鋼殼合龍技術在跨越既有鐵路施工中的應用

■ 陳俊波

0 引言

隨著高速鐵路的快速發展，新建高速鐵路不可避免的要跨越既有高速鐵路或普速鐵路。傳統的跨越方案是在既有鐵路上方搭設防護棚架采用懸臂掛籃施工或懸臂掛籃兜底施工。傳統方案不但對既有線運營安全影響較大，施工風險高，而且要求梁底凈空較高，導致線路坡度增大，工程費用增加。為減少對運營線安全的影響及節約投資，鋼殼合龍施工技術作為一項在跨越既有鐵路施工的安全、高效的新技術、新工藝被逐步應用[1]。

鄭萬鐵路是國家重點項目，全長350．825 km。跨越既有鐵路共9處，其中采用鋼殼合龍技術跨越既有鐵路的2處，分別為跨越孟寶鐵路、寧西鐵路。孟寶鐵路為國家Ⅰ級干線，由中國鐵路武漢局集團有限公司管轄。鄭萬鐵路河南段北汝河特大橋在DK157+194處，采用（60+100+60）m支架現澆+承臺轉體預應力混凝土連續梁跨越孟寶鐵路，主跨與孟寶鐵路（K93+385）呈129°夾角，轉體施工時采用逆時針轉動，中跨合龍段采用鋼殼合龍技術施工，連續梁100 m主跨合龍后梁底距離既有線上、下行軌面高度均為9．9 m。以鄭萬鐵路跨孟寶鐵路為依托，對鋼殼合龍技術的應用進行分析和總結。

1 鋼殼合龍方案設計

1.1 方案設計

設計單位在施工圖設計時采用的是懸臂澆筑連續梁方案，為減少對既有線運營的干擾，控制投資，進一步降低線路縱斷面，施工圖審查時在滿足孟寶鐵路限界并預留0．8 m施工空間的條件下，最終確定采用鋼殼作為合龍段外模板施工方案跨越孟寶鐵路。

鋼殼作為連續梁合龍段外模板，主要由預埋段鋼殼、嵌補段鋼殼、吊掛系統3個部分組成。具體設計方案為：連續梁懸臂端（兩側）端頭澆筑混凝土時預埋一部分鋼殼段，預留部分合龍口，再將嵌補段與預埋段焊接，封閉合龍口。同時鋼殼內設置環形加勁肋及縱向加勁肋增強其剛度，整個鋼殼與混凝土澆筑成一個整體（見圖1）。

1.2 預埋段鋼殼、嵌補段鋼殼

預埋段鋼殼、嵌補段鋼殼采用14 mm厚鋼板組焊而成，鋼殼的外形尺寸同梁體外輪廓尺寸一致，緊貼梁體設置于梁體外輪廓之外。不同跨度連續梁預埋段鋼殼沿線路中心長度不同，跨孟寶鐵路為170 cm，設計為130～210 cm楔口狀，鋼殼沿線路中心嵌入連續梁兩端頭現澆段末端90 cm，外伸80 cm，兩端頭現澆施工時預埋于現澆段末端，并設置錨筋同兩端頭現澆段錨固。嵌補段鋼殼長60 cm，同兩側預埋段鋼殼各搭接10 cm。

圖1 鋼殼合龍方案設計

1.3 吊掛系統

吊掛系統由精軋螺紋鋼吊桿、連接螺母、錨固扁擔梁組成，連接螺母通過電弧焊焊接于預埋段鋼殼及嵌補段鋼殼之上，螺母與吊桿通過螺栓連接，吊桿上部錨固于扁擔梁上。

1.4 鋼殼采用材料

采用Q345qNHD耐候鋼材，Q345qNHD耐候鋼材采用熱軋工藝。鋼殼角焊縫質量等級II級，鋼殼對接焊縫為I級熔透焊，平整度為不大于2 mm。

2 施工方案

鋼殼合龍的總體施工流程為：鋼殼加工及涂裝—鋼殼預埋段安裝—連續梁轉體施工—鋼殼嵌補段安裝—合龍段混凝土澆筑。

2.1 鋼殼加工及涂裝

2.1.1 鋼殼加工及標準

根據合龍段的結構尺寸加工鋼殼，為便于吊裝，鋼殼共分3部分加工，分別為底板、腹板和翼緣板。預埋段鋼殼按楔口長和設計尺寸加工，跨孟寶鐵路按130～210 cm加工，預埋100 cm，外露楔口長30～110 cm。鋼殼內側焊接鋼板作為肋板以加強鋼殼整體剛度，加強肋板縱向按照間距60 cm布置，每個鋼殼中間布置橫向共2道加強肋板。鋼殼焊接采用人工電弧焊，鋼殼鋼板之間的焊接均采用I級熔透焊，焊條采用506焊條，焊接應對稱，同時焊接，焊縫采用坡口焊接，焊接時按焊接工藝要求操作。焊縫經過超聲波探傷達到NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》規定的II級標準[2]。

