分段拼裝及步履式頂推施工技術(shù)在站改項目的應(yīng)用探究

陳劍溪CHEN Jian-xi

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300000）

0 引言

天橋等大型鋼構(gòu)一般采用汽車吊等起重設(shè)備將單個構(gòu)件（或少數(shù)構(gòu)件組成的單元部品）吊起至設(shè)計位置直接進行高空拼裝，或借助臨時支撐平臺進行拼裝，此類工藝工法已十分成熟，操作簡易，進度可控，安全性也較好[1]。而杭紹臺鐵路臨海站站房項目涉及三座跨營業(yè)線鋼構(gòu)天橋，現(xiàn)場場地十分有限，其建設(shè)過程涉及橫跨高鐵線路（杭深線），采用常規(guī)吊裝、散拼等工藝安全風(fēng)險極大，且需要相關(guān)站點長期停辦客運以創(chuàng)造施工條件，不僅工程成本巨大，對當(dāng)?shù)厝罕姷娜粘３鲂性斐勺璧K，社會影響極大。如何有效減少對作業(yè)場地的要求和后續(xù)跨線作業(yè)量，減少對既有杭深高鐵運營的影響，同時做到進度可控、安全可靠，是該項目的一大難點，但目前行業(yè)內(nèi)相關(guān)施工經(jīng)驗較少，迫切需要開發(fā)新技術(shù)、引入新工藝。

1 難點分析及研究思路

在臨海站三座天橋正式施工前，組織各方人員反復(fù)踏勘現(xiàn)場實際條件：現(xiàn)場場地狹窄，作為拼裝平臺的高架站房部分樓板，其寬度33m，無法完成總長度58.25m 的天橋結(jié)構(gòu)拼裝；橫跨的杭深線無法停止行車，僅可利用天窗封鎖的短暫時間進行頂推作業(yè)；在既有站臺內(nèi)設(shè)置小范圍的臨時支撐，支撐間距較大，頂推過程中最大將有25.7m 結(jié)構(gòu)處于懸挑狀態(tài)，整體穩(wěn)定性較差；結(jié)構(gòu)施工完成后還需進行屋面和幕墻的施工，涉及大量焊接作業(yè)，危及下方接觸網(wǎng)等線路設(shè)備[2]。在對施工方案進行了多輪論證并在過程中持續(xù)優(yōu)化后，逐漸形成以下研究思路：①分析構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，合理進行分段。在確保各節(jié)段自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，將天橋主體劃分為5 個節(jié)段，每個節(jié)段既可以單獨升降、移動，也能與后續(xù)節(jié)段繼續(xù)組合。一個節(jié)段拼裝完成后將其頂推前移，空出場地以便下一節(jié)段的拼裝，循環(huán)步驟直至所有節(jié)段全部完成。通過這一循環(huán)，實現(xiàn)在較小區(qū)域內(nèi)完成整座鋼構(gòu)天橋的拼裝。②采用步履機系統(tǒng)，豎向千斤頂頂起構(gòu)件，水平千斤頂向前頂推，就位后豎向千斤頂收缸，至此完成一個頂推行程。重復(fù)多個頂推行程，最終將整個天橋推移至設(shè)計位置。由于步履機系統(tǒng)頂推過程大部分作用力存在于系統(tǒng)內(nèi)部，對外影響較小，可以大幅減小頂推過程對支撐系統(tǒng)的反力，支撐系統(tǒng)的設(shè)置更加方便，也更加安全[3]。③在構(gòu)件前端加設(shè)截面較小且略作上揚的鋼構(gòu)導(dǎo)梁，大幅減少其懸挑端荷載，從而減少端部下沉量，使得前端能更快地完成跨線并到達支墩位置，整體形態(tài)從懸挑轉(zhuǎn)化為簡支，滿足了“正線上方無懸挑，行車安全有保障”的規(guī)定條件。④在天橋主體拼裝階段同步進行裝修龍骨的安裝，通過改變施工節(jié)點做法形成自由端，結(jié)合頂推完成后的二次矯正技術(shù)，使得龍骨安裝質(zhì)量滿足后期裝修標(biāo)準(zhǔn)，大幅減少跨線裝修安裝作業(yè)量。

