京張高速鐵路門式墩方案設計優化及施工技術研究

劉志如

（中鐵三局集團有限公司，山西 太原030001）

隨著中國高鐵由“四縱四橫”向“八縱八橫”發展，新建鐵路上跨既有鐵路的交叉工程越來越多、結構形式也日益復雜。設計和施工中應綜合考慮地理條件、鐵路限界、橋梁結構、運營安全等因素，制訂最佳技術方案，減少對既有線行車安全的影響[1-3]。目前跨越方案通常有兩種，即采用大跨連續梁跨越既有線和采用門式墩結構與既有鐵路交角較小跨越。門式墩因具有結構形式簡單、施工周期短、投資低等優點，且上部結構可采用標準梁型，被廣泛使用。

1 工程概況

新建京張高速鐵路為世界上首條時速350 km/h 的智能化高速鐵路，也是世界上首條最高設計時速350 km/h 的高寒、大風沙高速鐵路。新保安高架特大橋全長15.05 km，為京張高速鐵路全線最長的特大橋。該橋26 號墩與27 號墩在鐵路里程DK117+697 處跨越既有京包鐵路上行線，與既有京包鐵路上行線線路的夾角為12°。門式墩平面布置如圖1所示。新保安高架特大橋26、27 號門式墩原設計橫向跨度12 m，計算跨度10 m，凈跨度8 m，橫梁截面為組合梯形，上頂面寬3.4 m，下底面寬2.8 m，立柱為矩形界面，截面為橫向寬2.0 m×縱向寬2.2 m。門式墩結構如圖2 所示。

圖1 門式墩平面布置圖

圖2 門式墩結構示意

2 總體方案比選及優化

2.1 門式墩原方案施工問題

新保安高架特大橋26 號、27 號墩采用門式墩結構上跨既有京包上行線，主要考慮鐵路限界、運營安全因素，總體方案采用門式墩與施工便線相結合的方式，即先進行便線施工實現既有京包鐵路臨時過渡，采用現澆法進行門式墩施工，再對施工便線拆除、恢復線路。總體方案涉及既有運營鐵路斷道，因此，面臨與繁忙鐵路斷線要點協調難、便線施工周期長無法滿足架梁工期等問題。

2.2 門式墩優化方案

為確保鐵路正常運營，加快門式墩施工進度，滿足架梁工期要求，有必要針對門式墩設計與施工方案進行深化研究。對運營安全、施工工期等因素進行方案綜合比選，將門式墩跨度加大，同時取消施工便線的總體方案思路。門式墩跨度調整加大方案與原方案相比，工期方面，取消了便線施工，縮短工期1 個月左右；安全管理、協調方面，將運營鐵路斷線要點施工轉變為門式墩基礎臨近既有線施工、橫梁一次吊裝封鎖要點施工，規避了施工單位、鐵路部門在便線施工后帶來的臨時限速、運營管理等責任。

2.3 門式墩結構優化

通過優化計算，新保安高架特大橋26 號、27 號門式墩設計調整為橫向跨度20.1 m，計算跨度17 m，凈跨度14.5 m。橫梁截面優化為上頂面寬4 m，下底面寬3.3 m，立柱為矩形截面尺寸為橫向寬2.5 m×縱向寬2.8 m。因總體采用門式墩跨度加大，橫梁一次吊裝的方案，橫梁分預制吊裝段及現澆段，長度分別為13.3 m 及3.4 m，預制吊裝段采用空心箱室結構，門式墩優化設計如圖3 所示。

圖3 門式墩優化設計

3 門式墩橫梁吊裝施工技術

3.1 施工方案

進行樁基、承臺及墩身施工，將預制好的橫梁采用大噸位吊車將橫梁一次吊裝到位，然后進行后澆段施工，實現橫梁與墩身的連接，張拉剩余預應力鋼束，完成門式墩施工。其中，橫梁吊裝施工是門式墩施工成敗的關鍵環節。

3.2 橫梁預制

橫梁中間部分采用現場預制，墩頂預留3.4 m 長混凝土后澆段。在既有線附近選擇預制場地，對地基進行處理并進行硬化，立模綁扎橫梁鋼筋、安裝預應力管道、澆筑混凝土，待混凝土強度達到設計強度后張拉預應力鋼束、壓漿，預制過程中做好混凝土強度、預應力工序控制，確保吊裝過程橫梁的強度和剛度。

3.3 橫梁吊裝設計及計算

3．3．1 吊車選型計算

因預制橫梁重量較大，達240 t，需對吊裝設備進行選擇計算。橫梁自重G1=240 t，吊具、吊鉤G2=6 t，實際吊裝質量G3=G1+G2=246 t。查詢選定吊車QUY650-SHB 吊車，超起平衡重半徑16 m，工作半徑按22 m 計算（實際工作半徑最大為20 m），主臂54 m，額定荷載G4=340 t，經計算安全系數η=1.38，大于1.2，滿足要求。

