復雜場地下64 m鋼桁梁上跨立交鐵路頂推施工技術研究

王 剛

(中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司 黑龍江哈爾濱 150000)

1 緒論

近年來，我國的鐵路工程建設不斷發展，在施工技術和工藝流程等方面都取得了巨大的成就[1－3]。隨著《“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》和《中長期鐵路網規劃》等政策的發布及鐵路改革發展的要求，鐵路工程建設正向著位于更廣闊、更特殊的場地進行規劃布局，而由于鐵路工程線路對于最小轉彎半徑等的需求，經常需要跨越復雜場地來保證列車運行的速度，因此鐵路工程的橋隧比極高。

鋼桁梁是鐵路橋梁建設中的重要組成構件，具有適合于工業化制造、便于運輸和安裝速度快等優點，在我國鐵路建設的許多工程中都進行了運用，許多學者也對其進行了相關的研究[4－5]。王希崗[6]分析了黃大鐵路黃河特大橋鋼桁梁頂推的技術，并研究了對于滑道梁的整體施工步驟；姚發海[7]對鄭州黃河公鐵兩用橋主橋的布置和頂推施工技術進行了研究，分析了結構的受力特性；孫煥重[8]對于寧啟鐵路復線滁河特大橋主跨鋼桁梁的施工技術方案進行了基于結構力學的分析，并進行了施工過程的優化。已有的研究表明，針對于特大型橋梁結構，需要進行工程的特例分析[9－12]。本文以浩吉鐵路張家灣聯絡線為工程背景，進行鋼桁梁上跨立交鐵路的頂推施工技術研究。

2 工程概況及重難點分析

張家灣貨車聯右線特大橋起止里程貨右LDK1＋928.29～貨右LDK2＋975.00，橋梁全長1 045.71 m，其中1＃、2＃墩跨越浩吉鐵路和隴海鐵路的立交處，跨越結構采用1－64 m簡支鋼桁梁。線路總平面布置如圖1所示。

圖1 線路總平面布置

橋梁平面位于半徑500 m的平曲線上，縱斷面位于R＝10 000 m的豎曲線上，本橋梁縱坡為1.3%，橋面橫坡2%。跨越結構為1－64 m簡支鋼桁梁，梁長65.5 m，計算跨度64 m，橫向桁間距7.6 m。鋼橋面由橋面板、橫梁及橫肋、縱肋四部分組成，其中鋼橋面板全橋縱、橫向連續，橫向與下弦頂板伸出肢焊接，縱向分段焊接。

張家灣貨車聯右線特大橋與浩吉鐵路和隴海鐵路的立交處相交，兩條既有鐵路已經建成通車，其中隴海鐵路為繁忙干線，車輛間隔最長時間50 min，因此導致有以下重難點:

(1)浩吉鐵路正線下穿隴海鐵路，兩條線路呈大角度交叉，既有線的立交致使現場施工空間狹小。

(2)隴海鐵路為繁忙干線，天窗時間短，每周兩次，每次50 min。鋼桁梁上跨范圍歸鄭州鐵路局管轄；鋼桁梁跨越段浩吉鐵路正線歸西安局管轄，兩大營業分屬兩家路局管轄，協調工作復雜，需要盡快完成建造。

(3)有效施工作業時間短，按照目前天窗點規劃，鋼桁梁頂推施工需要4個月，鋼桁梁懸臂狀態持續2個月，鋼桁梁頂推、靜置過程中均屬于營業線施工，安全風險高。

根據上述分析可知，工程重難點在于如何實現鋼桁梁頂推在小里程內的施工工藝，同時利用施工組織設計進行快速作業，以達到不影響既有鐵路的正常運營。因此，本項目通過設計鋼桁梁結構在小里程范圍內實現快速拼裝作業，通過施工方案快速組織、頂推設備優化施工質量、利用輔助措施及設施實現施工過程優化以及合理安排頂推操作流程，以此實現結構的設計、組織和施工的一體快速化，從而順利地解決上述問題。

3 頂推施工技術

3.1 總體施工方案

鋼桁梁在橋位小里程位置完成拼裝作業，頂推至橋位處。此次頂推施工計劃采用6臺320 t步履機同步進行，頂推方案(見圖2)如下:

