高鐵架橋機橋上整體調頭關鍵技術及應用研究

路 斐,張耀輝,2,魏岳峰

(1.石家莊鐵道大學,石家莊 050043； 2.河北省交通應急保障工程技術研究中心,石家莊 050043)

引言

鐵路交通基礎設施建設中,橋梁施工往往是整個建設項目的關鍵控制工程。尤其是我國的高鐵橋梁,其在整個建設線路中所占的比例很大,目前建成和在建的高速鐵路橋梁總長平均占線路長度的50%以上,有時一個施工標段中,橋梁比例甚至達到80%以上。大型架橋機已經成為橋梁架設的關鍵裝備,但是由于工程施工單位的施工計劃安排、工期的限制、施工作業場地的限制、施工過程中的交叉作業以及征地拆遷障礙等因素的影響,往往需要架橋機適時調頭,進行雙向架梁作業的工況。然而對于架橋機這種幾百噸重的超大型裝備來說,其在橋上進行調頭較困難,會受到許多因素的影響。主要針對高鐵架橋機在橋上進行高空整體調頭的實施方案、所需回轉機構及應用關鍵技術等問題,通過應用實例將這一新技術進行詳細闡述,為工程施工單位解決這一難題提供技術幫助與參考。

1 架橋機調頭作業方式分析

根據鐵路架橋機的結構形式、施工現場條件等不同因素,架橋機調頭作業方式可分為以下幾種。

(1)架橋機部分解體調頭方式

此種調頭方式是最為“原始”的一種調頭方式,其基本調頭作業流程：根據架橋機的具體結構形式和起重機具的現場適應能力,將架橋機分解成幾個部分→利用汽車吊或借助跨線提梁機等起重設備將架橋機解體后的部分分別調轉180°→將調轉后的各個部分按照前后順序重新組裝,實現架橋機的反向調頭。

此種調頭方式的優點：一是不需要占用較大的場地及對梁場運梁便道不作要求；二是作業場地的選擇相對靈活。缺點：一是架橋機拆解再組裝作業耗時較長且工作量大；二是需大型輔助吊裝機具進行配合；三是架橋機的調頭成本很高。

(2)預制梁場自行調頭方式

適用此種調頭方式的架橋機一般為采用輪胎式大車走行機構的架橋機。其現場適用條件包括：橋梁一側設置預制梁場,且梁場的空間足夠大,有能適應整個架橋機長度回轉的無障礙場地；梁場有通向橋面的運梁施工便道。其調頭作業流程包括：架橋機從橋上沿運梁通道退回至梁場→在梁場專用場地上通過架橋機輪胎式走行機構的多次轉向調頭180°→架橋機反向沿梁場另一側的運梁通道駛上橋面。

此種調頭方式的優點：一是架橋機調頭過程簡單；二是調頭作業時間短；三是不需任何輔助吊裝機具。缺點：一是必須具備梁場和運梁通道等現場條件；二是梁場自行調頭所占空間比較大,增加了梁場征地及地面處理成本；三是僅限具有輪胎式大車走行機構的架橋機。

(3)輪胎式運梁車馱運架橋機梁場調頭方式

此種調頭方式對架橋機的形式限制較少,只要在橋上能夠實現運梁車的馱運即可。其現場適用條件同預制梁場自行調頭方式一樣。其調頭作業流程包括[1-4]：運梁車在橋上將架橋機整體背負馱起→運梁車馱著架橋機從橋上沿運梁通道退回至梁場→在梁場專用場地上通過運梁車輪胎走行機構的多次轉向調頭180°→運梁車馱著架橋機反向沿梁場另一側的運梁通道駛上橋面→在待架孔后的梁面上將架橋機卸下就位。

此種調頭方式的優點：一是適合于長距離架橋機轉場工況；二是不需大型輔助吊裝機具；三是對架橋機的形式限制較少,但是多用于架橋機自身不具有轉向功能的架橋機。其缺點：一是必須具備梁場和運梁通道等現場條件；二是運梁車橋上馱運準備工作和橋上卸落工作較長,而且有時架橋機還需進行部分的拆解作業；三是梁場所占空間比較大,增加了梁場征地及地面處理成本。

(4)架橋機橋上整體調頭方式[5-8]

