京張高速鐵路門式墩方案設(shè)計優(yōu)化及施工技術(shù)研究

劉志如

（中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原030001）

隨著中國高鐵由“四縱四橫”向“八縱八橫”發(fā)展，新建鐵路上跨既有鐵路的交叉工程越來越多、結(jié)構(gòu)形式也日益復(fù)雜。設(shè)計和施工中應(yīng)綜合考慮地理條件、鐵路限界、橋梁結(jié)構(gòu)、運營安全等因素，制訂最佳技術(shù)方案，減少對既有線行車安全的影響[1-3]。目前跨越方案通常有兩種，即采用大跨連續(xù)梁跨越既有線和采用門式墩結(jié)構(gòu)與既有鐵路交角較小跨越。門式墩因具有結(jié)構(gòu)形式簡單、施工周期短、投資低等優(yōu)點，且上部結(jié)構(gòu)可采用標(biāo)準(zhǔn)梁型，被廣泛使用。

1 工程概況

新建京張高速鐵路為世界上首條時速350 km/h 的智能化高速鐵路，也是世界上首條最高設(shè)計時速350 km/h 的高寒、大風(fēng)沙高速鐵路。新保安高架特大橋全長15.05 km，為京張高速鐵路全線最長的特大橋。該橋26 號墩與27 號墩在鐵路里程DK117+697 處跨越既有京包鐵路上行線，與既有京包鐵路上行線線路的夾角為12°。門式墩平面布置如圖1所示。新保安高架特大橋26、27 號門式墩原設(shè)計橫向跨度12 m，計算跨度10 m，凈跨度8 m，橫梁截面為組合梯形，上頂面寬3.4 m，下底面寬2.8 m，立柱為矩形界面，截面為橫向?qū)?.0 m×縱向?qū)?.2 m。門式墩結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 門式墩平面布置圖

圖2 門式墩結(jié)構(gòu)示意

2 總體方案比選及優(yōu)化

2.1 門式墩原方案施工問題

新保安高架特大橋26 號、27 號墩采用門式墩結(jié)構(gòu)上跨既有京包上行線，主要考慮鐵路限界、運營安全因素，總體方案采用門式墩與施工便線相結(jié)合的方式，即先進(jìn)行便線施工實現(xiàn)既有京包鐵路臨時過渡，采用現(xiàn)澆法進(jìn)行門式墩施工，再對施工便線拆除、恢復(fù)線路。總體方案涉及既有運營鐵路斷道，因此，面臨與繁忙鐵路斷線要點協(xié)調(diào)難、便線施工周期長無法滿足架梁工期等問題。

2.2 門式墩優(yōu)化方案

為確保鐵路正常運營，加快門式墩施工進(jìn)度，滿足架梁工期要求，有必要針對門式墩設(shè)計與施工方案進(jìn)行深化研究。對運營安全、施工工期等因素進(jìn)行方案綜合比選，將門式墩跨度加大，同時取消施工便線的總體方案思路。門式墩跨度調(diào)整加大方案與原方案相比，工期方面，取消了便線施工，縮短工期1 個月左右；安全管理、協(xié)調(diào)方面，將運營鐵路斷線要點施工轉(zhuǎn)變?yōu)殚T式墩基礎(chǔ)臨近既有線施工、橫梁一次吊裝封鎖要點施工，規(guī)避了施工單位、鐵路部門在便線施工后帶來的臨時限速、運營管理等責(zé)任。

2.3 門式墩結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過優(yōu)化計算，新保安高架特大橋26 號、27 號門式墩設(shè)計調(diào)整為橫向跨度20.1 m，計算跨度17 m，凈跨度14.5 m。橫梁截面優(yōu)化為上頂面寬4 m，下底面寬3.3 m，立柱為矩形截面尺寸為橫向?qū)?.5 m×縱向?qū)?.8 m。因總體采用門式墩跨度加大，橫梁一次吊裝的方案，橫梁分預(yù)制吊裝段及現(xiàn)澆段，長度分別為13.3 m 及3.4 m，預(yù)制吊裝段采用空心箱室結(jié)構(gòu)，門式墩優(yōu)化設(shè)計如圖3 所示。

圖3 門式墩優(yōu)化設(shè)計

3 門式墩橫梁吊裝施工技術(shù)

3.1 施工方案

進(jìn)行樁基、承臺及墩身施工，將預(yù)制好的橫梁采用大噸位吊車將橫梁一次吊裝到位，然后進(jìn)行后澆段施工，實現(xiàn)橫梁與墩身的連接，張拉剩余預(yù)應(yīng)力鋼束，完成門式墩施工。其中，橫梁吊裝施工是門式墩施工成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2 橫梁預(yù)制

橫梁中間部分采用現(xiàn)場預(yù)制，墩頂預(yù)留3.4 m 長混凝土后澆段。在既有線附近選擇預(yù)制場地，對地基進(jìn)行處理并進(jìn)行硬化，立模綁扎橫梁鋼筋、安裝預(yù)應(yīng)力管道、澆筑混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、壓漿，預(yù)制過程中做好混凝土強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力工序控制，確保吊裝過程橫梁的強(qiáng)度和剛度。

3.3 橫梁吊裝設(shè)計及計算

3．3．1 吊車選型計算

因預(yù)制橫梁重量較大，達(dá)240 t，需對吊裝設(shè)備進(jìn)行選擇計算。橫梁自重G1=240 t，吊具、吊鉤G2=6 t，實際吊裝質(zhì)量G3=G1+G2=246 t。查詢選定吊車QUY650-SHB 吊車，超起平衡重半徑16 m，工作半徑按22 m 計算（實際工作半徑最大為20 m），主臂54 m，額定荷載G4=340 t，經(jīng)計算安全系數(shù)η=1.38，大于1.2，滿足要求。