2 應(yīng)用操作要點

分段拼裝及步履式頂推施工是結(jié)合了頂升、頂推、拼裝等工序的復(fù)合過程，主要施工步驟如下：

2.1 安裝步履機與平臺

①根據(jù)構(gòu)件尺寸、重量等參數(shù)，通過建模驗算，確定步履機的型號、數(shù)量以及布設(shè)位置，在現(xiàn)場根據(jù)設(shè)計圖紙放樣出平面位置線，注明頂推方向線，為搭設(shè)步履機安裝平臺做好準(zhǔn)備。②根據(jù)步履機的結(jié)構(gòu)特點，采用擱放平臺支架方式搭設(shè)步履機安裝平臺。平臺包括一個擱墩、一臺步履機、分配梁及墊塊若干以及一個擱放平臺組成，分配梁和擱放平臺采用多塊H 型鋼拼接而成。通過調(diào)整擱放平臺高度，可調(diào)節(jié)整個構(gòu)件拼裝平臺高度，為最后的落梁步驟提供條件（見圖1）。

圖1 擱放平臺支架方式

2.2 拼裝第一節(jié)段

將第一節(jié)段下弦桿放置在布設(shè)完畢的步履機上，然后進行斜桿、上弦桿等其余構(gòu)件的拼裝。在此階段同步完成導(dǎo)梁的拼裝，將其與天橋主體進行可靠連接（見圖2）。

圖2 拼裝結(jié)構(gòu)主體第一節(jié)段

2.3 頂升構(gòu)件

通過集中控制系統(tǒng)控制豎向千斤頂將拼裝完成的天橋節(jié)段頂起，使其離開擱墩30mm 左右。這一過程用時20秒左右（見圖3）。

圖3 頂升千斤頂升梁

2.4 前移構(gòu)件

節(jié)段頂升就位后略作靜置，迅速檢查各部位狀態(tài)，確保構(gòu)件無形變、側(cè)翻等安全隱患，并確認(rèn)各步履機狀態(tài)正常。然后通過控制系統(tǒng)控制步履機的水平千斤頂伸缸，使天橋節(jié)段前移（見圖4），通過位移傳感器反饋到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，確定推移量符合設(shè)定（約600mm）。這一過程用時40 秒左右。

圖4 水平千斤頂前移

2.5 水平千斤頂收缸回程

水平千斤頂頂推就位后，迅速對整個系統(tǒng)再次檢查，確認(rèn)正常后控制各步履機水平千斤頂收缸回程600mm（見圖5），此過程用時40 秒左右。

圖5 水平千斤頂收缸回程

隨著水平千斤頂恢復(fù)原始狀態(tài)，一個完整頂推行程完成，循環(huán)這一行程，將第一節(jié)段頂推至預(yù)定位置。每循環(huán)5個行程，對構(gòu)件進行一次觀測，確認(rèn)其端部下沉是否超限、水平偏移是否超限等，確保符合要求后方可繼續(xù)頂推。

2.6 豎向千斤頂收缸回程

當(dāng)水平千斤頂恢復(fù)原始狀態(tài)后，控制各步履機豎向千斤頂活塞收缸回程，將構(gòu)件落到擱墩上，進行力系轉(zhuǎn)換（見圖6）。這一過程用時20 秒左右。

圖6 豎向千斤頂收缸回程

2.7 拼裝結(jié)構(gòu)主體第二節(jié)段

調(diào)整步履機布置，然后參照2.2 步驟進行第二節(jié)段的拼裝（見圖7）。

圖7 拼裝結(jié)構(gòu)主體第二節(jié)段（同步進行裝修龍骨安裝）

2.8 剩余節(jié)段的拼裝和頂推

重復(fù)“2.2”~“2.7”步驟，直至天橋所有節(jié)段全部拼裝以及頂推平移完成。確認(rèn)天橋整體到達設(shè)計位置后，拆除端部導(dǎo)梁。杭紹臺鐵路臨海站3 號天橋后續(xù)拼裝及頂推程序見圖8~圖11。