(1)鋼桁梁節段在工廠制造完成后，運輸至現場通過起吊設備按相應節段順序架設至臨時支架上。調整各節段高程、平面線形及節段間距，并在現場焊接鋼桁梁節段，調試步履式千斤頂。

(2)臨時支架施工前先進行場地平整，施工臨時支架樁基和擴大基礎，安裝支架立柱及頂推設備，頂推設備必須安裝在鋼桁梁通長腹板下方。

(3)鋼桁梁和導梁一次拼裝完成，因地形條件限制龍門吊軌道無法到1號墩前，因此前面3個節間導梁使用汽車吊進行拼裝，拼裝驗收合格后整體向前頂推94.3 m到達設計位置。

(4)鋼桁梁頂推施工完畢后，拆除臨時支架。

3.2 頂推設備選型

根據此工程理論計算結果，單節點反力最大為241.6 t，結合現有設備性能，選用6臺SLBLJ-320型步履機進行頂推施工，單臺設備垂直頂升力為320 t，最大頂升高度為150 mm；縱向推力為30 t，最大行程為600 mm。考慮到頂推過程中頂推設備必須同步且需要嚴格控制頂推方向及高程，建立由硬件模塊單元、系統軟件模塊單元、控制網絡模塊單元、泵站從站模塊單元以及傳感器控制模塊單元組成的實時控制系統，確保鋼梁在頂推過程中鋼桁梁定位準確及頂推設備均勻受力。

3.3 主要輔助措施

(1)尾端滑道:尾端滑道布置于64 m鋼桁梁拼裝區域，用作頂推過程中滑塊的平移軌道，滑道布置形式如圖3所示。尾端滑道由鋼結構縱梁與擴大基礎組成，鋼結構縱梁為鋼板焊接而成的箱形結構，縱梁長12 m，寬0.7 m，高0.45 m。滑道與鋼桁梁下弦桿平行，滑塊前進方向為鋼桁梁頂進方向。

圖3 尾端滑道總體結構

(2)臨時支架:此次頂推設有3＃支架結構和4＃支架結構，其中:3＃頂推支架布置于1＃橋墩前方。支架設計為格構形式，基礎采用鉆孔樁基礎。支架構件包括立柱、連接系、縱向滑道梁、操作平臺、爬梯、護欄等。支架主體采用φ1 000×10的鋼管作為支撐，鋼管頂部加“井字勁”加強管端受力，連接系采用φ273×6的鋼管連接。上部縱梁為“Z”型縱梁，箱形截面，采用Q345材質，尺寸為13 700 mm×700 mm×2 140 mm。支架平臺采用 12工字鋼作為主要受力結構，每60 cm一道，12工鋼與縱向滑道梁焊接。

4＃頂推支架布置于2＃橋墩承臺上方。支架設計為格構形式，基礎采用預埋件與承臺相連。支架構件包括立柱、連接系、縱向分配梁、操作平臺、爬梯、護欄等。支架主體采用φ800×8的鋼管作為支撐，鋼管頂部加“十字勁”加強管端受力，連接系采用φ273×6的鋼管連接。上部縱梁為三拼HN700×300的H型鋼。

(3)頂推導梁:在頂推過程中，為了滿足主梁強度和剛度的要求，以及保證臨時支架受力的合理性，需在頂推方向的前端設置前導梁，鋼導梁與主梁之間采用高栓連接，在連接范圍內加大截面尺寸。鋼導梁節段之間采用焊接連接和高栓連接。導梁前端設置“鷹嘴”用于導梁前端上墩，“鷹嘴”臺階高度20 cm。鋼導梁設計采用Q345材質，縱向長度約為44.35 m，上下弦中心高度11 m，導梁下弦橫向中心間距7.6 m，導梁上、下弦皆采用箱形結構，整體重量100 t。導梁采用空間桁架結構。

(4)頂推分配梁:頂推施工通常在步履機上方放置分配梁，用以轉換力學體系，增大步履機與梁底的接觸面積，從而使梁底局部壓應力滿足施工要求，避免鋼梁因局部受力過大而發生形變，降低頂推施工風險。步履機上部分配梁采用Q345鋼材制造，分配梁與步履機之間采用M20螺栓連接，分配梁尺寸為700 mm×600 mm×200 mm，頂底板開孔。

