滬杭高速鐵路大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁工程與技術(shù)創(chuàng)新

錢桂楓，程 飛

(滬杭鐵路客運(yùn)專線股份有限公司，上海 200237)

1 概述

滬杭高速鐵路自上海虹橋站引出，終到杭州站(杭州東站在建)，運(yùn)營(yíng)里程202 km，沿途設(shè)松江南、金山北、嘉善南、嘉興南、桐鄉(xiāng)、海寧西、余杭南等站。滬杭高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、質(zhì)量?jī)?yōu)、速度快、運(yùn)營(yíng)安全穩(wěn)定。滬杭高速鐵路于2009年4月開工建設(shè)，2010年10月26日正式開通運(yùn)營(yíng)，在滬杭間構(gòu)筑起一條安全、方便、快捷的大能力客運(yùn)通道，對(duì)推動(dòng)滬浙兩地和長(zhǎng)三角地區(qū)的經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展具有十分重要的意義。

滬杭高速鐵路具有如下鮮明的特點(diǎn):(1)設(shè)計(jì)速度350 km/h，技術(shù)新，系統(tǒng)集成度高。(2)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城鎮(zhèn)規(guī)劃完善，環(huán)境敏感點(diǎn)多，環(huán)保、水保要求高。(3)廣泛分布深厚軟土層，工程地質(zhì)條件差。(4)橋梁比重高，特殊橋跨、類型多。沿線河渠密集，通航河道及高等級(jí)公路星羅密布，與高速公路相交有18處，跨等級(jí)航道36處。橋梁占線路長(zhǎng)度比重高達(dá)90%，特殊孔跨有155聯(lián)，有連續(xù)梁、道岔梁、剛構(gòu)、剛架、特殊墩臺(tái)等多種形式。

針對(duì)橋梁的技術(shù)特點(diǎn)，滬杭高速鐵路因地制異，采取了技術(shù)創(chuàng)新:(1)在滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路和跨石大公路2座160 m大跨連續(xù)自錨上承式拱橋施工中，采用轉(zhuǎn)體施工方式。(2)首次設(shè)計(jì)并建成了高速鐵路跨度最大且孔數(shù)最多的2×135 m混凝土連續(xù)梁橋——橫潦涇大橋，鑒于工期要求，橫潦涇橋采取了一系列的技術(shù)創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)了在保證安全和質(zhì)量的前提下，快速施工，節(jié)約綜合投資，保證了全線按期貫通。(3)沿線主跨超過100 m的特大跨連續(xù)梁橋還有10余座，采取了一系列創(chuàng)新技術(shù)，提高了工程質(zhì)量，保證了施工安全，并加快了施工進(jìn)度。

這些技術(shù)創(chuàng)新很多屬于我國(guó)高速鐵路橋梁建設(shè)史上開創(chuàng)性的工作，本文對(duì)此做簡(jiǎn)要概述，期望對(duì)今后我國(guó)高速鐵路的建設(shè)提供借鑒。

2 2座轉(zhuǎn)體施工自錨上承式系桿拱橋

在2處上跨繁忙公路處設(shè)計(jì)為88.8 m+160 m+88.8 m自錨上承式拱橋，主跨跨越滬杭高速公路主線和石大路公路，重點(diǎn)介紹前者。滬杭高速公路與滬杭高速鐵路軸線夾角為33°，滬杭高速公路目前已拓寬為雙向8車道，路肩正寬41.5 m，邊坡1∶1.5，凈高要求5.5 m，交通十分繁忙。橋址處軟土厚度一般10～25 m、埋深3～35 m，軟土強(qiáng)度指標(biāo)低，壓縮性高。在高速公路兩側(cè)設(shè)置2個(gè)主墩，每個(gè)主墩采用18根直徑為2 m的鉆孔樁，樁長(zhǎng)為129 m，順橋7排，橫橋向5排。承臺(tái)設(shè)計(jì)為平面尺寸19.1 m(順橋向)×22.9 m(橫橋向)×6.5 m，為盡量避開高速公路的邊坡，承臺(tái)四角作切角處理，切角尺寸為2.25 m(順橋向)×4.2 m(橫橋向)。拱肋采用拋物線線形，矢跨比為1/6，邊、中跨拱肋跨中截面高4.0 m，邊、中跨拱肋拱腳處截面高6.0 m。主拱截面采用單箱單室箱形截面，頂板寬7.5 m，頂、底板及腹板厚度均采用60 cm，拱腳處局部加厚。邊拱在主拱的端部、拱腳、拱上立柱等處各設(shè)相應(yīng)厚度的橫隔板。中拱主拱的拱腳、拱上立柱、中合龍等處各設(shè)相應(yīng)厚度的橫隔板。拱上立柱均采用矩形實(shí)體截面。拱腳上立柱縱向厚度為2.0 m，兩邊拱肋立柱縱向厚度為1.8 m。上部采用花瓶形狀，橫向?qū)挾扔?.5 m過渡到7.5 m。拱上連續(xù)梁計(jì)算跨度為(20+22+22+20)m，為配合拱肋曲線景觀需要，邊跨支點(diǎn)梁高為4.5 m，跨中梁高為3 m。拱上連續(xù)梁共設(shè)置5道橫隔板，在對(duì)應(yīng)支點(diǎn)位置處設(shè)置。拱上連續(xù)梁采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工方法。系桿分臨時(shí)系桿及永久系桿，是該橋的重要受力結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線。臨時(shí)、永久系桿均為體外預(yù)應(yīng)力形式，臨時(shí)索采用直索布置，永久系桿部分在梁端做平彎處理，在拱肋端部錨固。采用轉(zhuǎn)體法施工。通車后的跨滬高速公路自錨上承式混凝土轉(zhuǎn)體拱橋見圖1。

