多種頂升工藝在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

張 翀，李軍華，劉國曉，孫良博

（1.上海先為土木工程有限公司，上海市 200331；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路交通流量日益增長，交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速。我國早年修建的高速公路交通流量幾乎飽和，道路擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重；橋涵凈空不足，導(dǎo)致過往貨車剮蹭既有橋梁，大大降低了該路段車輛的行駛速度，影響行車安全及橋梁安全，服務(wù)水平嚴(yán)重下降，其規(guī)模能力與其承擔(dān)的交通運(yùn)輸任務(wù)和在路網(wǎng)中的作用不相匹配等突出問題[1]。對高速公路的改擴(kuò)建及橋涵抬升改建是社會發(fā)展的必然趨勢，而采用頂升技術(shù)對既有橋梁進(jìn)行抬升改建是目前最優(yōu)的解決辦法，不僅可以有效地利用橋梁原有結(jié)構(gòu)，最大程度減少施工對周邊環(huán)境的影響，還可以節(jié)約建設(shè)資金，加快施工工期，是對建設(shè)節(jié)約型社會的積極響應(yīng)。現(xiàn)以京臺高速公路濟(jì)南至泰安段改擴(kuò)建工程一標(biāo)段中，四座橋梁調(diào)坡頂升工程為例，介紹橋梁整體調(diào)坡工程多種橋梁頂升工藝在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用，以供相關(guān)專業(yè)人員參考。

1 工程概況

京臺高速公路是《山東省綜合交通網(wǎng)中長期規(guī)劃（2018—2035 年）》中“九縱五橫一環(huán)七射多連”高速公路網(wǎng)布局優(yōu)化的“縱七”線，作為山東省最早通車的高速公路之一，1999 年建成通車以來交通量增長迅速。公開資料顯示，作為溝通首都北京和中東部重要城市的主通道，2019 該路段交通量已達(dá)到88471 pcu/d。目前該路段通行能力和服務(wù)水平嚴(yán)重不足，已不能適應(yīng)未來交通發(fā)展需求，亟需實(shí)施改擴(kuò)建[2]。

京臺高速公路濟(jì)南至泰安段改擴(kuò)建工程起于京臺高速和濟(jì)廣高速交叉的殷家林樞紐，沿老路擴(kuò)建前行，項目采用全線原位擴(kuò)建，沿既有公路“兩側(cè)拼寬（饅頭山路段改移既有中央分隔帶）”的總體改擴(kuò)建方案，拓寬至雙向八車道，拓寬里程全長54.071 km。

2 橋梁概況與改造需求

2.1 橋梁概況

范莊大橋，跨徑布置6×16 m+6×16 m+6×16 m，橋梁全長288 m。橋梁單幅寬17.25 m。上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板，0號橋臺為U 型橋臺、擴(kuò)大基礎(chǔ)，18號橋臺為樁柱式臺、樁基礎(chǔ)，橋墩為柱式墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)。斷面圖如圖1 所示。

圖1 范莊大橋斷面圖（單位：mm）

明發(fā)路分離立交橋，跨徑布置3×16 m，橋梁全長48 m。橋梁單幅寬17.25 m。上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板，橋臺為柱式臺、樁基礎(chǔ)，橋墩為柱式墩、樁基礎(chǔ)。斷面形式與范莊大橋類似。

孫家峪中橋，跨徑布置3×16 m，橋梁全長48 m。橋梁單幅寬17.25 m。上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板，橋臺為U 型橋臺、擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩為柱式墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)。斷面形式與范莊大橋類似。

崮山互通立交主線1號橋，跨徑布置4×20 m，橋梁全長80 m。橋梁單幅寬17.25 m。上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板，橋臺為U 型橋臺、擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩為柱式墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)。斷面圖如圖2 所示。

