棧橋式平移法換架高速鐵路簡支箱梁技術(shù)研究

張耀輝， 王海林

(1.石家莊鐵道大學(xué)國防交通研究所，石家莊　050043；2.河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心， 石家莊　050043)

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棧橋式平移法換架高速鐵路簡支箱梁技術(shù)研究

張耀輝1，2， 王海林1，2

(1.石家莊鐵道大學(xué)國防交通研究所，石家莊050043；2.河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心， 石家莊050043)

摘要：隨著我國高速鐵路橋梁的快速發(fā)展，各種災(zāi)害對其造成破壞的可能性增高。為了能夠有效應(yīng)對未來高速鐵路橋梁災(zāi)后的快速保障需求，重點(diǎn)研究將來高速鐵路橋梁遭受災(zāi)害損毀破壞后，在通過搶修鋼梁保證臨時限速通車的情況下，采用棧橋式平移法實現(xiàn)新制混凝土箱梁和臨時搶修鋼梁換裝施工的技術(shù)方案。主要研究內(nèi)容包括：總體技術(shù)方案、施工場地布置方案、施工設(shè)備的設(shè)計方案和換架梁施工工藝等，并總結(jié)該項技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和方案的適應(yīng)性。通過研究說明，棧橋式平移法是一種安全可靠、成本低廉、快速有效的換架梁施工技術(shù)，有助于推動我國高速鐵路橋梁災(zāi)后應(yīng)急保障技術(shù)的發(fā)展，并為同行提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：棧橋；平移；換架；高速鐵路；簡支箱梁

近些年來，我國高速鐵路運(yùn)營和在建里程得到了快速增長，高速鐵路線路在空間上跨越了全國范圍內(nèi)不同地質(zhì)條件的各類域區(qū)域，具有點(diǎn)多、線長、面廣的特點(diǎn)，其中橋梁在高速鐵路線路中所占比例很大，已成為高速鐵路的主體工程。我國是世界上遭受自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，各種災(zāi)害對高速鐵路橋梁造成破壞的可能性增高，但是專門針對高速鐵路橋梁在遭受災(zāi)害破壞后的搶修與恢復(fù)方面的技術(shù)研究卻很少。所以，盡早進(jìn)行高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的保障技術(shù)研究已是當(dāng)務(wù)之急。本文論述的“棧橋式平移法換架梁技術(shù)”是針對災(zāi)毀后的高速鐵路混凝土簡支梁橋，在通過臨時搶修鋼梁保證了線路臨時限速通車的情況下，通過此項技術(shù)將新制混凝土梁體替換下臨時搶修鋼梁的一種恢復(fù)施工技術(shù)。

1棧橋式平移法換架技術(shù)方案

棧橋式平移法換架梁施工所需主要施工裝備包括：現(xiàn)澆梁支架結(jié)構(gòu)、棧橋橫梁系、臨時支墩、1號輕型橫移臺車組、2號重型橫移臺車組、大噸位千斤頂?shù)取?/p>

總體施工方案是：在橋梁一側(cè)(為便于表達(dá)，可指定為右側(cè)，則另一側(cè)為左側(cè))平行橋梁縱向軸線方向搭設(shè)現(xiàn)澆混凝土梁的支架結(jié)構(gòu)，垂直橋梁縱向軸心緊靠待架孔的兩個橋墩內(nèi)側(cè)位置分別搭設(shè)棧橋橫梁，其支撐在橋墩兩側(cè)的臨時支墩上，在棧橋橫梁上鋪設(shè)軌道，安裝布置1號輕型橫移臺車和2號重型橫移臺車。1號輕型橫移臺車用來移出橋跨的臨時搶修鋼梁到橋跨的左側(cè)，2號重型橫移臺車負(fù)責(zé)載運(yùn)新制混凝土梁體移入橋跨，通過千斤頂落梁就位。

在此技術(shù)方案中，新混凝土梁是在橋跨右側(cè)的現(xiàn)澆梁支架結(jié)構(gòu)上制作的，制作完成后，直接利用2號重型橫移臺車進(jìn)行平移，不需要其他的重型門吊等設(shè)備進(jìn)行混凝土箱梁的吊裝作業(yè)；無論是臨時搶修鋼梁還是混凝土箱梁都是采用的平移方式進(jìn)行位置的變化，達(dá)到換架梁的目的，具有方式簡單、安全可靠、換架速度快的特點(diǎn)。

1.1棧橋式換架系統(tǒng)現(xiàn)場布置[1-6]