圖1 跨滬杭高速公路自錨上承式混凝土轉(zhuǎn)體拱橋

2010年5月18日，跨滬杭高速公路160 m特大橋自錨上承式拱橋順利合龍，創(chuàng)下3項(xiàng)世界第一:高速鐵路自錨上承式拱橋世界第一跨;軟土地基上第一座跨度達(dá)160 m的自錨上承式拱橋;單邊轉(zhuǎn)體質(zhì)量達(dá)16 800 t，為世界同類橋梁之最。其次，該橋主跨跨度達(dá)160 m，拱肋矢跨比為1/6，整個(gè)結(jié)構(gòu)給人以輕盈、通透之感，這在高速鐵路橋梁中是較少見的，該橋的轉(zhuǎn)體過程如圖2所示。

圖2 滬杭高速鐵路跨滬杭高速公路88 m+160 m+88 m自錨上承式系桿拱橋轉(zhuǎn)體施工

該橋在設(shè)計(jì)階段始終運(yùn)用安全、適用、經(jīng)濟(jì)美觀的設(shè)計(jì)理念，經(jīng)過多種方案的比選，才最終確定此方案。安全性由設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造保證;適用性體現(xiàn)在，由于采用轉(zhuǎn)體施工，使得新建橋梁對(duì)既有滬杭高速公路的影響降至最小，同時(shí)在軟土地基建造拱橋，采用自錨上承式系桿體系可以完美解決拱腳水平推力難以克服的問題，因此這種體系是適用于軟土地基的;經(jīng)濟(jì)美觀性可由拱結(jié)構(gòu)的普遍特性來闡述，首先，拱結(jié)構(gòu)以受壓為主，可以充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，同樣跨度的橋梁，拱結(jié)構(gòu)通常比連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)節(jié)約材料，其次，拱結(jié)構(gòu)與生俱來的曲線外形是傳統(tǒng)審美標(biāo)準(zhǔn)下美的典型。

在具備先進(jìn)設(shè)計(jì)理念的同時(shí)，本工程在技術(shù)層面上的創(chuàng)新更加突出。本工程主橋設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)、拱肋、梁固結(jié)體系，采用支架現(xiàn)澆、轉(zhuǎn)體就位的施工方法。為了實(shí)現(xiàn)這樣的施工工藝，需要解決幾大技術(shù)難題:首先，球鉸的制作與安裝精度要求非常高，這直接關(guān)系到能否轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，實(shí)際操作中，通過對(duì)工廠制作把關(guān)以及現(xiàn)場(chǎng)安裝的嚴(yán)格要求，來確保球鉸的精確安裝定位，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體系的構(gòu)造如圖3所示;其次是施工過程中的穩(wěn)定性控制，如此大跨度的懸臂結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性非常重要，稍有不慎就會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的后果，實(shí)際轉(zhuǎn)體過程中，轉(zhuǎn)體的速度是受到控制的，既要保證連續(xù)性，又要保證平穩(wěn);再者是施工控制較復(fù)雜，由于經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，使得施工全過程仿真分析的影響因素種類繁多，難以把握，體現(xiàn)在預(yù)拱度的設(shè)置和應(yīng)力、變形控制上，同時(shí)，合龍前的高程調(diào)整也是難點(diǎn)。最后沉降徐變變形觀測(cè)和控制復(fù)雜，對(duì)于無類似工程實(shí)踐先例的大跨轉(zhuǎn)體橋，從基坑施工開始公司走專家治理路線，論證重大施工方案，明確基礎(chǔ)沉降梁體變形觀測(cè)方案，加密觀測(cè)點(diǎn)，在每次體系轉(zhuǎn)換到位后加密觀測(cè)頻次，在經(jīng)專家論證分析綜合設(shè)計(jì)意見，采用預(yù)留徐變值等措施后進(jìn)行無砟軌道施工。最終，在克服重重困難之后，本橋順利實(shí)現(xiàn)合龍，目前已投入使用。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)體系構(gòu)造圖及有限元模型(單位:cm)

