跨既有高速公路下承式鐵路系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究

張 博

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

橋梁作為國家交通路網(wǎng)中的關(guān)鍵工程，有效地促進了地區(qū)間的經(jīng)濟交流與合作，方便了人們出行、加速了區(qū)域城市化、國際化進程，在地方區(qū)域社會與經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略意義。我國作為交通運輸強國，近年來公路橋梁建設(shè)突飛猛進，70萬座橋梁拔地而起。截至2020年底，我國高速公路通車里程達到16.10萬km，穩(wěn)居世界第一。伴隨著我國已建成的高速路網(wǎng)及鐵路干線，新建的橋梁工程經(jīng)常需要跨越既有路網(wǎng)及鐵路干線等，高速行駛的車輛對新建橋梁的施工帶來諸多風險[1-2]。為了既不影響既有線路的正常交通運行，又能確保上跨橋梁結(jié)構(gòu)的安全施工，對橋梁施工技術(shù)的要求越來越高。

系桿拱橋作為鐵路橋梁中的一種常見結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)受力性能良好、橫向剛度大、動力性能優(yōu)越及結(jié)構(gòu)形式美觀等特點，在目前我國鐵路橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。對于傳統(tǒng)系桿拱橋的施工方法，最為常見的是依據(jù)“先梁后拱”的施工原則進行橋梁建造，具體施工步驟主要包括系梁澆筑、預應(yīng)力筋張拉、拱肋吊裝以及吊索張拉等。對于跨越既有高速公路的系桿拱橋施工，一般可以沿用上述的施工方法，但為了確保下穿的高速公路的安全運營，必須對系梁支架的基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)形式進行重點設(shè)計和檢算，以確保在施工荷載作用下，支架的變形及沉降滿足設(shè)計要求。

本文以合安鐵路某跨既有高速公路的系桿拱橋為工程背景，對跨越既有高速公路的鐵路系桿拱橋施工關(guān)鍵步驟進行分析，并對施工中存在的技術(shù)難點進行闡述，為后續(xù)的類似工程項目建設(shè)施工提供必要的參考和借鑒, 具有較為重要的工程應(yīng)用價值。

1 工程概況

某新建合安鐵路跨既有高速公路系桿拱橋為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，主跨長116 m，計算跨徑112 m，矢跨比1/5，拱肋平面矢高22.4 m。拱肋整體線形為懸鏈線，截面為啞鈴型鋼管混凝土截面。兩拱肋之間設(shè)置5道橫撐，拱頂處為X撐，拱頂至拱腳設(shè)4道K撐。系梁采用單箱三室預應(yīng)力混凝土箱型截面，橋面寬17.8 m，梁高2.5 m。吊桿采用尼爾森體系，吊桿材料采用127根Ф7高強低松弛鍍鋅平行鋼絲。橋梁整體布置如圖1所示。

圖1 橋梁整體布置圖

2 跨既有高速公路的系桿拱橋施工技術(shù)研究

結(jié)合工程特點，該鐵路系桿拱橋采用“先梁后拱”的施工原則，主要施工步驟可分為：①系梁滿堂支架施工，一次澆筑成型；②系梁預應(yīng)力張拉；③拱肋及橫撐吊裝施工；④拱肋混凝土灌注；⑤吊桿安裝及索力張拉。考慮到在橋梁施工過程中，確保下穿高速公路的正常通行，需要對系梁支架的基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計和檢算，支架設(shè)計應(yīng)成為此類型橋梁施工的首要步驟。因此，對于跨既有高速公路的鐵路系桿拱橋施工方法主要包括以下內(nèi)容。

2.1 系梁支架設(shè)計

結(jié)合該橋梁工程下穿高速公路的通行狀態(tài)和實際需求，采用在高速公路雙幅車道上各設(shè)置一個門洞的支架形式，門洞凈寬為8.5 m、凈高為6 m，雙向通行。系梁支架除門洞區(qū)域外，其余各處采用滿堂支架。門洞支架自下而上由條形基礎(chǔ)、鋼管立柱、工字鋼橫梁、貝雷梁、底模組成。其中為方便行車安全，門洞位置與行車線位置相對應(yīng)，將行車路線預留出來，并設(shè)置支架防護設(shè)施。門洞立柱采用Φ426 mm螺旋鋼管，橫梁采用雙拼40a工字鋼，縱梁均采用貝雷梁，通過門洞縱梁貝雷梁上鋪設(shè)10#工字鋼，工字鋼上直接鋪設(shè)木模板作為底模；實體段門洞立柱采用Φ426 mm螺旋鋼管，橫梁采用雙拼40a工字鋼，縱梁均采用25b工字鋼。系梁混凝土一次澆筑成型，內(nèi)模和外模采用18 mm厚優(yōu)質(zhì)竹膠板。

