高鐵架橋機(jī)橋上整體調(diào)頭關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

路 斐,張耀輝,2,魏岳峰

(1.石家莊鐵道大學(xué),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)

引言

鐵路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中,橋梁施工往往是整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的關(guān)鍵控制工程。尤其是我國(guó)的高鐵橋梁,其在整個(gè)建設(shè)線路中所占的比例很大,目前建成和在建的高速鐵路橋梁總長(zhǎng)平均占線路長(zhǎng)度的50%以上,有時(shí)一個(gè)施工標(biāo)段中,橋梁比例甚至達(dá)到80%以上。大型架橋機(jī)已經(jīng)成為橋梁架設(shè)的關(guān)鍵裝備,但是由于工程施工單位的施工計(jì)劃安排、工期的限制、施工作業(yè)場(chǎng)地的限制、施工過(guò)程中的交叉作業(yè)以及征地拆遷障礙等因素的影響,往往需要架橋機(jī)適時(shí)調(diào)頭,進(jìn)行雙向架梁作業(yè)的工況。然而對(duì)于架橋機(jī)這種幾百噸重的超大型裝備來(lái)說(shuō),其在橋上進(jìn)行調(diào)頭較困難,會(huì)受到許多因素的影響。主要針對(duì)高鐵架橋機(jī)在橋上進(jìn)行高空整體調(diào)頭的實(shí)施方案、所需回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)等問(wèn)題,通過(guò)應(yīng)用實(shí)例將這一新技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述,為工程施工單位解決這一難題提供技術(shù)幫助與參考。

1 架橋機(jī)調(diào)頭作業(yè)方式分析

根據(jù)鐵路架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、施工現(xiàn)場(chǎng)條件等不同因素,架橋機(jī)調(diào)頭作業(yè)方式可分為以下幾種。

(1)架橋機(jī)部分解體調(diào)頭方式

此種調(diào)頭方式是最為“原始”的一種調(diào)頭方式,其基本調(diào)頭作業(yè)流程：根據(jù)架橋機(jī)的具體結(jié)構(gòu)形式和起重機(jī)具的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力,將架橋機(jī)分解成幾個(gè)部分→利用汽車吊或借助跨線提梁機(jī)等起重設(shè)備將架橋機(jī)解體后的部分分別調(diào)轉(zhuǎn)180°→將調(diào)轉(zhuǎn)后的各個(gè)部分按照前后順序重新組裝,實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)的反向調(diào)頭。

此種調(diào)頭方式的優(yōu)點(diǎn)：一是不需要占用較大的場(chǎng)地及對(duì)梁場(chǎng)運(yùn)梁便道不作要求；二是作業(yè)場(chǎng)地的選擇相對(duì)靈活。缺點(diǎn)：一是架橋機(jī)拆解再組裝作業(yè)耗時(shí)較長(zhǎng)且工作量大；二是需大型輔助吊裝機(jī)具進(jìn)行配合；三是架橋機(jī)的調(diào)頭成本很高。

(2)預(yù)制梁場(chǎng)自行調(diào)頭方式

適用此種調(diào)頭方式的架橋機(jī)一般為采用輪胎式大車走行機(jī)構(gòu)的架橋機(jī)。其現(xiàn)場(chǎng)適用條件包括：橋梁一側(cè)設(shè)置預(yù)制梁場(chǎng),且梁場(chǎng)的空間足夠大,有能適應(yīng)整個(gè)架橋機(jī)長(zhǎng)度回轉(zhuǎn)的無(wú)障礙場(chǎng)地；梁場(chǎng)有通向橋面的運(yùn)梁施工便道。其調(diào)頭作業(yè)流程包括：架橋機(jī)從橋上沿運(yùn)梁通道退回至梁場(chǎng)→在梁場(chǎng)專用場(chǎng)地上通過(guò)架橋機(jī)輪胎式走行機(jī)構(gòu)的多次轉(zhuǎn)向調(diào)頭180°→架橋機(jī)反向沿梁場(chǎng)另一側(cè)的運(yùn)梁通道駛上橋面。

此種調(diào)頭方式的優(yōu)點(diǎn)：一是架橋機(jī)調(diào)頭過(guò)程簡(jiǎn)單；二是調(diào)頭作業(yè)時(shí)間短；三是不需任何輔助吊裝機(jī)具。缺點(diǎn)：一是必須具備梁場(chǎng)和運(yùn)梁通道等現(xiàn)場(chǎng)條件；二是梁場(chǎng)自行調(diào)頭所占空間比較大,增加了梁場(chǎng)征地及地面處理成本；三是僅限具有輪胎式大車走行機(jī)構(gòu)的架橋機(jī)。

