跨越运营高铁的铁路钢箱梁桥顶推施工风险分析

铁路钢箱梁桥跨高速铁路顶推施工风险分析跨高速铁路铁路钢箱梁桥顶推施工风险分析(陕西省桥梁与隧道重点实验室，长安大学，xi安)摘要：大同至Xi客运专线左线大桥连续跨越郑州至Xi高速铁路，现已投入运营。施工采用顶推法。钢箱梁在钢厂分段预制，然后运输到施工现场进行分段组装。根据施工现场的情况，采用专家调查的方法确定施工风险，并采取相应的控制措施。对钢箱梁顶推施工全过程进行有限元数值分析，结合现场线形和应力监测对顶推施工全过程进行实时监控，确保施工安全。研究成果为首次跨高速铁路推进钢箱梁桥的建设提供了技术支持，积累了工程经验。关键词：钢箱梁；高速铁路；推进建设；风险分析；施工监控1项目概况：大同至Xi客运专线左线特大桥在21 24号墩区间穿越郑高速铁路和包上、下联络线。主桥位于一条直线上。上部结构采用3跨连续钢箱梁，跨度布置为(64 68 64)m，全长196m，下部结构为实心圆端墩，钻孔桩基础，直径1.25m，现有郑安高速铁路为350km/h客运专线，连接左线与郑安铁路的夹角为22，其中23号墩顶距郑安铁路8.02m，距宝铁路6.81m主桥跨度的布局如图1所示。主梁为单箱单室截面，梁高4.8m，箱梁顶宽7.5m，悬臂翼缘1.5m，箱梁底宽4.3m，中部支点局部加宽至5.04米，顶板厚度24毫米，底板中部支点厚度32毫米，其余厚度24毫米，腹板厚度26毫米。钢箱梁的顶板和底板设有纵向贯穿桥梁的T形加劲肋。T型加劲肋腹板高180毫米，翼缘宽250毫米，加劲肋厚度12毫米，钢箱梁腹板采用宽280毫米，厚20毫米的板式加劲肋，横隔板标准间距2米，厚20毫米。主要材料Q370qE和Q345qE。C50混凝土浇筑在中间支架处的钢箱梁底部。钢箱梁的典型截面如图2所示。2.顶推施工系统中既有线路的运行安全与新建线路的施工方法密切相关。对于跨越既有线的桥梁施工，所选择的施工方法应具有工期短、吊装作业少、落物可能性小、施工场地占用小等特点。普通的施工方法如满堂支架法、悬臂施工法和逐孔施工法不具备这些条件。顶推法施工具有施工成本低、施工设备少、无噪音、不影响桥址交通运行、工期短的优点(1-6)。综合考虑各种因素，该桥采用顶推施工。钢箱梁全长等高，基本断面长度为12m，全桥共分为17个断面。钢箱梁在钢厂分段预制，运输至施工现场进行分段组装。采用顶进施工方法，穿越郑州至Xi高速铁路及包Xi安上、下连接线，最终梁就位，总顶进距离达到230米，顶进施工示意图如图3所示。图1连续钢箱梁与既有线的相对位置图2钢箱梁典型截面图3钢箱梁顶进施工示意图2.1拼装顶进平台连接左线特大桥在16-20墩采用拼装顶进平台，钢箱梁拼装顶进平台基础为条形基础图4支撑平台2.2钢箱梁顶推施工时，导梁安装在第一节箱梁的前端。其作用是：1)减少钢箱梁顶推过程中前端悬臂状态的负弯矩；2)引导主梁上墩，便于主梁偏差的修正，保证施工精度。前梁总长度为26m，总质量为80t。导梁采用变高度工字钢，导梁与钢箱梁端及导梁段焊接。连接系统由400 mm2 00 mm2 8 mm2 13mm h型钢、350 mm2 00 mm2 8mm矩形管和两侧工字钢焊接而成。导向梁的结构如图5所示。图5导梁结构示意图2.3滑道系统滑道是保证钢箱梁顶推顺利实施的关键。滑道系统设置在承重垫石上，整个滑道梁系统由滑道梁装置、不锈钢板(焊接抛光圆)、滑块和四氟滑板组成，如图6所示。滑块位于钢箱梁底部与滑道梁之间，滑块顶面与钢箱梁底部之间设有橡胶，滑块底部与滑道梁之间设有四氟滑板。