長聯大跨鋼桁梁橋無砟軌道道床施工技術*

廖 菲，馬 濤

(中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢 430050)

0 引言

隨著我國高速鐵路的蓬勃發展，各類型無砟軌道結構均有廣泛的工程應用，針對路基、站場、隧道、中小跨徑橋梁的無砟軌道施工技術已日趨成熟[1]，但目前國內外已建成的高速鐵路大跨度鋼橋大多仍采用有砟軌道，如鄭州黃河公鐵兩用橋(主橋為1聯(120+5×168+120)m六塔單索面連續鋼桁結合梁斜拉橋)[2]，滬蘇通長江公鐵大橋(主跨1 092m的鋼桁梁斜拉橋)[3]、五峰山長江大橋(主跨1 092m的鋼桁梁懸索橋)[4]、黃岡長江大橋(主跨567m的鋼桁梁斜拉橋)[5]等工程；僅少部分嘗試采用了無砟軌道，如商合杭裕溪河特大橋(主跨324m的鋼箱桁梁斜拉橋)[6]、昌贛高鐵贛江特大橋(主跨300m的鋼-混組合梁斜拉橋)[7]、武廣高鐵汀泗河橋(主跨135m的鋼箱系桿拱橋)等[8]。無砟軌道結構在大跨度鋼桁梁橋梁上的應用尚處于起步階段，與無砟軌道相比，有砟軌道幾何狀態不易長期保持，增加了維修的工作量和養護維修設備種類。在大跨度鋼橋上推廣使用無砟軌道，不僅是實現高速鐵路高速平穩運營的要求，同時對降低工程造價、減少后期軌道養護維修工作量均有積極意義[9]。

本文以大跨鋼桁梁公鐵兩用橋——鄭濟高鐵鄭州萬灘黃河特大橋主橋無砟軌道施工為工程實例，針對大跨鋼桁梁公鐵兩用橋無砟軌道施工難點系統地提出了解決方案和關鍵施工步驟，對于類似大跨鋼桁梁公鐵兩用橋無砟軌道施工具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鄭濟鐵路鄭州石灘黃河特大橋主橋及南引橋，全長4 377m，為公鐵共建段(下層為4線鐵路、上層為6車道快速路)。橋梁孔跨布置由北向南為：7孔112m簡支鋼桁梁+(112+6×168+112)m連續鋼桁梁+45孔40m鐵路預應力混凝土簡支箱梁/15聯 3×40m 公路小箱梁+1孔120m簡支鋼桁梁+10孔40m鐵路預應力混凝土簡支箱梁/公路小箱梁；市域鐵路同期實施段為10孔32m簡支箱梁，總長327.52m；鄭新快速路同期實施段為1聯(2×40)m連續小箱梁(雙幅)，總長81.40m。總體橋跨布置如圖1所示。

圖1 總體橋跨布置

鄭州萬灘黃河特大橋主橋為(112+6×168+112)m連續鋼桁梁橋，如圖2所示。橋梁平面為直線，立面關于382號墩對稱布置，設0.6%人字坡，豎曲線半徑R=30 000m。大橋為上、下分層公鐵兩用橋，上層為6車道鄭新城市快速路，下層為4線鐵路，上游側為兩線鄭濟高速鐵路，下游側為兩線鄭新城際鐵路(預留，道床暫不施工)。鄭濟鐵路采用CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道，設計速度為350km/h。

圖2 橋式布置(單位：m)

1.2 無砟軌道結構

本工程正線無砟軌道主體結構的設計使用年限不少于60年。CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構由鋼軌、WJ-8B扣件、道床板以及底座組成。

(112+6×168+112)m連續鋼桁梁、7孔112m 簡支鋼桁梁、1孔120m 簡支鋼桁梁段鐵路橋面采用CRTS I型雙塊式減振無砟軌道，無砟軌道結構高度為785mm，如圖3所示。

圖3 CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構

道床板與底座(含減振墊層)合稱道床，均采用分塊式結構，長度、寬度均一致，在主桁架節點位置斷開設置，相鄰道床板、底座板間距為100mm，梁端位置兩線中間設置中間板，頂面與道床面平齊,中間板與道床板側面鋪設10mm厚彈性緩沖墊層，頂面采用聚氨酯密封膠封邊。

橋梁底座混凝土和道床板均采用模筑法施工[10]，混凝土底座在橋面(鐵路混凝土橋面板)上澆筑，底座分段設置，梁體內預埋鋼筋與底座連接，道床板采用C40混凝土現場澆筑于混凝土底座上。軌道安裝調整采用“軌排框架法”施工[11]。

