艱險峽谷山區高墩橋梁混凝土運輸方法研究

張振興

(中鐵三局集團有限公司， 太原 030001)

艱險峽谷山區高墩橋梁混凝土運輸方法研究

張振興

(中鐵三局集團有限公司， 太原 030001)

新建西安至平涼鐵路田家窯2號大橋是目前國內鐵路四線橋梁中最大跨度的單T剛構橋，其跨度在亞洲地區的鐵路四線橋梁中也居首位。為解決該橋C55聚丙烯纖維混凝土運距較遠、運輸中安全風險大、極易堵塞泵管等難點，確保混凝土的澆筑質量，根據艱險峽谷山區的地形條件及高墩橋梁懸臂澆筑的施工特點，對混凝土運輸方案比選、永臨結合施工棧橋設計、豎向支撐點布置、桁架結構制作、棧橋架設等關鍵技術進行了研究。在西安端橋臺溝壁與0號塊的接觸網支架平臺上搭設施工棧橋，桁架構件選擇無縫鋼管，創新使用了釣魚法吊裝桁架梁，實現了位于峽谷山區高墩橋梁混凝土水平泵送的目的，縮短了混凝土運輸時間及澆筑時間，增加了可靠性，提升了泵送混凝土質量。

峽谷； 高墩； 混凝土； 運輸； 棧橋； 永臨結合

1 工程概況

1.1 工程設計概況

新建西安至平涼鐵路田家窯2號大橋，位于陜西省咸陽市永壽縣田家窯村東，為跨越黃土沖溝而設。溝深90 m，溝谷狹窄，岸坡高陡，自然剝蝕嚴重，錯落、黃土陷穴等不良地質發育，工程地質條件較復雜。溝內灌木、雜草叢生，陡坎上黃土裸露。平涼側溝岸自然坡度超過70°，西安側溝岸最大自然坡度達60°，溝岸自然坡角遠大于其岸坡最終穩定角(一般為30°)，溝谷岸坡處于欠穩定狀態。

橋梁全長237.3 m，孔跨布置為4-(2×108 m)單T剛構曲線橋，平面曲線半徑 1 200 m。設一墩兩臺，1#主墩高為68 m(含11.5 m梁高)，墩身為雙薄壁墩，薄壁長22.1 m，壁厚2 m，凈間距9 m，梁為4線2×108 m預應力混凝土T型剛構，橋梁整體示意圖如圖1所示。兩幅雙線橋并列設置，基礎共用。上部結構采用單箱單室、變高度、變截面預應力混凝土箱梁，梁段按施工順序共劃分為41個，有9種不同長度的節段，采用掛籃施工的最重梁段重約235 t。

圖1 橋梁整體示意圖

1.2 總體施工技術

鉆孔灌注樁采用旋挖鉆機成孔；利用定型鋼模板采用翻模法施工薄壁墩，墩間的橫向連接及橫梁采用滿堂支架法施工；在主墩兩側及中間施工臨時托架，墩身內預埋工字鋼作為支撐，0號段左右幅分4次澆筑，利用墩身、掛籃鋼模現澆施工0號梁段(左右幅同時施工)；懸臂段施工采用掛籃施工，兩幅橋并列同時進行；現澆段梁體按曲線設置施工，一次成型；支架系統澆筑時采用落地支架，強度達到拆模要求后，采用臨時支撐。

2 艱險峽谷山區高墩橋梁混凝土水平泵送運輸方法設計

2.1 峽谷山區垂直泵送運輸問題

雙薄壁墩和墩梁錨固區0號塊施工時，混凝土運輸經田家窯1號大橋繞行的便道至90 m深的黃土沖溝底，然后在溝底設置2臺地泵，經雙幅橋之間的雙薄壁墩內垂直泵送至澆筑部位進行施工。雙薄壁墩和0號段C55聚丙烯纖維混凝土垂直泵送過程中，易出現以下影響混凝土澆筑速度，施工外觀質量難以保證的問題：

