繁忙干道改造上跨鐵路咽喉區橋梁頂推施工技術

李學超

（中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海市200070）

1 工程概況

北橫通道工程天目路立交跨鐵路項目，跨越上海站機務段、京滬線共八條機走線及地鐵三、四號線（地面敷設）。本工程主要施工內容為拆除既有南北高架人行道（箱梁挑臂部分切除），新建FB輔道、ZB匝道并與既有南北高架橋拼接，線路在鐵路南側合并，采用整幅1-76.1 m鋼拱橋跨越鐵路咽喉區。橋梁在鐵路南側組拼焊接成橋后，采用步履式頂推法頂推落位[1，2]。橋梁周邊環境見圖1。

圖1 橋梁周邊環境

2 橋梁總體布置

跨鐵路橋梁為單拱面下承式鋼拱橋，鋼梁鋼拱，橋梁全長76.1 m。拱肋矢高14.761 m，矢跨比1/5，橋寬16.75 m。橋梁總體布置見圖2。

如圖2所示，新建拱橋西側為既有30 m+47 m+30 m混凝土連續梁，將其挑臂（原人行道）切除3 m后與拱橋通過拼接縫形成一體。

圖2 跨鐵路鋼拱橋總體布置圖（單位：mm）

3 工程特點及重難點

橋梁位于上海繁忙的南北高架旁，上跨鐵路及城市軌道交通咽喉區，鐵路尤其是軌道交通運行繁忙，橋梁施工安全風險極大。FBP07#、FBP08#橋墩施工為鄰近營業線施工，臨時墩施工、鋼梁頂推施工及其附屬施工為營業線施工，鋼梁頂推需要停電封鎖。由于頂推需要在股道間架設一座臨時墩，該臨時墩的施工也會給鐵路運營造成較大的影響。本工程上海局集團公司管內第一次跨“雙鐵”（國鐵、地鐵）的涉鐵工程，跨鐵路鋼拱橋的架設是本工程的重難點工程。

4 步履式頂推施工方案

4.1 總體施工方案

鋼拱肋及鋼箱梁首先在鋼結構廠加工，運輸至施工現場，在鐵路南面組拼、焊接成橋后整體連續多點步履式頂推法將橋梁頂推跨越鐵路至設計位置。鋼拱橋節段劃分示意見圖3。

圖3 鋼拱橋節段劃分示意圖

組拼在臨時墩組成的支架上完成，臨時墩上布置了多臺頂推設備。整座橋梁頂推重量近1 250 t。頂推施工順序主要為：架設拼裝平臺；鋼梁、鋼拱節段組拼成橋；頂推；落梁；吊桿張拉；附屬施工。頂推施工總體布置見圖4。

圖4 頂推總體布置圖（單位：mm）

4.2 頂推設備

步履式頂推裝置自成一體，施工步驟可概括為“頂、推”兩步。豎向千斤頂將主梁向上頂起，水平千斤頂頂推滑塊，滑塊帶動主梁前移，豎向千斤頂回落，將主梁落于墊梁上，滑塊脫離箱梁梁底，一個頂推行程循環完畢[3]。步履式頂推可以適應不同橋型不同線形變化的施工要求，采用全液壓系統驅動，整機體積小、重量輕，控制比較平穩，液壓保護齊全，有可靠的安全性。

相比拖拉式而言，步履式頂推工法通過液壓電器控制，同步性和精度更易保證；能較好地控制墩頂所受水平力（特別是改用步履式多點頂推時）；豎向調整便捷，當局部箱梁應力超限時，可通過調整豎向千斤頂伸縮量控制各支點反力。

4.3 頂推的主要難點

結合本橋的結構形式及環境特點，步履式頂推施工主要有以下難點：

（1）系桿拱橋跨越多條鐵路及地鐵線路，對于施工進度和施工安全性要求高。

（2）最多時須18套頂推設備同步施工，對系統同步控制精度要求高。

（3）需嚴格控制臨時支墩上承受的水平載荷。

（4）系桿拱橋底部結構受力局限性大，要求頂推設備只能將支承力施加到系桿拱橋腹板上，且頂推設備應具有高精度的支反力調節功能。

前期對頂推的總體方案進行了較為詳細的比選論證，原設計方案采用接應墩不受力的方案，優化后采用臨時墩受力的方案。優化方案縮短了頂推跨度，提高了抗傾覆安全系數，取消了鋼梁后導梁及壓重，簡化了施工步驟，確保了既有鐵路線的正常運營。優化方案在反力、撓度、配重、抗傾覆、用鋼量及施工周期等方面都優于初始方案，最終得以采納并作為實施方案。

