鐵路裝配式橋墩適用性及應用前景分析

薛紅云

中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600

我國裝配式橋梁起步較晚，目前應用尚不廣泛，僅在一些跨海大橋和現澆難度大的城市市政工程和軌道交通項目中應用。2000年通車的上海長江大橋［1］，墩柱采用空心薄壁墩預制拼裝施工。2006年建成的東海大橋［2］，墩身及箱梁為島上預制海上拼裝。杭州灣跨海大橋水中引橋低墩區采用預制節段拼裝橋墩。2018年建成通車的港珠澳跨海大橋［3］，大量采用了預制拼裝橋墩。

在鐵路行業，預制裝配式橋墩尚未大范圍采用，僅和若（和田—若羌）鐵路、京雄（北京—雄安）城際鐵路等項目正在開展相關的研究。在京雄城際鐵路固霸特大橋開展了高速鐵路橋梁裝配式一體化施工關鍵技術研究，并采用了分離式圓端形門式結構預制橋墩。和若鐵路位于塔克拉瑪干沙漠南緣，降雨量少、蒸發量大、極度干旱，特殊的氣候導致混凝土現澆及養護困難，工程質量不易保證。因此，和若鐵路采用預制裝配式施工技術，橋墩采用雙柱圓形空心橋墩。這也是其首次在鐵路項目中較大范圍應用。

1 鐵路裝配式橋墩結構設計特點

1.1 控制因素

1.1.1 受力、剛度及位移要求

裝配式橋墩必須滿足結構受力要求。從結構整體來講，裝配式橋墩與現澆橋墩的受力模式和計算分析方法相同。裝配式橋墩與現澆橋墩均要滿足橋墩剛度和位移要求。裝配式橋墩與現澆橋墩的主要差異在于節段之間的局部連接，這也是裝配式橋墩的關鍵。裝配式橋墩拼裝截面處的計算受模型邊界條件的影響，與實際會有偏差，可通過大量試驗來驗證計算可靠性。

1.1.2 構造要求

鐵路裝配式橋墩的結構設計需結合廠制加工和施工裝備合理選擇墩柱形式和節段長度。由于鐵路荷載、梁部重量均比公路大，橋墩的結構尺寸相對較大，對施工裝備要求更高。鐵路橋墩與公路橋墩相比，在剛度、位移、運架設備構造要求方面有更高的要求。

1.2 結構形式

鐵路裝配式橋墩按照外形分為獨柱式、雙柱式；按照截面形式分為實體墩柱、空心墩柱；按照外輪廓形狀分為矩形、圓形等形式。不同墩柱形式的裝配式橋墩綜合對比見表1。

表1 不同墩柱形式的裝配式橋墩綜合對比

1.3 連接方式

裝配式橋墩的設計和施工中，連接構造是保證結構耐久性和安全性的關鍵［4］。常用的拼裝連接構造［5］有灌漿套筒［6］、灌漿金屬波紋管、承插式、插槽式、后張預應力連接、濕接縫連接、錐套鎖緊連接等。

灌漿套筒在靜力作用下與傳統現澆橋墩基本相同，結構受力體系明確，工序簡單；但施工精度要求高，套筒定位誤差控制在5 mm以內，套筒內部灌漿密實度及質量不易保證，施工控制難度較大，造價較高。

灌漿金屬波紋管造價相對較低，施工工序簡單，施工精度要求低；但受錨固長度要求鋼筋外露長度較長，運輸難度和成本增大，且易造成外露鋼筋的損壞，抗震性能需進一步研究和試驗驗證。

承插式拼裝連接構造施工工序簡單，現場作業量少，施工精度要求低；但接縫處靜力和地震力作用下性能如何尚需研究，抗震性能較差，承臺配筋量較大。

插槽式拼裝連接構造容許施工水平定位誤差相對比較大，對水平定位容許誤差要求較低，外露鋼筋對空洞所在構件的鋼筋干擾小，連接的錨固性能、抗震性能良好。現場需要澆筑混凝土，需要養護時間。

