鐵路裝配式橋墩適用性及應(yīng)用前景分析

薛紅云

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600

我國裝配式橋梁起步較晚，目前應(yīng)用尚不廣泛，僅在一些跨海大橋和現(xiàn)澆難度大的城市市政工程和軌道交通項(xiàng)目中應(yīng)用。2000年通車的上海長江大橋［1］，墩柱采用空心薄壁墩預(yù)制拼裝施工。2006年建成的東海大橋［2］，墩身及箱梁為島上預(yù)制海上拼裝。杭州灣跨海大橋水中引橋低墩區(qū)采用預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩。2018年建成通車的港珠澳跨海大橋［3］，大量采用了預(yù)制拼裝橋墩。

在鐵路行業(yè)，預(yù)制裝配式橋墩尚未大范圍采用，僅和若（和田—若羌）鐵路、京雄（北京—雄安）城際鐵路等項(xiàng)目正在開展相關(guān)的研究。在京雄城際鐵路固霸特大橋開展了高速鐵路橋梁裝配式一體化施工關(guān)鍵技術(shù)研究，并采用了分離式圓端形門式結(jié)構(gòu)預(yù)制橋墩。和若鐵路位于塔克拉瑪干沙漠南緣，降雨量少、蒸發(fā)量大、極度干旱，特殊的氣候?qū)е禄炷连F(xiàn)澆及養(yǎng)護(hù)困難，工程質(zhì)量不易保證。因此，和若鐵路采用預(yù)制裝配式施工技術(shù)，橋墩采用雙柱圓形空心橋墩。這也是其首次在鐵路項(xiàng)目中較大范圍應(yīng)用。

1 鐵路裝配式橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 控制因素

1.1.1 受力、剛度及位移要求

裝配式橋墩必須滿足結(jié)構(gòu)受力要求。從結(jié)構(gòu)整體來講，裝配式橋墩與現(xiàn)澆橋墩的受力模式和計(jì)算分析方法相同。裝配式橋墩與現(xiàn)澆橋墩均要滿足橋墩剛度和位移要求。裝配式橋墩與現(xiàn)澆橋墩的主要差異在于節(jié)段之間的局部連接，這也是裝配式橋墩的關(guān)鍵。裝配式橋墩拼裝截面處的計(jì)算受模型邊界條件的影響，與實(shí)際會(huì)有偏差，可通過大量試驗(yàn)來驗(yàn)證計(jì)算可靠性。

1.1.2 構(gòu)造要求

鐵路裝配式橋墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需結(jié)合廠制加工和施工裝備合理選擇墩柱形式和節(jié)段長度。由于鐵路荷載、梁部重量均比公路大，橋墩的結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，對施工裝備要求更高。鐵路橋墩與公路橋墩相比，在剛度、位移、運(yùn)架設(shè)備構(gòu)造要求方面有更高的要求。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

鐵路裝配式橋墩按照外形分為獨(dú)柱式、雙柱式；按照截面形式分為實(shí)體墩柱、空心墩柱；按照外輪廓形狀分為矩形、圓形等形式。不同墩柱形式的裝配式橋墩綜合對比見表1。

表1 不同墩柱形式的裝配式橋墩綜合對比

1.3 連接方式

裝配式橋墩的設(shè)計(jì)和施工中，連接構(gòu)造是保證結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的關(guān)鍵［4］。常用的拼裝連接構(gòu)造［5］有灌漿套筒［6］、灌漿金屬波紋管、承插式、插槽式、后張預(yù)應(yīng)力連接、濕接縫連接、錐套鎖緊連接等。

灌漿套筒在靜力作用下與傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩基本相同，結(jié)構(gòu)受力體系明確，工序簡單；但施工精度要求高，套筒定位誤差控制在5 mm以內(nèi)，套筒內(nèi)部灌漿密實(shí)度及質(zhì)量不易保證，施工控制難度較大，造價(jià)較高。

灌漿金屬波紋管造價(jià)相對較低，施工工序簡單，施工精度要求低；但受錨固長度要求鋼筋外露長度較長，運(yùn)輸難度和成本增大，且易造成外露鋼筋的損壞，抗震性能需進(jìn)一步研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