圖2 崮山互通立交主線1號橋斷面圖（單位：mm）

2.2 改造需求

在這次改擴(kuò)建工程中，四座橋梁平面設(shè)計路線保持不變，縱斷抬高，橫坡維持不變。其中：

范莊大橋改造總面積為9936 m2，縱斷抬升改造高度為45～219 cm。

孫家峪中橋改造面積為1656 m2，縱斷抬升改造高度為19～21 cm。

明發(fā)路分離立交橋改造面積為1656 m2，縱斷抬升改造高度為90～120 cm。

崮山互通立交主線1號橋改造面積為2760 m2，縱斷抬升改造高度為50～80 cm。

合計頂升改造面積為16008 m2。

根據(jù)各橋工況及頂升高度的不同，上部結(jié)構(gòu)頂升分別采取筏板基礎(chǔ)頂升法、下抱柱梁頂升法、上下抱柱梁斷柱頂升法、植入鋼牛腿頂升法、超薄千斤頂直接頂升法五種橋梁頂升改造施工方案。下部結(jié)構(gòu)通過加高墊石、加高蓋梁、接高墩柱進(jìn)行改造。

3 頂升施工方案

3.1 筏板基礎(chǔ)頂升法

考慮到范莊大橋0號橋臺原結(jié)構(gòu)采用U 型重力式橋臺結(jié)構(gòu)，橋下土質(zhì)良好，可將橋臺內(nèi)側(cè)地表土質(zhì)進(jìn)行夯實(shí)（也可以鋪設(shè)碎石強(qiáng)化夯實(shí)），在地表澆筑100 mm 厚的素混凝土墊層，然后在墊層上皮綁扎雙層雙向鋼筋作為筏板基礎(chǔ)的內(nèi)部受力筋，筏板基礎(chǔ)高度為500 mm。

筏板基礎(chǔ)強(qiáng)度達(dá)到后，在其頂面進(jìn)行灌漿料找平，安裝φ609 mm 鋼支撐，鋼支撐正上方對應(yīng)板梁位置底部安裝液壓千斤頂及跟隨千斤頂。由于上部板梁由17 片空心板梁組成，板梁縫隙之間采用固定錨栓鉸接，不能較好地傳遞液壓千斤頂?shù)捻斏Γ孕枰诳招陌辶合虏堪惭b雙拼工字鋼分配梁傳遞分力，在鋼分配梁下吊裝200 t 液壓千斤頂5 臺和200 t 機(jī)械跟隨保護(hù)千斤頂5 臺，共提供1000 t 頂升力，0號橋臺上部結(jié)構(gòu)總重為275 t，安全系數(shù)3.63。筏板基礎(chǔ)頂升法如圖3 所示。

圖3 新建筏板基礎(chǔ)頂升示意圖（單位：mm）

依靠液壓千斤頂頂升，跟隨千斤頂無縫跟隨、機(jī)械鎖定保壓，安全地將橋臺上部橋面頂升至設(shè)計標(biāo)高，隨后鎖定雙組千斤頂，橋梁上部結(jié)構(gòu)此時全部由鋼支撐承力。

3.2 下抱柱梁頂升法

由于范莊大橋1#～9# 墩柱下部墩柱不存在樁基承臺，所以范莊大橋1#～9# 墩頂升改造無法采用常規(guī)方案直接安裝鋼支撐進(jìn)行頂升，所以計劃將在原墩柱下部澆筑下抱柱梁頂升基礎(chǔ)，采用雙拼工字鋼分配梁直接頂升上部空心板梁（類似于筏板基礎(chǔ)頂升法），單墩配置200 t 液壓千斤頂10 臺和200 t 機(jī)械跟隨保護(hù)千斤頂10 臺，共提供2000 t 頂升力，單墩重550 t。安全系數(shù)3.63。頂升完成后，對原蓋梁的砂漿找平層進(jìn)行鑿除，并進(jìn)行鑿毛，加高原有蓋梁。下抱柱梁頂升法現(xiàn)場應(yīng)用見圖4 所示。其中崮山互通立交主線1號橋墩處及明發(fā)路分離立交橋橋墩處工況與范莊大橋1#～9# 類似，頂升施工改造均采用下抱柱梁頂升方案。

圖4 新建下抱柱梁頂升施工之實(shí)景

3.3 上下抱柱梁斷柱頂升法

根據(jù)橋梁改造設(shè)計規(guī)劃，范莊大橋10#～17# 橋墩將抬升1.38 ～2.07 m，顯然再對蓋梁面采取加厚的方案不但不美觀，還將對蓋梁的安全穩(wěn)定性造成負(fù)擔(dān)，故采取斷柱頂升的方案，在頂升完成后重新連接墩柱的縱向鋼筋，并對上下柱頭鑿毛，加粗原有墩柱。