3．3．2 吊具設計及計算

橫梁頂部設置8 個φ90 mm 吊點孔，在預制橫梁時在兩側對稱設置，用以安裝吊點裝置。吊點設計采用Q345 高強鋼棒及鋼板吊具組成，高強鋼棒下端與橫梁通過螺帽及墊板固定，上端與高強鋼板吊具通過螺帽及墊板固定，鋼板吊具側面預留吊具。其中，鋼板吊具采用鋼板焊接而成，底板板厚為8 mm、側板及肋板板厚5 m。因吊具結構復雜，通過建立有限元模型進行計算，結果表明應力最大值為195 MPa，位于橫梁吊點處；位移最大值為0.9 mm，位于底板四角處，整體應力和變形均滿足規范要求。鋼板吊具應力分析結果如圖4 所示。

圖4 鋼板吊具應力

3．3．3 鋼絲繩計算

吊具和吊車吊鉤通過8 個55 t 級卡環和4 根Φ70，L=30 m 鋼絲繩連接。查粗直徑鋼絲繩載荷表，主吊車鋼絲繩選用4 根長為30 m 的鋼絲繩Φ70-8×61（b 類）-1870 鋼芯鋼絲繩，使用時每根采用一彎二股。

查表可得：P破=3 760 kN=383.7 t。鋼絲繩最大受力：單股受力P=246 t/8/sin60°=35.4 t，則鋼絲繩安全系數K=P破/P=383.7 t/35.4 t=10.8＞6，滿足要求。

3．3．4 門式墩橫梁支架體系設計

框架墩預制橫梁吊裝施工過程中，需要在26 號、27 號墩旁設置臨時支撐，作為預制橫梁的落梁平臺。為保證吊裝施工安全，采用鋼管+工字鋼的臨時支架體系[4]，門式墩橫梁支架體系如圖5 所示。立柱采用Φ609×16 mm 鋼管，每個橋墩內側各布置一排3 個，鋼管中心間距為1.8 m；鋼管下端固定在樁頂承臺處，應墊設鋼板，防止承臺混凝土局部受力，立柱上端布置雙拼45b 工字鋼作為落梁平臺，長度6 m。立柱側面設置10#槽鋼作為剪刀撐，以增強穩定性。

3.4 橫梁吊裝施工

3．4．1 吊車進場組裝

根據組裝計劃和需要，50 t 汽車式起重機完成QUY75型75 t履帶式起重機的組裝；75 t履帶式起重機完成QUY650型650 t 履帶式起重機的組裝。

圖5 門式墩橫梁支架體系

3．4．2 吊裝準備及試吊

履帶式起重機行走至設計位置，將橫梁高度提升30 cm，持荷5 min，詳細檢驗起重機載荷性能、地基承載力狀況及鋼絲繩卡環受力狀況，一切無異常，則進行正式吊裝。

3．4．3 正式吊裝起吊

主吊車以19 m 半徑起吊，將設備提升至設備最低處與制臺座最高處距離約300 mm，起到位后停止，檢查吊裝起重機及吊裝索具是否處于良好狀態，一切無異常，然后主吊機起鉤將橫梁提升至橫梁底部距離接觸電網2 m 高度，起重機控制吊裝半徑調整為20 m，等待鐵路要點計劃指令。

3．4．4 主吊車轉桿

鐵路要點指令下達后主吊車向既有線方向以20 m 半徑轉桿，起重操作至橫梁到達指定位置，配合纜風繩調整就位。

3．4．5 橫梁就位、摘鉤

橫梁軸線就位后，起重機回鉤將橫梁放置于支架體系上，起重總指揮發出摘鉤指令，主吊車摘除超起裝置后，拆除索具，通過起鉤、轉桿等動作將索具吊至地面。

4 結語

新建京張高速鐵路新保安高架特大橋26 號、27 號墩采用門式墩結構上跨既有京包上行線，原方案采用門式墩原位現澆與施工便線相結合的方法，面臨架梁工期壓力大、便線施工后需施工單位和鐵路部門管理及協調的諸多問題。通過比選確定采用取消施工便線，門式墩橫梁一次吊裝就位的技術方案。將門式墩結構設計凈跨度由8 m 調整為14.5 m，橫梁實體結構調整為空心箱室結構，為門式墩橫梁一次吊裝完成跨線施工創造了技術前提。施工中通過吊車選型計算、吊具設計、鋼絲繩計算、橫梁支架體系設計、橫梁吊裝施工等關鍵技術深化研究，于2017-10 成功完成240 t 大噸位門式墩橫梁一次跨線吊裝施工，經濟、社會效益顯著，為今后上跨鐵路運營線的交叉工程提供了新思路。