圖2 系梁支架布置示意圖

在支架結(jié)構(gòu)形式確定之后，為防止因支架基礎(chǔ)沉降而對下部通行造成影響，因此，需要對支架基礎(chǔ)承載能力進行檢測評定，并根據(jù)檢測結(jié)果對地基做相應(yīng)的加固或硬化處理。根據(jù)該系桿拱橋的地質(zhì)資料，此段為高速公路路塹地段，地基條件較好，條形基礎(chǔ)施工前將基礎(chǔ)底部地基承載力不滿足檢算要求的土體挖除，換填建筑垃圾壓實，從而完成系梁支架基礎(chǔ)的加固工作。待支架搭設(shè)完畢之后，按1.2倍的結(jié)構(gòu)自重荷載對支架進行預壓，用以消除支架系統(tǒng)的非彈性變形，確保施工安全進行。

2.2 系梁施工

待系梁支架預壓完成之后，將進行主梁施工。依據(jù)設(shè)計資料，主橋系梁截面采用單箱三室構(gòu)造形式。在系梁混凝土澆筑前，首先進行吊桿下錨管安裝及定位，待下錨管安裝完成之后，開始進行系梁混凝土澆筑。在系梁混凝土澆筑中，實體段混凝土為整斷面澆筑，分層厚度在30 cm左右。中間段就每箱的底板、腹板高度沿結(jié)構(gòu)橫截面以斜坡層向前推進，分段長度5 m左右，根據(jù)情況適當進行調(diào)整距離，保證混凝土不出現(xiàn)冷接縫為原則，當分段距離遠時，為了保證不出現(xiàn)冷接縫，分層厚度可適當降低。混凝土澆筑過程中橫向堅持“對稱、平衡、均勻、同步進行”的原則，沿梁高方向先澆筑底板，再澆筑腹板、頂板，并最終成型。然后，進行混凝土振搗，養(yǎng)護等工序，待養(yǎng)護完成后，進行預應(yīng)力張拉，并最終完成系梁施工。

2.3 拱肋安裝

鋼管混凝土拱肋安裝是系桿拱橋關(guān)鍵的施工步驟，依據(jù)施工方案，拱肋采用工廠預制，現(xiàn)場節(jié)段拼裝的方法進行施工。由于拱肋現(xiàn)場采用現(xiàn)場高空拼裝的方式進行施工，因此，對拱肋的制造精度提出較高的要求。拱肋部分施工主要包括：主拱肋、橫撐、K撐等，由于這些構(gòu)件均為圓管造型，其整體組裝和檢查尺寸均難以通過直接測量得出或控制，因此，在主拱肋施工時，需通過控制點坐標定位進行組裝和控制。由于在拱肋施工完成之后，需要進行吊桿安裝，因此，吊桿上錨點的安裝精度成為系桿拱橋施工控制的重點內(nèi)容。

在拱肋安裝前，首先在橋面搭設(shè)拱肋臨時支架，支架采用混凝土墩加支架柱形式，支架柱選用2根φ609×10 mm鋼管，管中心相距2 m，中間腹桿采用Φ299×6的鋼管連接，腹桿間距2.5 m設(shè)一組，保證支架的穩(wěn)定。在支架頂設(shè)分擔梁，采用20#工字鋼連接組成3 m×3 m的支架平臺。

拱肋現(xiàn)場施工如圖3所示，總體流程可表述為：首先將工廠預制的拱肋節(jié)段運至橋面待吊裝區(qū)域；然后，利用2臺75 t汽車吊對拱橋兩側(cè)拱肋節(jié)段進行同步吊裝，確保橋面在拱肋施工過程中受力平衡；在吊裝過程中，通過在拱肋表面設(shè)置坐標控制點對拱肋的安裝線形進行控制，待拱肋位置定位完成之后，作業(yè)人員對拱肋節(jié)段進行焊接、固定，待焊接完成之后，由專業(yè)檢測人員對焊縫的質(zhì)量進行檢測并復核安裝線形。待確認無誤后，進行下一節(jié)段拱肋安裝，以此類推，直至拱肋合龍完成。拱肋合龍之后，將進一步進行拱肋內(nèi)混凝土灌注，完成拱肋全部施工。

圖3 鋼管混凝土拱肋現(xiàn)場吊裝施工圖

2.4 吊桿安裝及張拉

待系梁和拱肋施工完成之后，將進行吊桿的安裝及張拉工序。吊桿作為系桿拱橋體系中的重要傳力構(gòu)件，其安裝精度及張拉力控制結(jié)果直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性能，因此，吊桿的安裝及張拉是拱橋施工控制的重要內(nèi)容。在系梁和拱肋安裝完畢后，吊桿的上、下錨筒的位置已基本確定，因此，在施工前期應(yīng)對吊桿錨筒的安裝精度進行控制。根據(jù)現(xiàn)場測量拱肋與下錨筒之間的實際距離，下料吊桿索，然后進行吊桿安裝。

