復雜環境下上跨高速公路地鐵高架橋施工關鍵技術

劉 琳 黃 峰 劉 勇

(1.江蘇聯合職業技術學院南京工程分院，211135，南京；2.中建八局第三建設有限公司，210046，南京；3.南京市市政工程質量安全監督站，210036，南京∥第一作者，副教授)

高架橋梁是地鐵線路穿越既有道路、建(構)筑物、河道的一種重要形式，其梁體多采用預制或現澆預應力混凝土箱梁。近年來，圍繞著如何做好地鐵高架橋梁施工，許多工程技術人員開展了系列卓有成效的實踐探索[1-5]，但有關如何有效解決復雜地質、狹小空間條件下懸澆梁施工，以及如何同時做好掛籃跨路安全防護和懸澆塊混凝土冬季蒸養等問題的實踐研究卻并不多見。本文結合南京地鐵S9號線一連續梁橋施工,介紹了復雜環境下上跨高速公路地鐵高架橋的關鍵施工技術。

1 工程概況

南京地鐵S9號線施工里程YDK8+342～YDK8+522有一等寬變截面連續梁橋上跨S243省道，設計墩號B33—B36(見圖1)。該連續梁橋總長180 m，跨徑布置為50 m+80 m+50 m，寬度為8.9 m。梁體橫截面為單箱單室直腹板，邊跨直線段及中跨跨中截面梁高為2.8 m，中支點截面梁高為5.0 m。

圖1 南京地鐵S9號線上跨S243省道地理位置平面圖

該連續梁施工為節點控制性工程，直接制約著架梁的順利進行及項目的總工期，施工時間為2016年8月—2017年2月。

1.1 施工環境

該擬建高架橋梁施工環境極為復雜，橋梁沿線前部有溝塘，后部有山體，上跨高速省道，下穿高壓線。具體情況如下：

1) 施工周邊環境：橋梁上跨省道S243，省道橋梁兩側外邊緣至擬建高架B34、B35墩柱水平凈距分別為25 m和22 m，上跨梁底至省道橋面凈高約為5.5 m；省道S243日常交通流量較大，高架橋施工不得影響其正常運行；在B35—B36墩柱間上方橫跨一條220 kV科溧ZY49高壓線。

2) 地質條件：B33—B34墩柱跨現澆梁現狀場地為魚塘，土體承載力極差；根據勘察報告，里程YDK8+551.3左1.6 m(近B35號墩)處主要為素填土、強風化安山質凝灰巖及中風化安山質凝灰巖。

3) 冬季施工條件：工程施工期主要在冬季，施工環境溫度較低。

1.2 施工難點

1) 在懸臂澆筑連續梁0#塊時，由于受現場施工條件限制，需在狹小的高空區域完成大體積混凝土澆筑。施工環境地質條件變化較大，若采用常規支架體系，則對0#塊附近場地進行大規模處理后才能嚴格控制0#塊的沉降。該方法使用材料多，施工占地面積較大，在地質情況復雜、空間狹窄的情況下，鋼管斜向布置施工安全風險較大，且存在支架體系沉降不均的問題。

2) 懸臂澆筑連續梁體積大、質量大，整體結構需在高空中移動，施工周期長、難度大，技術要求高。懸臂澆筑連續梁在冬季施工時，如何做好掛籃跨路安全防護和冬季蒸養工作是工程施工階段必須解決的一個難題。

2 關鍵施工技術

針對跨S243省道懸臂澆筑連續梁施工過程中存在的難點，通過技術研究，開發出一套關鍵施工技術，包括新型的0#塊支架體系以及掛籃防護蒸養一體化系統，搭配以空間需求較小的三角掛籃及平頭塔吊，解決了復雜地質、狹小施工空間的掛籃跨路安全防護以及冬季蒸養的難題。

2.1 懸澆段0#塊新型支架體系

懸澆段0#塊新型支架體系的核心主要是基于現有結構承臺，優化結構形式、合理分配上部結構荷載，既作為中墩臨時固結，又作為0#塊混凝土的支架。

2.1.1 懸澆段0#塊新型支架體系設計

2.1.1.1 設計選型

0#塊臨時固結支墩主要起到兩方面作用：一是作為主梁懸臂澆筑時的臨時固結支墩；二是作為0#塊段的現澆混凝土支架。經設計選型，確定該支架體系詳細構造如圖2～3所示。

圖2 連續梁懸臂澆筑施工0#塊節段新型支架縱向立面圖(含臨時固結)

