高速铁路大跨度中承式钢箱拱非对称转体施工工法.doc

高速铁路大跨度中承式钢箱拱非对称转体施工工法中铁十七局集团有限公司廖文彬 黄树彬1 前言随着我国高速铁路网的迅速发展，在高速铁路施工过程中经常会遇到线路交叉问题，一些跨度大、结构新颖、线形美观的各种新型桥梁随即发展。中铁十七局集团有限公司针对高速铁路大跨度中承式钢箱拱桥跨越高速公路转体施工难题进行研究，在总结京沪高速铁路108米中承式钢箱拱非对称转体施工技术的基础上，形成本工法。该工法在质量控制上达到国家、铁道部及相关行业标准，采取合理的安全和环境保护措施，在经济、社会、节能、环保方面取得了显著效益。经山西省科学技术情报研究所的查新，未见在中承式钢箱拱桥转体施工过程中与本项目综合技术特点完全相一致的公开文献报道。2011年9月21日京沪高速铁路108米中承式钢箱拱非对称转体施工技术经山西省科技厅科技成果鉴定，总体达到了国际先进水平。2 工法特点2.1减少施工干扰。钢箱拱对称拼装、一次转体到位，拼装和转体施工过程中不影响桥下高速公路运营。2.2提高工程安全质量。采用撑脚支承转体装置，钢箱梁梁体在转体过程中运行平稳、安全可靠；采用索塔体系，钢箱梁梁体质量和线形容易控制；采用新型不平衡称重方法，准确计算配重大小和配重位置，效果显著，保证了非对称结构转体的稳定性和安全性，解决了非对称转体结构平衡的难题。2.3降低施工成本。采用抗倾覆稳定性能好且节省经济投入的撑脚支承转体装置，与球铰结构相比，节约了施工成本。2.4加快施工进度。开发的相对空间坐标数据处理软件，能够实时显示测量偏差值，极大提高了钢箱拱拼装的工效。且转体设备自动化程度高，循环周期短，施工进度快。3 适用范围本工法适用于公路和铁路位于有通车、通航要求及峡谷地带时大跨度、小吨位的中承式钢箱拱桥平面转体施工，转体施工不受季节影响，但风力大于级时不适宜进行转体施工。本工法尤其适用于高速铁路施工时线路平顺性要求高的施工，解决了中承式钢箱拱桥线形控制难度大的难题。 4 工艺原理本工法的施工工艺原理是在桥梁桩基础上施工下转盘，下转盘上设置环形滑道、中心限位装置预埋件、千斤顶反力座和牵引索反力座，在环形滑道上对称安装承重撑脚和防倾覆撑脚，中心限位装置上安装中心限位销。将撑脚和中心限位装置锚入上转盘，通过精轧螺纹钢、临时支座和临时撑杆将钢拱脚与上转盘进行刚性连接，平行于需要跨越的铁路、公路、水路两侧拼装钢箱拱。在钢箱拱上安装索塔临时扣挂体系，并与吊杆张拉配合，通过调整扣索和吊杆拉力，使钢箱拱与拼装支架脱离，形成转体结构。在对称的两个牵引索反力座上安装连续千斤顶并通过牵引索与转台相连，启动千斤顶，形成力偶，将转体结构精确转动到预定的角度后，封固上下转盘，并在中跨实现合拢。5 施工工艺流程及操作要点5.1 工艺流程具体施工工艺流程详见图5.1-1。5.2 操作要点5.2.1下转盘施工下转盘为支承转体结构全部重量的基础，转体完成后与上转盘形成拱脚基础。下转盘上设转体装置的中心限位销孔、撑脚环形滑道、牵引反力座及转体拽拉千斤顶反力座，下转盘详见图5.2-1。下转盘混凝土分三次浇筑，第一次混凝土浇筑前将下转盘滑道骨架、销轴支撑骨架调平安装到位。第二次混凝土浇筑时安装下转盘滑道钢板、销轴预埋件、牵引索反力座和千斤顶反力座预埋钢筋。第三次浇筑牵引反力座和千斤顶反力座混凝土。1滑道和销轴预埋件安装滑道由滑道支承骨架、调高螺栓、滑道钢板和滑道不锈钢板组成。