承插式拼裝連接構(gòu)造施工工序簡單，現(xiàn)場作業(yè)量少，施工精度要求低；但接縫處靜力和地震力作用下性能如何尚需研究，抗震性能較差，承臺(tái)配筋量較大。

插槽式拼裝連接構(gòu)造容許施工水平定位誤差相對比較大，對水平定位容許誤差要求較低，外露鋼筋對空洞所在構(gòu)件的鋼筋干擾小，連接的錨固性能、抗震性能良好。現(xiàn)場需要澆筑混凝土，需要養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

后張預(yù)應(yīng)力連接構(gòu)造設(shè)計(jì)理論與施工經(jīng)驗(yàn)均較成熟，國內(nèi)應(yīng)用較多。后張預(yù)應(yīng)力連接構(gòu)造拼裝工序繁瑣、施工工藝復(fù)雜，施工所需時(shí)間較長，造價(jià)較高，拼裝接頭安全度有待大量工程驗(yàn)證，耗能能力小，不利于抗震。

濕接縫連接構(gòu)造與傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩基本相同，但濕接縫會(huì)顯著增加現(xiàn)場鋼筋搭接、混凝土澆筑作業(yè)量，增加施工時(shí)間和養(yǎng)護(hù)時(shí)間，不利于快速施工。

錐套鎖緊連接構(gòu)造結(jié)構(gòu)受力體系明確，連接方便快捷，拼裝精度要求較低，造價(jià)相對較低；但是存在后澆混凝土工序。

2 鐵路裝配式橋墩的適用性分析

裝配式橋墩具有環(huán)保、臨時(shí)用地少、噪聲小、交通干擾少等諸多優(yōu)點(diǎn)［7］，對不同的地形、地質(zhì)、自然氣候、施工裝備等均有其適用性。

2.1 地形條件

2.1.1 城市區(qū)域

當(dāng)鐵路穿越城市區(qū)域時(shí)，由于建筑物較多，道路交通繁忙，工程建設(shè)對周邊環(huán)境的影響和對道路交通的干擾較大。設(shè)計(jì)施工方案的選擇需盡可能減少施工臨時(shí)用地范圍、降低施工粉塵和噪音污染、加快施工進(jìn)度、縮短工期。裝配式橋墩因其諸多優(yōu)勢，比較適合在城區(qū)采用。

2.1.2 山區(qū)

裝配式橋墩需順暢的施工便道用來運(yùn)輸預(yù)制節(jié)段和通過大型吊裝設(shè)備，還需足夠平整的吊裝平臺(tái)場地。山區(qū)地形比較陡峭，采用裝配式橋墩需克服地形、施工便道以及場地受限的不利因素，投資較大，經(jīng)濟(jì)性較差。對地形陡峻的山區(qū)鐵路裝配式橋墩適用性較差。

2.1.3 平原區(qū)

位于平原區(qū)的鐵路橋梁，交通及施工條件相對較好，為裝配式橋墩的實(shí)施提供了較好的外部條件，可根據(jù)全線的工期、環(huán)保、投資等要求綜合比較后選擇較優(yōu)的施工方法。平原區(qū)道路、河流較為密集，重要控制點(diǎn)多，需采用連續(xù)梁、T構(gòu)等大跨特殊結(jié)構(gòu)橋梁，橋墩構(gòu)造類型多，不便于標(biāo)準(zhǔn)化工廠預(yù)制，更適合現(xiàn)場澆筑，且大跨特殊結(jié)構(gòu)往往也是控制全線工期的節(jié)點(diǎn)，而一般標(biāo)準(zhǔn)跨度橋墩并不控制全線工期。因此，環(huán)保和投資是施工方案選擇的主要考慮因素。由經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果可知，裝配式橋墩的投資比現(xiàn)澆橋墩高，經(jīng)濟(jì)性方面劣勢明顯。綜上分析，平原區(qū)采用預(yù)制裝配式橋墩必要性不突出。

2.1.4 跨江跨海段

2.2 地質(zhì)條件

2.2.1 軟土區(qū)

裝配式橋墩預(yù)制節(jié)段需施工便道運(yùn)輸，同時(shí)大型吊機(jī)需在墩位處吊裝拼接作業(yè)，對施工便道和吊裝平臺(tái)的地基承載力要求較高。軟土地區(qū)地基承載力較低，地基加固處理投資大，經(jīng)濟(jì)性較差，采用裝配式橋墩適用性較差。