圖3 連續梁懸臂澆筑施工0#塊節段新型支架橫向立面圖(含臨時固結)

2.1.1.2 計算模型及主要參數

利用Midas有限元軟件建立了0#塊節段新型支架體系有限元模型，如圖4所示。

圖4 0#塊節段新型支架體系有限元模型示意圖

1) 材料特性——普通桿件材料均選用Q345鋼材，鋼管混凝土立柱采用Q345鋼管與C50混凝土組合材料。

2) 單元劃分——模型均為梁單元，縱向分配梁按模板木方20 cm間距劃分，橫向分配梁與縱向分配梁節點對應劃分，其他單元根據情況劃分。控制單元長度不大于1 m，共1 480個節點、1 464個單元。

3) 邊界條件——柱底及與橋墩接觸的點剛接。

4) 荷載——恒載自重；對于托架的預壓質量取值，梁段混凝土的超灌系數按1.03計，超壓系數為混凝土質量的120%，則0#塊每個單側需要預壓的質量為205.9 t；因箱梁橫斷面下縱向分配梁間距不同，劃分腹板、底板、翼緣區域的相應荷載，按面積占比原則劃分，并考慮附加鋼模板質量，各區域荷載施加在縱向分配梁節點上；對于施工活荷載，3.5 kN/m2的荷載施加在縱向分配梁節點上。

2.1.1.3 主要驗算結果

1) 強度驗算——單元應力峰值出現在主橫梁及縱向分配梁上(見圖5)，最大單元應力σmax=246 MPa<[σ]=305 MPa([σ]為容許應力)，滿足要求。

圖5 0#塊節段新型支架體系應力計算云圖

2) 剛度驗算——經計算，所有構件擾度值ν均小于容許擾度值[ν]。其中，(ν/[ν])max出現在縱向分配梁上，數值為 0.78。

3) 穩定性驗算——部分主要構件穩定性驗算結果如下：縱向分配梁的繞y軸彎矩My=-7.435 1×107N·mm，繞z軸彎矩Mz=-7.789 9×105N·mm，對y軸抗彎截面系數Wy=Iy/z=4.222 4×105mm3(Iy為對y軸的慣性矩，z為下邊緣至y軸距離)，對z軸抗彎截面系數Wz=Iz/y=5.039 0×104mm3(Iz為對z軸的慣性矩，y為截面下邊緣至中性軸距離)，工字鋼z軸截面塑性發展系數γz=1.20，梁的整體穩定性系數φb=1.00，算得My/(φbWyf)+Mz/(γzWzf)=0.56≤1.0(f為抗彎強度設計值)，滿足規范要求。

根據GB 50017—2017《鋼結構設計規范》中公式(6.2.7-1)計算得到長細比λe=2.17，進而查規范附錄D表D-2得到穩定系數φd=0.99，算得My/(φdWyf)=0.52≤1.0，滿足規范要求。

牛腿撐桿的軸力設計值N=1 047 922 N，長細比λz=44.5，相應查得φb=0.88，算得N/(φbAf)=0.66<1(A為構件的毛截面面積)，滿足規范要求。

根據GB 50017-2017第8.2.3-1條，N=1 502 067 N≤0.9φlφefcAc(1+αθ)=9 592 336.4 N(fc為鋼管抗壓強度設計值，Ac為鋼管內的核心混凝土橫截面面積)，滿足規范要求。

2.1.2 懸澆段0#塊新型支架體系施工要點

1) 預埋件埋設：在下部結構承臺、墩柱鋼筋制作安裝過程中，隨施工進度根據設計圖紙要求正確安裝好臨時固結體系預埋件。鋼板表面向墩身內略凹2～3 cm，方便0#塊施工結束后鋼板面的外觀處理。

2) 臨時固結鋼管及縱向水平桿制作：在承臺上放出臨時固結底口線，在墩頂上放出縱橫向軸線，根據設計圖紙確定臨時固結鋼管支撐的附墩縱向連接件位置。在頂層相應附墩縱向連接件位置處，采取雙拼槽鋼內穿臨時固結鋼管柱，并焊接相應支架牛腿進行固定牢靠，如圖6所示。