在取得技術(shù)突破的同時(shí)，相關(guān)技術(shù)在理論上也得到了深化。通過對(duì)本項(xiàng)目幾類技術(shù)難題的科研攻關(guān)，取得了一些理論成果，如運(yùn)用拉壓桿模型對(duì)本工程承臺(tái)的配筋進(jìn)行論證，結(jié)果是滿足要求的，并對(duì)今后此類構(gòu)件的設(shè)計(jì)提出建議;同時(shí)運(yùn)用有限元軟件Ansys和Midas，考慮結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，研究了收縮徐變對(duì)橋梁成橋狀態(tài)及長(zhǎng)期使用性能的影響，對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的存放時(shí)間及分段澆筑劃分和順序提出建議;運(yùn)用有限元軟件Ansys對(duì)球鉸的受力進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不用摩擦系數(shù)下的啟轉(zhuǎn)力及球鉸內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，并與實(shí)際操作中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)啟轉(zhuǎn)力的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際較接近，驗(yàn)證當(dāng)前摩擦系數(shù)的取值是合理的，同時(shí)說明數(shù)值模擬具有實(shí)際意義。

本工程的建成借鑒了眾多以往成功經(jīng)驗(yàn)［1～4］，同時(shí)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的技術(shù)攻關(guān)與理論深化，在設(shè)計(jì)方法與施工經(jīng)驗(yàn)上都取得了重大突破。在我國(guó)大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大背景下，采用轉(zhuǎn)體施工工藝建設(shè)跨既有公路和鐵路的橋梁成為一種趨勢(shì)，本項(xiàng)目建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)必將為今后同類橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供寶貴的參考資料。

3 橫潦涇大橋快速施工與技術(shù)創(chuàng)新

跨橫潦涇連續(xù)梁橋位于上海市松江區(qū)，全長(zhǎng)420 m，設(shè)計(jì)為(75+135+135+75)m的4跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁，以62°交角斜跨橫潦涇。根據(jù)總體安排，要求該連續(xù)梁橋在2010年4月30日完工，施工工期10.5個(gè)月，為滬杭高速鐵路4大控制性工程之一，若采用常規(guī)施工方法，項(xiàng)目將推遲2.5個(gè)月，不能滿足工期要求。連續(xù)梁橋共5墩4跨，其中3個(gè)主墩為深水墩，水中墩是總工期控制的重點(diǎn)，為確保工期實(shí)現(xiàn)，要求根據(jù)3個(gè)主墩的結(jié)構(gòu)情況及施工環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備、人員等資源情況，打破常規(guī)，研究鉆孔樁、承臺(tái)、墩身、連續(xù)梁的各主要工序的快速施工法，使工期能按期實(shí)現(xiàn)(圖4)。

圖4 跨橫潦涇連續(xù)梁橋

該橋通過對(duì)鋼板樁圍堰內(nèi)支撐布置方法［5］，墩身施工勁性骨架結(jié)構(gòu)，0號(hào)塊拼裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)及滑移工藝等技術(shù)攻關(guān)，創(chuàng)造了圍堰與鉆孔樁同步施工方法;承臺(tái)、墩柱及墩帽同步施工方法;基礎(chǔ)與連續(xù)梁0號(hào)塊同步施工方法;0號(hào)塊29 m超長(zhǎng)大節(jié)段現(xiàn)澆、梁部大節(jié)段掛籃懸臂澆筑施工技術(shù);鋼板樁圍檁支撐自下而上施工、過江混凝土水下長(zhǎng)距離泵送等等。橫潦涇橋有限元計(jì)算模型見圖5。

