鐵路80 m跨節(jié)段預(yù)制膠拼連續(xù)梁施工技術(shù)與創(chuàng)新

李 磊

(中鐵二十二局集團(tuán)有限公司北京工程勘察設(shè)計(jì)院 北京 100043)

1 前言

近年來(lái)，鐵路節(jié)段膠接拼裝施工技術(shù)因其施工特點(diǎn)呈迅猛發(fā)展態(tài)勢(shì)[1]。從單線普速鐵路到雙線高速鐵路、城際鐵路[2]，從32 m簡(jiǎn)支箱梁到主跨80 m連續(xù)箱梁，隨著設(shè)計(jì)理念的逐漸成熟[3]，施工裝備的不斷革新，鐵路節(jié)段膠拼施工技術(shù)正逐步得到推廣應(yīng)用[4]。

1976年法國(guó)和日本分別建造了橋長(zhǎng)為1 528 m的Marne la Yallee高架橋和橋長(zhǎng)為500 m的Kakogawa橋[5]，是目前最早可查證的節(jié)段預(yù)制膠拼鐵路混凝土連續(xù)梁橋。20世紀(jì)90年代，在國(guó)外城市輕軌及高速鐵路中，節(jié)段膠拼法都得到了廣泛應(yīng)用，如1991年建成的墨西哥蒙特雷地鐵高架線橋、2000年建成的吉隆坡輕軌及法國(guó)阿維尼翁特大橋等[6]。

早在20世紀(jì)60年代，我國(guó)就開始了鐵路橋梁節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)研究[7]。基于試驗(yàn)?zāi)康?，我?guó)嘗試建設(shè)了成昆鐵路舊莊河1＃橋、孫水河4＃橋、子牙河大橋以及湘江鐵路大橋等。由于節(jié)段預(yù)制拼裝施工技術(shù)精度要求較高，上述橋梁均沒有取得滿意效果，最終發(fā)展停滯[8]。2005～2013年期間我國(guó)建設(shè)了大量接縫采用現(xiàn)澆混凝土的濕接縫節(jié)段預(yù)制拼裝梁。直到2013年我國(guó)鐵路橋梁領(lǐng)域才建成了首座節(jié)段膠拼簡(jiǎn)支梁橋—黃韓侯鐵路芝水溝特大橋，之后我國(guó)開始大量嘗試節(jié)段膠拼施工技術(shù)[9]。2015年，中鐵五院研制了第五代TPZ80/2500型節(jié)段拼裝造橋機(jī)，該拼裝設(shè)備能應(yīng)用于跨度64 m以下的簡(jiǎn)支梁和跨度80 m以下的連續(xù)梁施工[10]。2017年我國(guó)建成了首座鐵路膠拼連續(xù)梁—新建鐵路鄭阜客運(yùn)專線周淮特大橋(跨新運(yùn)河)3聯(lián)(40＋56＋40)m雙線連續(xù)箱梁。此后，鐵路節(jié)段膠拼施工得到了一定的發(fā)展[11]。

2 工程概況

京唐城際鐵路潮白新河特大橋起止里程DK101＋167.09(T501墩)～DK102＋173.94(T523墩)，正線長(zhǎng)度1.01 km。兩端分別采用(48＋80＋48)m連續(xù)梁跨越潮白新河兩側(cè)潮白新河大堤，16孔40 m簡(jiǎn)支梁跨越潮白新河?？卓绮贾萌鐖D1所示。

圖1 潮白新河特大橋總體布置

其中，主跨80 m連續(xù)梁每聯(lián)沿縱向劃分為43個(gè)預(yù)制節(jié)段。設(shè)計(jì)最大節(jié)塊0＃塊最大高度6.65 m。除0＃塊外所有預(yù)制節(jié)段小于5 m，最大吊裝重量小于200 t。連續(xù)梁梁體構(gòu)造如圖2所示。連續(xù)梁總重6 900 t左右。設(shè)計(jì)為吊裝三個(gè)節(jié)段張拉一次。中跨合龍段采用架橋機(jī)操作平臺(tái)現(xiàn)澆施工。

圖2 (48＋80＋48)m連續(xù)梁梁體構(gòu)造

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 結(jié)合BIM技術(shù)研究節(jié)段預(yù)制梁場(chǎng)優(yōu)化布置