2 施工重難點分析

鄭州萬灘黃河特大橋主橋是八跨一聯的連續鋼桁梁公鐵兩用橋，聯長 1 232m，最大跨度168m，設計時速350km/h，采用CRTS Ⅰ 型雙塊式無砟道床。為保證高速列車通過時的安全性、平穩性，無砟軌道道床的線形、質量控制成為施工控制的重點。本工程無砟道床施工主要需解決如下的技術難題。

1)施工測量發現，在某一荷載作用下，橋梁實測撓度值小于設計計算撓度值，橋梁計算模型的剛度需修正后才能用于指導道床施工。

2)長聯鋼梁在溫度作用中產生的節點位移量大[12]，CPⅢ控制點的高程值、里程值在一天內的變化量較大，無法用于道床施工控制。實測顯示，溫度升高10℃，跨中節點最大上拱量為9mm。

3)連續梁各跨間的撓度變形具有聯動性，一跨在施工時產生撓度變形，則其余7跨均會發生大小不一的撓度變形[13]，確定道床結構的施工控制高程值十分困難。

4)大跨度鋼梁的剛度相對較小，受荷載變化的影響大[14]，某跨道床結構施工時，對其相鄰跨已澆筑的道床結構混凝土(已初凝，處于養護期，強度不高)質量會造成影響，常規的道床施工順序(從橋梁一端向另一端順序推進施工)質量風險非常高。

3 橋梁計算剛度修正

采用MIDAS Civil軟件建立全橋有限元模型(見圖4)，對施工各階段進行模擬計算。但受模擬精度、制造偏差、施工誤差、材料離散等因素的影響，計算結果與實測結果往往存在一定偏差。受快速路混凝土橋面板等結構的影響，本工程的上述偏差較大，不可忽略不計。為減小該偏差，采用實橋荷載試驗，測得橋梁實際撓度，與相應的計算撓度對比，并據此調整計算模型的結構剛度EI，從而使剛度修正后的計算撓度值達到可控制施工的精度。

圖4 全橋有限元計算模型

3.1 荷載試驗

為節約成本，以鐵路橋面鋪裝層為試驗荷載，以383～384號、384～385號、385～386號3跨為試驗跨。先澆筑384～385號跨的鋪裝層，再同步澆筑383～384號、385～386號兩跨的鋪裝層，通過混凝土運輸車過磅稱重，做好試驗荷載計量，分別測量上述3跨鋼梁節點的撓度變化值，并與相應計算值進行對比。

3.2 試驗數據

3.2.1384～385號跨

試驗荷載為5 750kN，384～385號鋪裝層澆筑后，測得鋼梁上游側邊桁架下弦桿節點處產生的豎向位移，實測最大撓度值為-9.0mm，計算最大撓度值為-11.9mm。

3.2.2383～384號、385～386號跨

新加試驗荷載9 600kN，383～384號、385～386號跨鋪裝層澆筑后，測得鋼梁上游側邊桁架下弦桿節點處產生的豎向位移，383～384號、384～385號跨、385～386號跨實測最大撓度值分別為-10.1，-7.9，-5.4mm，相應計算最大撓度值分別為-13.0，-11.0，-6.0mm。

3.3 試驗成果

以跨中最大撓度值作為橋梁剛度修正的依據。通過將多組實測與計算數據進行對比，可知橋梁實際剛度約為計算剛度的1.3倍，據此修正鋼梁計算模型剛度。修正后，鋼梁各節點計算撓度與實測值的偏差在0.5mm內，效果良好。

4 基于CPⅢ的“相對高差控制法”

4.1 工法原理

對大跨度鋼梁而言，CPⅢ[15]測點的絕對高程、坐標值是動態變量，受溫度、荷載變化的影響，且其變化值不可忽略不計，要實時掌握各CPⅢ高程值十分困難。為此，提出基于CPⅢ的“相對高差控制法”。該方法以橋梁設計提出的軌道理論線形為目標值，結合橋梁實測線形，計算出各底座、道床板的施工控制厚度，并利用CPⅢ測點與同斷面鋪裝層頂面測點間的高差變化極小、可視為一個不變量(h1，h2是不變量)的特點，用“相對高差”這個非變量，控制道床施工(見圖5)。該方法可剔除橋梁變形、溫度變化的不利影響。

圖5 相對高差示意

4.2 實施步驟

1)在環境溫度恒定且接近15℃(14℃～16℃)時(橋梁設計基準溫度)，測量全橋CPⅢ測點的高程、坐標值及全橋CPⅢ斷面處鋪裝層頂面實際高程值(測點設在無砟軌道中線處)，得到鋪裝層頂面實際高程曲線。