施工現(xiàn)場的布置在空間上除了要保證不得侵入高速鐵路建筑限界外，還要滿足《鐵路工程基本作業(yè)施工安全技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)要求，如在建臨時工程設(shè)施與外電架空線路邊線之間的安全距離應(yīng)符合規(guī)程中的規(guī)定要求等等。

現(xiàn)澆梁支架結(jié)構(gòu)的設(shè)置：采用棧橋平移法換架梁時，現(xiàn)澆梁是在待換架孔的一側(cè)平行于橋梁縱軸線的支架結(jié)構(gòu)上進(jìn)行?，F(xiàn)澆梁的梁底和原橋跨箱梁的梁底設(shè)置在同一高程上，且現(xiàn)澆梁施工工程設(shè)施在空間上不得侵入原高速鐵路橋梁的建筑限界范圍內(nèi)，同時不得侵入《鐵路工程基本作業(yè)施工安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的高速鐵路接觸網(wǎng)的安全空間范圍內(nèi)。如圖1所示，現(xiàn)澆梁支架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由下往上依次是支架基礎(chǔ)、支架主結(jié)構(gòu)、箱梁現(xiàn)澆模板，整個現(xiàn)澆梁支架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輪廓邊線均處于建筑限界和安全距離之外。

圖1　現(xiàn)澆梁支架布置跨中斷面布置(單位：mm)

在支架靠近橋墩內(nèi)側(cè)的相對位置上，應(yīng)留有2號重型橫移臺車的橫移通道空間及支架橫移軌道梁的安裝位置。所以，支架端部段設(shè)置如圖2所示。

圖2　現(xiàn)澆梁支架布置側(cè)面

如圖2所示，現(xiàn)澆梁支架采用的是滿堂式支架結(jié)構(gòu)形式，有利于將上面約20 000 kN左右的自重進(jìn)行均勻分載后，傳遞給整垮長度范圍內(nèi)的基礎(chǔ)，減少了橋位旁較長時間的地面荷載對橋梁基礎(chǔ)的偏壓影響。支架的結(jié)構(gòu)形式也可根據(jù)現(xiàn)場情況，設(shè)置成梁柱式支架或其組合形式支架。

2號重型橫移臺車一開始就安裝在端部現(xiàn)澆梁模板下面的橫移通道處，兼做模板的支撐，其下面的軌道橫梁支撐于下面立柱上。橫移通道的寬度要考慮到橫移臺車輪廓線和待架孔橋墩內(nèi)側(cè)邊沿之間有至少300 mm的安全距離。

支架軌道橫梁采用多點(diǎn)支撐的連續(xù)梁的形式固定在下面2排立柱上；棧橋橫梁一端搭在橋跨左側(cè)的臨時支墩上，一端支撐在橋跨右側(cè)靠近支架的立柱上，同時保持支架軌道橫梁和棧橋橫梁上翼緣頂面保持在同一高程位置上，然后在其上安裝橫移臺車的走行軌道。

1號輕型橫移臺車和2號重型橫移臺車均采用雙軌走行方式。其中2號重型橫移臺車的載重量大(約14 000 kN)，所以采用三級均衡梁結(jié)構(gòu)，載荷分載到32個走行輪上(16軸)，這樣降低橫移臺車的軸重，對支架結(jié)構(gòu)、棧橋橫梁的受力和地基處理均有利。1號橫移臺車主要用來橫移臨時搶修鋼梁，載重量較小，采用4軸共8個走行輪，均衡梁上設(shè)桁架支墩，用來支撐臨時搶修鋼梁。

整個棧橋式橫移系統(tǒng)的布置橫斷面見圖3。

圖3　棧橋式橫移系統(tǒng)布置斷面示意(單位：mm)

1.2施工設(shè)備的設(shè)計方案

棧橋式平移換架梁中所用的主要裝備/器材包括：現(xiàn)澆梁模板、現(xiàn)澆梁支架、棧橋橫梁及支架軌道橫梁、臨時支墩、橫移臺車組、大噸位千斤頂、及電氣控制系統(tǒng)等。