與前文所述范莊大橋1#～9# 類似，由于下部墩柱不存在樁基承臺，故只能采取上、下抱柱梁的頂升方案：即對原有墩柱柱壁鑿毛，澆筑上、下兩道環(huán)柱壁的圈梁，以上抱柱梁作為橋梁上部結(jié)構(gòu)的頂升受力支點(diǎn)，下抱柱梁作為千斤頂支撐體系的頂升反力基礎(chǔ)梁，采用靜力切割繩鋸對上、下抱柱梁之間的墩柱切割，將墩柱沿切割線分離，上抱柱梁上部的蓋梁和橋梁結(jié)構(gòu)變成一個可活動結(jié)構(gòu)體，單墩安裝200 t液壓千斤頂6 臺，200 t 機(jī)械跟隨保護(hù)千斤頂6 臺。千斤頂頂升上抱柱梁帶動上部結(jié)構(gòu)的抬升，如圖5所示。待頂升完成后重新對墩柱切割面進(jìn)行鋼筋連接接高，并對墩柱外包加粗。上抱柱梁與聯(lián)系梁之間設(shè)置角鋼焊接的限位裝置，防止橋梁橫縱向的移位偏差。

圖5 上下抱柱梁斷柱頂升施工現(xiàn)場之實(shí)景

3.4 植入鋼牛腿頂升法

崮山互通立交主線1號橋及明發(fā)路分離立交橋橋臺位置頂升高度較高，超薄液壓千斤頂頂升行程僅為2 cm，頂升時臨時墊塊和頂升支撐循環(huán)多，故不能選擇超薄液壓千斤頂進(jìn)行頂升改造。而使用筏板基礎(chǔ)頂升，需要破壞原有橋臺位置錐坡，開挖修復(fù)成本較高，施工周期也更長。

采用植入鋼牛腿頂升法是橋臺頂升改造的最優(yōu)解決方案。

在臺帽立面對應(yīng)板梁絞縫中間位置及邊梁腹板位置植入化學(xué)錨栓，安裝鋼結(jié)構(gòu)牛腿，將千斤頂直接放置在鋼牛腿上，上下找平并鋪墊鋼板，做到對稱布置防止偏壓。以鋼結(jié)構(gòu)牛腿為頂升反力基礎(chǔ)，直接頂升梁板，如圖6 所示。

圖6 植入鋼牛腿頂升法施工現(xiàn)場之實(shí)景

頂升時該墩所有千斤頂同步出缸向上頂起梁體，其單個墩頂升速率與頂升時間均一致，單個行程為9 cm，結(jié)束后在千斤頂后側(cè)的鉸縫位置填塞臨時支撐塊，然后回收千斤頂缸體由臨時支撐塊支撐上部梁體，再將千斤頂上部增加臨時墊塊。循環(huán)上述頂升步驟直至橋梁頂升到設(shè)計高度。頂升完成后再進(jìn)行蓋梁加高施工。

孫家峪中橋縱斷抬升改造高度為19～21 cm。因頂升高度較低，且原有橋墩較高（約10 m）采用超薄千斤頂直接頂升法對橋梁進(jìn)行抬升改建最為合理。其板梁至蓋梁之間的凈空較小，約10 cm 左右，只能安裝50 t 的單作用超薄千斤頂，使用原有橋梁蓋梁作為千斤頂?shù)姆戳A(chǔ)，將50 t 超薄液壓千斤頂直接安裝在橋梁蓋梁上對應(yīng)板梁鉸縫中間位置，另外在邊梁腹板下也布置千斤頂，上下找平并鋪墊鋼板，做到對稱布置防止偏壓，如圖7 所示。每跨頂升共使用36 臺50 t 超薄液壓千斤頂，共提供1800 t 頂升力，單墩重550 t，安全系數(shù)為3.27，對于部分安裝凈空不足的，鑿除蓋梁找平砂漿或者使用角磨機(jī)切割蓋梁保護(hù)層。

