頂升技術在運營地鐵高架橋梁更換支座中的應用

李誠鈺，王 婷，姚 鵬，郝衛濤，劉天寧

(1.西安市軌道交通集團有限公司，陜西 西安 710016； 2.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

目前我國城市軌道交通行業已經進入集中跨越式發展階段，橋梁支座是連接橋梁上部和下部結構的重要部件，位于橋梁和墊石間，它能將橋梁上部結構承受的荷載和變形(位移和轉角)可靠地傳遞給橋梁下部結構[1]。同時承受梁體端部水平移動和轉動等造成的復雜荷載，還能減輕上部結構震動對下部結構的不利影響，是橋梁的重要傳力裝置，常見的支座分為固定支座和活動支座兩大類[2]。

1 工程概況

本次更換的支座為3091XB墩柱上的活動支座，位于一聯(27+33+27)m的異形連續梁體邊墩，中墩為固定支座，另一端為活動支座，相鄰為25 m現澆單線簡支箱梁，縱向坡度為10‰。該連續梁梁體結構設計質量為1 350 t，二期恒載約750 t，單跨簡支箱梁合計質量約為700 t。該處梁體底部混凝土楔形塊不平整，活動支座出現上鋼板一側偏壓嚴重，導致活動支座轉角超限為60%，造成活動支座轉角超限病害(圖1)，進一步發展會危及行車安全，為恢復活動支座使用功能，確保橋梁正常使用，需要對其進行更換。

圖1 活動支座轉角超限病害實景Fig.1 Actual picture of overturning disease of movable support

2 頂升梁體應力檢算

為確保梁體在頂升過程中的安全性，通過采用通用有限元軟件Midas建立梁單元計算模型，在強制位移1cm作用下分別對梁體內力和應力進行了檢算。當主梁邊支座頂升1 cm時，主梁內力變化幅度為0.6 MPa且該頂升過程為短暫狀態，對橋梁結構的影響較小，主梁內力滿足規范要求(圖2)[3]。

圖2 主梁內力計算結果示意Fig.2 Schematic diagram of internal force calculation results of main beam

在自重、二期荷載及強制位移荷載組合作用下，主梁上緣應力為10.6 MPa，下緣應力為10.7 MPa，主梁應力滿足相關規范要求(圖3)[3]。

圖3 主梁應力計算結果示意Fig.3 Schematic diagram of main beam stress calculation results

3 頂升力及混凝土局部承壓力檢算

3.1 頂升力檢算

該聯連續梁梁端分別為兩塊設計承載力3MN的盆式橡膠支座，兩塊支座可以承受6 MN的荷載，而支座的實際使用承載力為支座設計承載力的70%。因此，2塊支座的實際承載力為4 200 kN(420 t)。

經研究頂升重量安全系數取2倍，在墩帽均勻布置6臺200t液壓頂。其中，200t/臺×6臺=1 200 t，1 200 t÷420 t≈2.85倍，2.85倍>2倍，頂升力滿足要求[4]。

3.2 混凝土局部承壓力檢算

千斤頂與梁底和墩臺頂面混凝土接觸面局部承壓計算公式如下：

γ0FLD≤1.3ηaβfcdAln

式中，γ0為橋梁結構系數取1.1；FLD為單個頂升千斤頂的最大頂升力；ηa為混凝土強度影響系數，當混凝土強度等級為C50及以下時，ηa=1；β為混凝土局部受壓強度提高系數β=1；fcd=6.7 N/mm2(C35混凝土)；Aln為橋墩接觸面混凝土局部承壓凈面積。

經檢算，混凝土局部承壓力符合要求[5]。混凝土局部墊400 mm×4 000 mm×20 mm鋼板符合要求[5]。

4 施工平臺搭建

需要更換的活動支座墩柱位于河道內，無法搭設支架建立施工平臺，經研究采用橋墩吊籃懸掛的方式施工。吊籃懸掛以墩柱中心為中線，頂端墊石為防脫鉤鋼絲繩固定點，卷揚機為上下通行提升動力，吊籃到達指定高度時緊固鋼絲繩予以加固。主要由吊藍平臺、吊裝帶、吊索具(包括鋼絲繩)及升降裝置。