現(xiàn)澆梁模板：依然可以采用原橋箱梁的預(yù)制時的模板圖紙進(jìn)行加工，或租用現(xiàn)有的模板進(jìn)行改造。

現(xiàn)澆梁支架：采用滿堂式支架的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。對于現(xiàn)澆梁支架材料的選用，由于量大，且支架承受的載荷大，制式鋼管支架不宜采用。而充分利用既有的鐵路或公路搶修制式器材是較為合理可靠的選擇，比如鐵路搶修器材之八三墩、六五墩、公路搶修橋墩等，其具有儲存運(yùn)輸方便，使用靈活、裝拆快捷、承載能力高和容易籌集等特點(diǎn)，可大大提高施工速度，節(jié)省成本。對于局部需要的特殊結(jié)構(gòu)件也可采用常見的型鋼材料，如圓管、方鋼管、工字鋼、槽鋼等，其可根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行臨時連接。

圖4　棧橋橫梁及支架軌道橫梁結(jié)構(gòu)

棧橋橫梁及支架軌道橫梁(圖4)：支架軌道橫梁采用多點(diǎn)支撐的連續(xù)梁的形式固定在下面2排立柱上，棧橋橫梁一端搭在橋跨左側(cè)的臨時支墩上，一端支撐在橋跨右側(cè)靠近支架的立柱上，同時保持支架軌道橫梁和棧橋橫梁上翼緣頂面保持在同一高程位置上，然后在其上安裝橫移臺車的走行軌道?？紤]到加工和安裝的快捷，同時考慮到運(yùn)輸方便，這2種橫梁的單件長度不超過12 m，中間采用法蘭盤進(jìn)行螺栓連接。棧橋橫梁和支架軌道橫梁均采用箱形的截面形式，箱梁上翼緣正對腹板的位置用來安裝走行軌道。其中支架軌道橫梁從力學(xué)角度上來說是一個多點(diǎn)支撐的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其受彎和受剪強(qiáng)度不控制，但是需對輪下局部承壓強(qiáng)度和腹板穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析；棧橋橫梁最大受力工況是，2號重型橫移臺車載梁走行至橋跨位置時，如圖11所示。此時橫梁均承受最大的彎矩和剪力，另外棧橋橫梁端部和下面立柱的接觸部位所受局部承壓荷載最大，應(yīng)設(shè)支撐加勁肋進(jìn)行加強(qiáng)。

臨時支墩：臨時支墩是位于橋跨左側(cè)用來支撐棧橋橫梁的臨時結(jié)構(gòu)?？苫诩扔械蔫F路橋墩搶修器材(八三墩或六五墩)來進(jìn)行設(shè)計及拼組安裝，如圖3所示。既節(jié)省了加工制造成本，又縮短了施工周期。

橫移臺車組：橫移臺車組由2個1號輕型橫移臺車和2個2號重型橫移臺車組成，均采用雙線雙軌走行方式。其中2號重型橫移臺車采用三級均衡梁結(jié)構(gòu)，以使自重和重載情況下輪壓均衡。每個臺車的走行機(jī)構(gòu)由4組組成，每組由2臺主動臺車、2臺被動臺車。1號橫移臺車由于載重小，可采用一級均衡梁結(jié)構(gòu)。每個臺車的走行機(jī)構(gòu)由2組組成，每組由1臺主動臺車、1臺被動臺車。橫移臺車結(jié)構(gòu)形式如圖5和圖6所示。

圖5　2號重型橫移臺車組裝示意

圖6　1號輕型橫移臺車組裝示意

1.3換架梁施工工藝技術(shù)[7-15]

1.3.1換架梁施工前的準(zhǔn)備工作

(1)現(xiàn)澆混凝土箱梁施工，達(dá)到設(shè)計要求；

(2)檢查橫移系統(tǒng)的設(shè)備是否處于良好狀態(tài)；

(3)做好換架梁施工的組織設(shè)計，細(xì)化到每個工序都落實到責(zé)任人；

(4)確定鐵路運(yùn)營的“天窗”要點(diǎn)時間。

1.3.2換架梁施工工藝

(1)拆除線路。橋上線路封閉后，解除本孔及臨孔線路軌道扣件，在相鄰孔靠近換架孔的兩端安放千斤頂，將鋼軌頂起500～600 mm 并支墊好。

(2)1號輕型橫移臺車就位。啟動1號輕型橫移臺車向右側(cè)駛?cè)霕蚩纾挥谂R時搶修鋼梁正下方，安好臺車卡軌器；拆除鋼梁下的臨時支座錨栓；將橫移臺車架對準(zhǔn)臨時搶修鋼梁的起頂部位；起動位于臺車架上部的4臺千斤頂同時將臨時搶修鋼梁頂起，至搶修鋼梁支座脫離開墊石50 mm后停止。