(1)0號段施工過程中，泵送高程達到最大值，對混凝土入泵的性能要求極高，混凝土拌合物的塌落度損失較大且不易控制，進而造成混凝土在泵送過程中極易堵塞泵管。

(2)施工現場配置兩臺混凝土輸送泵，混凝土垂直泵送施工達不到兩端同時進行施工的要求。

(3)在進行梁體混凝土施工時，如果在溝底進行混凝土垂直泵送施工，由于運輸便道繞行且便道坡度大，混凝土澆筑施工受到天氣條件的制約。

(4)混凝土垂直+水平長度均較大的泵送過程中，極易造成泵送管堵塞，且檢修危險、緩慢，勢必會延長施工工期，甚至會給必須連續灌注混凝土的箱梁帶來極大的質量風險。

2.2 懸臂段混凝土運輸方案

(1)方案一：采用混凝土垂直泵送方式，但泵送設備重新購進或者租賃更大功率的混凝土輸送泵。擬采用三一重工HBT90CH-2135D超高壓混凝土輸送泵，該泵額定最大的輸送壓力為35 MPa，滿足懸臂最大泵送形成的壓力損失需求。

(2)方案二：根據現有地泵的泵送能力，懸臂梁1號～9號段采用現有的地泵進行垂直泵送施工混凝土澆筑，10號～19號懸臂梁段在兩側黃土邊坡上設置混凝土汽車泵(臂長48 m)進行混凝土澆筑施工。

(3)方案三：結合田家窯2號大橋特殊的地理位置，在西安端橋臺沖溝壁與0號段梁體上搭設施工棧橋，利用蒿店站進場道路作為混凝土運輸便道，在田家窯2號大橋的西安端橋臺后設置既有混凝土輸送泵泵送混凝土，改變剛構梁懸臂段混凝土運輸的方式為水平運輸。

結合峽谷山區垂直泵送運輸混凝土所出現的問題，將運輸方案對剛構梁體施工質量影響、成本影響和工期目標影響作為方案比選的主要條件，比選結果見表1和表2。

表1 混凝土運輸方案可行和施工風險對比

表2 混凝土運輸方案成本和懸臂施工工期影響對比(成本按施工18月計)

經過3個方案各方面指標對比，最終確定方案三為最佳混凝土運輸方案，即采取永臨結合施工棧橋實現混凝土水平運輸施工方案是最經濟合理、可行性高、風險低、科學合理，且縮短懸臂施工工期的方案。

3 跨深谷棧橋設計

3.1 結構設計

(1)施工棧橋整體布置

施工棧橋采用鋼管焊接成桁架作為棧橋的主梁，泵管和行人通道設置在桁架內部，保證了棧橋的受力均勻和行走安全。整個施工棧橋為三跨連續梁結構，設置4個豎向支撐點和1個橫向約束支點。第一個支撐點設置在田家窯2號大橋刷方邊坡的臺階上，第二個支撐點設置在田家窯2號大橋西安端橋臺前的沖溝壁上，在田家窯2號大橋1號墩正上方0號塊梁面上設置懸挑支架作為第三個主要支撐，第四個支撐點設置在0號塊箱梁中部的接觸網支架平臺上,如圖2和圖3所示。

圖2 施工棧橋平面布置圖

圖3 施工棧橋立面布置圖(m)

(2)主桁結構

桁架主材采用無縫鋼管焊接，橫斷面采用三角形結構，三角形高2.2 m，底寬1.5 m(弦桿中心之間尺寸)，延縱向每1.8 m設置一根上弦桿與下弦桿之間的連接豎桿。桁架上弦桿采用型號為114-5的無縫鋼管，兩根下弦桿采用型號為89-5的無縫鋼管，上弦桿與下弦桿之間的連接豎桿采用型號為48-4的有縫鋼管，上弦桿與下弦桿之間的連接斜桿采用型號為70-5的無縫鋼管，兩根下弦桿之間的連接橫桿采用型號為80的槽鋼。

3.2 計算分析

(1) 恒荷載

腳踏板：按木板4 cm厚考慮，則連接橫桿上承受的腳踏板線荷載為1.2×6×0.04×0.9=0.259 2 kN/m(連接橫桿間距0.9 m)。

安全網：重量1.2×0.01×2.2×2=0.052 8 kN/m，作用于上弦桿。

(2) 活荷載

泵送過程混凝土荷載按集中力作用于連接橫桿上，集中荷載為0.9×1.4×(0.32×0.9+0.319×0.9)=0.724 6 kN。

風荷載計算依據TB 1002.1-2005《鐵路橋涵設計規范》：按最大風速28 m/s計算基本風W0=28×28/1.6=490 Pa，

K1=0.8，K2=1.42，K3=1.30，標準風壓Wf=0.8×1.42×1.30×0.49=0.723 632 kPa。按桁架結構的受力面積需乘以0.4系數，由于該桁架結構兩側掛安全網，增大迎風面積，系數按0.6考慮，風壓作用于上、下弦桿上，單根所受線荷載為0.9×1.4×0.723 632×2.2×0.6/2=0.6 kN/m。