潮白新河特大橋施工地點(diǎn)毗鄰潮白河國(guó)家濕地公園，為國(guó)家重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)區(qū)。施工中必須保持公園地貌，同時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的影響必須降到最低。施工中，多次采用BIM技術(shù)，對(duì)周邊地形地貌、施工方案進(jìn)行模擬分析，擬定的預(yù)制場(chǎng)地布置需節(jié)約土地資源、有利施工進(jìn)展、降低工程成本等綠色可持續(xù)發(fā)展施工理念，主要內(nèi)容包括:現(xiàn)場(chǎng)臨建布置的優(yōu)化(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化要求計(jì)算出臨建數(shù)量，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)臨建布置位置達(dá)到美觀、和諧效果)；機(jī)械設(shè)備布置優(yōu)化(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工序的安排，分析設(shè)備吊裝和機(jī)械的挪場(chǎng)過(guò)程中平面和豎向高程相互協(xié)同工作，避免空間碰撞，提前發(fā)現(xiàn)沖突)；現(xiàn)場(chǎng)道路的優(yōu)化(結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及施工實(shí)際需要，協(xié)調(diào)環(huán)境一致的施工道路)、材料堆放分析(合理布置，與環(huán)境相協(xié)調(diào))。

3.2 變截面節(jié)段預(yù)制模板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

根據(jù)連續(xù)梁變高段梁體劃分特點(diǎn)，研制出了一種適應(yīng)于大跨度連續(xù)梁預(yù)制的自動(dòng)化模板系統(tǒng)，其中內(nèi)模可移動(dòng)、可調(diào)整，底模具有高程調(diào)整功能以滿足梁跨的曲線要求。模板配有一套以大數(shù)據(jù)為核心的匹配預(yù)制線形控制軟件，控制軟件系統(tǒng)能自動(dòng)比對(duì)匹配段各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與軟件所給定的理論目標(biāo)值的差別，精確計(jì)算出成型梁段在匹配位置時(shí)應(yīng)處的空間位置，考慮梁段在澆筑過(guò)程中的施工誤差并確保該誤差在后續(xù)的澆筑中得以糾正，減少累計(jì)誤差。

3.3 主跨80 m節(jié)段膠拼梁拼裝造橋機(jī)的設(shè)計(jì)與改造

采用中鐵五院自主研發(fā)的第五代TPZ80/2500型節(jié)段拼裝造橋機(jī)，該造橋機(jī)已成功應(yīng)用于鄭阜鐵路周淮特大橋跨新運(yùn)河連續(xù)梁(主跨56 m)節(jié)段膠拼施工及銀西鐵路漠谷河2＃特大橋簡(jiǎn)支梁(主跨56 m)節(jié)段膠拼施工。本橋?qū)υ撛鞓驒C(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造，回轉(zhuǎn)天車和懸吊系統(tǒng)使其懸掛起重能力和天車最大起重量滿足主跨80 m連續(xù)梁節(jié)段的要求，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的承重主梁形式，并對(duì)造橋機(jī)在大跨度條件下的安全縱移過(guò)孔方式進(jìn)行研究。

3.4 大跨度連續(xù)梁節(jié)段的拼裝技術(shù)研究

節(jié)段的拼裝是整個(gè)施工過(guò)程中最為復(fù)雜，技術(shù)困難最多的步驟，主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)預(yù)制節(jié)段接合面剪力傳遞優(yōu)化研究

節(jié)段預(yù)制混凝土橋梁在構(gòu)造上一個(gè)顯著的特點(diǎn)是節(jié)段間接縫處混凝土與普通鋼筋的不連續(xù)性，節(jié)段間的接縫是其受力的薄弱環(huán)節(jié)，并直接影響全橋的整體受力性能。需針對(duì)節(jié)段間結(jié)合面處的剪力鍵類型、構(gòu)造形式及其在箱梁節(jié)段斷面布置方式上展開研究，并對(duì)剪力鍵對(duì)接工藝進(jìn)行優(yōu)化，研制出一種適應(yīng)大跨度連續(xù)梁拼接梁的剪力鍵形式及其準(zhǔn)確定位施工安裝方法。