(3)1號輕型橫移臺車載重橫移。拆除卡軌器，啟動1號臺車組同步向左側(cè)橫移，將臨時搶修鋼梁橫移出橋跨位置，行至棧橋橫梁左端停止，安裝好臺車卡軌器。

(4)墊石處理。搶修鋼梁被移出橋跨后， 墩頂開始處理墊石，為新制的混凝土箱梁的就位安裝做好準(zhǔn)備。

(5)模板拆除。為了能夠?qū)⑿轮苹炷料淞哼M(jìn)行向左的橫移作業(yè)，梁體制作完畢后，要拆除現(xiàn)澆梁模板的左側(cè)和端部的模板，以便為橫移讓出空間，清除障礙。這部分工作可提前進(jìn)行。

(6)起頂新制混凝土箱梁。利用2號重型橫移臺車架上的千斤頂將箱梁同步頂起，至梁底高程高出墊石頂面至少350 mm。一側(cè)臺車上的2臺500 t千斤頂是連通的設(shè)置，另一側(cè)臺車上的2臺500 t千斤頂是獨(dú)立設(shè)置，實現(xiàn)了梁體四點(diǎn)支撐三點(diǎn)平衡的合理受力狀態(tài)。

(7)2號重型橫移臺車載重橫移。啟動2號重型橫移臺車，在同步走行控制下載重向左橫移至橋跨正下方就位，安裝梁底支座，千斤頂緩慢落梁至墊石。在落梁就位的過程中，箱梁的橫橋向偏差可通過臺車的點(diǎn)動微量橫移解決，箱梁的縱向偏差可通過在橋墩和臺車間安放水平千斤頂來頂推臺車來解決。由于在現(xiàn)澆梁時，已對箱梁位置進(jìn)行了精確控制，并且橫移走行機(jī)構(gòu)采用了同步糾偏裝置，所以橫移至橋跨時的誤差不會很大，調(diào)整量較小，容易實現(xiàn)。

(8)線路恢復(fù)。將橋上鋼軌落下、擺正、測量、安裝鋼軌扣件，達(dá)到臨時通車要求。

(9)要點(diǎn)封閉結(jié)束，臨時通車。

(10)后續(xù)調(diào)整。進(jìn)行后續(xù)的線路檢查、調(diào)整和完善工作，達(dá)到永久線路的運(yùn)營狀態(tài)。

以上換架梁施工作業(yè)程序中，有些工序是可以并行作業(yè)的或可以提前進(jìn)行的，所以應(yīng)做好詳細(xì)的施工組織設(shè)計，力求整個換架梁施工作業(yè)時間縮短，降低要點(diǎn)施工的風(fēng)險，減少恢復(fù)施工的成本和中斷線路運(yùn)營造成的損失。

為了能清晰地解釋棧橋式橫移法換架梁的施工過程，將上述施工工藝簡化為五大施工步驟(圖7)，以圖示的方式進(jìn)行說明(圖8～圖12)。

圖7　換架梁施工工序

圖8　步驟1　1號臺車空車駛?cè)霕蚩?/p>

圖9　步驟2　1號臺車橫移搶修鋼梁出橋跨

圖10　步驟3　2號臺車載新梁橫移入橋跨

圖11　步驟4　千斤頂落梁就位

圖12　步驟5　2號臺車空車駛出橋跨

1.3.3關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

(1)支架的設(shè)置。支架中間部分采用搶修制式橋墩器材，準(zhǔn)備周期短、安裝方便、安裝速度快；支架兩側(cè)靠近橋墩的端部要預(yù)留重型橫移臺車的走行通道，同時重型臺車架亦為模板的支架部分；采用滿堂式的布置可保證現(xiàn)澆梁及施工載荷均勻分布傳遞給基礎(chǔ)，降低了地基處理難度，減弱了地基載荷對既有橋墩基礎(chǔ)的影響。

(2)重型橫移臺車多級均衡的設(shè)置。重型臺車采用三級均衡結(jié)構(gòu)，既保證了各個車輪的輪壓受力均衡，又保證了其下面支架立柱的受力均衡，同時降低了棧橋橫梁的內(nèi)力，有利于棧橋橫梁的輕型化設(shè)計。

(3)橫移臺車的同步控制。重型橫移臺車載梁橫移時，對于梁端的2組橫移臺車的走行采用同步糾偏控制，是保證其快速準(zhǔn)確橫移到位的關(guān)鍵。待架孔的中間凈空是非常小的，理論上橫移梁左右兩側(cè)距鄰跨梁端之間僅有100 mm的空隙，如果橫移時偏差較大，很容易發(fā)生碰撞。臺車的走行機(jī)構(gòu)采用全變頻電氣控制系統(tǒng)和自動糾偏控制，可以保證2個臺車組在走行時的平穩(wěn)同步。