5 頂推臨時結構設計

臨時結構包括：設備平臺、臨時墩、導梁等。

5.1 頂推平臺與臨時墩設計

頂推支墩既作為鋼拱橋組拼的平臺，又作為頂推時的滑動平臺，需在支墩平臺上布置鋼梁滑移系統及導向裝置。

鐵路南側鋼拱橋頂推支墩平臺沿橋梁軸線布置在FBP03#～07#墩之間，總長110 m；北側頂推支墩布置于FBP08#主墩旁，頂推最大懸臂跨度為50 m。

根據道路線形需要，本橋的豎曲線為單坡，為了保證頂推的平順、安全，采用水平頂推，各個頂推平臺做成標高一致，根據FBP07#墩鋼梁底設計標高作為頂推平臺基準標高。頂推到位后進行落梁，FBP08#墩位置鋼梁降落1.798 m達到設計標高。

臨時墩共有4種形式，其中位于鐵路股道中間的5#頂推臨時支墩最為關鍵，其設置的目的主要是為了減小頂推的最大懸臂長度。該臨時墩距離安全線外鋼軌中心線1.88 m，距離軌道交通三、四號線圍墻最小僅為0.5 m，臨時墩體系與系桿拱鋼橋橫橋向斜交18°，構造斷面見圖5。

圖5 臨時墩構造（5#頂推支墩）（單位：mm）

5.2 導梁

在鋼箱梁前端安裝由型鋼組成的鋼導梁。前導梁全長35 m，分2節，第一節長17 m，第二節長18 m。導梁與鋼梁、導梁節段間采用高強螺栓連接。導梁由鋼板加工成工型，兩工型截面中心間距2 m，通過橫向桁架連接。由根部向前，上下翼緣板厚度由30 mm、25 mm、20 mm變化，寬度由900 mm、600 mm、400 mm變化；腹板由20 mm、16 mm變化；梁高由2.2 m漸變至2.0 m；鋼導梁腹板設置豎向和縱向加勁肋，板厚采用14 mm兩種，橫向加勁肋間距2.0 m左右，縱向加勁肋共設置上下兩層，板厚采用14 mm，距離翼緣板0.5 m。整套前導梁重約65 t。

6 頂推施工步驟及受力分析

6.1 頂推施工步驟

橋梁頂推過程及步驟主要如下：

（1）臨時支墩、支架施工、頂推設備安裝；

（2）組裝鋼梁、鋼拱、導梁；

（3）模擬前端懸挑50 m危險工況（將4#臨時墩和FBP07#橋墩上的頂推設備脫空進行模擬）；

（4）試頂推3 m；

（5）逐次頂推，直至到達設計位置；

（6）整體落梁；

（7）拆除支架及拱肋臨時鋼支撐，張拉吊桿；

（8）附屬工程施工。

頂推施工每天僅可在凌晨0:30～4:30的鐵路及軌道交通停運窗口期內進行，頂推施工過程中的典型工況示意見圖6。

圖6 橋梁頂推過程關鍵步驟示意圖（單位：mm）

6.2 頂推過程結構受力分析

針對本項目，頂推過程主要進行了以下計算：

頂推過程各千斤頂支點反力計算；

主梁、拱肋、導梁等關鍵部位的撓度計算；

主梁、拱肋、導梁強度及穩定性驗算，尤其關注頂推支點（腹板）處的局部穩定性驗算；

導梁強度、穩定性驗算，鋼導梁兩節段間及導梁與主梁螺栓連接計算；

頂推工況橋梁順、橫橋向抗傾覆穩定驗算；

橋墩、臨時支墩基礎驗算、頂推設備驗算。

頂推施工計算模型見圖7。

圖7 頂推施工計算模型

主要計算結果：

（1）頂推各步驟支反力計算，用于對各臨時墩的設計驗算。

（2）對頂推過程中結構變形進行計算，如導梁、主梁、拱肋等關鍵位置，導梁最大下撓220 mm。

（3）主梁（導梁）在頂推施工全過程最大正應力100 MPa，最大剪應力30 MPa，頂推過程中結構強度滿足要求。導梁到達5#臨時墩前（懸挑51.5 m）彎矩及正應力見圖8。施工過程中鋼拱橋主梁、拱肋及導梁腹板強度、整體穩定及局部穩定均滿足規范要求。

圖8 導梁到達5#臨時墩前（懸挑51.5m）彎矩及正應力圖

（4）抗傾覆穩定驗算：主要考慮風荷載作用下的傾覆穩定性，導梁前端達到5#臨時墩前出現縱向傾覆可能性最大，此時3#、4#臨時墩脫空，傾覆支點為FBP07#橋墩，順橋向傾覆穩定系數12.8＞1.5，滿足要求。橫橋向傾覆穩定系數考慮橫向風荷載，按同樣方式進行計算，也滿足要求。