(2)節(jié)段間接縫膠接處理工藝

本工程在節(jié)段梁拼裝工藝中，節(jié)段梁之間涂抹環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑，接縫膠的工作性能以及匹配面之間接縫膠的飽滿度、涂抹的均勻性對(duì)節(jié)段梁的耐久性影響較大，一旦膠粘連接不密實(shí)，就會(huì)讓空氣中的水分或者酸性物質(zhì)滲入，如遇預(yù)應(yīng)力管道壓漿不飽滿就會(huì)使預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕，從而影響到橋梁使用的耐久性和安全性。需對(duì)接縫膠的各項(xiàng)性能指標(biāo)(包括配合比、涂膠厚度和涂刷順序等)、節(jié)段間建立臨時(shí)預(yù)應(yīng)力的時(shí)機(jī)、擠膠張拉過(guò)程中張拉順序、張拉力大小控制及預(yù)應(yīng)力孔道保護(hù)等這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

(3)節(jié)段張拉卸載過(guò)程研究

需考慮主梁撓度及吊桿受力的影響，研究吊桿的拆除順序以減少在張拉過(guò)程中造橋機(jī)“回彈力”對(duì)梁體上緣拉應(yīng)力的作用，確保箱梁和吊桿的受力安全。

4 施工主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

4.1 主跨80 m是該類工法在鐵路橋梁領(lǐng)域亞洲最大跨度，在國(guó)內(nèi)首次采用

2017年，鄭阜鐵路周淮特大橋跨新運(yùn)河連續(xù)梁跨度為(40＋56＋40)m，是國(guó)內(nèi)首座鐵路節(jié)段膠拼施工連續(xù)梁。鐵路節(jié)段膠拼梁此前已在2013年黃韓侯芝水溝特大橋64 m節(jié)段膠拼簡(jiǎn)支梁中得到應(yīng)用，大于64 m跨度的簡(jiǎn)支梁尚處于理論研究階段，而大于56 m主跨的鐵路連續(xù)梁均采用現(xiàn)澆施工。潮白新河特大橋主跨80 m為該類型橋梁亞洲最大跨度，施工難度大。同時(shí)也豐富了該種橋型的施工方法，也可為懸拼吊機(jī)施工該類型橋梁提供實(shí)踐技術(shù)參考。

4.2 首次采用短線法匹配連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制

在鐵路節(jié)段預(yù)制拼裝領(lǐng)域，尤其是膠拼拼裝施工中，長(zhǎng)線法占有重要位置。這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)線法相對(duì)容易控制預(yù)制線形，將節(jié)段拼裝梁整孔或者整聯(lián)(半聯(lián))整個(gè)“搬”到預(yù)制場(chǎng)逐塊預(yù)制，僅端頭段或者0＃塊采用短線法預(yù)制。然而長(zhǎng)線法優(yōu)點(diǎn)突出的同時(shí)，也有其巨大的弱勢(shì)，不便于推廣，如占地面積較大、環(huán)境影響較大、不利于多條生產(chǎn)線批量化生產(chǎn)。本工程首次嘗試將連續(xù)梁的變高段全部采用短線匹配法預(yù)制，在國(guó)內(nèi)鐵路領(lǐng)域尚屬首例。同時(shí)，該橋最小曲線半徑5 500 m，平曲線半徑小施工預(yù)制精度匹配難度大。隨著該橋的順利實(shí)施，為后續(xù)推廣該工法提供了有力的實(shí)踐技術(shù)保障。

4.3 首次采用對(duì)稱懸拼法膠拼連續(xù)梁節(jié)段拼裝

前文提到的鄭阜鐵路周淮特大橋跨新運(yùn)河連續(xù)梁施工，采用了半聯(lián)一次性懸掛，膠拼預(yù)應(yīng)力張拉成型施工，該工法具有施工速度塊、易于控制線形等優(yōu)勢(shì)。然而80 m主跨連續(xù)梁由于跨度較大，同樣的施工方法產(chǎn)生的不平衡彎矩可能對(duì)0＃塊及橋墩造成不利影響。施工中，采用了類似掛籃懸拼施工方法，設(shè)計(jì)了永久預(yù)應(yīng)力束，每側(cè)3個(gè)節(jié)段一組對(duì)稱懸拼。該方法也在該類型橋梁中首次嘗試，為后續(xù)推廣該施工工法、研究更大跨度的連續(xù)梁施工提供了有力的實(shí)踐技術(shù)支持。