圖7 超薄千斤頂直接頂升施工之實(shí)景

頂升過程與植入鋼牛腿頂升法類似，頂升行程為2 cm，頂升完成后再進(jìn)行預(yù)制墊石安裝。

4 下部結(jié)構(gòu)改造方案

4.1 加高墊石

范莊大橋0#～2# 橋墩將在頂升后采取加厚墊石的方案來最終抬高橋梁的標(biāo)高，抬高高度在約450 mm和600 mm。頂升到位后，對原橋臺臺帽、蓋梁、原墊石等進(jìn)行鑿毛、設(shè)置環(huán)氧砂漿找平層后，再進(jìn)行預(yù)制墊石的安裝，預(yù)制墊石上部安裝橡膠支座，塞置楔形鋼板保證支座均勻受力，防止存有脫空現(xiàn)象。一切準(zhǔn)備就緒后打開液壓千斤頂和跟隨千斤頂液壓鎖將上部橋梁結(jié)構(gòu)下落至新臺面。拆除頂升設(shè)備，于橋臺及蓋梁上澆筑素混凝土，將預(yù)制墊石包裹加固，澆筑標(biāo)高低于預(yù)制墊石15 cm 即可。

其中孫家峪中橋工況與范莊大橋0#～2# 類似，下部結(jié)構(gòu)改造施工同樣采用加高墊石方案（見圖8）。

圖8 預(yù)制墊石安裝完成施工之實(shí)景

4.2 加高蓋梁

3～9#橋墩頂升調(diào)整高度約700～1300 mm，因?yàn)檎{(diào)整高度相對較大，如果在頂升后直接采用加厚墊石的方法，墊石最大高度將超過1 m 會對橋梁運(yùn)營中的安全性產(chǎn)生一定的影響，故此3～9# 橋墩的接高方案將采用加厚蓋梁的方案，在新的蓋梁面重新設(shè)置橋梁墊石的方案對老橋進(jìn)行改造，最終抬高橋面標(biāo)高。

在頂升完成后，鎖住千斤頂保壓裝置，拆除原橋梁板式橡膠支座，鑿除支座墊石。對原蓋梁面進(jìn)行鑿毛、植入縱向接高筋，將鑿毛面清洗干凈、確保加高部分與原橋蓋梁形成整體，接高部分蓋梁在柱頂處設(shè)置一道假縫（見圖9）。

圖9 蓋梁加高完成施工之實(shí)景

原橋蓋梁接高加厚后，現(xiàn)有的蓋梁擋塊已經(jīng)不滿足限位高度要求，在蓋梁加厚鋼筋綁扎前預(yù)留出蓋梁擋塊鋼筋，便于在混凝土澆筑時同時一起澆筑成型，減少植筋的工序。

其中崮山互通立交主線1號橋墩處及明發(fā)路分離立交橋工況與范莊大橋3#～9# 橋墩類似，下部結(jié)構(gòu)施工改造均采用此方案。

4.3 斷柱連接

10#～17#墩斷柱頂升就位后，由機(jī)械隨動千斤頂支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)，鑿除墩柱切割面上下40 cm 混凝土。立柱鑿除面必須修整平齊，并將松散混凝土和鋼筋浮渣清理干凈。且立柱新老混凝土結(jié)合部分進(jìn)行表面鑿毛處理，以利于新老混凝土的連接。露出原墩柱主筋，采用擠壓套筒的連接方式，對墩柱的主筋進(jìn)行連接。連接段混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)高于原墩柱混凝土等級，并宜采用便于灌注和成型的自密實(shí)微膨脹混凝土；切斷鋼筋的連接，應(yīng)滿足一級接頭的要求[3]，并對墩柱進(jìn)行加粗。待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，拆除頂升設(shè)備，完成頂升改造（見圖10）。

圖10 斷柱連接加粗完成施工之實(shí)景

5 結(jié)語

京臺高速改擴(kuò)建工程四座橋梁頂升施工，采用目前國內(nèi)最先進(jìn)的PLC（可編程邏輯控制器）液壓同步頂升控制系統(tǒng)，根據(jù)每座橋梁每個墩臺的工況，制定了不同的頂升方案，分為筏板基礎(chǔ)頂升法、下抱柱梁頂升法、上下抱柱梁斷柱頂升法、植入鋼牛腿頂升法、超薄千斤頂直接頂升法五種方案。下部結(jié)構(gòu)通過加高墊石、加高蓋梁、接高墩柱進(jìn)行改造。與拆除重建相比，最大程度地降低了施工風(fēng)險。在頂升施工過程中，無需封道施工，沒有灰塵的產(chǎn)生，最大程度地降低對周邊環(huán)境和交通的影響，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳施工，可為今后類似高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)提供施工經(jīng)驗(yàn)及參考。