(5)頂推滑塊:頂推滑塊為鋼桁梁主要受力結構，主要布置于鋼桁梁節點下方，用于頂推過程中的結構力系轉換。滑塊底層為MGE板，與滑道接觸，摩擦系數較小；上層為橡膠墊板，摩擦系數較大，主要與鋼桁梁下弦接觸。頂推時滑塊始終在鋼桁梁節點處，每當頂推至一個節間的長度后，利用步履機在節點處將鋼桁梁整體頂起，再將滑塊滑移至初始位置，回收部分步履機的起頂行程，將主要豎向承載力轉換至滑塊之上，進行下一輪頂推施工。

3.4 頂推操作流程

(1)頂推設備安裝:頂推臨時支撐與平臺施工完畢后，利用龍門吊或吊車將步履機、臨時擱墩、液壓泵站、控制柜等頂推設備吊裝就位，完成墩頂布置。

(2)頂推設備調試:頂推設備安裝完成后，連接好系統的油路及電路，進行調試以保證在點動、聯動模式運行下，執行元件按設定的運動方式運行。

(3)試頂推:鋼梁縱向試頂推主要包括豎向千斤頂起頂、拆除鋼梁拼裝臨時輔助鋼管、調整頂推輔助支墩支墊高度、縱向頂推、豎向千斤頂回落、縱向千斤頂回縮歸位、頂推過程中相關數據采集以及頂推過程中鋼梁線形測量及數據分析。

(4)正式頂推:頂推過程中頂推設備必須同步，控制好頂推方向及高程，確保鋼梁在頂推過程中鋼梁定位準確及頂推設備均勻受力，注意記錄頂推過程中的油壓最大、最小值。并隨時檢查鋼梁是否存在局部變形問題。頂推過程中，通過調整各墩上的支撐油缸將鋼梁在該點上的標高調到規定標高，然后開始頂推鋼梁，此時要保證墩上的頂推油缸在設定壓力上保證位移同步。重復上述頂推步驟，直到將鋼梁全部頂推到位。同時為控制頂推過程中鋼梁的橫向偏移量，在頂推過程中需對鋼梁的中軸線進行實時監控及糾偏，使鋼梁的偏移量始終在3 cm的誤差范圍內。

3.5 頂推糾偏工藝

為了防止鋼梁在頂推過程中發生橫向偏移，須在每次頂推行程完成后檢查鋼梁是否發生偏移。糾偏主要控制措施如下:

(1)在鋼梁前端和尾端的中部設置控制標志，標志地方粘貼全站儀測量反光設備。通過既有的橋梁測量控制點，用全站儀測量出其各控制點的坐標，從而反算出鋼梁所處位置的對應樁號和所在位置的橫向偏移量，將測量結果反饋給步履機操控人員適時進行糾偏。

(2)在梁底作用點位置做上標記，頂推過程中步履機看守人員必須連續觀測，確保頂升的作用點平面位置偏差小于3 cm。條件允許時，可在梁前端和尾部設置平面位置觀察點予以監控。當步履機作用點位置偏移值大于3 cm時，必須進行糾偏。

(3)當中央控制系統檢測到鋼梁梁體發生偏移或工作人員發現梁體偏移后，會根據偏移情況決定要糾偏的步履機號。由于每臺步履機都配置有橫向糾偏頂，可以對各種情況下的偏移進行調整。若鋼梁只有前端發生偏移，則只需對前端步履機進行局部糾偏；若鋼梁整體發生偏移或者小幅旋轉，則可通過前后糾偏頂調整偏移距離及偏移角度。在糾偏時，步履機豎向千斤頂處于頂升狀態，兩側糾偏頂帶動步履機上部千斤頂進而帶動鋼梁向左或者向右偏移，偏移距離可根據糾偏頂行程進行調整。糾偏完成后，糾偏頂回收，豎向千斤頂回落。然后再進行下一次頂推循環。