城市市政工程施工便道一般情況會(huì)利用既有市政道路，不需再鋪設(shè)施工臨時(shí)道路，能節(jié)約一大部分的臨時(shí)措施費(fèi)用。鐵路項(xiàng)目一般情況下需鋪設(shè)臨時(shí)施工道路，且需具備大型重型施工車輛通行的條件，勢必會(huì)投入較大臨時(shí)措施費(fèi)用。

2.2.2 非軟土區(qū)

對于非軟土地區(qū)，地層力學(xué)性質(zhì)較好，便道修建較簡易，可以較好適應(yīng)裝配式橋墩的運(yùn)輸和吊裝作業(yè)，采用裝配式橋墩適用性較好。

2.3 自然氣候條件

2.3.1 江河、湖海

21世紀(jì)以來，我國先后修建了東海跨海大橋、杭州灣跨海大橋、港珠澳跨海大橋、舟山連島工程、平潭海峽橋等多座海上宏偉工程。跨海大橋主要面臨建設(shè)條件、環(huán)境保護(hù)、建設(shè)周期、工程品質(zhì)、投資控制、養(yǎng)護(hù)管理等方面難題，對于海上或江上橋梁工程，采用預(yù)制裝配式橋墩可以大大減少海上（江上）現(xiàn)澆工程，減少大量水上施工臨時(shí)輔助措施，縮短海上施工周期，降低工程投資，減小環(huán)境影響，具有顯著優(yōu)勢。

2.3.2 沙漠、戈壁無人區(qū)

目前，新疆油田公司開展了數(shù)字化預(yù)案管理系統(tǒng)的研發(fā)工作，相信隨著數(shù)字化預(yù)案管理系統(tǒng)的建成應(yīng)用，必定會(huì)為新疆油田公司的應(yīng)急救援工作帶來高效的響應(yīng)基礎(chǔ)，在今后的應(yīng)急救援工作中，其應(yīng)用價(jià)值將得以體現(xiàn)，同時(shí)也將推動(dòng)本行業(yè)向更高級的方向發(fā)展。

在沙漠戈壁地區(qū)修建鐵路，由于氣候干燥干旱缺水，給現(xiàn)場澆筑混凝土和養(yǎng)護(hù)帶來很大的難題，從幾十公里外運(yùn)輸施工用水到橋位，施工成本大大增加。而預(yù)制裝配式橋墩可有效解決這一難題，將條件惡劣、養(yǎng)護(hù)管控困難的現(xiàn)場澆筑作業(yè)，轉(zhuǎn)移到環(huán)境可控、流程標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范的預(yù)制廠預(yù)制，可有效改善作業(yè)條件、提高橋墩質(zhì)量，也解決了現(xiàn)場用工和施工用水問題，有效降低工程投資。

2.4 大型施工機(jī)械裝備水平

裝配式橋墩若要大規(guī)模推廣應(yīng)用，需匹配一整套生產(chǎn)組織流程，建立自動(dòng)化控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化、工藝流程化、安裝機(jī)械化，對鋼筋自動(dòng)綁扎設(shè)備、墩柱模板自動(dòng)翻轉(zhuǎn)設(shè)備、起重吊裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等也提出了一系列較高的要求［8］。現(xiàn)有工程產(chǎn)業(yè)機(jī)械化程度的不足，在一定程度上限制了預(yù)制裝配橋墩的推廣應(yīng)用。預(yù)制裝配橋墩需更加工業(yè)化的生產(chǎn)和組織能力，需要協(xié)調(diào)設(shè)備、生產(chǎn)、組裝各方面的因素，對施工要求標(biāo)準(zhǔn)更高。

2.5 工程經(jīng)濟(jì)概算定額體系的合理匹配

一鐵路項(xiàng)目在部分段落采用了預(yù)制裝配式橋墩，按照現(xiàn)有鐵路概算定額體系，分別計(jì)算出兩種工法的綜合概算，見表2、表3。可知：預(yù)制裝配式橋墩的投資指標(biāo)較高，大概高出現(xiàn)澆橋墩單價(jià)指標(biāo)165%。