4.1 平臺組裝

平臺采用螺栓連接組裝，需經2倍的均布額定荷載試壓(不少于4 h)，并標明允許載重量(圖4)。

圖4 橋墩吊籃平臺組裝示意Fig.4 Schematic diagram of assembly of pier basket platform

4.2 安全裝置

(1)保險卡(閉鎖裝置)。鋼絲繩必須安裝防脫鉤，防止吊籃平臺在正常工作情況下發生自動下滑事故。

(2)安全鎖。吊籃每根保險繩上必須安裝安全鎖及保險繩(直徑≥12.5 mm)，使吊籃平臺在下滑速度大于25 m/min時動作，并在下滑距離100 mm以內停住。

(3)行程限位器。吊籃平臺上下兩個方向裝設行程限位器，在使用電動提升機時對其上下運行位置、距離進行限定。

(4)制動器。電動提升機構一般應配兩套獨立的制動器，每套均可使帶有額定荷載125%的吊籃平臺停住。

(5)保險措施。鋼絲繩與墊石連接應有防止鋼絲繩斷裂設施，與吊籃平臺連接應使用卡環，使用吊鉤需有防止鋼絲繩脫出的保險裝置，在吊藍內作業人員應配安全帶。

4.3 升降操作

(1)吊籃升降作業應由經過培訓的人員專門負責，吊籃同時升降時，采用電動葫蘆，并有控制同步升降的裝置，使吊籃同步升降不發生過大變形(同步平差不應超過5 cm)。

(2)吊籃在墩柱滑動時，應設護墻輪，升降過程中不得碰撞墩柱，升降到位后吊籃必須與墩柱拉牢固定。

4.4 荷載實驗

吊籃安裝后需進行荷載實驗，使用中應嚴格按照規定加載荷載，吊籃內材料及人員不得超過規定荷載(800 kg/m)。堆料及設備不得過于集中，防止超載。

5 同步頂升施工步驟及要點

在運營地鐵高架橋梁使用頂升技術更換支座需封鎖區間，每個作業點有效時間僅為3～4 h，具有施工作業面有限、需多專業共同協作、設備調試精度要求高、作業風險大等特點。施工步驟及要點如下：施工準備→布置頂升系統→梁體同步頂升→取出原支座→打磨平整支座墊石→清理梁底楔形塊→插入楔形鋼板，調平支座轉角→澆筑重力式灌漿料，更換新支座→卸壓落梁→觀察測量→撤頂并清理現場。

5.1 施工準備

(1)原結構尺寸復核及質量核查。①檢查支座結構尺寸、支座大小、平面位置。②檢查支座墊石、梁底尺寸及破損情況。③檢查梁底頂升支點處混凝土平整度及密實性，提前處理孔洞、蜂窩等缺陷。

(2)施工前必須解除橋梁限位。①頂升前應解除梁體限位裝置，對作業橋墩位置上下行兩側各5 m范圍內拆卸軌道扣件，撤除軌下墊板；對作業橋墩位置上下行兩側各5～10 m范圍內松動軌道扣件，不再撤除軌下墊板。②線上安排專人測量并記錄軌溫，如軌溫高于鎖定軌溫5 ℃及以上，應在拆除扣件后對軌面鋪設土工布撒水降溫，確保軌溫低于鎖定軌溫+5 ℃。③對橋跨與橋臺間抵死現象排查，如果存在抵死現象，采取割除鑿除措施復位。

5.2 布置頂升系統

(1)為保證梁體安全，在頂升到位后取出支座，梁體長時間處于液壓頂支撐狀態。為防止液壓油路泄漏梁體失穩突然回落，液壓頂組采用機械螺旋自鎖式液壓頂，雙重保護梁體安全。

(2)為防止梁端出現高程差，對軌道造成剪切損壞及損壞伸縮縫、軌道板及其他橋面附屬物，根據梁體荷載及受力特點，需保證同步頂升時線上鋼軌平順性及墩頂伸縮縫處蓋板標高一致。在墩頂處梁端均勻布置頂升專用液壓頂6組(200 t)。梁底與液壓頂間安裝頂升400 mm×400 mm×20 mm專用墊板，以增大液壓頂與梁底間的受力面積，接通高壓油路，調試PLC液壓控制系統的輸油管道，檢查油管密封情況。施工時在檢測監控處安裝限位器和豎向標尺，以精確控制同步頂升高度及變化(圖5)。

圖5 PLC液壓控制系統及頂升控制點布設Fig.5 PLC hydraulic control system and layout of jacking control points

5.3 梁體同步頂升

(1)PLC液壓控制系統組成及主要原理。系統是由PLC計算機控制系統、主機箱、液壓泵站、電磁閥、壓力傳感器、位移傳感器、液壓千斤頂組成。液壓泵站依靠電磁閥的開關頻率控制改變流量，達到油泵的輸出流量可調的目的。同時配以適當的電控和檢測反饋系統，組成壓力和位移雙重控制，以位移為最終控制各千斤頂在升降過程中同步(圖6)。

圖6 PLC液壓頂升及控制系統實景Fig.6 Real picture of PLC hydraulic jacking and control system

(2)液壓頂預頂升。接通橋墩布置的液壓頂，統一指揮啟動PLC液壓控制系統，使墊板和梁底緊密接合，以調整液壓頂上下墊板間隙，持荷5 min，各項設備無異常并回落至原位完成預頂升。

