节段预制悬臂拼装施工技术源于节段悬臂浇筑施工工法, 其最大的革新是由1966年竣工的法国Oleron岛跨海大桥^[1]施工中引入移动拼装支架带来, 随后在世界各国陆续发展起来。

1993年建成的灵武铁路杨家滩黄河特大桥^[2], 运用由铁路抢修钢梁组拼而成的移动支架造桥机, 架设完成10孔48m单线简支箱梁, 拉开了国内铁路桥梁节段预制拼装施工技术运用的序幕^[3]。近年来又成功采用多种型号移动支架造桥机^[4,5,6,7], 使用逐跨拼装法或悬臂拼装法完成了跨度32～64m的铁路单双线预应力混凝土箱梁架设^[8]。同时, 在国内公路、市政桥梁建设中节段预制逐跨拼装施工法也得到广泛应用^[9,10,11]。

节段预制拼装法是使用移动支架造桥机作为承载体, 将1孔混凝土梁分段先行预制, 再用接缝 (现浇或涂胶) 连接, 最后借助预应力形成整体结构的一种施工方法。其具有易控制质量、施工速度快、费用低等优点, 已成为当前大、中跨度预应力混凝土桥梁主要施工方法之一。

但是近年来, 作为节段预制拼装技术亮点的施工速度并没有得到大幅度提高, 其原因可归结为:造桥机研发设计没有与现场施工紧密结合, 一直没有从架设方案设计、改进造桥机辅助设施设计、优化施工工序等多个角度, 系统地对节段拼装快速施工技术展开研究。

2016年5月, 中国铁路总公司将“铁路预应力混凝土连续梁节段预制拼装法建造关键技术研究” (2016G002-H) 课题列入科技研究开发计划。中铁第五勘察设计院集团公司作为课题参加单位, 负责完成相应节段预制拼装装备和施工工法研究, 节段拼装快速施工技术研究便是其中一个研究方向。

课题组以包西铁路义南洛河特大桥节段拼装箱梁工程为依托项目, 对节段拼装快速施工技术进行研究。该项目在实施过程中, 通过对方案设计、施工工艺等方面进行改进, 在保障质量安全的前提下, 对施工工期进行了大幅度优化。本文主要从节段拼装快速施工技术方面, 对该项目施工经验做总结, 也对其他有利于节段拼装快速施工的技术进行了介绍。

包西铁路义南洛河特大桥节段拼装箱梁孔跨布置为7孔32m简支箱梁+11孔64m简支箱梁。32m箱梁由2个端节段、5个普通节段和6道湿接缝组成, 整孔箱梁重702.8t, 最大节段重98.5t。64m箱梁由2个端节段、13个普通节段和14道湿接缝组成, 整孔箱梁重2 080.5t, 最大节段重142.6t。

该项目采用新研制的SX64m/2 200t上行式移动支架造桥机, 由32m箱梁到64m箱梁逐孔进行架设。该造桥机额定承载力为22 000kN, 适用于单双线32～64m简支箱梁架设, 为双桁架结构, 每侧2片桁架, 造桥机自重约2 000t。其承重主梁位于混凝土梁上方, 预制节段通过悬吊系统悬挂在承重主梁上, 承重主梁支承在桥墩或已成混凝土梁上。其主结构包括导梁、主梁、后尾梁、前支腿、中支腿、后支腿、后支点小车、梁段悬吊体系、回转天车9部分, 各部分布局如图1所示^[12,13]。

其架设单孔梁若按照施工工序流程进行划分, 主要可分为预制节段吊入造桥机、预制节段线形调整、穿钢绞线、安装波纹管、绑扎湿接缝钢筋、安装湿接缝模板、浇筑湿接缝混凝土、湿接缝混凝土养护、预应力钢束张拉、造桥机前移过孔准备工作、造桥机前移过孔走行等工序 (孔道压浆、封端在下一孔梁架设期间进行) 。

在造桥机研发阶段, 考虑到一次架设双孔32m梁等多种孔跨组合, 分别对中支腿及其斜撑都做了调整节设计, 其安装示意如图2所示。

为提高造桥机在一次架设双孔32m箱梁时的稳定性, 梁段安装时应在安放2孔箱梁的4个端节段后, 及时将前跨32m箱梁节段安装完成, 以便尽早和龙造桥机中部上断面连接系。另外, 由于一次架设2孔32m梁, 混凝土梁支座反力很大, 施工时使用多层等高度钢板代替支座, 待造桥机过孔后倒换支座。

该项目共有7孔32m, 除第5孔外, 其余6孔均采用一次架设双孔方式, 较单孔架设施工速度提高约30%。这是国内首次运用一次架设双孔方式施工节段拼装箱梁工程, 后续又对一次架设2孔48m双线简支箱梁移动支架造桥机进行了设计研究^[14]。基于此技术研制而成双孔连做64m/2 700t造桥机, 在新建福州—平潭铁路平潭海峡公铁两用大桥64m简支混凝土箱梁桥工程得到应用。

原移动支架湿接缝施工平台是由钢管简易搭设而成, 工人在其上作业时安全风险较大、工效较低。为了提高湿接缝施工安全性和作业效率, 该项目设计应用了新型湿接缝施工平台, 如图3所示。