圖6 0#塊支架實體照片

3) 臨時固結鋼管及縱向水平桿安裝：利用塔吊或汽車吊將臨時固結支墩鋼管及縱向水平桿吊運至安裝現場進行對稱安裝(見圖6)。臨時固結鋼管及縱向水平桿吊裝就位后，將其下口與承臺內鋼板焊接。縱向水平桿靠近墩身一側采用焊接方式與墩身預埋鋼板相連，形成0#塊支架主受力骨架。為保證支架體系的穩定，縱向連接構件分別與墩柱和臨時固結鋼管進行連接，具體設置數量根據結構尺寸、支架規格、材料參數等綜合計算確定為：每個墩柱單側設置2個，兩側共計4個。

4) 安裝支架及楔塊：4根主橫梁采用雙拼槽鋼橫向布置，分別支承于2個縱向水平桿上，并在主橫梁支撐點位置加設豎向加勁板，以避免腹板受壓屈曲、主梁側扭。因0#塊箱梁沿著縱向為變截面，為保證任何高度支架主橫梁與縱分配梁的接觸均為面接觸，采用豎向雙拼槽鋼進行粗調，小于10 cm采用10號槽鋼滿充砂漿進行精調。

5) 安裝支架分配梁：采用工字鋼作為支架縱向分配梁，縱向分配梁在主橫梁上接觸位置采用U形螺栓進行固定，防止兩側懸臂延伸段傾覆。縱橫向梁體交匯處每隔10 cm在工字鋼腹板上加設一道加勁板，加勁板采用20 mm鋼板制作，加設范圍超出縱梁寬度20 cm以上。

6) 臨時固結鋼管混凝土澆筑：臨時固結鋼管混凝土采用微膨脹混凝土，在臨時固結鋼管與縱向水平桿交叉區振搗密實，保證連接牢靠。

7) 0#塊底模及側模安裝：在分配梁上放置常規施工方木，方木上鋪竹膠板作為底模板。0#塊翼緣板采用掛籃外側模自帶的支架，該支架沿橋梁縱向架設于分配梁上，同時安裝翼緣模板。

8) 支架預壓和高程調整：0#塊支架預壓最大荷載取支架設計荷載(含施工荷載)的120%。預壓范圍主要為腹板和翼緣板交點部位，預壓采用腹板部位堆鋼筋、腹腔部位堆砂袋的方式。加(卸)載按照60%→90%→120%(120%→90%→60%)的加載總重分三級進行均勻加(卸)載。每級加(卸)載后靜載時間為3 h(1 h)，靜載完成后分別測量支架的變形沉降量(卸載測量支架恢復量)[8]。最終，根據監測數據分析，各監測點非彈性最大沉降量為4 mm，彈性檢測點最大沉降量為4 mm。據此，底模預留沉降量為5 mm。需要注意的是，預壓卸載必須在支架完成全部預壓加載且變形穩定后方可進行。

9) 鋼筋、模板和混凝土施工：箱梁鋼筋在鋼筋加工廠加工完成后吊運至施工現場安裝，經驗收合格后再安裝內模。后續完成頂板鋼筋綁扎和預埋件安裝，最后按照底板→腹板→頂板的順序一次性全斷面澆筑箱梁混凝土。

10) 0#支架拆除施工：待0#塊按照設計要求進行預應力張拉施工完畢后，切除調節楔塊，使支架松動。按照后搭先拆、先搭后拆的原則，從懸臂端到墩身旁進行支架拆除作業。拆除作業僅對0#塊支架進行拆除，需保留好臨時固結系統，不得破壞。

2.2 掛籃跨路防護與蒸汽養護暖棚一體化系統

2.2.1 養護暖棚與跨路防護施工一體化系統的設計

蒸汽養護暖棚與跨路防護一體化系統整體為鋼架結構外包保溫板，整個骨架結構采用精軋螺紋鋼懸吊固定于掛籃底部的前、后橫梁上，與掛籃形成整體共同移動[9]。將連續梁保溫措施與掛籃全封閉措施有效結合，既可全封閉防止墜物，又可保溫防風。搭配以三角掛籃及平頭塔吊，可有效保證施工安全及進度。掛籃蒸汽養護暖棚與跨路防護一體化立面圖如圖7～9。

圖7 掛籃蒸汽養護暖棚與跨路防護一體化立面圖(縱橋向)

2.2.2 養護暖棚與跨路防護施工一體化系統施工要點

1) 掛籃外防護底平臺的施工：在掛籃安裝施工完畢后，首先加工掛籃外防護底平臺。防護底平臺主楞采用20#槽鋼“[]”形焊接，并留置吊裝孔，通過φ32 mm精軋螺紋鋼吊桿與掛籃的前后底橫梁進行連接；防護底平臺的次楞采用12#槽鋼，間距1 m排列；防護面板采用2 cm厚竹膠板進行底板封閉，以

