汀泗河特大桥1-140m钢箱系杆拱拼装及无砟轨道施工技术

汀泗河特大桥1-140m钢箱系杆拱拼装及无砟轨道施工技术邓文洪1，李晓波1（1.中铁十一局集团第一工程有限公司，襄樊 ）摘 要：主要介绍武广客专汀泗河特大桥1-140m钢箱系杆拱原位拼装临时设施施工、钢箱系杆拱吊装技术、拼装前的准备工作，吊装及安装过程中应注意的事项。同时介绍了大跨度钢箱系杆拱桥无砟轨道设计特点，在无砟轨道常规施工方法的基础上，着重介绍了大跨度钢桥无砟轨道施工线型的确定、超测距轨道精调方法、过渡板（BWG扣件）质量控制要点，为类似结构无砟轨道施工提供了宝贵的经验。关键词：武广客运专线 汀泗河特大桥 1-140m钢箱系杆拱 拼装 无砟轨道 施工技术 1 前言随着当代工程技术的发展及钢材质量的不断提高，钢箱系杆拱桥的应用越来越广泛。此类桥型结构力学性能优良，同时造型优美，跨越能力大，在力学上为外部静定内部超静定体系，与混凝土梁桥相比，具有建筑高度低，一期恒载作用小等特点，在桥下净空要求较高且桥上受线路坡度限制时，还能减少引桥的长度。下承式钢箱系杆拱-混凝土桥面板半结合桥在目前已经建成的桥梁中跨度最大的是法国高速铁路地中海Avignon Sud钢箱系杆拱桥，主跨为124m。汀泗河主跨1-140m钢箱系杆拱建成后是世界上跨度最大的钢箱系杆拱桥，并且此桥跨越南北公路交通大动脉京珠高速公路，其施工的难度非常大，安全保障至关重要。同时该类桥型应用于高速铁路无砟轨道在世界上尚无先例，没有可借鉴经验。本文通过总结汀泗河特大桥1140m钢箱系杆拱无砟轨道施工经验，填补了这片空白，为类似结构无砟轨道施工提供了宝贵经验。2 工程概况2.1 1140m钢箱系杆拱汀泗河特大桥全长4.38Km，位于赤壁市泉口镇，其主跨1140m钢箱系杆拱于89#、90#墩处上跨京珠高速公路，与高速公路成30夹角，线路方向为直线。系梁高3.5 m，宽同拱肋均为2 m，两拱肋变截面平行布置，横向中心间距16 m，拱轴中心线型为二次抛物线，矢高30 m，矢跨比1/4.67，吊杆间距8m；全桥设5道横撑，横撑高度适应拱肋变化，全桥均用高强螺栓进行连接，全桥钢结构重约3642t。（如图1、2）图1 系杆拱示意图图2 系杆拱与高速公路位置关系实体照片2.2. 轨道本桥设计采用CRTS I型双块式无碴轨道，同时考虑到梁端竖向转角的影响，避免梁缝处轨道局部隆起，引起钢轨上拔或下压现象，在钢梁与预应力混凝土简支箱梁间设置了限位板、过渡板进行处理，限位板、过渡板轨道采用BWG扣件系统1，过渡板与限位板间设置竖向限位器。(如图3、4)图3 过渡板、限位板实体照片图4 过渡板、限位板间竖向限位装置3 1-140m钢箱系杆拱拼装施工技术3.1 施工总体安排3.1.1 施工总体方案本系杆拱桥系梁、拱肋采用原位拼装的施工方法。由于高速公路太宽，结合系梁的设计分段，为有效地利用系梁自身的刚度，系梁的拼装采用在临时支墩上半悬臂拼装。系梁的两桁不对称拼装，系梁的拼装分节亦有不同。在89#至90#墩间设置临时支墩，临时墩采用扩大基础，先在临时墩上从89#墩90#墩依次拼装系梁及系梁间纵、横梁。纵横梁体系拼装完成后，在系梁上拼装吊杆及吊杆间临时支撑，利用吊杆的自身刚度作为拱肋拼装平台，逐节拼装拱肋、横撑。在拱肋合龙后将临时墩从主墩往跨中方向拆除。临时墩布置如图5、6、7所示：图5 汀泗河桥临时墩布置图图6 临时支墩纵断面布置图图7 临时支墩现场实体照片整个系杆拱全部采用大吨位履带吊进行拼装。在拼装过程中要交替封闭高速公路的左右半副车道。钢梁用平板车运输到高速公路桥位下，直接在平板车上检查、预拼，合格后大吨位履带吊直接提升架设。