圖8 第三次頂推并拼裝天橋第三節(jié)段（同步進行裝修龍骨安裝）

圖11 頂推就位并拆除導(dǎo)梁

2.9 裝修龍骨的融入

為進一步壓縮天橋主體安裝就位后的跨線焊接、拼裝作業(yè)量，減少施工危險源，縮短危險時段，在三座天橋施工過程中，逐步加大裝修龍骨的融入。第一座天橋頂推時，僅進行了幕墻主龍骨和屋面主檁條的預(yù)安裝，至第三座天橋頂推時，已基本完成了包含了屋面板及所有裝修龍骨的安裝工作[4]。主要從以下三方面進行控制：①結(jié)合天橋主體形變相關(guān)演算數(shù)據(jù)，對橫向龍骨適量起拱，使得頂推就位后，隨著天橋主體下?lián)稀⒎€(wěn)定，龍骨趨向于平直。②通過設(shè)置腰形孔、插芯套接等連接方式，使龍骨體系具備一定量的自由活動空間，避免因主體變形導(dǎo)致剛性接頭部位出現(xiàn)崩裂、變形等質(zhì)量事故。③頂推完成后，及時量測實際形變量，根據(jù)形變量，對幕墻龍骨進行二次矯正，確保平直度滿足規(guī)范要求。

圖9 第四次頂推并拼裝天橋第四節(jié)段（同步進行裝修龍骨安裝）

圖10 第五次頂推并拼裝天橋第五節(jié)段（同步進行裝修龍骨安裝）

2.10 注意事項

①認(rèn)真檢查進場的步履機各構(gòu)件、油管、機電、電氣元件、液壓油量及通訊是否符合要求，電纜是否安全、可靠，有無斷路、短路和絕緣損壞現(xiàn)象；液壓油是否潔凈無污染等。頂推系統(tǒng)使用前，應(yīng)進行整體調(diào)試和演練，確保頂推過程中所有油缸、油站、油路、控制系統(tǒng)的正常運行。②認(rèn)真確認(rèn)步履機擱置支架系統(tǒng)的材料選用、焊接工藝、支架垂直度等施工質(zhì)量是否符合方案設(shè)計、國家施工規(guī)范及檢驗標(biāo)準(zhǔn)的要求。擱放平臺必須滿足：平面位置誤差≤±2cm、傾斜度≤0.5%、標(biāo)高誤差≤±1cm、平整度≤±2mm[5]。③頂推作業(yè)前在步履機頂升作用點的縱向軸線位置（一般是在頂推腹板位置）設(shè)置監(jiān)測點，頂推過程中必須設(shè)置專人連續(xù)觀測，確保頂升的作用點平面位置偏差小于3cm。在構(gòu)件的最前端和尾部分別設(shè)置平面位置反光貼，配合全站儀等儀器進行監(jiān)測。當(dāng)步履機作用點位置偏移值大于3cm時，必須進行糾偏[6]！④在各工況條件下，要及時調(diào)整各臺步履機前后擱墩的高度，確保擱墩標(biāo)高符合要求，前后擱墩受力一致。如果分配梁上面需要墊塊調(diào)高或調(diào)坡，分配梁上面的墊塊應(yīng)滿鋪并密貼，碼放后的頂面要平整，確保分配梁與箱梁底面處于受力密貼狀態(tài)，確保分配梁方向要與頂推方向一致；如橫向、縱向傾斜角度大于1%時，及時鋪墊相應(yīng)的調(diào)平板，使橫向、縱向傾斜角度小于1%，以免頂升偏心受壓損壞、支架偏心受壓產(chǎn)生過大的水平推力，從而避免支架失穩(wěn)和頂推方向偏移[7]。⑤頂推操作前，操控人員必須通過計算機界面數(shù)據(jù)確定各臺步履機處于正常狀態(tài)，且與各臺步履機看守人員確認(rèn)全部步履機處于正常工作狀態(tài)，步履機頂升作用點位置偏差小于3cm 的情況下，才能進行頂推操作。⑥操控人員必須和防護、指揮等現(xiàn)場看守人員間保證通訊暢通，并按約定的語句應(yīng)答，及時通報情況，發(fā)現(xiàn)異常立即報告。