鋼殼各部件的外形尺寸及公差符合設計圖紙要求，2個鋼殼截面尺寸誤差應不大于2 mm；鋼殼邊緣各點高程誤差應不大于1 mm，不得有撓曲變形；2個鋼殼的中心軸線和標高誤差應不大于1 mm。

2.1.2 鋼殼涂裝及標準

為提高鋼殼的防腐能力，在安裝前應進行涂裝。鋼殼涂裝前應采用符合TB/T 5149和TB/T 5150標準規定的鋼丸、鋼砂，或應使用無鹽分和無沾污的銅礦渣、石英砂等進行表面清理[3-4]。鋼殼表面清理應達到GB/T 8923．1—2011規定的Sa3級，外觀相當該標準規定的A Sa3、B Sa3、C Sa3和D Sa3。電弧噴涂金屬涂裝前，鋼表面粗糙度Rz要求在50～100 μm。噴涂防護漆按TB 1527—2011《鐵路鋼橋涂裝保護及涂料供貨技術條件》中第6套鋼橋涂裝體系標準進行涂裝保護，涂裝外觀顏色采用鐵銹色（見表1）[5]。

2.2 鋼殼預埋段安裝

預埋鋼殼在轉體前進行施工，鋼殼按照設計預埋于最后一個現澆節段末端（兩側）。鋼殼沿線路中心嵌入連續梁兩端頭現澆段末端90 cm，外伸80 cm。跨孟寶鐵路采用汽車吊安裝預埋鋼殼，汽車吊站立在既有鐵路柵欄外側20 m外，確保施工過程不侵入鐵路線界。預埋段鋼殼安裝幾何尺寸偏差不大于2 mm，鋼殼邊沿各點的高程誤差不大于2 mm，且不得有撓曲變形（見圖2）。

2.3 鋼殼嵌補段安裝

轉體前將底板部分嵌補段鋼殼放置于合龍段位置處箱梁內部，將腹板及翼緣板部分嵌補段鋼殼放置于合龍段位置處箱梁頂面。待轉體施工結束后，并在勁性骨架鎖定之前，合龍段鋼殼采用載質量5 t叉車卡位放入，鋼殼掛在梁端混凝土上，待梁體標高、平面位置調整完畢后，及時鎖定勁性骨架，將2個鋼殼之間預留60 cm縫隙，采用厚14 mm，寬120 cm（設計寬度）的鋼板焊接，形成一個封閉整體鋼殼。為安裝方便，嵌補段鋼殼底板、腹板、翼緣板分塊制作，嵌補段鋼殼按照先底板、再腹板、最后翼板的順序吊裝，鋼殼吊裝完成后焊接封閉，鋼殼環向封閉完成后，再焊接橫橋向焊縫，先將嵌補段鋼殼一端同預埋段鋼殼焊接，另一端待邊跨合龍完成后，選擇與合龍段混凝土澆筑溫度相同的時段進行焊接（見圖3）。整個安裝過程必須有經過管轄鐵路局集團公司培訓的專職安全人員全程監控，專人指揮，保證設備不侵入既有線安全限界，保障行車安全。

表1 鋼殼外觀涂裝要求

圖2 鋼殼預埋段安裝情況

2.4 鋼殼加勁肋焊接

嵌補段鋼殼安裝完成后，需補充縱向加勁肋和連接板，保證鋼殼與混凝土的密貼。加勁肋和連接板順橋向設置，1 m范圍內設置加勁肋4道，由5道連接板焊接連成（見圖4）。

2.5 鋼殼接地裝置安裝

轉體到位后鋼殼內施工按營業線監督施工辦理。因高空作業，鋼殼要設置接地裝置，接地裝置采用鋼殼與梁體接地端子連接，再由主墩連接到地面，接地裝置安裝完畢后需要進行測試，接地電阻不大于10 Ω。

圖3 鋼殼嵌補段安裝情況

圖4 鋼殼加勁肋焊接示意圖

2.6 鋼殼合龍段混凝土澆筑

澆筑跨中合龍段混凝土時，根據線形監控數據需在兩懸臂端分別臨時壓相同質量的混凝土塊進行配重，在澆筑合龍段時根據混凝土施工速度分次卸除配重混凝土塊。

為使兩懸臂端在施工時達到設計時的應力及應變狀態，并防止合龍段混凝土澆筑前后，混凝土從初凝至達設計強度90%期間，梁體受溫度反復變化和日照不均等因素影響，在結構中引起變形和次內力，應設置固定邊跨懸臂端的內外剛性支撐予以臨時固定。