为保证系杆拱正常施工过程中高速公路的畅通，在施工区域下方，设置全封闭的防护装置，净空高度不小于5.5米，保证行车带无坠物，无污水，确保行车安全。 3.1.2 准备工作（1）方案的制定及评审 制定详细的实施性施工组织设计（含施工方案）及京珠高速公路保通方案，并报设计院、监理、甲方单位进行审批，有必要时需组织有关专家进行评审，确保方案的可行性、安全性，务求方案的完美。同时京珠高速高速公路保通方案的顺利评审也为后续与高管部门接洽的高速公路占道施工审批做好铺垫。（2）占道施工征得高管部门许可根据施工方案制定高速公路占道施工计划，与高速公路路政及交警部门协商，并签订“湖北省京珠高速公路施工作业警路联合审批表”、“湖北省京珠高速公路施工作业许可证”、“湖北省京珠高速公路施工作业安全管理协议书”等占道施工许可文件，同时处理好与高管部门的关系，为占道施工安全管理打下基础。（3）安全培训施工前，应请高速公路交警部门对参建的员工及安全防护人员进行安全培训，尤其是占道封闭转换时的作业程序及注意事项，确保施工安全有序。（4）物流组织由于涉及超重超限构件运输，因此在施工前需调查好线路，由于国道弯多，交通控制困难较大，且桥梁限重普遍较低，因此我部选择直接从京珠高速公路运至施工现场，并对沿线涵洞、跨线桥、收费站进行了调查，确保运梁平板车能够通过，同时出于安全考虑，超限构件运输时请了交警进行押道。3.1.3 人员机具设备（1）施工现场主要施工设备一览表主要在于施工拼装主吊车的确定，通过角度及臂长计算，确定吊车吨位，同时考虑到由于夹角过小原因，轮式吊车在高速公路上伸展不开，为此选用机身较短的履带吊。施工现场主要施工设备如表1所示。表1 主要施工设备配备表序号机械名称及规格单位数量说 明1M999式250t履带吊台1钢梁拼装250t汽车吊台1钢梁拼装325t汽车吊台2临时结构拼装250t平板车台1钢梁倒运4高栓试验设备套15电动扳手套3用于高栓施拧6表盘带响扳手套1用于高栓施拧7油漆施工设备套18200t千斤顶台4拱肋合拢（2）施工人员配置计划钢梁架设作业队分为钢梁预拼、钢梁架设、高栓施拧及检查、机电、油漆等。各类作业人员均选用熟练工人。 具体人员配备情况如表2所示。表2 施工人员配备表作业项目人员配置备注临时工程30支架拼装和拆除钢梁运输10预拼作业10兼钢梁倒运架设作业20分两个班架设高栓施拧及试验16分4个作业组涂 装8补铝、补漆3.2 施工工艺步骤和控制标准3.2.1 施工步骤临时设施施工高速公路防护网吊装系梁悬臂拼装吊杆及吊杆间横向联系吊装拱肋及横撑吊装体系转换3.2.2 临时设施施工（1）施工场地回填并压实89#90#墩间原地面，使其高程与高速路面相同，同时临时拆除高速公路两侧波形栏杆和中央绿化带，以利于构件运输车可直接从高速公路进入施工区，同时为吊车吊装作业提供通道。（2）临时支墩及基础施工临时支墩基础采用钢筋混凝土扩大基础有三类：A类扩大基础：5m6m；B类扩大基础：3m6m，；C类扩大基础：3.75m5m。临时支墩采用钢管进行搭设：80010（2#、3#、4#、5#、7#、8#、9#、10#），用于A、C类扩大基础；46810（6#）、用于B类扩大基础；53012（1#、11#），用于B/类扩大基础。临时支墩及基础在施工前均要进行受力检算。临时支墩受力检算：钢管柱的最大应力横+竖max=103.92MPa , 纵+竖max=84.84MPa满足规范要求。扩大基础验算：3#墩地面最大压应力最大，为171.08KPa，小于地面承载力180KPa；高速公路最大压应力为281.19KPa，小于高速公路路面承载力300KPa。