采用架梁吊機從邊跨向中跨架設)

(1) 利用大噸位塔吊或履帶吊在臨時墩上完成起始4個鋼梁節間的拼裝，然后在已完成的鋼梁桿件上安裝架梁吊機。

(2) 利用2臺架梁吊機從邊跨向中跨懸臂架設。

4方案比選

從結構受力安全性、施工難易程度、經濟投入，以及施工工期等4個方面對本橋鋼桁梁架設的3種方案進行技術經濟性綜合比選。

4.1　鋼梁及臨時支架的受力安全分析

3種施工方案從鋼梁架設的方向上可分為2種。方案一和方案二均是從中跨向邊跨架設，方案三是從邊跨向中跨架設。在施工階段，采用不同的架設方向，對鋼梁結構以及臨時支架的受力具有顯著差異。

對鋼梁結構穩定性而言，當采用方案一和方案二時，由于是雙懸臂施工，因此必須嚴格控制橋面的施工荷載，否則不能滿足1.5的抗傾覆安全系數。當采用方案三時，可充分利用邊跨鋼梁自重來滿足抗傾覆的要求。

根據鋼梁架設方向的不同，計算出各個施工階段鋼梁應力和撓度的包絡值，見圖3～圖5。

圖3　施工階段鋼梁下弦應力包絡值

圖4　施工階段鋼梁上弦應力包絡值

圖5　施工階段鋼梁撓度包絡值

由圖3～圖5可見，在施工階段鋼梁架設方向僅對邊跨鋼梁的應力和撓度有影響。其中，3種方案的邊跨鋼梁弦桿應力有較小差異，下弦最大壓應力均約為127 MPa，上弦最大拉應力均約為128 MPa。方案三的邊跨鋼梁撓度明顯比方案一和方案二的邊跨鋼梁撓度小，施工的安全性更高。

通過計算，方案一和方案二中的臨時支架(即墩旁托架)承受的最大壓力是方案三中臨時支架(即臨時支墩)承受的最大壓力的1.6倍。因此，對臨時支架結構設計而言，方案三中臨時支架僅需采用小直徑的鋼管即可滿足受力要求。

因此，方案三無論從鋼梁強度和穩定性方面，還是從臨時支架結構受力方面，都是最優的。

4.2　施工難易性分析

方案一的主要架梁設備是龍門吊機和架梁吊機。其中，為滿足龍門吊機工作要求，需在橋位上、下游分別設置棧橋。方案二和方案三的主要架梁設備為大噸位塔吊和架梁吊機，下部結構施工期間僅需設計單棧橋即可。

由于本橋橋位處河床沖刷顯著，大部覆蓋層較薄或無覆蓋層，同時考慮本橋跨越的岷江河段為典型的山區河流，具有汛期流速大，水位暴漲暴跌的特點，為保證棧橋施工安全，棧橋的部分鋼管樁基礎需先沖孔后再施工混凝土錨樁。因此，棧橋施工難度較大[2-3]。通過以上分析可知，由于棧橋施工難度較大，方案一相比方案二和方案三施工更為困難。

4.3　經濟性分析

根據前述擬定的3種施工方案，其主要施工設備和施工結構投入見表1。

表1　3種施工方案主要機械設備和施工結構對比表

由表1可見，若考慮施工結構的周轉性，則設備材料的投入關鍵在于特制架梁吊機的數量。因此，方案二相比方案一和方案三經濟性較差，方案三經濟性最優。

4.4　工期對比

對3種鋼梁架設施工方案進行工期分析后可知，3種鋼梁架設方案所需要的總工期基本相同，均為約10個月。然而，工期的主要區別在于方案一和方案二鋼梁架設前，主墩需完成全部墩身施工；方案三鋼梁架設前，只需邊墩和臨時墩施工完成即可。由于兩岸邊墩基本為岸上墩，施工較為容易，主墩均為水中墩，基礎施工難度大且工期較長。相比而言，采用方案三進行鋼桁梁架設對主墩施工完成的工期節點要求比方案一和方案二可延緩約4個月。因此，方案三相比方案一和方案二具有顯著的工期優勢。

4.5　結論

綜上所述，在保證施工安全的前提下，本橋鋼桁梁架設的3種方案在結構受力安全性、施工難易程度、經濟性和工期等方面的差異見圖6。

圖6　3種鋼桁梁架設方案技術經濟對比圖表

顯然，施工方案三相比其他2個方案具有更好的技術經濟性，因此本橋鋼桁梁架設最終選用利用架梁吊機從邊跨向中跨方向進行架設的方案。

5結語

鋼梁懸拼架設可根據實際情況靈活選用龍門吊機、架梁吊機、大噸位塔吊或履帶吊等多種設備，設備的選取除滿足吊裝要求外，還需綜合考慮設備本身的適用條件。以本橋鋼梁架設為例，采用龍門吊機進行鋼梁架設具有低空作業的顯著優勢，但為滿足其正常工作的需要，需在橋位上、下游分別設置棧橋，而薄覆蓋層堅硬河床的地質條件導致雙側棧橋施工難度增加，施工工期延長。因此，架設設備的合理選擇對于降低施工難度、加快施工進度具有重要意義。

多跨連續鋼梁架設從架設方向上一般可采用從主墩向兩側對稱懸臂架設[4-5]和從邊跨向中跨架設[6]2類。采用不同的架設方向，對鋼梁結構穩定性以及相關單項工程的工期節點要求具有顯著差異。因此，施工方案擬定時應綜合考慮相關單項工程施工的實際情況，選取適宜的架設方向，以方便現場施工組織，降低實施難度。

綜上所述，在低施工凈空條件下進行跨越山區河流的大跨度鋼桁梁架設施工，施工方案的選取應根據施工環境的實際情況，在滿足客觀條件的限制、施工安全性和可實施性的前提下，綜合考慮橋梁施工各單項工程的相關性以及施工難度等因素進行綜合比選后合理選擇，以方便現場進行施工組織和管理，最大程度降低橋梁施工的綜合成本和風險。

參考文獻

[1]中國中鐵二院集團有限公司.新建成貴鐵路菜壩岷江大橋施工圖[Z].成都：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，2015.

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[3]朱明權.淺覆蓋層棧橋鋼管樁樁底錨固施工技術[J].安徽建筑，2011(4)：100-101.

[4]李華軍，田大千.東新贛江特大橋鋼桁梁架設施工技術[J].橋梁建設，2011(2)：80-84.

[5]孫兆遠.連續鋼桁梁雙向全懸拼工法[J].鐵道工程學報，1999,6(2)：27-30.

[6]黃江剛.公鐵兩用板桁結合連續梁橋架設技術[J].交通科技，2001(4)：8-10.

Comparison and Selection of Construction Schemes for Long-span Steel Truss Girder Erection over Mountain Streams under

Low Construction Clearance Condition

LiuLingjing

(China Railway Major Bridge Engineering Group Co., Ltd., Wuhan 430050, China)

Abstract：The bridge construction over Mountain Streams is much more complicated than conventional construction. When the bridge construction was influenced by aviation limited height, the construction difficulty and risk will be redoubled. In this paper, taking example for the new Caiba Minjiang River Bridge on Chengdu-Guiyang Railway, three construction schemes were proposed for the course characteristic of low clearance during the construction stage, the mountain streams and thin covering layer, etc. After the load bearing safety, the degree of construction difficulty, economic investment and the construction schedules were compared from these three schemes, the most suitable scheme was chosen at the end of this paper.

Key words:steel truss girder erection; low clearance construction; mountain streams; thin overburden layer; scheme comparison and selection

收稿日期：2015-07-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.002