(4)換架梁施工組織的優(yōu)化設(shè)計。在有限的封閉“天窗”時間點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行換架梁施工，各程序步驟的銜接和優(yōu)化組織設(shè)計，是關(guān)系整個施工順利完成的一項重要工作。在有限的時間內(nèi)，完成諸多的工序步驟，需要環(huán)環(huán)相扣，做到每個步驟都在各自的時間段內(nèi)完成，中間無時間空擋存在，才能在“天窗”關(guān)閉之前結(jié)束整個換架梁工程。

2技術(shù)方案適應(yīng)性分析

棧橋式平移法換架梁具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)整個施工作業(yè)面不需跨越運(yùn)行線路，均處于安全限界之外，對臨時通車沒有影響；

(2)施工中不需大的吊裝機(jī)械設(shè)備，如大噸位的龍門起重機(jī)等，有利于降低施工成本；

(3)橋上的電氣線路、接觸網(wǎng)等不需要中斷，減少了橋上電氣線路的施工環(huán)節(jié)；

(4)絕大部分前期準(zhǔn)備工作都在線下或線側(cè)進(jìn)行，易組織，效率高。

(5)換架梁工序簡單，安全可靠，易操作；

(6) 現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

同時，此技術(shù)方案還存在以下缺點(diǎn)：

(1)支架安裝工作量大；

(2)首末孔橋臺處，橋臺護(hù)坡有空間干擾時，需提前開挖處理。

棧橋式平移法換架梁技術(shù)方案的適用條件：

(1)橋梁高度以不超過30 m為宜，如果橋梁過高，支架的安裝工作量過大，且現(xiàn)澆梁的高空作業(yè)會比較困難，整個支架的穩(wěn)定性也會降低；

(2)橋下為有較大水深的河流時或山區(qū)有較大山谷時，不宜采用此種方法，因為支架的地基處理和安裝非常困難；

(3)橋梁跨越公路或鐵路線路時，由于無法布置和安裝支架，且往往橋下的凈空高度難以保證不侵入橋下線路的建筑限界，所以不適宜采用此種方法。

總之，棧橋式平移法換架梁施工對橋址附近的地形適應(yīng)性是比較好的。地面不需要鋪設(shè)軌道，也不需大型的門式起重機(jī)等設(shè)備，對于地面有起伏的情況，可以就勢將支架基礎(chǔ)做成高低錯落的結(jié)構(gòu)形式。對于橋下存在較淺的水面時，也可以臨時填筑后進(jìn)行地基處理。

3結(jié)語

采用棧橋式平移法換架梁技術(shù)進(jìn)行高速鐵路混凝土簡支梁橋的換架施工，是一項適應(yīng)性強(qiáng)、成本相對較低、安全可靠和效率高的梁體換架技術(shù)。通過研究，可作為橋梁搶修工程的一項技術(shù)儲備，提高我國高速鐵路橋梁的保障技術(shù)水平。

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收稿日期：2015-11-04； 修回日期：2015-11-30

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014G008-A)

作者簡介：張耀輝(1970—)，男，教授級高級工程師，2001年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋隧工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：sjzzhangyh@126.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0080-06

中圖分類號：U238； U445.7+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.019

Research on the Replacement of High Speed Railway Concrete Box Girder with Trestle Translation Method

ZHANG Yao-hui1，2， WANG Hai-lin1，2

(1.Research of National Defense Communication， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043, China;2.Hebei Provincial Transportation Emergency Support Engineering Technology Research Center， Shijiazhuang 050043, China)

Abstract：With the rapid development of China’s high-speed railway bridge， the potential damages generated by various disasters to the bridge increase. In order to cope with future requirements for high speed railway bridges damaged by disasters， this paper focuses on the application of trestle translation method to replace new concrete box beam with temporary emergency steel girder under the condition that the emergency steel girders are used to ensure temporary speed limit. Researches are concentrated on the overall technical planning， construction site layout， construction equipment design and construction technology， and key technical points and the adaptability of technical scheme are summarized. Researches show that the trestle type translation method is a safe， reliable， low cost， fast effective construction technique and is helpful to promote the development of the emergency rescue for high-speed railway bridge in China， and may provide valuable references for similar projects．

Key words：Trestle bridge; Translation; Replacement; High speed railway bridge; Simple-supported box girder