基础配筋抗弯验算、抗冲切验算、局部承压验算局部承压均要满足规范要求。基础沉降计算：计算得到的总沉降量为2.9mm。3.2.3 高速公路安全防护平台的施工为确保交通安全，钢箱系梁拱采用全封闭施工，施工前在系梁下方、高速公路上方搭设拼装平台。全封闭防护采用4008钢管作立柱，在高速公路两侧的立柱基础顶面与原地面平，在中央隔离带两侧的立柱基础露出高速公路路面1.2m，防止行车直接碰撞钢管立柱致使防护坍塌。采用I56工字钢为横梁，I10工字钢为纵梁，纵横梁间采用U型螺栓绞接，梁上满2cm厚钢板，顶面设置双面排水坡度为4。延高速公路方向两边各设置1m高挡板，防落物反弹掉入高速公路。3.2.4 系梁架设步骤一：利用大型汽车吊拼装A、B桁拱脚。步骤二：在桥位下方先将系梁节段L1、L2拼装成整体,利用大型汽车吊在临时支墩上整体拼装系梁节段L1+L2，此时B桁系梁L2节段处于悬臂状态。步骤三：在桥位下方先将系梁节段L3、L4拼装成整体,利用大型汽车吊在临时支墩上整体拼装系梁节段L3+L4，此时A桁系梁L4节段处于悬臂状态。步骤四：在桥位下方先将系梁节段L5、L4拼装成整体,利用大型汽车吊在临时支墩上整体拼装系梁节段L5+L4，此时A桁系梁L4节段处于悬臂状态。步骤五：在桥位下方先将系梁节段L3、L2拼装成整体,利用大型汽车吊在临时支墩上整体拼装系梁节段L3+L2。步骤六：利用大型汽车吊悬臂拼装系梁节段L1、广州侧拱脚，至此系梁全部安装完成。3.2.5 拱肋、吊杆架设步骤：为减少临时工程量，拱肋拼装支架准备利用主体结构的吊杆作为施工期间的临时压杆。系梁拼装完后在系梁上设置拱肋吊杆并将吊杆局部加强且连成整体，分段安装拱肋、横撑，直至拱肋合龙。具体施工步骤如下：系梁拼装完成后，交错封闭左右半幅高速公路利用大型汽车吊安装系梁位置对应的吊杆。安装吊杆纵横向联结支架。对称安装各节段拱肋。 安装过程中，要及时安装好横撑 如此循环，直至安装到合龙段。根据合龙时安装温度，确定合龙段长度。快速、精确地进行拱肋合龙；单肢合龙应尽量减少作业时间。合拢困难时，可采用千斤顶对拉、对顶等辅助措施。安装中间的横撑。安装过程中，严格按照要求对拱肋进行应力和变位监控。3.2.6 体系转换整体体系转换之前，需将全桥的标高及轴线进行复测，并将其与转换之后的结果相对应。同时拱肋上装有的应变计初始应变数值记录下来，每拆除一组临时墩时都要进行详细的应变测试，得出相应的结果，指导下部施工。临时支墩卸载分三组进行：第一组为1#、6#、11#临时支墩；第二组为2#、5#、7#、10#临时支墩；第三组为3#、4#、8#、9#临时支墩。 每组临时支墩卸载时需同步进行。体系转换时采用气割按卸载顺序分别进行卸载。气割时，将垫座以每刀6mm的速度逐步缓慢割开。3.3 工期安排与功效分析本桥原计划2008年8月16日开始吊装，11月14日合拢，实际为2008年9月25日开始吊装，12月25日合拢（见表3）。表3 1140m钢箱系杆拱拼装施工主要工序工效对比表序号工序原施工计划实际施工天数起止日期天数（天）起止日期天数（天）1系梁吊装8月16日9月28日449月25日11月21日582吊杆及吊杆间横联9月29日10月20日2211月24日12月25日323拱肋及横撑10月22日11月14日23合 计：8990通过“表3”可以看出，实际吊装开始日期较计划晚了一个半月，主要原因为主桥所需的钢材数量大，且恰逢钢材涨价高峰期，同时钢材检验指标多，短期内一个钢厂无法及时供应，后来通过紧急补救，跟3家钢厂签订了供货协议，才确保了钢材的供应。