(3)梁體同步頂升。①預頂升完畢后，做好記錄及測點布置，讀取液壓表、限位器、千分表的數據，并以此時數據作為初始的“零”狀態數據，將限位器、千分表的數據重新調零。啟動PLC液壓控制系統開始頂升，梁體頂升控制速度不大于1 mm/min。頂起高度達到1 mm時，停止頂升，觀察檢查梁體微小變化及頂升設備無誤后，繼續頂升。當頂起高度達到3 mm時，停止頂升，各分點油壓自動鎖死且保持恒壓，對頂升設備系統檢查，采集位移數據，與理論計算數據復核。如果實測數據與理論計算數據吻合繼續頂升，否則應立即查找和分析原因。②以每級3 mm的頂升行程為一個單位，每頂升一級單位，需系統檢查設備，對采集數據進行復核。當頂升高度滿足施工要求時(具體頂升高度以現場施工實際情況定，頂升高度不大于10 mm)，停止頂升，采集各項數據，各分點油壓自動鎖死且保持恒壓，自鎖式液壓頂全部機械上鎖。③橋梁在頂升過程中考慮對線路軌道影響，每次頂升高度由運營、監理及施工單位共同確認。其中軌面標高由第3方監測單位實時測量監控，施工結束后，由運營單位對軌道扣件安裝復緊，并對軌道精測。

(4)取出原支座。在頂升系統保持恒定壓力下，采集標尺、限位器的位移數據(數據下移量控制在1 mm之內)，拆取支座上下座板錨固螺栓，取出支座。

(5)打磨平整支座墊石。支座墊石是直接與支座接觸的結構物，其表面的平整度決定了支座安裝四角高差是否符合標準，因此需要利用角磨機將支座墊石頂表面打磨平整，利用測量值進行墊石標高控制。

(6)清理梁底楔形塊。對梁體楔形塊底部打磨平整、清理干凈后，在梁底與支座之間安裝與橋梁縱坡一致的楔形鋼板進行調平。

(7)插入楔形鋼板，調平支座轉角。采用水平尺測量支座上預埋鋼板轉角偏差數據，包含四個角的偏差數值。提前聯系支座廠家加工調平用楔形鋼板，墊石和梁底楔形塊處理完成后，采用高強度膠將楔形鋼板粘貼于梁體下預埋鋼板下方，使梁底楔形塊底平面處于水平狀態。

(8)澆筑重力式灌漿料，更換新支座。鑿毛支座就位部位的支承墊石表面，清除預留螺栓孔的雜物，并用水將支承墊石表面浸濕。擰緊支座上螺栓和地腳螺栓，安裝支座。用混凝土墊塊置于支座四角找平支座，并保證支座調整到設計標高和平面位置，在支座底面與支承墊石之間留有20～30 mm的空隙，安裝灌漿用模板，采用重力式灌漿的方式使灌漿料充分填滿模板，灌漿料終凝后拆除模板。確保安裝新支座后的高度誤差小于±1 mm。

(9)卸壓落梁。待支座安裝完成并檢查各項指標符合要求后，液壓頂機械解鎖，開始緩慢卸壓落梁。落梁前千斤頂先頂起1～2 mm，以便撤除鋼墊板，千斤頂每次回落應分級控制(每次回落量不宜大于3 mm)。鋼墊板拆除也要對應分級進行，以使落梁過程中梁體可一直得到有效保護。在千斤頂壓力表歸零后需再次檢查支座與梁底是否完全接觸；否則要重頂一次調整后再次落梁，直到支座上下表面相互平行且同梁底、墊石頂面全部密貼。每階段落梁完成后統一檢查梁體各項指標，直至液壓表壓力為零，落梁到位。

(10)觀察測量。觀察測量支座的動向及梁體變化，采集位移數據及新支座受壓后殘余值，并與原測量值進行校核，如有異常及時調整。

(11)撤頂并清理現場。觀察測量無誤后，用棉絲擦洗支座及周圍污垢，保持墩臺及支座清潔，撤除液壓頂。

6 施工監測控制

施工監測指頂升過程中對橋梁的整體姿態進行全過程實時監測，包括結構的平動、轉動和傾斜的監測。

(1)監測目的橋梁頂升過程是一個動態過程，隨著梁體的提升，梁體的縱向偏差、橫向位移等會發生變化，梁體支承點的相對變化對梁體受力狀態也會發生變化。因此在施工過程中對橋梁結構、臨時構件的變形和關鍵部位的內力監控是非常必要的，其目的就是保證施工過程的安全、橋梁結構的線形和受力在施工過程中和施工結束后能滿足設計的要求[6]。為此要設置一套監測系統，設定必要的預警值和極限值，以便將橋梁姿態數據反饋給施工加載過程。