滑道钢板采用厚24mm、宽1.16m的钢板。转体时撑脚在滑道内滑动，为保持转体的结构平稳性，要求控制整个滑道面相对高差不大于2mm。下转盘施工安装承重撑脚及中心限位装置上转盘施工安装防倾覆撑脚安装钢拱座及拱脚钢横梁拼装钢箱拱灌注、顶升拱脚和边拱肋内混凝土临时固结上转盘和钢拱座安装索塔、扣索及施加平衡重第一次张拉扣索安装、张拉部分吊杆使部分支架脱架搭设支架第二次张拉扣索安装张拉部分吊杆使支架完全脱架转体及监控转体就位安装牵引系统、助推系统安装限位装置合拢安装张拉剩余吊杆吊杆力调整拆除索塔体系图5.1-1 转体施工工艺流程图 图5.2-1 下转盘结构图为保证施工精度，在现场安装时先预埋滑道支撑骨架和销轴预埋件支撑骨架，第二次浇筑下转盘混凝土时再安装滑道钢板和销轴预埋件。为保证支承骨架的安装精度，在承台范围内搭设钢管脚手架，作为支撑骨架的承重结构，骨架利用吊车整体吊装就位，用电子水准仪调整顶面高差在±2mm以内后将其与支架焊接牢固。2铺设不锈钢板不锈钢板应水平放置，与滑道钢板密贴，转体启动位置和终点位置的高程相对误差不得大于0.5mm，同时任意2m范围内的平整度为±0.2mm。在下转盘混凝土浇筑完成后清理滑道钢板面上的塑料薄膜和混凝土残渣，用抛光机除锈后，用全站仪精确定位滑道中心后开始铺设不锈钢板。采用十字线定位法定位不锈钢板位置，使用精密水准仪测量钢板顶面标高，采用贴条的方法将标高调至设计要求范围内，最后用压弧焊的方法保证其与滑道钢板密贴。5.2.2撑脚和中心限位装置安装1承重撑脚安装撑脚按承重撑脚和防倾覆撑脚设计：承重撑脚对称分布于纵向轴线两侧，用于支承转体结构的全部重量；防倾覆撑脚对称分布于横向轴线两侧，用于在突发情况下对转体结构的稳定性起到保护作用，增加转体施工的安全系数。中心限位装置是转体结构的轴，保证结构在转动时保持同心转动。承重撑脚为双圆形钢管柱，下设钢走板，钢板下设四氟乙烯滑动片。在不锈钢走板安装完成后即安装承重撑脚。安装前先将不锈钢走板顶面清理干净，测放出撑脚位置，在钢板面撑脚范围内涂满黄油聚四氟乙烯粉。聚四氟乙烯滑片在工厂内进行制作并安装完成，安装时用精密靠尺量测控制聚四氟乙烯滑动片的平面度为0.4mm，在滑片间涂抹黄油聚四氟乙烯粉，使其均匀的充满滑动片之间的空隙，并略高于顶面，涂抹完后立即安装，每安装完成一个撑脚立即用胶带缠绕密封上下吻合面，防止泥沙杂物进入。2中心限位装置安装中心限位装置包括中心限位销和限位支撑。销轴表面粗糙度要求为12.5m。限位销轴支撑钢筒采用十字线定位法控制转动中心轴的安装误差:顺桥向±1mm，横桥向±1.5mm。销轴安装前先将销轴套筒清理干净，并在预埋套筒与销轴之间填充满黄油聚四氟乙烯粉，使用吊车将销轴放入下转盘预埋套筒中，安装过程保持匀速以便排除套筒内空气。然后进行中心限位支撑的安装。安装前先将盘面钢板顶面清理干净，并将球面吹干。聚四氟乙烯滑片在工厂内进行制作并安装完成，安装时用精密靠尺量测控制聚四氟乙烯滑动片的平面度为0.4mm。在中心限位支撑钢板底面滑动片之间的空隙上涂抹黄油聚四氟乙烯粉，略高于顶面，涂抹完后立即安装。采用十字线定位法将转动中心轴调至设计位置，控制其误差:顺桥向±1mm，横桥向±1.5mm。中心限位支撑精确定位并临时锁定限位后，用胶带缠绕密封上下吻合面，严禁泥沙杂物进入。撑脚和中心限位装置布置如图图5.2-2所示。