其次本桥于9月25日开始吊装武汉方向两榀拱脚，接下来一直到11月24日才开始吊装第一节系梁，期间28天时间没有进行吊装作业，其主要原因为：（1）钢材供应不及时，造成厂家加工滞后，是此次延期的主要原因。（2）与施工单位、监控单位的协议对具体职责划分不明确，在开工初期出现了磨合不好的现象。综上所述，排除异常因素，工序合理衔接，实际吊装工期仅需62天。3.4 施工要点及注意事项3.4.1 钢箱梁在出厂前要经过试拼装钢箱系杆拱在厂内试拼装之前按照实际桥形测量出平面位置,以保证预拼线形与实际施工后的线形相同。拼装时充分考虑气温、气压及各种影响测量和钢材物理性能的因素;各节段吊装后,严格检查对接的情况,及时整治存在的问题,以免和实际桥形出现偏差。试拼装时注意各节段在吊装、移位过程中,要采取有效地防变形措施。3.4.2 各构件吊装应注意的事项(1)系梁的架设：由于温度变化引起系梁长度的伸缩，在系梁架设时先固定固定支座，活动支座暂不固定，并从固定支座往活动支座方向拼装系梁，以保证梁的伸缩往活动支座方向进行。待系梁及纵横梁拼装完成后，固定活动支座。(2)钢箱拱吊装顺序主拱安装顺序为：拱肋与拱脚的连接段检查对称吊装拱节段（同时安装拱肋之间横向联系）拱顶段合拢安装拱顶之间横向联系。拱肋安装顺序见图8。图8 拱肋安装顺序图(3)钢箱拱吊装吊机起吊钢拱肋并运行至安装位置，落钩要保证节段的平稳下降，并调整钢箱上下端高差，使之符合安装角度；在待装段下端与已装段的上端顶面接近时，用长拉杆螺栓进行初定位，测量钢箱拱肋坐标，按照监控单位对拱肋的监控指令通过支撑顶部可调的定位装置将节段准确定位并固定于支撑上，再安装高强螺栓进行节段连接。(4)合拢段的施工确定合拢时刻，准确对位，快速合拢。合拢时尽量安排在白天进行，为防止温度过高，采用降温措施。在靠近合拢段的左右两个拱肋支墩上布置有200t竖向及横向千斤顶，可以调整合龙段两侧钢箱拱肋的位移和转角，保证顺利合龙。拱肋拼接板采用一边工厂钻孔，另一端现场钻孔。合龙时根据实际合龙距离，在拼接板另一端现场钻孔，保证拱肋顺利合龙。(5)拱肋横撑施工起吊横撑，置于安装在支架顶调位支撑上，精确调整就位后，与拱肋栓接连接。3.5 钢箱系杆拱施工过程中有关监控措施3.5.1位移监测和线形控制应力线形（位形）控制的最终目标是保证桥面的整体标高和局部平顺性，使成桥后主梁的标高满足上述两方面的要求。桥面的实际桥轴线与理论桥轴线的偏差应符合设计和桥梁工程质量评定标准等要求。两端桥墩顶部各布置4个位移测点，使用精密水准仪定期测量，用于监测桥墩的沉降，以确定拱座基础是否有位移。3.5.2内力和温度监测应力状况监测的目的主要是观测钢箱系杆拱桥在各个施工阶段的应力变化情况，以便与理论计算值进行比较，对结构的实际状态作出合理的判断，如有问题及时采取适当的补救措施；温度监测的部位主要集中在主拱肋钢箱和系杆，以获得与线形和位移相对应的结构温度，为控制的理论分析提供可靠的温度值。温度场测试采用自带温度测试功能的钢弦式应变计。4 1140m钢箱系杆拱无砟轨道施工技术4.1 1140m钢箱系杆拱无砟轨道施工特点4.1.1 无砟轨道线型受荷载变化、温度变化影响 在整个无砟轨道施工过程中，钢箱系杆拱桥随着桥上二期恒载、施工荷载等荷载的变化均会产生变形；同时由于本桥主结构均为钢结构，温度变化也会产生相应变形，从而影响到无砟轨道的线型。因此在无砟轨道施工过程中，需综合考虑此两方面的影响。