4.4 大噸位0＃塊梁段的安裝技術(shù)研究

鐵路膠拼法拼裝主跨80 m連續(xù)梁，膠拼梁節(jié)段初步設(shè)計(jì)的最大重量為0＃塊的355 t，而目前常用的節(jié)段拼裝梁場(chǎng)龍門吊起吊荷載為200 t，運(yùn)梁車為180 t，這就給吊裝和運(yùn)輸帶來(lái)了很大的難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，如果專為0＃段吊裝而另采用大型設(shè)備則又會(huì)降低該預(yù)制裝配技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，不利于該技術(shù)的推廣。同時(shí)，0＃塊是節(jié)段膠拼施工的起點(diǎn)，為此研制出一種適合于大噸位0＃塊的施工建造技術(shù)，包括0＃塊的合理結(jié)構(gòu)劃分、吊裝工藝及設(shè)備選擇以及0＃塊精準(zhǔn)定位采取的高精度測(cè)量手段，在保證其施工安全、質(zhì)量可靠的前提下不失膠拼法的經(jīng)濟(jì)性。

4.5 節(jié)段膠拼梁施工過(guò)程線形監(jiān)控研究

依據(jù)規(guī)范及施工工藝相關(guān)要求，連續(xù)梁施工或采用“四新”技術(shù)施工的橋梁，需采取相關(guān)線形監(jiān)控措施。而節(jié)段膠拼連續(xù)梁施工，除了上述要求外，還需要在節(jié)段預(yù)制及節(jié)段膠拼架設(shè)時(shí)，進(jìn)行全過(guò)程線形監(jiān)控，以指導(dǎo)后續(xù)施工[12]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外規(guī)范要求，在預(yù)制線形控制過(guò)程中，匹配梁定位時(shí)縱軸線允許偏差宜控制在±2 mm內(nèi)，高程允許偏差宜控制在±2 mm內(nèi)，因此需考慮各種可能的施工誤差及環(huán)境因素，根據(jù)不同項(xiàng)目要求，盡可能采用精度更高的設(shè)備，保證線形控制精度與測(cè)量精度。

根據(jù)預(yù)制過(guò)程中的線形控制過(guò)程、架設(shè)過(guò)程的調(diào)研分析可知，對(duì)于需要進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，必須要考慮梁場(chǎng)的預(yù)制預(yù)拱度和架設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的架設(shè)預(yù)拱度。

根據(jù)施工過(guò)程發(fā)現(xiàn)，預(yù)制節(jié)段3＃塊以后的節(jié)段，每個(gè)節(jié)段預(yù)制預(yù)拱度和安裝預(yù)拱度差值較大，且拼裝前后節(jié)段變形較大，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)對(duì)線形進(jìn)行糾偏。

通過(guò)對(duì)各種施工因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力損失大小、施工設(shè)備、彈性模量等對(duì)橋梁變形影響較大，在線形控制中必須考慮。

5 結(jié)論

潮白新河特大橋(48＋80＋48)m雙線連續(xù)箱梁節(jié)段預(yù)制施工，目前已驗(yàn)收完成。目前成橋后的線形監(jiān)控結(jié)果，與設(shè)計(jì)參數(shù)基本吻合。結(jié)合BIM技術(shù)優(yōu)化布置的節(jié)段預(yù)制場(chǎng)、設(shè)計(jì)的變截面節(jié)段預(yù)制模板系統(tǒng)、設(shè)計(jì)與改造的主跨80 m節(jié)段膠拼梁拼裝造橋機(jī)順利地完成項(xiàng)目施工任務(wù)。研究的大跨度連續(xù)梁節(jié)段拼裝施工技術(shù)成功地完成了該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工。

該工程主跨80 m是該類工法在鐵路橋梁領(lǐng)域亞洲最大跨度，首次采用短線法匹配連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制、首次采用對(duì)稱懸拼法膠拼連續(xù)梁節(jié)段拼裝、首次提出大噸位0＃塊梁段的安裝技術(shù)、首次提出節(jié)段膠拼梁施工過(guò)程線形監(jiān)控均在本工程進(jìn)行了實(shí)施，工程的實(shí)踐良好地印證了相關(guān)理論。