图5.2-2 撑脚和中心限位装置布置图5.2.3上转盘施工上转盘是转体的重要结构，在转体过程中形成一个多向、立体的受力状态。转台是中心限位支撑、撑脚、临时支撑与上转盘相连接的部分，又是转体牵引力直接作用部位。转台内预埋转体牵引索，预埋端采用P型锚具。上转盘结构详见图5.2-3。图5.2-3 上转盘构造结构图1临时支撑转盘下临时支撑转体前支承上转盘以上全部重量，为避免转体前上转盘及其上全部重量施加于撑脚而使聚四氟乙烯片长期受压而变形，在上转盘下设置临时支撑。临时支撑应始终处于压应力状态，待转体前再将其解除。2安装牵引索每个转盘设有两束牵引索，牵引索的一端设P锚，在上转盘砼灌注前预埋入上转盘内，同一对索的锚固端在同一直径并对称于圆心，每根索的预埋高度和牵引方向应一致，每对索的出口点对称于转盘中心。3防倾覆撑脚安装防倾覆撑脚由钢管组成，钢管下设钢板。防倾覆撑脚和上转盘底部焊接，与滑道钢板间留有10mm空隙，在转体过程中既不影响转体的顺利进行，又可在突发情况下对转体结构的稳定性起到保护作用。4临时固结预埋件安装在上转盘混凝土施工时注意预埋与钢拱脚临时固结所需的精轧螺纹钢和撑杆法兰盘。5.2.4钢箱拱拼装1支架拼装支架基础采用换填基础或桩基础，支架采用钢构件拼装而成。支架拼装分成二个阶段，第一阶段拼装主纵梁部下部支架，第二阶段拼装主纵梁部上部支架。先拼装靠近高速公路一侧的支架，后拼装外侧支架。2拱梁拼装拱梁采用两台QY130H汽车吊在拼装好的支架上吊装，按照钢箱梁各节段组装焊接。钢箱拱拼装分成二个部分，第一部分为钢箱拱拱肋及K撑、横撑的拼装，第二部分为主纵梁、小纵梁及横梁的拼装。钢箱拱主梁及拱肋节段吊装按照“由上至下、由内到外”的顺序组织施工，桥面系的吊装顺序服从主纵梁的吊装顺序。拼装阶段线形控制的难点在于如何能快速准确的将待架节段的轴线和标高调整至设计位置。施工过程中采用直接测量其几何中心的三维坐标，引入以设计节点N为原点以拱肋轴线为北方向的独立坐标系，通过坐标系的旋转和平移，把实测节点N的施工坐标归算到独立坐标系下，运用开发的相对空间坐标数据处理程序，实时显示其偏移量的大小和方位以及高程的差值，达到了钢箱拱快速准确定位的目的。5.2.5灌注、顶升拱脚和边拱肋内混凝土由于转体结构中跨重量大于边跨重量，重心位置偏离拱脚中心，为达到减小配重的目的，需要利用结构的自重。边拱肋内混凝土主要作为转体时平衡重，施工时支架不拆除。施工顺序为：先灌注钢拱座内混凝土，然后顶升边拱肋顶升段混凝土，最后灌注边拱肋端部混凝土。钢箱拱边跨肋内混凝土顶升过程中由专人随时通过锤击法了解混凝土的压注进程和上升端高程，以调整混凝土的压注速度，使两端的混凝土面高差保持在1m范围以内，防止钢箱拱偏压位移。压注过程中，由测量人员对钢管拱的1/4跨、1/2跨、3/4跨处进行定点观测，随时掌握混凝土压注过程钢箱拱的变形情况，压注过程中要保持慢速、均匀、对称、低压的压注状态。5.2.6上转盘和钢拱座临时刚性连接上转盘顶面设置有支座，支座上为上部钢结构。为克服不平衡弯矩并将扭转力矩传递给上部结构，必须将上转盘与上部钢结构进行刚性连接。上转盘与上部钢结构的临时刚性连接布置形式如图5.2-4所示。图5.2-4 上转盘与上部钢结构临时刚性连接5.2.7索塔体系施工索塔体系由索塔、扣索及连接件组成。索塔利用主纵梁为基础，直接在墩顶主纵梁处设置索塔，索塔采用钢构件组装，索塔为压弯受力结构，索塔底部采用铰接。扣索采用分离式扣索，扣索可选用钢绞线，采用单端张拉。