3．3．2 吊具設(shè)計及計算

橫梁頂部設(shè)置8 個φ90 mm 吊點孔，在預(yù)制橫梁時在兩側(cè)對稱設(shè)置，用以安裝吊點裝置。吊點設(shè)計采用Q345 高強(qiáng)鋼棒及鋼板吊具組成，高強(qiáng)鋼棒下端與橫梁通過螺帽及墊板固定，上端與高強(qiáng)鋼板吊具通過螺帽及墊板固定，鋼板吊具側(cè)面預(yù)留吊具。其中，鋼板吊具采用鋼板焊接而成，底板板厚為8 mm、側(cè)板及肋板板厚5 m。因吊具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過建立有限元模型進(jìn)行計算，結(jié)果表明應(yīng)力最大值為195 MPa，位于橫梁吊點處；位移最大值為0.9 mm，位于底板四角處，整體應(yīng)力和變形均滿足規(guī)范要求。鋼板吊具應(yīng)力分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 鋼板吊具應(yīng)力

3．3．3 鋼絲繩計算

吊具和吊車吊鉤通過8 個55 t 級卡環(huán)和4 根Φ70，L=30 m 鋼絲繩連接。查粗直徑鋼絲繩載荷表，主吊車鋼絲繩選用4 根長為30 m 的鋼絲繩Φ70-8×61（b 類）-1870 鋼芯鋼絲繩，使用時每根采用一彎二股。

查表可得：P破=3 760 kN=383.7 t。鋼絲繩最大受力：單股受力P=246 t/8/sin60°=35.4 t，則鋼絲繩安全系數(shù)K=P破/P=383.7 t/35.4 t=10.8＞6，滿足要求。

3．3．4 門式墩橫梁支架體系設(shè)計

框架墩預(yù)制橫梁吊裝施工過程中，需要在26 號、27 號墩旁設(shè)置臨時支撐，作為預(yù)制橫梁的落梁平臺。為保證吊裝施工安全，采用鋼管+工字鋼的臨時支架體系[4]，門式墩橫梁支架體系如圖5 所示。立柱采用Φ609×16 mm 鋼管，每個橋墩內(nèi)側(cè)各布置一排3 個，鋼管中心間距為1.8 m；鋼管下端固定在樁頂承臺處，應(yīng)墊設(shè)鋼板，防止承臺混凝土局部受力，立柱上端布置雙拼45b 工字鋼作為落梁平臺，長度6 m。立柱側(cè)面設(shè)置10#槽鋼作為剪刀撐，以增強(qiáng)穩(wěn)定性。

3.4 橫梁吊裝施工

3．4．1 吊車進(jìn)場組裝

根據(jù)組裝計劃和需要，50 t 汽車式起重機(jī)完成QUY75型75 t履帶式起重機(jī)的組裝；75 t履帶式起重機(jī)完成QUY650型650 t 履帶式起重機(jī)的組裝。

圖5 門式墩橫梁支架體系

3．4．2 吊裝準(zhǔn)備及試吊

履帶式起重機(jī)行走至設(shè)計位置，將橫梁高度提升30 cm，持荷5 min，詳細(xì)檢驗起重機(jī)載荷性能、地基承載力狀況及鋼絲繩卡環(huán)受力狀況，一切無異常，則進(jìn)行正式吊裝。

3．4．3 正式吊裝起吊

主吊車以19 m 半徑起吊，將設(shè)備提升至設(shè)備最低處與制臺座最高處距離約300 mm，起到位后停止，檢查吊裝起重機(jī)及吊裝索具是否處于良好狀態(tài)，一切無異常，然后主吊機(jī)起鉤將橫梁提升至橫梁底部距離接觸電網(wǎng)2 m 高度，起重機(jī)控制吊裝半徑調(diào)整為20 m，等待鐵路要點計劃指令。

3．4．4 主吊車轉(zhuǎn)桿

鐵路要點指令下達(dá)后主吊車向既有線方向以20 m 半徑轉(zhuǎn)桿，起重操作至橫梁到達(dá)指定位置，配合纜風(fēng)繩調(diào)整就位。

3．4．5 橫梁就位、摘鉤

橫梁軸線就位后，起重機(jī)回鉤將橫梁放置于支架體系上，起重總指揮發(fā)出摘鉤指令，主吊車摘除超起裝置后，拆除索具，通過起鉤、轉(zhuǎn)桿等動作將索具吊至地面。

4 結(jié)語

新建京張高速鐵路新保安高架特大橋26 號、27 號墩采用門式墩結(jié)構(gòu)上跨既有京包上行線，原方案采用門式墩原位現(xiàn)澆與施工便線相結(jié)合的方法，面臨架梁工期壓力大、便線施工后需施工單位和鐵路部門管理及協(xié)調(diào)的諸多問題。通過比選確定采用取消施工便線，門式墩橫梁一次吊裝就位的技術(shù)方案。將門式墩結(jié)構(gòu)設(shè)計凈跨度由8 m 調(diào)整為14.5 m，橫梁實體結(jié)構(gòu)調(diào)整為空心箱室結(jié)構(gòu)，為門式墩橫梁一次吊裝完成跨線施工創(chuàng)造了技術(shù)前提。施工中通過吊車選型計算、吊具設(shè)計、鋼絲繩計算、橫梁支架體系設(shè)計、橫梁吊裝施工等關(guān)鍵技術(shù)深化研究，于2017-10 成功完成240 t 大噸位門式墩橫梁一次跨線吊裝施工，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著，為今后上跨鐵路運營線的交叉工程提供了新思路。