表2 預(yù)制裝配式橋墩綜合概算

表3 現(xiàn)澆橋墩綜合概算

由表2、表3可知：①兩者混凝土澆筑單價(jià)相差不大，都在750～850元/m3。②預(yù)制橋墩運(yùn)輸是裝配式橋墩較現(xiàn)澆橋墩增加的工序，預(yù)制橋墩質(zhì)量大概40～60 t，按照2 km運(yùn)距計(jì)算，運(yùn)輸費(fèi)用需要400元/m3。③預(yù)制橋墩安裝是裝配式橋墩較現(xiàn)澆橋墩增加的工序，由于裝配式橋墩預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量大概40～60 t，安裝需要配置大型吊裝設(shè)備，對吊裝平臺(tái)的地基承載力要求也比較高。拼裝工序中還涉及到鋼筋連接、預(yù)應(yīng)力張拉、灌漿封錨、現(xiàn)澆濕接段等工藝，施工步驟較復(fù)雜、精度要求較高，安裝部分的概算單價(jià)大概850元/m3。④由于拼裝式橋墩墩柱按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，現(xiàn)澆橋墩按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（僅配置防裂護(hù)面鋼筋），因此裝配式橋墩鋼筋用量較現(xiàn)澆橋墩大，現(xiàn)澆橋墩的鋼筋含量為56 kg/m3，裝配式橋墩的鋼筋含量為142 kg/m3，鋼筋部分折合為橋墩的綜合單價(jià)分別為：現(xiàn)澆橋墩404元/m3，裝配式橋墩1 026元/m3，僅鋼筋部分裝配式橋墩單價(jià)指標(biāo)要高出622元/m3。

以上分析未考慮因裝配式橋墩應(yīng)用而帶來的綠色、環(huán)保、節(jié)省工期等方面的社會(huì)效益。利用各項(xiàng)概算指標(biāo)，分析得出裝配式橋墩若要實(shí)現(xiàn)廣泛推廣應(yīng)用，仍需開展大量的優(yōu)化工作：

1）進(jìn)一步優(yōu)化大臨工程設(shè)置及施工組織方案，盡可能將預(yù)制場設(shè)在橋址附近，避免預(yù)制構(gòu)件的長距離運(yùn)輸，減少運(yùn)輸費(fèi)用，進(jìn)而降低工程投資。

2）進(jìn)一步優(yōu)化施工機(jī)械裝備的租賃使用，盡可能使用與預(yù)制構(gòu)件吊裝重量相匹配的吊裝設(shè)備，據(jù)實(shí)補(bǔ)充單項(xiàng)概算定額，避免出現(xiàn)大馬拉小車的情況，從而降低構(gòu)件安裝費(fèi)用，降低工程投資。

3）進(jìn)一步細(xì)化裝配式橋墩蓋梁和墩身鋼筋配置，根據(jù)墩高、地質(zhì)地層、地震等級等，優(yōu)化鋼筋配置方案，減少鋼筋用量，進(jìn)而降低工程投資。

3 鐵路裝配式橋墩大規(guī)模應(yīng)用的前提條件

從鐵路橋梁裝配式橋墩的試點(diǎn)應(yīng)用情況看，預(yù)制裝配式橋墩可以有效應(yīng)對特殊自然環(huán)境和地形條件，縮短工期，降低施工對交通的干擾，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，提高工程質(zhì)量［9］。在特定的條件下，采用預(yù)制裝配式橋墩很有必要。

各試點(diǎn)項(xiàng)目采用預(yù)制裝配式橋墩在經(jīng)濟(jì)性方面顯現(xiàn)出較明顯的劣勢，這在一定程度上阻礙了裝配式橋墩的大范圍推廣。預(yù)制裝配式橋墩大規(guī)模應(yīng)用于工程實(shí)際，尚需社會(huì)需求的成熟及統(tǒng)籌解決好一系列技術(shù)問題。

3.1 社會(huì)因素方面

1）環(huán)保理念。社會(huì)對文明施工、綠色施工的要求迫切，要求快速施工、對周圍環(huán)境和交通的干擾少，特別是在城市人口密集區(qū)或交通繁忙等區(qū)域，環(huán)保要求更高。