此種調頭方式是本文重點介紹的當前較為先進的一種新式調頭方法,其原理類似于橋梁的轉體施工。其作業流程：根據具體的架橋機形式設計加工架橋機的回轉支撐機構→在橋上選擇合適的安裝位置進行回轉支撐機構的安裝→安裝架橋機的臨時支撐結構并安裝相應的反力傳感器裝置→通過計算初步確定架橋機起重天車的平衡調節位置,并通過反力傳感器裝置的反應數值來進一步調整,確保整機的重心位于回轉中心的安全范圍內→啟動回轉機構進行架橋機橋上整體調轉180°→拆除回轉支撐機構,恢復架橋機至正常狀態。

此種調頭方式的優點：一是無需梁場及運梁通道等設施,現場環境適應性高；二是無需大型輔助吊裝機具進行配合作業；三是調頭作業用時短且工作量小；四是調頭回轉機構可重復利用,綜合下來成本相對較低。其缺點：一是需設計加工回轉支撐機構；二是一次性投入成本相對較高；三是高空作業安全風險相對較高。

針對此種調頭方式,以下通過SPJ900架橋機實例對其關鍵技術進行詳細闡述。

2 SPJ900架橋機橋上整體調頭關鍵技術

2.1 SPJ900架橋機橋上整體調頭實施方案

架橋機的調頭是施工中經常遇到的問題,在方案的優化選擇上需綜合考慮以下幾個方面：調頭方案要具有較高的環境適應性,其目的是減少施工現場條件的諸多限制,便于施工單位具體操作；盡量減少架橋機的拆解作業,降低現場大型起吊設備的應用環節；調頭速度要快,有利于滿足工期要求和降低成本；具有可靠的安全保障措施。

SPJ900架橋機是石家莊鐵道大學國防交通研究所研發的一款拼裝式高鐵架橋機[9-11],其采用兩跨式的結構形式,如圖1所示。在中鐵十二局徐連高鐵項目中,綜合考慮上述因素,該架橋機采用了橋上整體調頭的施工方案：利用單獨設計的整機回轉機構和架橋機的中車結構連接,并將整個架橋機頂起呈雙懸臂狀態,然后通過回轉機構的驅動電機提供轉體動力,將架橋機整機一次性調頭180°。此方案可適應任何架梁工程現場的環境,不占用任何橋下施工場地,不需要大型起吊裝備的輔助施工,作業人員少且勞動強度低,充分保證了工期要求。

圖1 SPJ900架橋機整機形式(單位： mm)

架橋機橋上整體調頭裝置包括：回轉機構系統、回轉支撐桁架、錨固結構、反力測試裝置等四大部分組成,其中回轉機構系統包括：橋機支撐平臺結構、回轉軸承機構、回轉支撐底座等,詳見圖2和圖3。

圖2 整體調頭裝置布置立面(單位： mm)

圖3 整體調頭裝置布置平面(單位： mm)

架橋機橋上整體調頭裝置安裝在架橋機的中車位置,安裝前先拆除中車走行機構,然后將調頭裝置從下到上依次安裝各個組成部分。如圖4所示。架橋機懸臂支撐在回轉裝置上,通過回轉電機驅動實現整機調頭。

圖4 整機調頭狀態(單位： mm)

2.2 橋上整體調頭技術要點

架橋機橋上整體調頭是一項風險較高的作業施工,從方案的制定到具體的實施工藝環節都要充分考慮各種影響因素,做到設計先進、工藝簡捷、適應性強和安全可靠。

(1)回轉機構系統的設計

回轉機構系統是整個調頭裝置的核心部位,它由上層的橋機支撐平臺結構、中間的三排滾柱式回轉軸承及下層的回轉支撐底座組成?；剞D動力由2臺功率為7.5 kW的YZPEE160L-8型變頻調速制動電機提供,電機通過連接法蘭盤豎直安裝在支撐平臺結構上的固定位置。上層的橋機支撐平臺結構是根據架橋機中車結構的具體形式來設計,既要便于和中車結構可靠連接,又便于和主梁的三角形回轉支撐桁架連接；中間采用三排滾柱式回轉軸承,其能夠同時承受各種載荷,承載能力大且軸及徑向結構牢固；下層的回轉支撐底座上面連接回轉軸承,下面和混凝土梁面進行可靠錨固。見圖2及圖3。