后張預應力連接構造設計理論與施工經驗均較成熟，國內應用較多。后張預應力連接構造拼裝工序繁瑣、施工工藝復雜，施工所需時間較長，造價較高，拼裝接頭安全度有待大量工程驗證，耗能能力小，不利于抗震。

濕接縫連接構造與傳統現澆橋墩基本相同，但濕接縫會顯著增加現場鋼筋搭接、混凝土澆筑作業量，增加施工時間和養護時間，不利于快速施工。

錐套鎖緊連接構造結構受力體系明確，連接方便快捷，拼裝精度要求較低，造價相對較低；但是存在后澆混凝土工序。

2 鐵路裝配式橋墩的適用性分析

裝配式橋墩具有環保、臨時用地少、噪聲小、交通干擾少等諸多優點［7］，對不同的地形、地質、自然氣候、施工裝備等均有其適用性。

2.1 地形條件

2.1.1 城市區域

當鐵路穿越城市區域時，由于建筑物較多，道路交通繁忙，工程建設對周邊環境的影響和對道路交通的干擾較大。設計施工方案的選擇需盡可能減少施工臨時用地范圍、降低施工粉塵和噪音污染、加快施工進度、縮短工期。裝配式橋墩因其諸多優勢，比較適合在城區采用。

2.1.2 山區

裝配式橋墩需順暢的施工便道用來運輸預制節段和通過大型吊裝設備，還需足夠平整的吊裝平臺場地。山區地形比較陡峭，采用裝配式橋墩需克服地形、施工便道以及場地受限的不利因素，投資較大，經濟性較差。對地形陡峻的山區鐵路裝配式橋墩適用性較差。

2.1.3 平原區

位于平原區的鐵路橋梁，交通及施工條件相對較好，為裝配式橋墩的實施提供了較好的外部條件，可根據全線的工期、環保、投資等要求綜合比較后選擇較優的施工方法。平原區道路、河流較為密集，重要控制點多，需采用連續梁、T構等大跨特殊結構橋梁，橋墩構造類型多，不便于標準化工廠預制，更適合現場澆筑，且大跨特殊結構往往也是控制全線工期的節點，而一般標準跨度橋墩并不控制全線工期。因此，環保和投資是施工方案選擇的主要考慮因素。由經濟比較的結果可知，裝配式橋墩的投資比現澆橋墩高，經濟性方面劣勢明顯。綜上分析，平原區采用預制裝配式橋墩必要性不突出。

2.1.4 跨江跨海段

2.2 地質條件

2.2.1 軟土區

裝配式橋墩預制節段需施工便道運輸，同時大型吊機需在墩位處吊裝拼接作業，對施工便道和吊裝平臺的地基承載力要求較高。軟土地區地基承載力較低，地基加固處理投資大，經濟性較差，采用裝配式橋墩適用性較差。

城市市政工程施工便道一般情況會利用既有市政道路，不需再鋪設施工臨時道路，能節約一大部分的臨時措施費用。鐵路項目一般情況下需鋪設臨時施工道路，且需具備大型重型施工車輛通行的條件，勢必會投入較大臨時措施費用。

2.2.2 非軟土區

對于非軟土地區，地層力學性質較好，便道修建較簡易，可以較好適應裝配式橋墩的運輸和吊裝作業，采用裝配式橋墩適用性較好。

2.3 自然氣候條件

2.3.1 江河、湖海

21世紀以來，我國先后修建了東海跨海大橋、杭州灣跨海大橋、港珠澳跨海大橋、舟山連島工程、平潭海峽橋等多座海上宏偉工程?？绾４髽蛑饕媾R建設條件、環境保護、建設周期、工程品質、投資控制、養護管理等方面難題，對于海上或江上橋梁工程，采用預制裝配式橋墩可以大大減少海上（江上）現澆工程，減少大量水上施工臨時輔助措施，縮短海上施工周期，降低工程投資，減小環境影響，具有顯著優勢。