7 頂推施工要點

7.1 導梁上墩措施及改進

導梁前端到達中間支墩前撓度值的確定對于導梁能否順利上墩非常關鍵，若實際撓度比計算值大，則可能需要采取臨時頂升等措施。本次頂推前，將導梁前端預拋高350 mm，方便導梁上墩。同時，導梁內嵌長行程液壓千斤頂，以防撓度偏大上墩困難時，通過長行程液壓千斤頂及豎向千斤頂互換起頂，逐步放置墊板直至導梁前端達到設計高程。

7.2 頂推就位后落梁

橋梁頂推到位后，梁底距支座尚有1.8 m，需要高位落梁，采用小行程循環落梁法落梁。首先拆除頂推機械結構，將設備蘑菇頭滑塊去掉，利用設備頂升部分先落梁0.5 m，取出墩頂鋼墊梁和其他輔助結構，更換為方木墊梁。接下來拆除頂推設備，單獨使用頂升千斤頂循環落梁，至梁底距支座0.2 m時，更換為采用400 t三向千斤頂，調整鋼箱梁和支座的平面位置，落梁到永久支座上，完成落梁。

7.3 頂推施工注意事項

橋梁在頂推過程中外部約束條件時刻在變，結構受力也一直在變化。應對鋼梁撓度、橫向位移、梁體的中線偏移、墩頂的水平豎向位移全程觀測，確保梁體在允許誤差范圍內走行。

頂推過程中應對鋼導梁標高、螺絲是否有松動、導梁連接處是否有變形、箱梁局部變形等情況隨時監測，如有異常立即停止頂推，進行分析處理并采取應對措施。

此外，應注意頂升力、平移力、下降力的變化，若發現頂推力驟升，及時停止并查明原因，特別是檢查蘑菇頭滑板[4]。

7.4 涉鐵工程施工方案的改進

原設計建議的方案為先切除老橋挑臂、后頂推新橋，后經過研究比選調整了施工順序，調整為先頂推新橋、后拆除老橋。

由于新建橋梁為鋼拱橋，新老橋重疊部分的翼緣板可暫時不拼裝，待新建鋼橋頂進落位后拆除老橋人行道，在老橋人行道完全拆除、預應力補張拉完畢后再拼接新建鋼橋翼緣板。該做法的優點是可將新建的鋼橋作為施工作業平臺，不必占用南北高架機動車道，極大地緩解了南北高架的交通壓力；吊車在新橋上作業，吊臂可不必再伸向鐵路方向，不對鐵路構成侵限。既減小了涉鐵施工的安全風險，也為后續在天窗點外拆除老橋創造了條件。

對于防護平臺的安裝時機，在將鋼橋頂進提前到老橋拆除之前的前提下，將防護平臺與鋼橋設計成一個整體，防護平臺與鋼橋同步拼裝，同時頂進，近老橋側的鋼梁挑臂待頂推完成后再拼裝（見圖9）。防護平臺的施工無須在鐵路上方進行，不再受天窗時間限制，可大幅提高施工效率，減小對鐵路運營的影響。

圖9 老橋切割防護平臺示意圖

6 頂推施工的安全控制措施

本工程跨越鐵路咽喉區，施工風險大，對安全控制措施要求極為嚴格，頂推施工過程主要采取了以下安全控制措施[5]：

（1）臨時結構：為保證頂推臨時結構的安全，臨時結構的設計應根據施工全過程模擬計算得到的最大支反力進行設計，應考慮足夠安全系數。臨時結構應由第三方咨詢單位進行獨立檢算。

（2）全過程的結構受力分析，落實過程受力安全：對頂推施工全過程進行計算分析，驗算各工況主梁、拱肋、導梁、臨時撐桿的強度、變形、穩定性及連接，根據計算對永久結構及臨時結構進行必要的加強、優化。

（3）智能化施工全過程監控技術的應用：通過采用北斗監測平臺智能化監控技術，對頂推過程中主體結構及導梁等臨時結構關鍵受力變形參數進行施工全過程監控，信息化施工，并應嚴格落實監控指令，確保施工過程的安全，實現設計所要求的成橋受力狀態。

（4）優化工藝，減少橋梁在鐵路上方長時間停滯情況的出現：根據頂推過程分析對頂推工藝進行優化，做好應對的措施，避免結構在應力、應變及大懸臂等不利工況的出現，減少停滯時間。

7 結語

本文以城市繁忙干道跨越鐵路咽喉區的單跨系桿拱橋為工程背景，工程施工環境苛刻，包含的施工內容復雜，工程在同類工程中具有很好的代表性。重點介紹了該橋頂推方案設計、施工等關鍵技術，包括頂推方案設計、施工步驟、頂推過程安全控制等關鍵方面。通過多次論證，不斷優化改進方案，結合施工過程，總結出了一套較為完整的鋼拱橋拼裝頂推施工技術及相關經驗，具備一定的普適性和推廣價值，可為類似工程提供一定的借鑒。