(2)調頭回轉裝置的錨固

回轉支撐底座是調頭回轉裝置的最下層結構,必須將其可靠錨固在橋面上才能抵抗架橋機傾覆力矩。之所以采用混凝土橋面作為錨固點,是考慮到混凝土橋面要比一般的路基路面的承壓強度更高,且可避免在施工過程中因雨水浸泡等情況造成支撐面不均勻下沉的不利影響。在相鄰兩孔梁的梁端接縫處,利用梁體頂板的4個吊裝孔,用架橋機自身的吊梁吊桿作為錨固螺桿，將回轉支撐底座和梁體固定。采用此種錨固方案,既解決了錨固點的設置及施工,又充分節省了錨固螺桿的加工制造成本,整體安全可靠性更高。具體布置形式如圖5所示。

圖5 調頭回轉裝置的錨固布置(單位：mm)

實施前應對梁體的吊裝孔的抗拔力及回轉支撐座下的混凝土局部抗壓強度進行校核。另外,錨固螺桿螺栓擰緊時,需嚴格控制回轉支撐座的水平度,必要時加墊鋼板或鋪沙墊平。

(3)回轉支撐桁架及反力測試裝置的設置

回轉支撐桁架采用倒三角桁架的結構形式,上端兩個鉸點分別和架橋機左右主梁采用螺栓連接,下端鉸點通過銷軸座和支撐平臺結構相連。設置此結構一是作為架橋機的前后平衡支撐點,二是在下鉸點處安裝反力傳感器,測試前后的支撐反力,差別較大時,通過主梁上的起重天車位置來進行調節,確保整機的重心位于回轉中心附近。見圖2及圖3。

(4)整機平衡重心的調整和架橋機結構分析

整個架橋機呈雙懸臂懸空狀態時,其重心位置首先通過計算來確定。通過調整主梁上兩個起重天車的位置,來保證整機的重心位于回轉中心附近,同時還要盡量減小主梁的反向彎矩,確保中間最不利截面處架橋機結構滿足強度要求。經過詳細的優化分析計算,最終確定起重天車的布置方案,如圖6所示。架橋機支點處及其他截面上的桿件強度及穩定性通過詳細計算,均滿足要求；通過實測架橋機兩端撓度及最低位置，與橋面最高障礙物的實際預留距離不小于20 cm,以保證架橋機在平面內無障礙回轉。

圖6 重心調整后的整機狀態(單位： mm)

2.3 調頭作業流程及注意事項

(1)架橋機退至預定的橋上調頭位置,打開前支腿,頂起中車,拆除中車臺車,與此同時,在架橋機中車主梁附近安裝調試整機回轉支承調頭裝置。

(2)利用滑板將架橋機整機回轉支承調頭裝置推至架橋機中車主梁下方,對準中車主梁4個牛腿和整機回轉支撐結構牛腿4個聯接處,緩慢下降架橋機高度,使中車主梁4個牛腿與整機回轉支撐結構牛腿4個聯接處緊密接觸(此時后車和前支腿仍然起到整個架橋機的支承作用),用螺栓聯接牛腿和支撐結構,可在支撐結構上設置擋塊避免主梁牛腿滑動。

(3)使用該機吊桿將回轉底座與橋端縫兩側的箱梁吊孔相連,起到整機回轉支承調頭裝置的錨固作用。

(4)在距架橋機中車主梁位置前后各4 m的內側F6主豎桿上部聯接支撐桁架,支撐桁架下端與稱重裝置相連,稱重裝置中設有壓力傳感器,用于測量整個架橋機重心偏距在橋向支承平臺上構成的偏心荷載。

(5)根據支撐桁架下的稱重壓力傳感器的載荷數值并結合分析計算結果,調整起升桁車位置來調整架橋機重心位置,使支撐桁架的支撐反力在200 kN之內。

(6)上述各步驟完成后,仔細檢查各個位置聯接的可靠性,抬起后車和前支腿,復測稱重壓力傳感器的數值顯示,前后支撐反力差別較大時,重新通過調整起升桁車位置來調整架橋機重心位置。

(7)檢查調頭回轉區域內無障礙后,通過遙控控制平穩啟動回轉驅動裝置,使架橋機緩慢轉動,至180°后,再將架橋機落回橋面上,完成架橋機調頭作業。

架橋機整機回轉調頭狀態如圖7所示。

圖7 整機回轉調頭過程狀態

3 結語

架橋機調頭作業是架梁施工中經常遇到的施工問題,選擇不同的調頭方式會對施工工期、施工成本和安全控制起到不同的影響。本文介紹的由石家莊鐵道大學國防交通研究所設計的橋上整體調頭方案是適應性較強,速度較快且綜合成本較低的一種先進調頭技術。目前,此項技術已經成功用于多個架橋機調頭施工工程,取得了良好的經濟效益。