圖5 橫潦涇橋有限元計(jì)算模型

本工程在快速施工方面有以下幾點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新。

3.1 圍堰與鉆孔樁同步施工方法

常規(guī)施工應(yīng)是在鉆孔樁完成后開始鋼板樁圍堰的插打工作，為先后的工序順序，本項(xiàng)目在鉆孔樁成樁近一半時(shí)，即開始插打圍堰鋼板樁，當(dāng)鉆孔樁完成時(shí)，圍堰鋼板樁已插打完成4/5，鉆孔平臺(tái)拆除的同時(shí)，圍堰順利合龍，通過將兩工序的流水作業(yè)改為平行作業(yè)，節(jié)省施工時(shí)間約25 d。

3.2 承臺(tái)、墩柱及墩帽同步施工方法

一般承臺(tái)施工完后，混凝土養(yǎng)護(hù)及接觸面鑿毛，再安裝墩身鋼筋、模板，澆筑墩身混凝土，而本項(xiàng)目的主墩墩柱、墩帽鋼筋在場(chǎng)地勁性骨架及綁扎胎模上預(yù)綁扎，承臺(tái)底層鋼筋綁扎完畢后安裝墩柱勁性骨架底座，承臺(tái)頂層鋼筋綁扎完畢后吊裝墩柱鋼筋籠，定位并固定牢固后綁扎墩座鋼筋，安裝墩柱模板支撐在勁性骨架底座上，調(diào)整就位后澆筑承臺(tái)、墩座及墩柱連體混凝土;墩帽鋼筋整體吊裝至墩柱頂支承骨架上，剩余鋼筋及預(yù)應(yīng)力孔道安裝，調(diào)整就位后澆筑墩帽混凝土;節(jié)省了兩次等待養(yǎng)護(hù)和鑿毛、安裝鋼筋模板的時(shí)間，結(jié)構(gòu)的整體性更好。圖6為該橋墩身、墩帽整體吊裝施工場(chǎng)景。

圖6 墩身、墩帽鋼筋整體吊裝

3.3 水下布置鋼板樁圍堰的內(nèi)支撐

鋼板樁圍堰的內(nèi)支撐一般是由上向下逐層布置，而且是在墩位散拼，同時(shí)由于121號(hào)墩圍堰內(nèi)施工時(shí)最大抽水深度達(dá)22 m，根據(jù)圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算，即先抽水后下支撐方案，需在圍堰內(nèi)先填4 076 m3的8 m厚砂層，以抵抗外側(cè)土壓力和水壓力，再逐層抽水并布置支撐。公司組織項(xiàng)目部多方反復(fù)論證，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，獨(dú)創(chuàng)了在水中下放內(nèi)支撐和潛水員水下抄墊的方案，即由常規(guī)的自上而下，改為先下后上下放內(nèi)支撐，大大縮短了圍堰施工時(shí)間。

3.4 基礎(chǔ)與連續(xù)梁0號(hào)塊同步施工方法

當(dāng)圍堰內(nèi)進(jìn)行吸泥作業(yè)時(shí)，在圍堰上游側(cè)面布置連續(xù)梁0號(hào)塊鋼結(jié)構(gòu)拼裝平臺(tái)，提前1個(gè)月安裝0號(hào)塊模板和鋼筋;墩帽施工完成后，水平整體滑移0號(hào)塊的模板、鋼筋至墩帽頂，調(diào)整后即澆筑0號(hào)塊混凝土，每個(gè)環(huán)節(jié)都順利有效銜接且受控。一般而言，29 m長(zhǎng)的0號(hào)塊施工一般需要50 d，而最快的120號(hào)墩自墩帽完成后12 d，即開始澆筑0號(hào)塊混凝土。圖7為121號(hào)墩0號(hào)塊拼裝平臺(tái)滑移照片。

3.5 加大懸澆段長(zhǎng)度，縮減懸澆段數(shù)量

圖7 121號(hào)墩0號(hào)塊拼裝平臺(tái)及滑移照片

當(dāng)連續(xù)梁的塊段懸澆周期一定時(shí)，懸澆次數(shù)決定了懸澆時(shí)間。施工中通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，將0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)度由原來的19 m調(diào)整為29 m，懸澆節(jié)段采用4 m、4.5 m、5 m的超長(zhǎng)節(jié)段，由原先的17塊段調(diào)整為11塊段，并增加了懸澆段混凝土的保溫、增溫等措施。實(shí)際每個(gè)塊段平均施工周期控制在8 d，通過此項(xiàng)措施，減少了6個(gè)懸澆周期，節(jié)省工期48 d，且施工質(zhì)量?jī)?yōu)良。圖8為連續(xù)梁懸澆分塊調(diào)整示意。