(3)輪胎式運(yùn)梁車馱運(yùn)架橋機(jī)梁場(chǎng)調(diào)頭方式

此種調(diào)頭方式對(duì)架橋機(jī)的形式限制較少,只要在橋上能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)梁車的馱運(yùn)即可。其現(xiàn)場(chǎng)適用條件同預(yù)制梁場(chǎng)自行調(diào)頭方式一樣。其調(diào)頭作業(yè)流程包括[1-4]：運(yùn)梁車在橋上將架橋機(jī)整體背負(fù)馱起→運(yùn)梁車馱著架橋機(jī)從橋上沿運(yùn)梁通道退回至梁場(chǎng)→在梁場(chǎng)專用場(chǎng)地上通過(guò)運(yùn)梁車輪胎走行機(jī)構(gòu)的多次轉(zhuǎn)向調(diào)頭180°→運(yùn)梁車馱著架橋機(jī)反向沿梁場(chǎng)另一側(cè)的運(yùn)梁通道駛上橋面→在待架孔后的梁面上將架橋機(jī)卸下就位。

此種調(diào)頭方式的優(yōu)點(diǎn)：一是適合于長(zhǎng)距離架橋機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)工況；二是不需大型輔助吊裝機(jī)具；三是對(duì)架橋機(jī)的形式限制較少,但是多用于架橋機(jī)自身不具有轉(zhuǎn)向功能的架橋機(jī)。其缺點(diǎn)：一是必須具備梁場(chǎng)和運(yùn)梁通道等現(xiàn)場(chǎng)條件；二是運(yùn)梁車橋上馱運(yùn)準(zhǔn)備工作和橋上卸落工作較長(zhǎng),而且有時(shí)架橋機(jī)還需進(jìn)行部分的拆解作業(yè)；三是梁場(chǎng)所占空間比較大,增加了梁場(chǎng)征地及地面處理成本。

(4)架橋機(jī)橋上整體調(diào)頭方式[5-8]

此種調(diào)頭方式是本文重點(diǎn)介紹的當(dāng)前較為先進(jìn)的一種新式調(diào)頭方法,其原理類似于橋梁的轉(zhuǎn)體施工。其作業(yè)流程：根據(jù)具體的架橋機(jī)形式設(shè)計(jì)加工架橋機(jī)的回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)→在橋上選擇合適的安裝位置進(jìn)行回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)的安裝→安裝架橋機(jī)的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)并安裝相應(yīng)的反力傳感器裝置→通過(guò)計(jì)算初步確定架橋機(jī)起重天車的平衡調(diào)節(jié)位置,并通過(guò)反力傳感器裝置的反應(yīng)數(shù)值來(lái)進(jìn)一步調(diào)整,確保整機(jī)的重心位于回轉(zhuǎn)中心的安全范圍內(nèi)→啟動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行架橋機(jī)橋上整體調(diào)轉(zhuǎn)180°→拆除回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu),恢復(fù)架橋機(jī)至正常狀態(tài)。

此種調(diào)頭方式的優(yōu)點(diǎn)：一是無(wú)需梁場(chǎng)及運(yùn)梁通道等設(shè)施,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性高；二是無(wú)需大型輔助吊裝機(jī)具進(jìn)行配合作業(yè)；三是調(diào)頭作業(yè)用時(shí)短且工作量?。凰氖钦{(diào)頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可重復(fù)利用,綜合下來(lái)成本相對(duì)較低。其缺點(diǎn)：一是需設(shè)計(jì)加工回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)；二是一次性投入成本相對(duì)較高；三是高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。

針對(duì)此種調(diào)頭方式,以下通過(guò)SPJ900架橋機(jī)實(shí)例對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 SPJ900架橋機(jī)橋上整體調(diào)頭關(guān)鍵技術(shù)