2.3.2 沙漠、戈壁無人區

目前，新疆油田公司開展了數字化預案管理系統的研發工作，相信隨著數字化預案管理系統的建成應用，必定會為新疆油田公司的應急救援工作帶來高效的響應基礎，在今后的應急救援工作中，其應用價值將得以體現，同時也將推動本行業向更高級的方向發展。

在沙漠戈壁地區修建鐵路，由于氣候干燥干旱缺水，給現場澆筑混凝土和養護帶來很大的難題，從幾十公里外運輸施工用水到橋位，施工成本大大增加。而預制裝配式橋墩可有效解決這一難題，將條件惡劣、養護管控困難的現場澆筑作業，轉移到環境可控、流程標準、管理規范的預制廠預制，可有效改善作業條件、提高橋墩質量，也解決了現場用工和施工用水問題，有效降低工程投資。

2.4 大型施工機械裝備水平

裝配式橋墩若要大規模推廣應用，需匹配一整套生產組織流程，建立自動化控制平臺，實現預制標準化、工藝流程化、安裝機械化，對鋼筋自動綁扎設備、墩柱模板自動翻轉設備、起重吊裝設備、運輸設備等也提出了一系列較高的要求［8］。現有工程產業機械化程度的不足，在一定程度上限制了預制裝配橋墩的推廣應用。預制裝配橋墩需更加工業化的生產和組織能力，需要協調設備、生產、組裝各方面的因素，對施工要求標準更高。

2.5 工程經濟概算定額體系的合理匹配

一鐵路項目在部分段落采用了預制裝配式橋墩，按照現有鐵路概算定額體系，分別計算出兩種工法的綜合概算，見表2、表3。可知：預制裝配式橋墩的投資指標較高，大概高出現澆橋墩單價指標165%。

表2 預制裝配式橋墩綜合概算

表3 現澆橋墩綜合概算

由表2、表3可知：①兩者混凝土澆筑單價相差不大，都在750～850元/m3。②預制橋墩運輸是裝配式橋墩較現澆橋墩增加的工序，預制橋墩質量大概40～60 t，按照2 km運距計算，運輸費用需要400元/m3。③預制橋墩安裝是裝配式橋墩較現澆橋墩增加的工序，由于裝配式橋墩預制構件質量大概40～60 t，安裝需要配置大型吊裝設備，對吊裝平臺的地基承載力要求也比較高。拼裝工序中還涉及到鋼筋連接、預應力張拉、灌漿封錨、現澆濕接段等工藝，施工步驟較復雜、精度要求較高，安裝部分的概算單價大概850元/m3。④由于拼裝式橋墩墩柱按鋼筋混凝土構件設計，現澆橋墩按混凝土結構設計（僅配置防裂護面鋼筋），因此裝配式橋墩鋼筋用量較現澆橋墩大，現澆橋墩的鋼筋含量為56 kg/m3，裝配式橋墩的鋼筋含量為142 kg/m3，鋼筋部分折合為橋墩的綜合單價分別為：現澆橋墩404元/m3，裝配式橋墩1 026元/m3，僅鋼筋部分裝配式橋墩單價指標要高出622元/m3。

以上分析未考慮因裝配式橋墩應用而帶來的綠色、環保、節省工期等方面的社會效益。利用各項概算指標，分析得出裝配式橋墩若要實現廣泛推廣應用，仍需開展大量的優化工作：

1）進一步優化大臨工程設置及施工組織方案，盡可能將預制場設在橋址附近，避免預制構件的長距離運輸，減少運輸費用，進而降低工程投資。

2）進一步優化施工機械裝備的租賃使用，盡可能使用與預制構件吊裝重量相匹配的吊裝設備，據實補充單項概算定額，避免出現大馬拉小車的情況，從而降低構件安裝費用，降低工程投資。