圖8 掛籃蒸汽養護暖棚與跨路防護一體化立面圖(橫橋向)

圖9 掛籃外防護底平臺細部圖

防物體掉落。

2) 掛籃外防護側面保溫棚施工。

(1) 在掛籃外防護底平臺施工完畢后，在底平臺外側，緊貼施工平臺邊部，焊接豎向和橫向的12#槽鋼，使之形成掛籃外防護骨架結構。

(2) 掛籃外防護骨架施工完畢后，在豎向和橫向12#槽鋼外側采用50 mm厚保溫板與掛籃外防護骨架安裝固定，將連續梁懸臂段全封閉。無法用保溫板的部位，采用蓬布圍護，需保證所有的縱橫骨架全覆蓋(見圖10)。

圖10 掛籃蒸汽養護暖棚與跨路防護一體化效果圖

(3) 為保證保溫板及保溫篷布的穩定性，在保溫板外側每隔1.5 m采用強度和柔性都很好的鋼絲繩捆綁一道，并與內側掛籃結構連接固定，使掛籃防護整體具有很好的抗風能力。

3) 蒸汽設施與管道布置：在封閉防護保溫平臺施工完成后，進行蒸汽管道布設施工。為便于集中管理，保證水電供應，蒸汽發生器設置在墩柱處附近，通過主管和支管采用三通管分別接至待養護的梁段。蒸汽管道連接段為標準管節，可隨連續梁懸臂端施工而逐步延伸。

4) 掛籃前移：為保證掛籃前移時，養護棚可與掛籃同步行走，防止扭轉破壞養護棚，掛籃前移利用連續梁預應力張拉施工所配備的穿心千斤頂進行頂推，借助一托二分配閥對2個千斤頂進行控制，實現二榀掛籃同步對稱前移。掛籃前移過程中，應當及時觀測掛籃中線與走道方向，及時糾偏確保掛籃最終偏移值在規范限值內，如圖11所示。

圖11 新型懸臂梁施工掛籃前移施工方法布置示意圖

5) 蒸汽設施及掛籃防護拆除：懸臂澆筑連續梁施工完畢后，可直接在橋上拆除橋面及箱室內的蒸汽設施。掛籃和防護暖棚拆除則應在二者后退至既有線外側后方可進行，后退時應保留掛籃兩側及前端腹板外側保溫板[10]。掛籃和防護暖棚后退到位后，借助梁體預留孔鎖定掛籃結構摸板，利用翼緣板上預留孔洞采用卷揚機拴住外防護暖棚底橫梁，將外防護暖棚緩緩落至地面，再拆除掛籃外防護。

2.2.3 掛籃跨路防護與蒸汽養護暖棚一體化系統應用效果

采用掛籃跨路防護與蒸汽養護一體化系統，大大增強了懸臂澆筑塊段冬季施工期間的保溫效果，提高了混凝土的養護質量，有效提高了勞動生產率(平均每個節塊縮短2～3 d)，同時還保證了懸臂澆筑塊段張拉時間，減少了梁體養護與掛籃防護的工序，確保了跨省道S243的安全防護，達到了預期效果。

3 結論

1) 懸臂澆筑施工0#塊節段新型支架體系具有體積小、用材省、傳力明確等特點，該體系取消了主承力鋼管支撐，借助臨時固結鋼管，將荷載傳遞至墩柱承臺上。在復雜地形、地質條件下，該新型支架體系省去了0#塊常規支架法施工所需開展的大量地基處理工作，避免了因場地地質條件差異引起的支架體系差異沉降問題。同時，使用材料設備較少，所需作業空間較小，有利于狹小空間條件下施工。此外，由于利用該技術施工時，橋梁墩柱與上部梁體間無需設置臨時固結支撐，支座直接承擔上部各類荷載，可以最大程度減小支座臨時固結解除后所產生的結構次內力。

2) 掛籃蒸汽養護暖棚與跨路防護施工一體化系統，減少了常規掛籃防護的前上橫梁、前下橫梁和后下橫梁的防護平臺及鋼絲網等防護結構的投入；采用輕質保溫板，降低防護質量，提高了施工安全性；簡化了梁體養護與掛籃防護的工序，提高了上跨既有道路施工安全；很大程度提高了懸澆段冬季低溫季節保溫性能，保證了混凝土養護質量，加快了施工進度；巖棉保溫板既可防火保溫隔熱，又可吸音隔聲，對保護工程周邊環境有著積極作用。