2.1 SPJ900架橋機(jī)橋上整體調(diào)頭實(shí)施方案

架橋機(jī)的調(diào)頭是施工中經(jīng)常遇到的問(wèn)題,在方案的優(yōu)化選擇上需綜合考慮以下幾個(gè)方面：調(diào)頭方案要具有較高的環(huán)境適應(yīng)性,其目的是減少施工現(xiàn)場(chǎng)條件的諸多限制,便于施工單位具體操作；盡量減少架橋機(jī)的拆解作業(yè),降低現(xiàn)場(chǎng)大型起吊設(shè)備的應(yīng)用環(huán)節(jié)；調(diào)頭速度要快,有利于滿足工期要求和降低成本；具有可靠的安全保障措施。

SPJ900架橋機(jī)是石家莊鐵道大學(xué)國(guó)防交通研究所研發(fā)的一款拼裝式高鐵架橋機(jī)[9-11],其采用兩跨式的結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。在中鐵十二局徐連高鐵項(xiàng)目中,綜合考慮上述因素,該架橋機(jī)采用了橋上整體調(diào)頭的施工方案：利用單獨(dú)設(shè)計(jì)的整機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和架橋機(jī)的中車結(jié)構(gòu)連接,并將整個(gè)架橋機(jī)頂起呈雙懸臂狀態(tài),然后通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供轉(zhuǎn)體動(dòng)力,將架橋機(jī)整機(jī)一次性調(diào)頭180°。此方案可適應(yīng)任何架梁工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境,不占用任何橋下施工場(chǎng)地,不需要大型起吊裝備的輔助施工,作業(yè)人員少且勞動(dòng)強(qiáng)度低,充分保證了工期要求。

圖1 SPJ900架橋機(jī)整機(jī)形式(單位： mm)

架橋機(jī)橋上整體調(diào)頭裝置包括：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)支撐桁架、錨固結(jié)構(gòu)、反力測(cè)試裝置等四大部分組成,其中回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)包括：橋機(jī)支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)軸承機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支撐底座等,詳見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 整體調(diào)頭裝置布置立面(單位： mm)

圖3 整體調(diào)頭裝置布置平面(單位： mm)

架橋機(jī)橋上整體調(diào)頭裝置安裝在架橋機(jī)的中車位置,安裝前先拆除中車走行機(jī)構(gòu),然后將調(diào)頭裝置從下到上依次安裝各個(gè)組成部分。如圖4所示。架橋機(jī)懸臂支撐在回轉(zhuǎn)裝置上,通過(guò)回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)調(diào)頭。

圖4 整機(jī)調(diào)頭狀態(tài)(單位： mm)

2.2 橋上整體調(diào)頭技術(shù)要點(diǎn)

架橋機(jī)橋上整體調(diào)頭是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)較高的作業(yè)施工,從方案的制定到具體的實(shí)施工藝環(huán)節(jié)都要充分考慮各種影響因素,做到設(shè)計(jì)先進(jìn)、工藝簡(jiǎn)捷、適應(yīng)性強(qiáng)和安全可靠。

(1)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是整個(gè)調(diào)頭裝置的核心部位,它由上層的橋機(jī)支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)、中間的三排滾柱式回轉(zhuǎn)軸承及下層的回轉(zhuǎn)支撐底座組成。回轉(zhuǎn)動(dòng)力由2臺(tái)功率為7.5 kW的YZPEE160L-8型變頻調(diào)速制動(dòng)電機(jī)提供,電機(jī)通過(guò)連接法蘭盤(pán)豎直安裝在支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的固定位置。上層的橋機(jī)支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)是根據(jù)架橋機(jī)中車結(jié)構(gòu)的具體形式來(lái)設(shè)計(jì),既要便于和中車結(jié)構(gòu)可靠連接,又便于和主梁的三角形回轉(zhuǎn)支撐桁架連接；中間采用三排滾柱式回轉(zhuǎn)軸承,其能夠同時(shí)承受各種載荷,承載能力大且軸及徑向結(jié)構(gòu)牢固；下層的回轉(zhuǎn)支撐底座上面連接回轉(zhuǎn)軸承,下面和混凝土梁面進(jìn)行可靠錨固。見(jiàn)圖2及圖3。