2.7 合龍段鋼殼安裝注意事項

（1）檢查鋼殼各部件的外形尺寸及加工公差是否滿足設計要求；鋼殼截面尺寸誤差控制在2 mm以內；鋼殼安裝時需準確定位，由測量放出位置邊線，沿邊線準確定位安裝。

（2）鋼殼在組焊成型時需準確定位，焊縫位置需設置坡口，采用手工電弧焊焊接，焊接完畢后打磨焊縫余高；加勁肋在焊接過程中嚴格控制焊接質量，過程中注意控制鋼殼面板變形；鋼殼各部件的焊接工藝需滿足要求，嚴格控制焊接過程中的“熱效應”變形，焊縫應光滑平整，無咬邊、氣孔、夾渣等缺陷；焊縫質量等級要求II級，鋼殼對接焊縫要求I級熔透焊。

（3）縱向預應力鋼束正常通過，在橫隔板相應位置預留鋼束穿過孔和縱向鋼筋孔位。

（4）嵌補鋼殼在安裝過程中由于在既有線鐵路正上方，需做防護措施。

3 應用效果

3.1 對既有線行車干擾少、影響范圍小、縮短施工工期、安全可靠

相對于跨越既有線施工的傳統施工方法，搭設防護棚架施工方法在搭設、拆除棚架時需要點施工，施工周期長，對運營線影響干擾大，特別是在拆除防護棚架時，存在很多不安全因素；掛籃兜底施工方法在拆除兜底或退出掛籃時均需要點施工，對運營線影響干擾大。而采用鋼殼合龍技術施工時，鋼殼作為合龍段外模板，在連續梁混凝土懸臂端預埋一部分鋼殼段，預留一部分合龍口，再用嵌補段與預埋段焊接，封閉合龍口，同時鋼殼內設置環形加勁肋及縱向加勁肋增強其剛度，而且整個合龍段鋼殼與混凝土澆筑成整體，鋼殼無需拆除，運營后也不會脫落，其牢固性非常可靠。因此，在跨越既有線施工時采用鋼殼合龍技術可以最大限度減少對既有線運營的影響，而且安全可靠、操作簡單、施工速度快，避免了多次要點，降低了施工難度和施工安全風險。

3.2 總體工程造價低、施工工程費用少、效益好

鋼殼合龍技術施工可以大幅減少梁底到既有線規定的空間。采用掛籃兜底施工時至少要為鐵路限界預留2．463 m施工空間（梁底距兜棚內底1．8 m+3 mm，鋼板+10 cm，工字鋼縱梁+20 cm，工字鋼橫梁+16 cm，墊梁+20 cm，精軋螺紋鋼外露）；采用鋼殼合龍只為鐵路限界預留0．800 m施工空間；鋼殼合龍至少可降低控制點高度1．663 m。因此，線路坡度可以大幅度減低，墩身高度等均可縮短，可以降低工程造價。由于不再搭設防護棚架，也減少了臨時工程數量，節約了施工成本。

鋼殼合龍技術與防護棚架施工、掛籃兜底施工對比見表2。

3.3 減少后期維修工作量

鋼殼材料采用Q345qNHD耐候鋼材，耐候鋼屬于世界超級鋼技術前沿水平的系列鋼種之一，具有耐銹、抗腐蝕性強、延長構件的使用壽命等特性，其耐候性為普通碳鋼的2～8倍，涂裝性為普通碳鋼的1．5～10．0倍。項目使用的Q345qNHD耐候鋼材要求采用熱軋工藝生產，并采用鐵路鋼橋第6套涂裝體系，其耐銹、耐腐蝕效果更好，增強了結構的耐久性，同時大大減少了后期維修工作量。

3.4 合龍段混凝土施工質量有保障

鋼殼作為合龍段混凝土外模板在施工完后不用拆除，合龍段混凝土施工完后混凝土密實性及外觀質量等無法通過常規方法進行檢查。為確保合龍段混凝土質量，在跨孟寶鐵路合龍段混凝土施工過程中，應用信息化手段對混凝土密實性及外觀質量等進行控制，通過對每道工序上傳施工影像資料、監理監控影像資料等進行控制。跨孟寶鐵路合龍段混凝土施工完后，通過彈性波雷達掃描EWR檢查，混凝土密實性等指標均符合要求。

表2 鋼殼合龍技術與防護棚架、掛籃兜底施工對比

3.5 成功解決電位差問題

由于上跨既有電氣化鐵路，梁底部位鋼殼距離接觸網距離較近，如不采取措施，將存在電位差的問題。為解決這一問題，在鋼殼安裝時通過加勁肋與梁體鋼筋焊接，再連接至接地端子，并進行電位差檢測，確保消除電位差后再澆筑合龍段混凝土，通過這一措施可消除電位差，確保結構安全使用。

4 結束語

鋼殼合龍施工技術在跨越既有鐵路時，有著傳統施工工藝無法替代的優勢，在施工過程中應加強過程控制、質量監控、工序檢查，確保混凝土灌注質量。鋼殼合龍技術在跨孟寶鐵路施工中的成功運用，保證了項目的穩步推進，值得予以推廣。