大跨度鋼管拱橋頂推施工技術

劉 瑞

(中鐵十八局集團 第五工程有限公司, 天津 300350)

1 工程概況

本項目位于河北省衡水市榕花大街。設計起點為既有大慶路，從北往南依次與既有京九鐵路、石德鐵路、站前路交叉，終點接于既有和平路。主線路線總長為1133.741m。主線高架橋總長度625.7m，橋寬25m、28m，孔跨布置：3-3x30m連續箱梁+1-80m鋼管混凝土拱橋+3-3x30m連續箱梁，主橋采用頂推法施工，頂推段長58m，梁體重4300t(含護欄)，頂推距離90m，軌跡為直線，無坡度，頂推就位后兩端為原位現澆，現澆段長度均為10.9m，再進行拱肋施工。

2 方案選定

衡水市榕花大街高架橋工程跨越六股鐵路，新建橋梁周圍全是住宅樓，施工場地狹小。本工程如果選擇轉體法施工，順鐵路方向預制轉體梁，周圍居民樓必須拆遷，拆遷費用太高，因此我們考慮采用頂推法施工。

常規的頂推施工是將80m箱梁直接頂推跨越鐵路后落梁，頂推段現澆梁預制須要占用相鄰橋梁施工場地，會影響主橋兩側引橋現澆梁施工，整體工期將會增加。如采用80m整體一次頂推就位，頂推重量很大，增加了頂推控制難度。在查閱國內外該領域發展現狀及最新技術后，確定采用大跨度鋼管拱橋頂推施工技術。

大跨度鋼管拱橋頂推施工，將跨徑80m箱梁分為三段(頂推段58m、兩后澆段各10.9m)，將58m頂推段頂推至鐵路兩邊臨時墩后拆除導梁，進行兩端后澆段施工，后澆段完成后在梁體上進行鋼管拱拱肋安裝及吊索張拉。通過該方法施工，既解決了跨度大的難題，又減小了頂推重量，縮短了工期。

3 施工特點

(1)研發形成橋位支架分段現澆箱梁、設置前導梁及墩旁反力支架、連續作用千斤頂拖拉頂推技術，確保了運營線行車安全。

(2)研究確定的混凝土箱梁現澆中段頂推長度，一次頂推跨越運營線，無需落梁。兼顧兩邊段與拱腳混凝土整體現澆，保證了設計施工質量，具有創新性。

(3)通過滑塊限位、導向糾偏裝置、頂推千斤頂頂力糾偏方式糾偏以上三種種限位糾偏方式，確保了梁體就位精度。

(4)通過大跨度鋼管拱橋分段施工，減少了頂推重量，縮短了頂推段現澆梁占用相鄰現澆段時間，從而縮短了整體工期，增加了碗扣支架、模板、方木的周轉次數，節省了資金。

4 工藝原理

大跨度鋼管拱橋頂推施工，將箱梁分為三段(頂推段為58m、兩后澆段各為11m)，先將58m頂推段頂推至鐵路兩邊臨時墩上后拆除導梁，再進行兩端后澆段施工，最后在80m梁體上安裝鋼管拱拱肋及吊桿張拉。

頂推法施工原理是頂推段箱梁通過滑塊作用于支撐墩上進行預制，由墩身傳至承臺和樁基上。待箱梁主體施工完畢，進行縱向預應力筋張拉后，通過水平千斤頂施力，借助滑道(鋼箱)、滑塊(由橡膠、薄鋼板、聚四氟乙烯板組成)滑動裝置，克服滑塊與滑道之間的摩擦來達到梁體向前頂推[1]，頂推過程中對頂推段位置進行跟蹤觀測，利用導向糾偏裝置對頂推梁體位置進行限制及糾偏，準確就位后58m箱梁支撐于鐵路兩側臨時鋼墩柱上。

頂推就位后采用滿堂支架法現澆兩側各10.9m后澆段，并與支座連接完成80m箱梁預制。后澆段完成后進行拱腳施工和拱肋安裝，鋼管拱肋通過搭設在80m箱梁頂面的支架采用分段拼裝，管內混凝土采用泵送頂升壓注施工，由兩拱腳至拱頂對稱均衡地連續壓注完成。吊桿張拉采用應力控制、應變校核方法張拉，張拉完成后進行橋面系施工[2]，拆除鐵路兩側臨時鋼墩柱后對吊索進行一次調整，使其滿足成橋后吊索應力要求。至此，80m鋼管拱橋完成。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程

圖1 大跨度鋼管拱橋頂推施工工藝流程圖

5.2 操作要點

5.2.1 支撐系統施工

橋梁頂推支撐墩共9組，其中2組混凝土主墩，7組鋼管臨時墩。主墩與臨時墩之間間距分別為15m、15m、15m、15m、15.65m、14.35m、150m、14.35m，墩柱最大跨度為50m。支撐系統布置圖如圖2所示。