由于扣索的张拉引起扣索在竖平面内角度的变化，扣索张拉端采用铰接。中跨扣索一端锚固在索塔上，另一端锚固在主拱肋拱肋顶部；边跨扣索一端锚固在索塔上，另一端锚固在边跨主纵梁顶部。每束扣索采用钢绞线单根安装，安装时在索塔顶部施做一个施工平台，利用人工将每根钢绞线从索塔锚固点穿过，另一端穿过张拉端锚固点。索塔、扣索结构示意图如图5.2-5。图5.2-5 索塔、扣索结构示意图5.2.8脱架1第一次张拉扣索边跨梁端平衡重安装达到设计值时即可进行第一次扣索张拉。每个转体结构采用4台400t千斤顶同时张拉扣索，在张拉中跨扣索和边跨扣索时通过边跨扣索和中跨扣索的张拉力成线性关系，来控制两侧千斤顶不同的张拉力，以保证索塔的稳定。当扣索应力达到设计值后，安装两根G5、G4吊杆并施加预应力，梁上支架及边跨梁端支架脱架，但不拆除支架，然后安装中间一根G3吊杆并施加预应力。2第二次张拉扣索第2次张拉扣索达到最终设计值时，再安装两根G2、G1吊杆并施加预应力，支架1、5、6脱架及梁上支架脱架，拆除梁上支架。3配重转体结构形成过程中需要监测脱架过程中撑脚应力及该处的位移，从而精确计算配重的大小和位置，达到准确控制结构偏心距的目的。4形成转体结构利用千斤顶使支架2、3脱架，形成转体结构。拆除支架时先取下7、8支架上的“鞍座”和支架顶上纵横垫梁，然后拆除支架。拆除时遵循“由外到里、由上至下”的原则。转体结构的形成过程如图5.2-6所示。图5.2-6 转体结构的形成过程示意图5.2.9转体1转体系统安装主牵引系统的千斤顶安设前在牵引反力座后方搭设支承托架，支承托架的高度以保证牵引钢绞线其轴心处高度与上转盘预埋钢绞线处固定受力点高度一致为原则。千斤顶准确就位后，将预埋钢绞线按照预埋次序穿入连续顶推千斤顶。为稳妥起见，在承台上的千斤顶反力座和上转盘撑脚之间安装3台YCW100A型助推千斤顶，作为初始起动牵引的动力储备。使用过程中，千斤顶头始终用楔型垫铁使其与支撑柱紧贴，使千斤顶的顶推方向与撑脚的切线方向一致。2试转试转时做好以下两项重要数据的测试工作：1）每分钟转速，即每分钟转动主桥的角度(角速度)、悬臂端所转动的水平弧线距离，即将转体实际转动的角速度、线速度控制在设计要求范围内。2）控制采取点动式操作，测量组测量每点动1次悬臂端所转动水平弧线距离的数据，为转体初步到位后，进行精确定位提供操作依据。3）转体运行中，先让辅助千斤顶达到预定吨位，启动动力系统设备，并使其在“自动”状态下运行。每座转体使用的两对称千斤顶的作用力始终保持大小相等、方向相反，以保证上转盘仅承受与摩擦力矩相平衡的动力偶，无倾覆力矩产生。5.2.10合拢1合拢时间的选定根据设计要求，合拢施工时的气温应在15±5内。为了掌握一天内温度变化及合拢间隙变化规律，在合拢前3天进行24h的温度观测记录。根据观测结果选定合拢时间。2合拢段长度的调整由于温度对钢结构的影响大，在钢箱拱转体结构标高调整好后对固定点位进行24h连续观测，以确定温度变化与合拢间隙的关系。根据观测结果计算确定合拢段的实际长度，在场内修整完成后再进行合拢段的吊装。3线形调整通过2种方式进行线形调整：边跨梁段前端施加配重；根据设计指令值依靠索力进行调整；轴线调整通过手拉葫芦对拉来实现。线形调整满足要求后，立即将合拢桁架锁定，此时合拢桁架的作用是使两个悬臂端在高度方向上同步变形，而顺桥向还可以自由移动，即只承受剪力，不承受轴向力。