3 安全性驗算及監(jiān)測分析

為進一步梳理頂推過程中各階段天橋主體結(jié)構(gòu)和支持系統(tǒng)的受力狀態(tài)，在方案階段利用Midas Civil 2017 軟件對整個頂推施工進行了模擬，分析各工況下結(jié)構(gòu)本身及支撐系統(tǒng)的受力狀態(tài)，甄別最不利狀態(tài)，并分析在此狀態(tài)下整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時加強監(jiān)測工作，比對警戒數(shù)據(jù)，從而確保頂推全過程的安全性。本文以臨海站尺寸最大的1 號天橋相關(guān)數(shù)據(jù)為例。

根據(jù)建模分析，當(dāng)導(dǎo)梁前端到達對側(cè)臨時支撐步履機位置但未落上步履機時，此時頂推整體前端懸挑長度最大，天橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性最差，位于既有2 站臺的臨時支撐荷載最大，為頂推過程最不利狀態(tài)，此狀態(tài)見圖12。

圖12 最不利工況狀態(tài)

3.1 端部下沉

結(jié)合Midas Civil 2017 進行頂推模擬，得出此狀態(tài)下端部最大下沉值為13mm。在頂推過程中，采用全站儀對其端部的下沉情況進行監(jiān)測。測點設(shè)在導(dǎo)梁下弦桿端部外側(cè)，在頂推前觀測一次并記錄高程數(shù)據(jù)，頂推過程中觀測4 次，頂推到位后測一次，并分別與頂推前的數(shù)據(jù)進行比對，得出實測值為9mm，低于驗算值。

3.2 臨時支撐穩(wěn)定性

據(jù)實測，臨時支撐位置地基承載力為150kPa，頂推支架反力及支架系統(tǒng)自重F1=195.58t，臨時支撐基礎(chǔ)尺寸為6.4×4×1.2m，基礎(chǔ)自重G2=6.4×4×1.2×2.5=76.8t，2#站臺地基承載力：

P=（196.58+76.8）/（6.4×4）=106.4kPa＜150kPa，支撐系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。經(jīng)實際觀測，最大沉降量為2mm，低于預(yù)警值3mm，周邊建筑無超出警戒值的變形情況[8]。

3.3 分析結(jié)論

根據(jù)以上驗算數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的對比，可見頂推過程安全可靠，對周邊線路、雨棚等無影響，可以確保行車安全。

4 結(jié)語

分段拼裝及步履式頂推施工技術(shù)在站改項目方面應(yīng)用前景十分廣闊，具體體現(xiàn)在以下幾點：①分段拼裝使得拼裝平臺僅需滿足部分節(jié)段長度即可，大幅降低了對于主體拼裝場地的需求，能有效規(guī)避大規(guī)模搭設(shè)拼裝平臺，從而降低經(jīng)濟成本。②由于大部分作用力在于步履機系統(tǒng)內(nèi)部，施工過程中對于支撐系統(tǒng)的側(cè)向反力相對較小，降低了支撐系統(tǒng)設(shè)置難度，抗傾覆能力強，安全性高。③整個頂推施工僅需5 次天窗封鎖，其中跨線僅需1 次封鎖即可完成，全程無需高鐵線路停運，避免了對當(dāng)?shù)厣鐣⒔?jīng)濟等的影響；也無需在線路上設(shè)置起重設(shè)備或支撐設(shè)施，對線路質(zhì)量無影響，確保行車和旅客安全。④在主體頂推階段可以融入裝修龍骨的安裝，大幅減少后期天窗施工作業(yè)量，有效提升了工作效率和安全性。