圖2 臨時墩布置立面圖

臨時墩基礎采用8根直徑1.2m的鉆孔灌注樁，深度為15m-50m，臨時承臺采用2m厚混凝土結構。L1#-L3#臨時墩采用4根(Φ800×12mm)鋼管連接而成，7#、8#、L4#、L5#臨時墩采用4根(Φ800×16mm)鋼管錨固在承臺預埋鋼板上，墩頂鋪設一層3cm鋼板與立柱焊接，作為滑道基礎平臺。為了確保各排臨時墩穩定，縱向采用4根(φ406×8mm)鋼管聯成一體，橫向采用4根(φ406×8mm)鋼管聯成一體。

5.2.2 滑動系統控制

頂推段在L1#～L3#墩上搭設滿堂支架預制，地基利用既有路面。腹板及橫梁處支架間距0.3×0.3m，翼板范圍內間距為0.6×0.9m，其它部位支架間距0.6×0.6m，橫桿豎向步距均為1.2m。58m現澆梁支架全斷面進行預壓，預壓重量為1.2倍箱梁自重。為減少頂推過程中的水平阻力，箱梁預制時底板鋪設標高需嚴格控制，要求箱梁底板高程符合設計要求且相對高差小于5mm。

圖3 58m頂推箱梁預制圖

本工程滑道采用點式滑道，分別在7#、8#、9#永久墩，L1#～L5#墩共布。

設8組滑道，每個墩上對稱布置兩條滑道，全橋共16塊滑道。滑道安裝標高嚴格控制，單個滑道安裝標高控制在1mm以內，同墩兩滑道標高差控制在2mm以內。滑塊續放間距不超過5cm，四氟乙烯面和不銹鋼板接觸面之間涂抹硅脂潤滑劑以減少頂推摩阻力，保證靜摩擦系數≤0.08，動摩擦系數≤0.045。現場備用部分薄厚不一鋼板(2mm、3mm、5mm)防止滑塊與梁底脫空。

頂推過程中滑道上滿鋪滑塊，滑塊采用橡膠、鋼板和一層2mm聚四氟乙烯板(F4)壓制而成，總厚度為30mm，尺寸為99×50×3cm，抗壓強度不小于20MPa。

5.2.3 頂推導梁安裝技術

為保證箱梁頂推過程中的結構安全，在頂推段前進方向設置了長36m的導梁，導梁前端設置于L4#墩上。跨越鐵路時混凝土梁最大懸臂僅為14m，根據計算結構受力滿足要求[3]。

導梁長36m，由4段組成，預埋段A段(長3.2+6m)、B段(長10m)、C段(長10m)、D段(長10m)，頂、底板、腹板均為Q345D鋼板。高度由3.3m變化為1.5m，上下翼緣寬度由1.5變化為0.8m，上下翼緣鋼板厚度由50mm變化為28mm，兩腹板厚度由40mm變化為24mm。各節段間對接采用10.9級M30高強螺栓,預拉力為360KN。兩片導梁腹板通過鋼管橫聯形成一體。加工選用有資質的專業加工廠制作，并在加工場內進行試拼裝。導梁安裝完成后張拉錨固預應力鋼絞線。

為檢驗鋼導梁與主梁連接強度，避免在正式頂推過程中，因導梁與主梁連接處強度不夠導致連接處拉應力過大造成連接處混凝土開裂，無法頂推，影響鐵路行車安全。本工程在正式頂推前模擬頂推最大懸臂狀態對導梁進行預頂試驗來檢驗出導梁自身強度及鋼混結合部位強度。頂推前對導梁進行荷載試驗，經計算，當箱梁前端至5#臨時墩前14m時，箱梁與導梁接縫處受力最大，每片導梁的彎矩為53500KN/m[3]。導梁安裝完成后，在距箱梁與導梁接縫20m處(9#墩上)采用400t千斤頂向上頂升。單側導梁達到最大正彎矩頂力為53500/20=2675KN，同時，需克服導梁自重為800KN，總頂升力為3475KN。試頂力應逐級加載，在克服自重后，加載應先加預頂力的50%，然后按預頂力的10%逐級加載，并對導梁與混凝土連接處及導梁自身應力應變進行實時監測監控，避免發生異常現象。在頂推過程中導梁最大撓度設計值為14.9cm，導梁荷載試驗測定的撓度為15.1cm。