合拢桁架锁定完毕，对梁段标高、偏位、温度、索力、索塔应力、钢箱梁应力、合拢口不同部位长度进行中跨合拢前48h连续测量，绘制出钢箱梁长度与温度变化的时间曲线。根据测量资料，选择某一相对稳定时段的合拢口长度作为合拢段的长度，钢箱梁制造单位根据此长度对合拢段进行配切。6 材料及设备根据转体施工特点及要求，需要主要材料见表6.1，机械设备见表6.2。表6.1 转体施工材料名 称单位数量名 称单位数量直径80mm四氟乙烯滑动片块714法兰盘个8黄油聚四氟乙烯粉千克4钢绞线吨3.432精轧螺纹钢米192八三军用墩吨612426钢管米50表6.2 转体施工机械设备及机具序号机具设备名称规格型号单位数量在施工中的作用1千斤顶YCW240Q台8张拉吊杆2油泵SYB-2A台8千斤顶供油3压力表量程100Mpa个8显示顶的张拉力4千斤顶ZLD250台4牵引牵引索5液压控制台YKT-36套2控制牵引顶的运行6工具锚套4牵引索锚具7千斤顶YDC240Q台2牵引索预紧8千斤顶YCW100A台6助推9千斤顶400T台4张拉扣索10穿心式千斤顶YCW100G台2张拉精轧螺纹钢11汽车吊QY130H台2钢箱梁吊装12汽车吊70T台1索塔吊装13汽车吊50T台2构件吊装14对讲机CBT251台20转体人员沟通15电子水准仪DNA03台2测设滑道面高程16全站仪LK1800台4控制转体线形17精密靠尺套1控制销轴预埋钢筒内壁垂直度7 质量控制7.1 质量标准根据铁路桥涵工程施工质量验收标准(TB 1045-2003/J 286-2004）、客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准(铁建设2005160号）和客运专线无砟轨道铁路工程施工质量验收暂行标准(铁建设200785号)及其它有关规定，制定质量标准如下：1）滑道相对高差2mm，中心限位销的安装偏差:顺桥向±1mm，横桥向±1.5mm；2）不平衡偏心矩150mm；3）合拢前，拱轴线、主梁轴线相对偏差以及高程偏差10mm；4）吊杆上下锚端垂直度控制在2mm以内,吊杆张拉力误差3以内。7.2 质量控制措施7.2.1转体装置安装精度控制1为保证施工精度，在现场安装时先预埋滑道支撑骨架和销轴预埋件支撑骨架，第二次浇筑下转盘混凝土时再安装滑道钢板和销轴预埋件。为保证支承骨架的安装精度，在承台范围内搭设钢管脚手架，作为支撑骨架的承重结构，2采用十字线对中法调整滑道中心和销轴中心纵横向误差不大于1mm。水平调整先使用普通水准仪调平，然后用精密水准仪调平，使滑道和销轴预埋件各点相对高差不大于1mm，同时用精密靠尺控制销轴预埋钢筒内壁垂直度偏差不大于1mm，调整好后固定调整螺栓。3采用十字线定位法定位不锈钢板位置，使用精密水准仪测量钢板顶面标高，采用贴条的方法将标高调至设计要求范围内，最后用压弧焊的方法保证其与滑道钢板密贴。7.2.2转体轴线偏差控制1转体初步到位后，采取点动式操作的方式使结构精确就位：打开主控台以及泵站电源，启动泵站，用主控台控制两台千斤顶同时施力旋转。若不能转动，则施以事先准备好的辅助顶推千斤顶，按照加力方案同时施力，以克服静摩擦阻力来启动桥梁转动。2根据测量放样转体后撑脚的位置，在撑脚最终位置处设置工字钢作为限位体。7.2.3吊杆上下锚端垂直度控制为了保证上、下耳板的直线度，使销轴安装顺利，下耳板应在现场焊接。