3）進一步細化裝配式橋墩蓋梁和墩身鋼筋配置，根據墩高、地質地層、地震等級等，優化鋼筋配置方案，減少鋼筋用量，進而降低工程投資。

3 鐵路裝配式橋墩大規模應用的前提條件

從鐵路橋梁裝配式橋墩的試點應用情況看，預制裝配式橋墩可以有效應對特殊自然環境和地形條件，縮短工期，降低施工對交通的干擾，降低安全風險，提高工程質量［9］。在特定的條件下，采用預制裝配式橋墩很有必要。

各試點項目采用預制裝配式橋墩在經濟性方面顯現出較明顯的劣勢，這在一定程度上阻礙了裝配式橋墩的大范圍推廣。預制裝配式橋墩大規模應用于工程實際，尚需社會需求的成熟及統籌解決好一系列技術問題。

3.1 社會因素方面

1）環保理念。社會對文明施工、綠色施工的要求迫切，要求快速施工、對周圍環境和交通的干擾少，特別是在城市人口密集區或交通繁忙等區域，環保要求更高。

2）人本理念。以人為本理念深入，盡可能降低現場高空作業安全風險，降低工人勞動強度，提高施工人員勞動環境條件。

3）建設規模。工程具有一定的建設規模，可批量化預制，提高生產效率，降低成本。

4）建設速度。項目施工工期受限，容許工期短。

5）橋梁比例。整個項目橋梁比例較高，且橋高變化不大，具備批量化標準化拼裝施工條件。

6）勞動力成本。建筑行業勞動力成本逐年提高，聘用熟練工人難度日益加大。

3.2 技術因素方面

1）預制加工設備。具備成熟的智能化鋼筋加工技術、墩柱模板自動翻轉技術、混凝土自動養護系統、預制構件智能存放吊取技術等。

2）運輸設備。具備與預制構件外形尺寸、噸位相匹配的運輸設備。

3）安裝設備。具備與預制構件相匹配的吊裝設備、機械化智能化定位安裝設備。

4）施工管理能力。熟練掌握施工組織、工藝流程、預制場標準化建設、施工工序及拼裝關鍵技術，擁有全過程智能化信息化施工管理能力。

5）施工人員素質。具備構件預制、預埋件埋設、構件拼裝等高精度施工技術能力。

6）結構設計。結構設計標準化、輕型化，構件連接工序簡單易操控，結構受力性能優越，抗震性能強。

4 鐵路裝配式橋墩的應用前景展望

傳統建筑行業為勞動密集型產業，現場勞動力數量多、施工及居住環境差，安全風險大，文明施工差。隨著小城鎮建設的推進和人民生活水平的日益提高，熟練工人數量和青年勞動力意愿下降，勞動力素質、勞動力儲備也逐年下降，勞動力老齡化現象日益凸顯，功效低下、質量無法保證。因此預制裝配式橋墩的經濟優勢和社會優勢會逐漸凸顯出來，發揮越來越重要的作用。

“十四五”時期我國要堅定不移建設制造強國、質量強國，推進產業基礎高級化、產業鏈現代化，提高經濟質量效益和核心競爭力，大力提倡節能減排和建設創新型國家。文明施工、綠色環保、快速施工的要求越來越高，要實現新時代鐵路建設“智慧、高效、綠色、協同”發展理念，預制裝配式橋墩必將成為鐵路橋梁建設的發展趨勢［9］。在今后的設計和施工創新研究中，建立橋梁結構的工廠化制造、機械化裝配和標準化管理是產業升級最終要實現的目標［10-12］。預制裝配式橋墩的廣泛應用，必將推動橋梁建造優質、節約、環保和工業化，帶動相關產業鏈的發展和產業工人的培育，實現預制裝配技術在鐵路橋梁領域的應用突破。

5 結語

在選擇橋墩工法類型時，要充分結合鐵路裝配式橋墩的設計特點，全面考慮鐵路裝配式橋墩在不同的地形、地質、自然氣候環境、施工裝備水平下的適用性。鐵路橋梁設計技術人員應在今后的設計中合理選用橋墩工法類型，為今后優化設計和推廣應用鐵路裝配式橋墩提供解決思路。