(2)監測部位及監測內容。①橋面標高觀測。橋面高程觀測點用來推算每個橋墩的實際頂升高度。設置橋面標高觀測點可以精確的知道每個橋墩的實際頂升高度，使頂升到位后橋面標高得到有效控制。通過頂升前后各測點高程的變化，掌握各點頂升高度是否達到設計要求，并判斷高度的變化是否在結構中產生了過大的附加內力。②梁底標高監測。梁底標高的測量是橋梁頂升過程中最為重要的監測，是控制頂升標高與各組千斤頂間同步性的主要手段。梁底標高監測通過在梁體底部側邊安置拉線傳感器(精度為0.01 mm)，其將數據輸送到PLC控制系統，以便實時監測、及時調整各千斤頂的頂升速度。頂升前在梁體底部側邊用鉚釘固定作為監測點(每片梁設置5個間距7 m點位，兩側監測點距梁邊為1 m)，并在橋梁外側固定一個相對標高監測點，每一個頂升行程結束后，用電子水準儀測量，并與PLC液壓控制系統中的拉線傳感器反應至電腦中的數據相比較。③梁體縱橫向位移觀測。對頂升過程中梁體縱橫向位移的觀測，保證梁體在整個頂升過程中保證原位置不變，在每聯連接安裝限位裝置處采用鋼尺進行觀測。而對伸縮縫間隙大小觀測，則是對梁體縱向位移的一個補充。

(3)支座安裝限值要求。①支座中心線與原支座十字線縱向錯動量≤20 mm、橫向錯動量≤10 mm。②支座板每塊板邊緣高差≤1 mm、4個支座頂面相對高差2 mm。③支座垂直于梁底板，螺栓中心位置偏差≤2 mm。④同一端兩支座橫向中心線間相對錯位≤5 mm。⑤同一端兩支座縱向中線間距離：誤差與橋梁設計中心線不對稱+15、-10 mm。

(4)監測位移預警值要求(表1)。

表1 監測項目預警值范圍Tab.1 Early warning value range of monitoring items

7 運營恢復控制

(1)運營設施恢復。支座更換完成后，由運營單位檢查確認設施設備狀態具備行車條件后，發出恢復通車指令。

(2)運營通車后的行車條件。參照鐵路營業線施工安全管理辦法(鐵辦〔2008〕190號)行車條件相關規定，運營恢復開通后第1列25 km/h；第2列40 km/h；其后恢復正常運行速度[7]。

8 支座常見病害案例

(1)活動支座位移超限病害。主要原因：活動支座安裝過程中未充分考慮溫度影響的活動支座預留偏移量及梁體受外界氣溫影響的自由伸縮量超過活動支座最大位移量，造成活動支座位移超限病害(圖7)。整治方法：頂升更換活動支座。

圖7 活動支座位移超限病害實景Fig.7 Actual diagram of displacement overrun disease of movable support

(2)活動支座脫空病害。主要原因：梁體預埋件安裝不達標、梁體安裝不到位、墊石碎裂，造成活動支座脫空病害(圖8)。整治方法：頂升更換活動支座、澆筑灌漿料。

圖8 活動支座脫空病害實景Fig.8 Real picture of movable support cavitation disease

(3)固定支座螺栓缺失病害。主要原因：墩臺上鋼板螺栓孔與梁體預埋套筒螺栓孔錯位，造成固定支座螺栓缺失病害(圖9)。整治方法：頂升調整固定支座、補充螺栓。

圖9 固定支座螺栓缺失病害實景Fig.9 Actual picture of fixed support bolt missing disease

(4)固定支座底板翹角病害。主要原因：施工時墊石螺栓預埋件不達標，落梁時固定支座底板受力不均，造成固定支座底板翹角病害(圖10)。

圖10 固定支座底板翹角病害實景Fig.10 Actual picture of warpage of fixed support bottom plate

整治方法：頂升更換或調整固定支座、更換螺栓預埋件。

9 結語

西安地鐵基于堅實的理論研究和儲備，運用頂升技術在運營地鐵高架橋梁順利更換了18個病害支座，取得了豐富的頂升技術應用經驗。實踐證明，該項技術能夠滿足運營設施設備要求，特別是對影響行車的軌道、接觸網等關鍵設備，影響不大。同時解決了拆除重建周期長、成本高和對原有交通影響大及危害環境等嚴重問題的困擾。總之，頂升技術在運營地鐵高架橋梁病害更換支座中的應用，具有重大的推廣價值和意義，能夠促進同行業相關技術的快速發展。