在推进过程中，由于钢箱梁与滑块之间的摩擦系数(0.75)大于滑块与滑道梁之间的摩擦系数(0.04)，钢箱梁和滑块在推力的作用下在滑道梁上一起向前滑动。在推动过程中，滑板和出口被刨成圆弧形斜坡，便于滑板进出。图6滑道系统2.4纠偏系统为保证钢箱梁在顶推过程中的定位精度，在钢箱梁上横向安装纠偏系统，滑道梁横向位置焊接支架，支架上安装水平千斤顶。在推进过程中，在钢箱梁顶板中间位置设置轴线标记，利用全站仪实时监控钢箱梁的横向位置。如果在顶推过程中发现钢箱梁横向偏移，立即联系顶推指挥人员进行横向偏移校正工作，用水平千斤顶将钢箱梁顶推回横向预设位置，以保证顶推施工的定位精度和安全性(图7)。图7横向纠偏系统2.5顶进设备钢箱梁顶进设备采用2台1000kN水平千斤顶与1台泵站并联，同时控制2台千斤顶以保证千斤顶同步，并在千斤顶前增加一根推杆顶进。滑道梁上设有推反力座，滑道梁上每隔1.9m设有一个反力钢板，滑道梁与滑道梁焊接连接，用千斤顶顶起支撑座达到推钢梁的目的。3顶推过程中的风险分析及控制措施钢箱梁顶推施工一旦发生风险事故，极易造成人员伤亡和不良社会影响。因此，施工前必须分析施工过程中的潜在风险。既要保证钢箱梁顶推施工的安全，又要避免施工对既有作业线的不利影响。正式施工前，应根据所采用的施工技术方案对施工过程中可能出现的风险进行识别和评估，对施工风险进行正确的评估和判断，并制定控制措施，积极控制施工风险，确保施工安全。通过施工风险分析，采取相应措施，确保钢箱梁顶推施工顺利完成，确保既有高速铁路正常运营。3.1风险源识别由于钢箱梁桥跨既有线顶推施工的特殊施工难点，施工中的风险需要结合现场调查和施工方案进行识别。施工前，由专家对施工过程中的潜在风险源进行筛选3)在大悬臂条件下，钢箱梁悬臂端的竖向支座反力较大，钢箱梁的一些板可能会发生局部屈曲。在施工过程中，应进行实时监控，密切关注钢梁关键部位的屈曲现象，发现后应及时采取加肋措施。4)钢箱梁施工顶推属于间歇顶推，会造成“爬行”现象，使支撑平台和桥墩受到反复冲击。在施工过程中，应不断调整墩顶滑道的标高，以减少对结构的影响。5)落梁过程中，墩顶可能存在过大的支撑反力，导致钢箱梁局部屈曲。落梁前，应根据施工设计加强支点截面。落梁时，确保每个墩柱千斤顶的下落进度一致，施工人员应密切注意梁底的变形。3.3既有铁路钢箱梁跨既有高速铁路的风险由于其施工的特殊性，必然会影响线路的运营，因此也存在一些潜在的风险。1)钢梁施工过程中，杂物可能会落在既有高速铁路线上，造成严重后果。施工方在钢梁进入既有高速铁路线路前，在桥面两侧安装护栏，防止杂物滚落，并派专人清理桥面杂物。2)钢箱梁顶推施工时，导梁挠度过大，导梁前端与接触线的安全距离达不到要求，将影响既有高速铁路的正常运营。在施工过程中，必须实时监控导梁的挠度，以确保导梁的前端处于安全距离。3)钢箱梁施工过程中，可能会无意中产生列车运行指令信号，影响既有列车的正常运行。因此，施工前应向施工人员普及相关知识，以免对设备使用造成干扰。3.4设施风险钢箱梁顶推施工有多种类型的设施。施工设施的安全是完成顶推的必要条件。因此，必须对各种重要的施工设施进行风险分析。1)施工平台作为施工过程中最重要的临时结构，必须在最不利条件下检查支撑的变形和整体稳定性，并定期观察基础沉降。2)侧向限位装置的突然失效可能导致钢梁在推进过程中产生较大的侧向挠度。推进过程中要密切注意各侧向限位装置，如有故障应及时更换。3)滑道梁的表面摩擦系数应满足顶力的设计要求，否则会造成顶起困难。在每一阶段推进操作之前，应重复使用润滑剂。