4.1.2 轨道精调超出仪器测距由于钢桥随荷载、温度变化而产生变形，位于桥上的CPIII控制网点亦随钢梁变形产生位移，不能作为轨道精调控制点，同时也不能在钢桥上进行设站测量，而目前采用GEDO、AMBERG GRP1000s精调小车的精测距离均要求不超过70m（GEDO70m、AMBERG GRP1000s65m），钢梁全长143m，已超出了轨道精调测距，轨道线型保障存在难度。4.1.3 BWG扣件系统过渡板及限位板采用BWG扣件系统，BWG扣件由预埋在现浇混凝土内的套筒及轨垫板、扣件等组成，与CRTS I型双块式轨枕相比，双块式轨枕两个承轨槽间采用钢筋桁架进行连接，相对较固定，而BWG扣件系统两侧轨垫板均为独立系统，在施工过程中，每单位BWG扣件系统极易随钢轨转动或摆动，轨底坡及轨距难以保障。（见图9）图9 过渡板及限位板所采用的BWG扣件4.2 施工采取的技术措施4.2.1 无砟轨道施工线型的确定4.2.1.1 设计线型为保证高速列车平稳运行和乘坐舒适度，系杆拱上无砟轨道需设置一定的预拱度，综合考虑各种情况，预拱度按实际列车、单线、全桥均布荷载进行计算和拟合。设计院采用CRH3型列车荷载进行计算并进行拟合，得出轨道设计线型：桥梁中部40m范围内抬高量为4.5mm，自梁端至50m处抬高量按线性变化，不设竖曲线，钢轨自然弯曲即可。（如图10）图10 1140m钢箱系杆拱无砟轨道设计线型4.2.1.2 桥上荷载变化产生的下挠根据施工工序安排，无砟轨道道床板施工时，二期恒载尚未加设完成，同时施工荷载作为临时荷载需要清除，要想保证轨道最终线型符合设计要求，则必须对桥上荷载影响进行检算，并做预留拱度处理。同时考虑到钢桥实际状态较理论状态存在偏差，为减小理论计算与实际状态的偏差，对大部分二期恒载进行仿真加载处理，并加强观测，以观测结果与计算结果相对应，并修正计算结果。（1）仿真加载根据计算，目前桥梁二期恒载欠载1438.7t，我部利用堆码砂袋等方式对全权进行均匀加载，施工荷载由于属临时荷载，也计入加载重量，共计738.68t（含砂袋加载、施工荷载、已铺设钢筋、轨枕、工具轨），欠载700.02t。加载前后进行观测，并将观测下挠与理论计算对比如（表4）。表4 1140m钢箱系杆拱仿真加载下挠对比表序号里程左线右线理论下挠差值加载前加载后左线下挠加载前加载后右线下挠左系梁右系梁左线右线1DK1289+860.3 0002DK1289+869.82 51.7733751.771831.5451.7697451.768920.820.7160.9770.8240.1043DK1289+880.62 51.7374351.734233.251.7268851.723723.161.8522.3651.3481.3084DK1289+894.32 51.6836251.678684.9451.6479551.642945.013.5384.1761.4021.4725DK1289+910.32 51.6149751.608056.9251.6086651.601017.655.5265.9871.3942.1246DK1289+924.02 51.5312251.524826.451.5529751.545927.056.5946.722-0.1940.4567DK1289+936.62 51.4982351.490877.3651.4918551.483768.096.5586.4220.8021.5328DK1289+950.32 51.4473751.440217.1651.4393651.432347.025.5335.0511.6271.4879DK1289+966.32 