(3) 主要計算結果

纜風繩設置于兩支墩跨中，在風力作用下，僅考慮單側作用，計算結果如表3所示。

表3 強度及穩定性計算結果(MPa)

經計算主桁受力不滿足要求，需對結構進行優化設計。

3.3 深化設計

(1) 鋼支撐墩優化(第二支點)

為了減小主跨跨度，根據其現場位置條件，對其結構形式的四個柱側增設牛腿；在西安端橋臺方向的支撐鋼墩高度為7 m，采用鋼筋混凝土挖孔樁承臺基礎，鋼墩在線路方向焊接7.2 m的牛腿，以減小鋼桁架的跨度。牛腿和牛腿下方斜撐采用40a工字鋼焊接，兩牛腿之間采用14a槽鋼連接。在牛腿上方外側每0.5 m焊接一根長度為0.3 m的75角鋼，角鋼呈45°角度，以有利于桁架吊裝時就位。桁架架設好以后，在桁架下弦兩桿內側焊接80槽鋼，槽鋼延線路方向呈“]”焊接，以保證桁架橫向不能移動，如圖4所示。

圖4 鋼支撐墩構造圖(mm)

(2) 優化后計算結果

跨度減小后，主桁架的優化計算結果，如表4所示。

表4 強度及穩定性計算結果(MPa)

優化后的計算結果基本可滿足施工臨時結構的要求。

4 施工技術方案及安全技術措施

4.1 棧橋制作

(1) 泵管桁架焊接

桁架焊接時由于受焊接場地限制，桁架總長為72.5 m分成兩段焊接。第一段50 m，第二段22.5 m，兩段連接接頭處上弦、下弦桿斷開點錯開距離不小于3.6 m。在下弦桿兩設置φ16定位鋼筋。設置腳手架支撐固定并焊接上弦桿。

(2) 鋼支墩焊接

西安臺方向的鋼支撐墩柱支撐為40a工字鋼，格構綴材為14a槽鋼。焊接時先將延線路方向的兩根主支撐工字鋼柱焊接為一個榀，鋼支撐墩焊接分為兩榀直接在場地內焊接。

4.2 棧橋吊裝

桁架吊裝前，用全站儀放樣處桁架兩端端部位置線。桁架吊裝時采用釣魚法的思路，即用25 t吊車在2號橋右側臺臺前硬化場地內起吊第一段長度為50 m的桁架，起吊桁架離地1～2 m后將桁架向1號墩方向移動3～4 m，然后將起吊點后移3～4 m再次起吊向1號墩方向移動。

4.3 混凝土泵送

混凝土泵送采用1臺HTB-80地泵泵送，地泵設置在田家窯2號大橋西安端橋臺后路橋過渡段上。泵管沿施工棧橋上箱梁面后采用三通泵管進行分流，根據彎管、直管和軟泵管對混凝土泵送、力摩擦阻力不同進行懸臂梁兩端流量的調節，以達到兩端同步澆筑。

4.4 安全技術措施

施工過程中，為限制棧橋的橫向位移及豎向變形，在3號段梁體前端50 cm處設置1根40工字鋼懸挑住桁架，工字鋼后端于梁體預埋2根φ32精軋螺紋鋼筋錨固。此舉減小桁架中間跨度10.4 m，從而減小原支點處局部桿件的應力。

5 應用效果分析

田家窯2號大橋在溝壁與0號塊之間搭設施工棧橋，實現混凝土水平泵送，因運輸路線由3 km縮短為500 m，混凝土運輸時間縮短，運輸成本降低。由于改變了混凝土輸送方式，縮短了灌注時間，增加了可靠性，降低了風險。施工棧橋作為人工上、下橋的施工通道，間接增加工人橋面作業時間，提高每班作業工效。