在吊桿安裝時，首先將吊桿索運至施工現(xiàn)場，然后作業(yè)人員到達拱肋上錨筒區(qū)配合吊機進行安裝作業(yè)。安裝流程大致可表述為：

(1) 首先將鋼絲繩從拱肋吊桿導管套中順下并系在連接器吊環(huán)上，保持連接器與吊桿連接；

(2) 利用吊車的鋼絲繩將吊桿提升，當?shù)鯒U升至拱肋吊桿套管時，錨頭對準套管緩慢提升；

(3) 待吊桿伸出錨墊板后，把錨頭螺母擰到設(shè)計尺寸，松開鋼絲繩，擰下連接器；

(4) 在系梁下錨筒處將吊桿索下端與吊索拉桿連接，并穿入系梁上索導管中，通過梁下施工平臺旋上螺母，使吊索下端的螺母擰到2-3牙；

(5) 在單根吊桿索安裝完畢后，可對剛安裝完成的吊桿進行初張拉，張拉力為成橋索力的20%，目的為確保吊桿索具有一定的初拉力；

(6) 并以此依次類推，安裝好所有吊桿索。施工現(xiàn)場的吊桿安裝如圖4所示。

圖4 吊桿安裝施工現(xiàn)場圖

待吊桿安裝完畢之后，下一步驟將進行吊桿索的張拉。由于吊桿索的長度短、相對剛性段比例較大，因此本方案直接采用液壓千斤頂來張拉索力，吊桿施工現(xiàn)場張拉如圖5所示。為了確保主橋在吊桿張拉過程中的受力性能，采用同步對稱的方式對吊桿進行張拉。該系桿拱橋采用三級張拉原則對吊桿索進行張拉，張拉控制力可根據(jù)系桿拱橋施工過程模型進行計算。在吊桿每級張拉完成后，利用振動法對吊桿索里進行測試[5-6]，如圖6所示，并記錄當前索力值，通過與張拉設(shè)計值進行對比，對下一次張拉力進行控制，直至索力張拉至100%。待橋面二期鋪裝完成后，根據(jù)成橋索力測試結(jié)果與設(shè)計值進行對比，對吊桿索力進行調(diào)整，直至所有吊桿索力與設(shè)計值誤差控制在±5%[5]。

圖5 吊桿索張拉現(xiàn)場圖

圖6 基于振動法的吊桿索測試現(xiàn)場圖

3 施工過程中技術(shù)難題及應(yīng)對策略

本文主要針對跨既有高速公路的系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究，針對該類型橋梁，其主要的施工工序主要包括系梁澆筑及預應(yīng)力張拉、拱肋安裝、吊桿索安裝及張拉。相較于傳統(tǒng)的系桿拱橋施工，在進行此類型橋梁施工時，不僅要確保上部橋梁結(jié)構(gòu)的施工安全，又要兼顧下部交通的正常運行，因此，給施工帶來一定的難度。該類橋梁施工應(yīng)注意的技術(shù)難點主要包括：

(1) 系梁支架設(shè)計是此類型橋梁施工的一項重要內(nèi)容，在支架搭設(shè)前應(yīng)對支架基礎(chǔ)承載能力及支架結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計和驗算，確保其承載能力及變形符合規(guī)范要求；同時，在施工過程中，尤其在支架預壓過程中，應(yīng)對跨高速公路區(qū)域的支架變形及沉降進行重點監(jiān)測，并對可能出現(xiàn)的問題進行及時調(diào)整[7-8]；

(2) 在系梁混凝土澆筑時，吊桿索下錨筒的定位安裝是系桿拱橋施工的重點控制部分，其安裝精度直接決定了后期吊桿索的施工準確性。因此，在施工過程中，應(yīng)采用定位技術(shù)對吊桿索下錨桶進行安裝，安裝完成之后，應(yīng)采取有效的穩(wěn)固措施，保證下錨筒在施工時不發(fā)生移位；

(3) 由于拱肋一般采用高空吊裝施工，如何實現(xiàn)拱肋線形的精確化控制是系桿拱橋橋梁施工的一項重要難題。在拱肋吊裝時，應(yīng)首先提取拱肋節(jié)段的控制點理論坐標，然后利用全站儀對拱肋節(jié)段的各控制點坐標進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對拱肋的安裝線形進行調(diào)整，確保各節(jié)段的安裝誤差符合規(guī)范要求[9]；

(4) 吊桿索作為系桿拱橋的重要傳力構(gòu)件，對其張拉力的控制精度直接決定了橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性能。因此，在進行吊桿索張拉時，首先要根據(jù)系桿拱橋施工模型，采用無應(yīng)力法確定張拉索力，然后采用分級、分批張拉的方法對吊桿索進行張拉，并利用振動法對吊桿索力進行復測，并根據(jù)測試結(jié)果對索力進行調(diào)整，控制誤差精度為±5%[10-12]。

4 結(jié) 論

本文以合安鐵路某下承式鋼管混凝土拱橋為工程背景，對跨越既有高速公路的系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究。首先對跨既有高速公路的鐵路系桿拱橋的施工過程進行了闡述，主要包括系梁的支架設(shè)計、系梁施工、拱肋安裝、吊桿安裝及張拉等，然后對橋梁施工中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了重點分析。本文的研究成果可為后續(xù)類似工程項目建設(shè)提供必要的參考和借鑒。