4)如果施工中两个千斤顶不同步，钢箱梁也会有较大的横向偏差。施工前应对顶推设备进行全面检查，并进行2-3次试推，确保设备正常运行后，方可正式顶推。在推动操作过程中，必须有专人控制千斤顶制动器，并实时报告当前油压。顶推监控小组必须实时监控和报告钢箱梁的应变。推进现场负责人应控制当前施工中的所有信息，并随时发布进一步的施工指令。3.5在其他风险施工中，由于不可抗力和人为因素，会产生一些不可控制的风险因素。这些风险也可能对施工造成严重后果和不良社会影响，从而成为桥梁施工中不可忽视的一种施工风险。这就要求建设单位制定相关风险计划，合理处理相关冲突。同时，要求施工人员严格遵守相关合同计算表明，墩顶钢箱梁底板和腹板的冯米塞斯应力在允许范围内，但均超过200兆帕。隔膜的应力集中在反作用力位置，应力达到329兆帕，如图10所示。因此，有必要在钢箱梁的这个位置设置加强筋，以防止局部屈曲。图9钢箱梁节段有限元模型图10局部von Mises应力MPa 4.2变形监测变形监测包括平面线监测(轴线偏差)和主梁标高监测。平面线形监控测点布置在每根顶推截面钢箱梁轴线的中心和梁端的中心。全站仪观测轴线偏移值，并根据观测结果及时校正射束轴线。主梁每节有2个高程测量点，设置在腹板顶板位置。便于观察箱梁的横向变形和扭转变形。通过分析垂直变形监测数据得到其预拱度，并与模型计算分析进行比较，判断其预拱度设置是否合理。主梁和导梁的变形测量点如图11所示。图11钢箱梁顶推施工的变形测量点如图12所示，为顶推过程中主梁和导梁前端高程测量点的测量值和计算值的对比曲线。从图12可以看出，结构挠度的测量值与计算值基本一致。理论值与实测值存在偏差的主要原因是温度对钢箱梁挠度的影响。当顶进距离为77.2米时，即当到达22号墩前的导梁最大悬臂为46.2米时，导梁和主梁的左右标高偏差较大，说明此时结构处于扭转状态，也可能是钢箱梁的横向偏差造成的。在导向梁前端测得的最大挠度为218毫米，接近理论值8-9。图12顶推过程中结构变形实测高程值与计算高程值的对比在可控范围内，梁成功落到位，实现桥梁线形设计。4.3应力监测在全桥顶推施工有限元分析的基础上，得到了导梁和主梁的应力包络图。以应力较大的截面为试验截面，全桥共有8个试验截面。主梁的每个试验段均设有8个应力测量点，均沿桥梁方向布置。在主梁上总共需要12个应力测量点，其中6个应力测量点布置在主梁的顶板上，2个应力测量点布置在主梁端部的底板上，4个应力测量点布置在主梁端部的腹板上，应变测量点的布置如图13所示。在推进过程中，采集不同工况下各截面测点的应变，受空间限制。这里，仅给出了在整个推进过程中导向梁和主梁连接处的截面3和截面5的截面应力的应力变化曲线，如图14所示。从图14可以看出，计算值与测量值基本一致。同一截面上各测点的应力大小略有不同，顶板和底板的横向应力不对称。产生这种差异的主要原因是：1)钢箱梁在推进过程中的横向挠度或不均匀的横向应力导致梁体扭转；2)钢箱梁受非线性温度场影响。图13应变测点布置图14推压过程中典型截面测点的应力变化曲线从图14可以看出：推压过程中测得的最大拉应力为70.4MPa，位于截面5处，最大压应力为113.4MPa，位于截面5处。钢梁的应力不超过钢材的许用应力，结构安全。结论1)由于跨既有建筑的特殊性和高风险性参考文献：1刘。大型钢箱梁高位拼装及行走顶推施工技术J】。钢结构，2013，28 (11): 76-80。2刘建辉，王涛，轻舞，等.超大跨度城市钢箱梁高架桥安装施工技术J.钢结构，2012，27 (4): 66-6