6 結束語

基于永臨結合的思路，針對艱險峽谷山區大跨度高墩橋梁：

(1)設計了施工棧橋，在其上架設混凝土泵管，實現梁體混凝土水平運輸的目的，解決了梁體混凝土運輸受天氣、施工艱險環境的限制造成的難題，確保了梁體混凝土施工質量。

(2)提供一種用于減小鋼桁架跨度的鋼支撐墩結構，根據其現場位置條件，對其結構形式的四個柱側增設牛腿，鋼墩在線路方向焊接7.2 m的牛腿，以減小鋼桁架的跨度。

(3)桁架架設中創新使用了釣魚法吊裝架設，即由于塔吊前段起吊重量限制，采用塔吊在前端牽引，25 t吊車在后端主要掛重吊裝安裝。

以上實踐證明，針對本橋采用的施工方法切合實際、安全有效，可為類似工程提供較好的借鑒。

[1] 米俊峰.黃河峽谷中百米高墩施工技術[J].國防交通工程與技術,2011,9(3):64-67. MI Junfeng. Techniques for the Construction of the One-Hundred-Metre-Tall Piers in the Yellow River Gorge [J]. Traffic Engineering and Technology for National Defence, 2011,9(3):64-67.

[2] 李瑞俊.C55聚丙烯纖維高性能混凝土在鐵路橋梁主體結構中的應用技術研究[J].高速鐵路技術,2015,6(3):29-35. LI Ruijun. Applied Research on C55 Polypropylene Fiber Reinforced High Performance Concrete in Railway Bridge[J]. High Speed Railway Technolocy,2015,6(3):29-35.

[3] 易達,胡國偉.大跨度單T剛構四線鐵路橋0號段施工技術研究[J].鐵道工程學報, 2013,7(7):47-52. YI Da,HUO Guowei. Research on Construction Technology for Original Section of Large Span Single T Rigid Frame Four-track Bridge [J]. Journal Of Railway Engineering Society, 2013,7(7):47-52.

[4] 馬保林.高墩大跨度連續剛構橋[M].北京：人民交通出版社，2001. MA Baolin. Long-span Continuous Rigid Frame Bridge with High Pier[M].Beijing: China Communications Press, 2001.

[5] TB10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規范[S]. TB10002.1-2005 Fundamental Code for Design on Railway Bridge and Culvert[S].

[6] 項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2001. XIANG Haifan. Advanced Theory of Bridge Structures [M].Beijing: China Communications Press, 2001.

[7] 聶利英,李江飛.山區峽谷橋梁抗風設計基準風速取值與風荷載計算[J].江南大學學報(自然科學版), 2014,13(3):324-327. NIW Liying,LI Jiangfei. Design of the Wind Speed and Static Wind Load of the Bridge in Mountainous Areas [J].Journal of Jiangnan University (Natural Science Edition), 2014,13(3):324-327.

[8] 湯新泉.大跨度三角錐立體鋼管桁架的制作與安裝[J].結構施工, 2014,36(11):1237-1239. TANG Xinquan. Fabrication and Installation of Long-Span Standard Pyramid Steel Pipe Truss [J]. Building Construction, 2014,36(11):1237-1239.

Research on Concrete Transportation for the High-Pier Bridge in Difficult Canyon Mountainous Areas

ZHANG zhenxing

(China Railway No.3 Engineering Group Co. Ltd., Taiyuan 030001, China)

The Tianjiayao No.2 Bridge with four-track of new Xi’an-Pingliang railway is a single T rigid frame bridge with the largest span in China, and the span is ranked first of four-track railway bridges in Asia . In order to solve the problems of C55 polypropylene fiber concrete such as long distance transportation, big safety risk in transportation, block in the pipe of concrete pump, and to ensure the quality of concrete construction, according to topographic conditions in difficult canyon mountainous areas and construction characteristics of cantilever casting for the high-pier bridge, the research was done on the key construction technologies like concrete transportation scheme comparison, the design of construction trestle based on permanent and temporary idea, arrangement of vertical supporting points, manufacturing of truss structure, erection of trestle. The trestle is built on the platform between gully cliff in Xi’an end abutment and the support of OCS. Seamless steel tubes are chosen as the truss components , and the innovation application of fishing method is used to erect truss, which makes that the purpose of level pumping concrete for the high-pier bridge in difficult canyon mountainous areas is realized. It shortens the time of concrete transportation and casting, increases the reliability, and improves the quality of pumping concrete.

canyon; high-pier; concrete; transportation; trestle; permanent and temporary ideas

2016-03-10

張振興(1964-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)03—0049—05

U443.22

A