3.6 步履機同步控制

(1)同步頂升:單個頂推作業面上選擇同型號步履機和同型號油站，通過同步控制系統同步控制同型號油站工作，每臺步履機供應油站采取流量同步校正，每臺油站供油量誤差在5%以內。通過此措施保證步履機的整體頂升同步誤差在5%以內，頂升行程傳感器實時反饋各個油缸的實際行程，控制系統實時調節泵站比例閥，控制油缸的頂升速度，使頂升同步誤差達到1%以內。同時在計算機控制系統中輸入每臺步履機的允許頂升壓力，通過壓力傳感器實時控制每臺步履機的頂升力。通過以上位移及壓力雙控手段實現精確同步頂升。

(2)同步頂推:單個頂推作業面上全部選擇同型號步履機和同型號油站，通過同步控制系統同步控制同型號油站工作，每臺步履機供應油站采取流量同步校正，每臺油站供油量誤差在5%以內，通過此措施保證步履機的整體頂推同步誤差在5%以內。頂推行程傳感器實時反饋各個油缸的實際行程，控制系統實時調節泵站比例閥，控制油缸的頂推速度，將單個頂推行程的同步誤差控制在2 mm以內，確保頂推安全。

(3)同步落梁:通過同步控制系統同步控制同型號油站工作，將比例閥調整至小流量狀態，通過位移傳感器來控制比例閥的回油流量，同時讓梁體離開各墩的距離不超過2 cm，以此來確保單個行程的同步落梁誤差在5 mm以內，從而確保落梁安全。

4 頂推施工安全性分析

4.1 頂推工況分析

為確保橋梁結構成橋時橋梁結構受力合理，線形平順，采用Midas Civil 2017對施工過程進行全仿真模擬計算整個施工過程，此橋為空間桁架結構，使用空間桿系單元進行建模計算。鋼桁梁自重及導梁自重通過自重系數進行調整。鋼梁整體重量473.5 t，導梁整體重量183 t。頂推計算模型如圖4所示。

圖4 頂推計算模型

根據上述頂推施工方案及步履機布置對鋼桁梁進行加載，并將其分為12個工況進行分析計算，如表1所示。

表1 工況分析匯總

根據工況分析可知，單臺步履機所受最大反力為247.7 t，鋼桁梁所受最大應力為62.2 MPa，導梁所受最大應力為174.4 MPa，最大剪應力為23.2 MPa。導梁前端最大懸挑撓度為6.9 cm。由《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB 10091—2017)可知Q345鋼材的抗彎許可強度為200 MPa，抗剪許可強度為120 MPa。故鋼梁及導梁的最大應力皆在許可應力范圍之內，強度滿足要求。

4.2 頂推梁體抗傾覆性驗算

根據頂推工藝圖及工況計算分析可知，在頂推過程中可能發生傾覆的工況有2種:第一種前端懸挑長度最大時；第二種尾端懸挑長度最大。如圖5所示，抗傾覆計算方法為將鋼桁梁與導梁整體重量分布至各下弦節點處，然后根據懸挑長度及各節點重量計算鋼桁梁懸挑時的抗傾覆系數。計算得到前端懸挑長度最大時抗傾覆系數為2.1，尾端懸挑長度最大時抗傾覆系數為3.0，均大于1.5倍的抗傾覆要求，故頂推過程中梁體的抗傾覆性滿足要求。

圖5 頂推梁體抗傾覆性驗算

5 結論

本文以浩吉鐵路張家灣聯絡線為工程背景，進行鋼桁梁頂推施工技術研究，得到以下結論:

(1)針對于張家灣貨車聯右線特大橋的工程現狀，由于既有線的立交致使現場施工空間狹小，天窗時間短，只有通過對鋼桁梁步履式頂推施工技術進行優化設計才能達到施工要求。

(2)根據工程背景，提出了64 m鋼桁梁頂推施工工藝，主要包括頂推施工方案、頂推設備選型、主要輔助措施、頂推操作流程、頂推同步控制、頂推糾偏工藝等。

(3)采用Midas Civil 2017進行全仿真模擬計算整個施工過程。頂推工況分析過程表明鋼梁及導梁的最大應力皆在許可應力范圍之內，強度滿足要求；頂推梁體抗傾覆性驗算表明頂推過程中梁體的抗傾覆性滿足要求，因此方案可行。