51.383251.378095.1151.377551.372524.983.6452.9191.4651.33510DK1289+980.02 51.3150451.311843.251.306551.30362.91.8881.3431.3121.01211DK1289+990.82 51.2481851.24720.9851.2536651.252880.780.7490.4760.2310.03112DK1290+000.3 000从上表可以看出实际下挠较理论值大了12mm，经分析存在可能原因如下：a、钢桥拼装时，铆栓孔中存在3mm间隙，加载后吃掉间隙造成下挠过大。b、加载重量统计的误差及加载的不均匀不对称均有可能造成下挠过大。同时亦可得出结论，理论计算结果存在一定差距，但数据基本可靠，在施工中可参考做预留处理。（2）理论计算根据加载情况，尚欠二期恒载700.02t（含道床板混凝土）。根据工序安排，确定I、II道施工线型计算工况：I道施工线型计算工况1：尚欠二期恒载（不含道床板混凝土）I、II道道床板混凝土荷载II道施工线型计算工况2：尚欠二期恒载（不含道床板混凝土）II道道床板混凝土荷载根据计算得出理论因荷载情况应预留的拱度为工况1最大为5.01mm，工况2最大为2.95mm（如图11）图11 各工况计算预拱度4.2.1.3 施工线型确定施工线型由设计线型与计算所得的各工况对应预拱度进行叠加，则I道施工时最大预拱度为9.5mm，II道施工时最大预拱度为7.4mm。（如图12）同时考虑到加载时理论计算值与实测值间存在12mm误差，且无砟轨道静态精调时调高较调低空间大，无砟轨道施工时预拱度做预留3mm处理，即I道施工时最大预拱度为6.5mm，I道施工完成通过复测，基本与理论计算线型吻合，因此II道施工时同样做3mm预留。图12 1140m钢箱系杆拱无砟轨道施工线型4.2.2 超测距测量精度控制时速350km/h客运专线施工精度要求平面与高程与设计偏差2mm内，超高1mm。要在随荷载及环境变化的钢桥实现高精度要求，测量方式的选择及环境的选择至关重要。4.2.2.1 测量方法由于钢桥上4个临时过渡CPIII控制网点随钢桥变形而变化，因此该4个点不能作为测量基准，因此仅能分别在两端简支箱梁上设站，利用简支梁上CPIII控制网点对钢桥上无砟轨道进行对测，设站时必须有1对CPIII控制网点位于设站位置前。同时由于测量距离已经超出了仪器的测量范围，为保证轨道平顺，在两端设站对测时对跨中20m范围进行搭接复核，如果复核搭接区平面、高程偏差在2mm范围内，则表明两站搭接情况良好，可以进入下步施工，如过搭接区偏差超过2mm，则需重新设站重新调整线型。4.2.2.2 测量环境同时考虑到温度对钢桥的影响，为保证桥梁施工控制测量期间全桥的稳定性，应选取夜间温度变化最小的时段进行无砟轨道铺设前的轨道精调，同时精调时桥上停止一切施工。4.2.3 BWG扣件系统固定由于BWG扣件底部塑料垫板容易变形，在施工过程中很难保证其水平并固定，因此我们在施工过程中采用与垫板等厚的钢板进行代替，钢板与底部预埋套筒利用锚固螺杆拧紧密贴。为保证轨底坡不被改变，可利用钢板是否水平来进行检测。同时由于BWG扣件系统对于左右轨相对独立，使得采用BWG扣件范围内的轨道没有横向约束，极易发生扭转，造成轨距、超高均合格的假象，因此在轨排组装时需采用轨距撑杆加密进行锁定，间距2根轨枕，同时为减少轨距撑杆加工间隙对轨道的影响，每处设置两道撑杆，一道撑，一道拉，以确保轨距在允许误差范围内且扣件底部钢板处于水平位置。4.2.4 静态调整 无砟轨道施工完成后，待二期恒载全部施工完成，临时施工荷