2)根據設計圖紙提供的理論軌底標高曲線，計算得到軌底標高目標曲線(理論軌底標高+未施工的二期恒荷載引起的豎向變形)。

3)用目標曲線減去實際曲線可得到各斷面處的高程差，此高程差即為底座和道床板施工厚度之和(含減振墊層)。

4)計算確定各斷面底座及道床板的施工控制厚度，消除前期施工高度偏差。注意控制底座、道床板施工控制厚度與設計厚度的偏差在驗標允許范圍內。

5)按確定的施工控制厚度，施工完全部底座。

6)在溫度恒定且接近15℃時(14℃～16℃)時，再次測量CPⅢ測點的高程及坐標，同時測量底座頂面中心線高程。

7)根據軌底標高目標曲線及底座頂面中心線實測高程，計算各道床板的施工控制厚度。

8)用相對高差控制法，施工道床板。

9)進行全橋竣工測量。

5 關鍵施工技術

5.1 底座

為減小施工荷載對相鄰跨間已澆筑、尚處于養護期內混凝土的擾動，避免應力裂縫的產生，同時考慮滿足工期、連續施工，將底座劃分為跨中、墩頂兩部分，分15個區段進行澆筑施工(見圖6)，順橋向以382號墩為對稱中心，按先跨中再墩頂、隔跨對稱施工的原則，從①～的順序依次澆筑，即先依次澆筑①～⑨，完成橋梁絕大部分的撓度變形后，再按⑩～澆筑墩頂6個節間，以減小鋼桁梁變形量；橫橋向的兩線底座同步施工。每一區段的底座混凝土在初凝時間內澆筑完成，依次澆筑施工之間的時間差為3d，底座施工歷時45d。

圖6 底座施工順序

5.2 道床板

道床板施工采用“軌排框架法”，施工工藝為：施工準備→測量放線→鋪設道床板底層鋼筋→散枕器吊裝、人工布枕→安裝縱、橫向模板→組裝軌排→軌排粗調→道床板上層鋼筋綁扎→焊接接地鋼筋、接地端子→軌排精調→混凝土澆筑、抹面→混凝土養護→應力放散→模板拆除、質量檢查。

澆筑道床板混凝土順橋向以382號墩為中心(見圖7)，按①～⑧的順序逐跨進行，即從跨中向兩端、隔跨對稱施工，相鄰跨間施工工期間隔以混凝土強度進行控制；橫橋向兩線道床板同步施工。

圖7 道床板施工順序

6 混凝土質量控制措施

無砟道床混凝土工程質量是另一控制重點。混凝土裂縫、軌枕周邊裂縫是常見的質量通病[16]，大跨度鋼梁無砟軌道工程因橋梁剛度小，受溫度、荷載變化影響大，上述質量風險極高。研究采用以下質量控制措施，實施效果良好。

1)選用優質地材，進行適當清洗降低含泥量。

2)設計時，適當提高道床混凝土強度等級。優選低坍落度、低用水量、低膠凝材料、高含氣量的配合比設計，施工時嚴格控制混凝土坍落度。

3)在凹槽四角、軌枕轉角等處增設防裂鋼絲網片。

4)原漿收面、底座收面不少于3次，道床板收面不少于5次。

5)養護及時、保濕效果好，養護時間不少于14d。

6)道床施工期間，鋼梁上嚴禁重車通行。

7)道床板混凝土澆筑后6～7h，根據氣溫、混凝土強度增長情況，適時做好軌排框架鋼軌應力放散工作。

7 結語

鄭州萬灘黃河特大橋是國內聯長最長、跨度最大、設計時速最高的公鐵兩用連續鋼桁梁橋。目前鄭濟高鐵已進入聯調聯試階段，該橋無砟道床施工質量良好，軌道各項檢測指標優良。無砟軌道技術在該橋的成功實踐，對無砟軌道在大跨度橋梁上的應用推廣意義重大。主要得到如下結論。

1)長聯大跨連續鋼桁梁橋受荷載、溫度變化等因素影響大，無砟軌道道床施工質量風險很高，其施工工序、工期、工藝工法與其他類型橋梁有較大區別。

2)將鐵路橋面鋪裝層作為試驗荷載，工期短、成本低、工序流暢，對橋梁計算剛度的修正效果好。

3)施工期間，荷載、溫度變化會引起連續梁各CPⅢ測點高程值不斷變化，基于CPⅢ的“相對高差控制法”，可消除上述不利影響，實踐也證實了其可行性。

4)連續梁無砟軌道底座、道床板的施工過程中，通過合理安排連續梁無砟軌道底座、道床板的施工順序，可降低施工荷載對相鄰跨間已澆筑、尚處于養護期內混凝土的擾動程度，對控制其早期受力裂縫的發生有利。