2）人本理念。以人為本理念深入，盡可能降低現(xiàn)場高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工人員勞動(dòng)環(huán)境條件。

3）建設(shè)規(guī)模。工程具有一定的建設(shè)規(guī)模，可批量化預(yù)制，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

4）建設(shè)速度。項(xiàng)目施工工期受限，容許工期短。

5）橋梁比例。整個(gè)項(xiàng)目橋梁比例較高，且橋高變化不大，具備批量化標(biāo)準(zhǔn)化拼裝施工條件。

6）勞動(dòng)力成本。建筑行業(yè)勞動(dòng)力成本逐年提高，聘用熟練工人難度日益加大。

3.2 技術(shù)因素方面

1）預(yù)制加工設(shè)備。具備成熟的智能化鋼筋加工技術(shù)、墩柱模板自動(dòng)翻轉(zhuǎn)技術(shù)、混凝土自動(dòng)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、預(yù)制構(gòu)件智能存放吊取技術(shù)等。

2）運(yùn)輸設(shè)備。具備與預(yù)制構(gòu)件外形尺寸、噸位相匹配的運(yùn)輸設(shè)備。

3）安裝設(shè)備。具備與預(yù)制構(gòu)件相匹配的吊裝設(shè)備、機(jī)械化智能化定位安裝設(shè)備。

4）施工管理能力。熟練掌握施工組織、工藝流程、預(yù)制場標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、施工工序及拼裝關(guān)鍵技術(shù)，擁有全過程智能化信息化施工管理能力。

5）施工人員素質(zhì)。具備構(gòu)件預(yù)制、預(yù)埋件埋設(shè)、構(gòu)件拼裝等高精度施工技術(shù)能力。

6）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、輕型化，構(gòu)件連接工序簡單易操控，結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)越，抗震性能強(qiáng)。

4 鐵路裝配式橋墩的應(yīng)用前景展望

傳統(tǒng)建筑行業(yè)為勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)場勞動(dòng)力數(shù)量多、施工及居住環(huán)境差，安全風(fēng)險(xiǎn)大，文明施工差。隨著小城鎮(zhèn)建設(shè)的推進(jìn)和人民生活水平的日益提高，熟練工人數(shù)量和青年勞動(dòng)力意愿下降，勞動(dòng)力素質(zhì)、勞動(dòng)力儲(chǔ)備也逐年下降，勞動(dòng)力老齡化現(xiàn)象日益凸顯，功效低下、質(zhì)量無法保證。因此預(yù)制裝配式橋墩的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和社會(huì)優(yōu)勢會(huì)逐漸凸顯出來，發(fā)揮越來越重要的作用。

“十四五”時(shí)期我國要堅(jiān)定不移建設(shè)制造強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化，提高經(jīng)濟(jì)質(zhì)量效益和核心競爭力，大力提倡節(jié)能減排和建設(shè)創(chuàng)新型國家。文明施工、綠色環(huán)保、快速施工的要求越來越高，要實(shí)現(xiàn)新時(shí)代鐵路建設(shè)“智慧、高效、綠色、協(xié)同”發(fā)展理念，預(yù)制裝配式橋墩必將成為鐵路橋梁建設(shè)的發(fā)展趨勢［9］。在今后的設(shè)計(jì)和施工創(chuàng)新研究中，建立橋梁結(jié)構(gòu)的工廠化制造、機(jī)械化裝配和標(biāo)準(zhǔn)化管理是產(chǎn)業(yè)升級最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)［10-12］。預(yù)制裝配式橋墩的廣泛應(yīng)用，必將推動(dòng)橋梁建造優(yōu)質(zhì)、節(jié)約、環(huán)保和工業(yè)化，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)工人的培育，實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配技術(shù)在鐵路橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用突破。

5 結(jié)語

在選擇橋墩工法類型時(shí)，要充分結(jié)合鐵路裝配式橋墩的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，全面考慮鐵路裝配式橋墩在不同的地形、地質(zhì)、自然氣候環(huán)境、施工裝備水平下的適用性。鐵路橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)人員應(yīng)在今后的設(shè)計(jì)中合理選用橋墩工法類型，為今后優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用鐵路裝配式橋墩提供解決思路。