将吊杆上锚端安装好后，对吊杆位置进行精密测量，根据测量结果对下耳板进行电焊定位，钢板经预热后焊接。7.2.4吊杆力控制1通过全过程仿真分析，计算出各工况下吊杆的张拉控制力大小，施工过程中吊杆张拉力的大小通过千斤顶油压表读数进行控制。2用精密电子水准仪对拱肋下挠和主梁上抬进行测量，从而计算出吊杆伸长量的实际变化情况，实现当发现与理论伸长量误差较大时，重新启动千斤顶，在千斤顶顶伸状态放松杆体，调节吊杆，以保证控制吊杆伸长量处于误差允许的范围。3通过在吊杆的外表面上布置表面光纤应变计可得到其应力情况，从而间接得到其吊杆力。经过对全桥吊杆的二次张拉调整，实现吊杆力的精确控制。7.2.5偏心矩控制通过对脱架过程中撑脚应力及该处位移的测定，为避免体系的重心偏离和失衡，对配重进行了理论计算分析，通过精确调整配重，控制结构偏心距。8 安全措施8.1转体前对桥面进行彻底的检查，确保桥面无任何杂物，防止梁面上物体坠落。8.2转体前与高速公路有关部门办理施工手续，转体时在距离施工区1000米依次码放警示标志、指示标志、限速标志、警示灯、方椎及红色闪烁警示灯，并指派专人进行交通导行。8.3转体精调到位后用立即将上下转盘封固。8.4合拢时，在主拱肋焊缝位置设置三面封闭挂蓝，在挂蓝底部布置石棉布，挂蓝外侧三面采用篷布包裹，防止杂物坠落。8.5为保证转体施工时结构的安全和施工安全，要进行以下项目进行观测：采用非接触视频监测仪对落架和施加配重时转体结构的竖向位移进行监测；用振弦式处应变计对撑脚进行观测，用位移传感器实时监控撑脚与滑道相对位移变化量；用全站仪观测索塔变形，用全站仪结合反射棱镜观测拱轴线及主纵梁轴线；用精密水准仪测量拱肋和主纵梁高程。9 环保措施9.1合理安排施工用地，开工前完成工地排水和废水处理设施的建设，保证工地废水处理设施在整个施工过程的有效性，做到现场无积水、排水不外溢、不堵塞、水质达标；9.2保护施工区和生活区的环境，及时处理施工垃圾、生活垃圾等废弃物，将废弃物运至当地环保部门同意的指定地点弃置，并注意避免阻塞水流和污染水源；9.3配备专用洒水车，对施工现场和运输道路经常进行清扫和洒水湿润，减少扬尘。10 效益分析本工法根据桥梁转体重量轻、结构不对称、转盘直径大、转体角度大等特点，采用了撑脚支承转体装置，与球铰结构相比，既加快了施工进度，又节约了施工成本。采用转体施工技术，将对高速公路交通的影响降至最低。本工法操作简便，工效高，施工安全，具有较好的应用效果和推广价值。11 应用实例京沪高速铁路北京特大桥跨越京开高速公路采用（32+108+32）m中承式钢箱混凝土拱桥。该桥主要由2片拱肋、2片主纵梁、33片横梁和128片小纵梁组成。两片主梁之间采用纵、横梁联结，中心距12m。两片拱肋之间采用一字横撑和K撑联结，拱肋拱轴线采用二次抛物线，其中主拱矢高25m，边拱矢高11.75m。全桥共设11对吊杆，吊杆杆体采用120mm合金钢拉杆，间距5.4m。本桥采用平面转体法施工，桥梁单侧转体总重33000KN。该桥是高速铁路中首座采用转体施工的大跨度中承式钢箱拱桥。中铁十七局集团第二工程有限公司应用本工法，在技术新、工期紧、施工干扰大等复杂条件下，科学组织、精心施工，经过10个月连续艰苦的奋战，优质、高效地完成了施工任务，为京沪高速铁路全线按期通车奠定了基础。施工过程中中央电视台等多家媒体多次对本桥施工作了专题或新闻报道，得到了建设单位和当地政府的高度评价，创造了显著的经济效益和社会效益。