圖8 連續(xù)梁懸澆分塊調(diào)整示意(單位:cm)

3.6 水中墩混凝土采用水下管束輸送方案

從岸上無棧橋直通水中墩，基礎(chǔ)至上部結(jié)構(gòu)的混凝土供應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重問題，受條件限制又不能用空中泵管或船只運(yùn)送。施工中采用水下管束輸送方案，通過8根100 m長(zhǎng)的“U”形水下過江管道泵送，解決了11 m深水中的泵管架結(jié)構(gòu)及密封處理、100 m長(zhǎng)管道整體吊裝入水、預(yù)防泵送堵管、8根水下管道輸送18 000 m3混凝土問題，達(dá)到了水中墩混凝土澆筑與岸上泵送無差別，成為最便捷、最安全、最省時(shí)的混凝土輸送通道。如圖9所示。

圖9 北岸棧橋至121號(hào)墩水下混凝土輸送管道布置方案(單位:cm)

4 結(jié)語(yǔ)

滬杭高速鐵路于2009年4月開工建設(shè)，2010年9月1日動(dòng)檢車上線聯(lián)調(diào)聯(lián)試，9月3日最高試驗(yàn)速度達(dá)到350 km/h，9月23日完成聯(lián)調(diào)聯(lián)試，9月24日開始試運(yùn)營(yíng)，10月26日正式開通運(yùn)營(yíng)，用18個(gè)月的時(shí)間，創(chuàng)造了世界高速鐵路建設(shè)新速度，聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間列車試驗(yàn)運(yùn)行最高時(shí)速416.6 km，刷新了世界鐵路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)速度的新紀(jì)錄。

滬杭高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)具有3個(gè)明顯的特點(diǎn):(1)施工工期緊。根據(jù)本項(xiàng)目施組安排，土建施工時(shí)間不足12個(gè)月。如此緊張的周期，必然需要科學(xué)組織，對(duì)設(shè)計(jì)施工中預(yù)期難題提前進(jìn)行科研攻關(guān)。(2)列車時(shí)速快。大部分的正線速度目標(biāo)值均為350 km/h，這樣的高速對(duì)列車走行的平順性提出了更高要求，要嚴(yán)格控制橋梁的長(zhǎng)期變形。(3)橋梁跨度大。滬杭線主跨超過100 m的橋梁數(shù)量較多，最大跨度達(dá)160 m，這在已經(jīng)建成的高速鐵路橋梁中屬于較大跨徑，對(duì)其在運(yùn)營(yíng)期間可能出現(xiàn)的病害，需要采取合理的設(shè)計(jì)施工措施予以應(yīng)對(duì)。因此，除了上述2座特大型橋梁，滬杭高速鐵路沿線橋梁還采取了很多創(chuàng)新技術(shù)。例如跨地鐵板梁結(jié)構(gòu)，滬杭高速鐵路七寶線路所至松江特大橋橋頭之間以約87°角度與地鐵9號(hào)線(九亭站至中春路站間)交叉，長(zhǎng)度30 m，里程為DK3+781.4～DK3+811.4，設(shè)計(jì)為無砟軌道路基，兩側(cè)各設(shè)25 m過渡段，共跨越3條地鐵隧道結(jié)構(gòu)，跨越形式為板梁結(jié)構(gòu)(16根鉆孔樁+4道托梁+4片托板)。還有冬季施工采取的自行移動(dòng)式全封閉帶保溫棚掛籃技術(shù)，鋼纖維混凝土的防裂防收縮技術(shù)，超長(zhǎng)0號(hào)塊施工技術(shù)等。

滬杭高速鐵路能夠安全、快速、高標(biāo)準(zhǔn)地建設(shè)成功，離不開橋梁的技術(shù)創(chuàng)新。技術(shù)創(chuàng)新也保證了滬杭高速鐵路的建設(shè)質(zhì)量，這些創(chuàng)新技術(shù)也為今后高速鐵路橋梁建設(shè)提供借鑒。

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