每道施工平台对应1道湿接缝, 由2片挂架组成, 挂架顶部与造桥机通过可转动的销子连接。架梁状态时, 2片挂架底部通过螺栓临时连接, 并通过4根直径8mm钢丝绳与梁体临时连接。架梁结束后, 解除挂架内外部的临时连接, 挂架进入打开自然悬挂状态。若造桥机走行时挂架和桥墩或后支腿稍许冲突, 需利用造桥机外侧电动葫芦或人工提拉挂架。

后支腿是移动支架承重梁后端支撑点, 其支承在已成梁前端横隔墙处, 承受移动支架架梁时的荷载以及作为前移过孔时滑道。后支腿由横梁和滚轮箱组成, 横梁为双悬臂钢梁, 并按构造在对应滚轮箱处布置局部加劲肋。横梁采用箱形截面, 为便于运输和安装, 分2件制作, 现场通过承压型高强度螺栓连接。在后支腿横梁侧面增设4个吊孔, 通过精轧螺纹钢可与天车吊具连接。

后支点小车自行到造桥机尾部, 顶起造桥机, 并临时支承好造桥机尾部。后支腿滚轮箱脱空后, 调整其位置和角度。利用回转天车将整个滚轮箱旋转、提升, 经由造桥机腹内, 移动摆放至下一孔后支腿架梁位置。

与原桥面拖拉方案相比, 后支腿整体倒运方案缩短时间约5h/孔。

传统浇筑湿接缝混凝土方式主要是由混凝土罐车将混凝土送至造桥机后尾梁处, 通过回转天车的电动葫芦携带料斗移动至浇筑部位。回转天车重载和空载走行速度分别为0～4m/min和0～10m/min。按1孔64m梁湿接缝混凝土为94.8m³, 料斗满装混凝土2m³粗略计算, 回转天车仅移动运输便需11.2h, 若考虑到料斗装料、放料和浇筑等待时间, 完成1孔湿接缝浇筑时间约1d。

由于原48m梁湿接缝混凝土量较少, 传统方式的缺点尚不明显, 在64m梁湿接缝施工时, 便必须进行优化。考虑到人工、时间等综合成本, 在墩高≤20m时可采用汽车泵输送混凝土, 墩高>20m时采用地泵输送混凝土。采用泵送方式可节省时间约12h/孔。

1) 梁段在预制场时, 提前将湿接缝处纵向钢筋弯曲, 以减少梁段下放时相邻梁段间的影响;提前将湿接缝处箍筋套上, 以减少湿接缝钢筋绑扎时间;提前将截好的波纹管放入孔道中, 以减少波纹管安装时间。

2) 梁段下放前, 提前在造桥机悬吊纵梁和悬吊精轧螺纹钢处做标记, 以减少梁段就位时间。在所有梁段下放完成前, 提前开始整孔梁线形粗调, 以缩短节段线形调整时间。

3) 湿接缝在冬期施工阶段采取箱梁腹内火炉生蒸汽和外部电热毯包裹措施, 既保证了温度、湿度, 同时也缩短了混凝土养护时间。

该项目采用的造桥机是在原SX48m型号基础上发展而来, 参照以往工程施工经验, 单孔32, 64m双线简支箱梁节段拼装时间约为12, 17d, 完成整个项目需271d。该项目通过采取快速施工技术, 单孔64m双线简支箱梁节段拼装时间降至14d, 按施工工序进行分析, 形成方案优化前后的时间数据, 如表1所示。

同时, 又通过采取一次架设2孔32m箱梁快速施工技术等措施, 最终完成本项目耗时222d, 较原工艺271d减少49d, 施工速度约提高22%。该项目架设实际时间如表2所示。

近年来胶结拼装方式首次应用于黄韩侯铁路芝水沟特大桥19×64m+2×48m节段拼装箱梁工程^[15], 后续在阎机城际铁路泾河特大桥、金台铁路田市跨永安溪特大桥等铁路建设工程中逐步得到应用, 与湿接缝连接方式相比大幅度提高施工速度^{[16,17,18,19]}。

利用活性粉末混凝土这种新型材料具有抗压、抗拉强度高的特点, 国内曹迁铁路、蓟港铁路成功架设了20, 32m简支T梁^[20,21,22]。使用活性粉末混凝土建造桥梁可提高桥梁跨度, 减小梁体自重, 减少桥墩台数量, 进而提高施工速度。

1) 通过采取中支腿及其斜撑调节、造桥机中部上断面连接系调整、临时支座支承等措施, 成功实现了一次架设2孔32m箱梁。造桥机通过一次走行, 便可形成2个工作面, 可提高施工速度约30%。

2) 通过采取安装新型湿接缝施工平台、后支腿整体倒运、泵送浇筑湿接缝混凝土等其他一系列施工工序优化的措施, 加强工序衔接, 可提高施工速度约20%。

3) 与湿接缝连接方式相比, 采用胶结缝连接方式省去了湿接缝钢筋、模板、混凝土浇筑及养护等工序时间, 整体可提高施工速度约30%。

下一步研究方向主要有2个方面。

1) 新型移动支架造桥机设备研制对适用于80m双线简支箱梁的造桥机、一次架设双孔造桥机开展技术研究, 通过提高设备利用率, 提高施工速度。

2) 活性粉末混凝土节段预制拼装箱梁设计节段预制拼装桥梁与活性粉末混凝土结合, 可突破现有移动支架设备承重的局限性, 增加节段划分长度, 进一步提高施工效率。