5.2.4 導向糾偏技術

頂推就位精度允許偏差要求為10mm，本工程主要采取以下幾種糾偏措施：

(1)滑塊擋塊限位

利用設置在滑道與滑塊外側的限位擋進行箱梁限位，滑塊續放時貼近限位擋塊續放，通過限制滑塊偏移來進行梁體運動軌跡限位。

(2)限位滾輪限位及糾偏

利用布設在箱梁邊腹板兩側的共4組限位導向裝置進行箱梁頂推過程限位及糾偏，導向限位裝置安裝時與梁體保留1cm～2cm空隙，頂推過程中梁體發生偏位時利用油泵控制滑輪與梁體間隙進行糾偏。

(3)千斤頂頂力糾偏

利用2臺連續頂推千斤頂頂力大小調整來實現梁體糾偏，頂推過程中，通過調整千斤頂頂力進行糾偏，如梁體往東側偏移，則適當增大東側千斤頂頂力，如梁體往西側偏移，則適當增大西側千斤頂頂力，通過以上方式同樣可起到調整梁體位置的作用。

5.2.5 頂推施工

(1)頂推動力系統

本工程頂推選用2臺ZLD300連續千斤頂、配套泵站系統及1套連續頂推自動控制系統，ZLD300連續頂推千斤頂安裝在L4#墩位處的反力墩上，每個千斤頂通過19根Φ15.24mm鋼絞線與梁尾端的拉錨器相連共同組成牽引系統，牽引索安裝時逐根使用25t千斤頂施加3KN左右力預緊，保證均勻受力。

(2)試頂推

頂推段運行距離為90m，頂推重量為4300噸。正式頂推前需進行試頂推，試頂距離為4m。試頂上記錄相關參數，并與理論參數進行對比，同時調整頂推相關參數。試頂記錄數據如下：

1)頂推力大小(初始、正常運行、停止后再啟動)、頂推速度、頂推摩擦系數、各種設備的運轉情況、結構物關鍵點的受力情況、頂推過程中監測等情況的記錄。

2)對實際數據及時進行分析，并與計劃值進行比較，如有偏差，及時作出調整，使頂推各項參數達到計劃值，確保正式頂推順利進行。

(3)正式頂推

正式頂推時封鎖鐵路進行頂推，頂推先采用手動模式，然后轉換到自動運行同步模式，主控臺操作人員利用筆記本中控臺連續自動頂推系統，使2臺千斤頂統一同步頂推，進行主梁的自動連續頂推。

頂推開始后，工人將從滑道前端吐出的四氟滑板，拿到滑道后端重新喂入，必須保證相鄰兩塊四氟板間間隙小于5cm，直至頂推完成。滑板喂入時需緊貼限位擋塊喂入，同時需將滑板表面雜物清理干凈并隨時涂刷硅脂以減少摩擦力。頂推時每個點位設專職管理觀察滑板喂入及是否有脫空情況。如滑板發生脫空或無法喂入，立即更換不同厚度滑板保證梁底全部鋪滿滑塊。頂推過程中對梁體進行實時監測，每2m報橫向偏移位置，同時對梁體進行糾偏。

通過對頂推支撐系統、滑動系統、導梁安裝、糾偏系統、頂推同步施工技術等關鍵控制點位的技術研究及運用，避免頂推施工過程中發生任何安全或質量事故，保證了鐵路不間斷安全運營，間接經濟巨大。

大跨度鋼管拱頂推施工與普通現澆箱梁頂推施工相比，現澆梁截面尺寸較小，減少了頂推重量，節省了較大的混凝土、鋼材用量，符合建筑節能工程的有關要求。大跨度鋼管拱頂推施工為特殊條件下的跨越鐵路施工方法提供了新的思路，有利于規模化應用。

6 結語

大跨度鋼管拱頂推施工比普通頂推施工提前了至少兩個月的時間，為后續橋面系列施工和附屬工程施工贏得了寶貴的時間。解決了橋梁引道窩工的問題，減少了社會資源的浪費，取得了良好的社會效益和經濟效益，為特殊條件下的跨越鐵路施工方法提供了新的思路，取得了良好的成效。同時，為大跨度鋼管拱頂推施工跨越鐵路線路施工提供了寶貴的施工經驗，具有一定的實用和參考價值。

參考文獻：

[1] 劉鎮偉.在役鋼管混凝土拱橋檢測技術及可靠性評價方法研究[D].鄭州：鄭州大學，2015.

[2] 孔德同.鋼管混凝土拱橋的穩定性及地震響應分析[D].西安：長安大學，2014.

[3] 王杰.鋼管混凝土拱橋地震響應分析[D].哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2012.

[4] 周元元.大跨度鋼管混凝土拱橋穩定性影響因素研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[5] 胡麗娟.鋼管混凝土拱橋維修與養護技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2011.

[6] 解恒燕，劉彪.桁架拱輕鋼大棚骨架K型節點受力性能對比與分析[J].數龍江八一農墾大學學報，2016，28(05)：105-108+127.