(2)調(diào)頭回轉(zhuǎn)裝置的錨固

回轉(zhuǎn)支撐底座是調(diào)頭回轉(zhuǎn)裝置的最下層結(jié)構(gòu),必須將其可靠錨固在橋面上才能抵抗架橋機(jī)傾覆力矩。之所以采用混凝土橋面作為錨固點(diǎn),是考慮到混凝土橋面要比一般的路基路面的承壓強(qiáng)度更高,且可避免在施工過(guò)程中因雨水浸泡等情況造成支撐面不均勻下沉的不利影響。在相鄰兩孔梁的梁端接縫處,利用梁體頂板的4個(gè)吊裝孔,用架橋機(jī)自身的吊梁吊桿作為錨固螺桿，將回轉(zhuǎn)支撐底座和梁體固定。采用此種錨固方案,既解決了錨固點(diǎn)的設(shè)置及施工,又充分節(jié)省了錨固螺桿的加工制造成本,整體安全可靠性更高。具體布置形式如圖5所示。

圖5 調(diào)頭回轉(zhuǎn)裝置的錨固布置(單位：mm)

實(shí)施前應(yīng)對(duì)梁體的吊裝孔的抗拔力及回轉(zhuǎn)支撐座下的混凝土局部抗壓強(qiáng)度進(jìn)行校核。另外,錨固螺桿螺栓擰緊時(shí),需嚴(yán)格控制回轉(zhuǎn)支撐座的水平度,必要時(shí)加墊鋼板或鋪沙墊平。

(3)回轉(zhuǎn)支撐桁架及反力測(cè)試裝置的設(shè)置

回轉(zhuǎn)支撐桁架采用倒三角桁架的結(jié)構(gòu)形式,上端兩個(gè)鉸點(diǎn)分別和架橋機(jī)左右主梁采用螺栓連接,下端鉸點(diǎn)通過(guò)銷軸座和支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)相連。設(shè)置此結(jié)構(gòu)一是作為架橋機(jī)的前后平衡支撐點(diǎn),二是在下鉸點(diǎn)處安裝反力傳感器,測(cè)試前后的支撐反力,差別較大時(shí),通過(guò)主梁上的起重天車位置來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),確保整機(jī)的重心位于回轉(zhuǎn)中心附近。見(jiàn)圖2及圖3。

(4)整機(jī)平衡重心的調(diào)整和架橋機(jī)結(jié)構(gòu)分析

整個(gè)架橋機(jī)呈雙懸臂懸空狀態(tài)時(shí),其重心位置首先通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。通過(guò)調(diào)整主梁上兩個(gè)起重天車的位置,來(lái)保證整機(jī)的重心位于回轉(zhuǎn)中心附近,同時(shí)還要盡量減小主梁的反向彎矩,確保中間最不利截面處架橋機(jī)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的優(yōu)化分析計(jì)算,最終確定起重天車的布置方案,如圖6所示。架橋機(jī)支點(diǎn)處及其他截面上的桿件強(qiáng)度及穩(wěn)定性通過(guò)詳細(xì)計(jì)算,均滿足要求；通過(guò)實(shí)測(cè)架橋機(jī)兩端撓度及最低位置，與橋面最高障礙物的實(shí)際預(yù)留距離不小于20 cm,以保證架橋機(jī)在平面內(nèi)無(wú)障礙回轉(zhuǎn)。

圖6 重心調(diào)整后的整機(jī)狀態(tài)(單位： mm)

2.3 調(diào)頭作業(yè)流程及注意事項(xiàng)

(1)架橋機(jī)退至預(yù)定的橋上調(diào)頭位置,打開(kāi)前支腿,頂起中車,拆除中車臺(tái)車,與此同時(shí),在架橋機(jī)中車主梁附近安裝調(diào)試整機(jī)回轉(zhuǎn)支承調(diào)頭裝置。

(2)利用滑板將架橋機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)支承調(diào)頭裝置推至架橋機(jī)中車主梁下方,對(duì)準(zhǔn)中車主梁4個(gè)牛腿和整機(jī)回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)牛腿4個(gè)聯(lián)接處,緩慢下降架橋機(jī)高度,使中車主梁4個(gè)牛腿與整機(jī)回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)牛腿4個(gè)聯(lián)接處緊密接觸(此時(shí)后車和前支腿仍然起到整個(gè)架橋機(jī)的支承作用),用螺栓聯(lián)接牛腿和支撐結(jié)構(gòu),可在支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置擋塊避免主梁牛腿滑動(dòng)。

(3)使用該機(jī)吊桿將回轉(zhuǎn)底座與橋端縫兩側(cè)的箱梁吊孔相連,起到整機(jī)回轉(zhuǎn)支承調(diào)頭裝置的錨固作用。

(4)在距架橋機(jī)中車主梁位置前后各4 m的內(nèi)側(cè)F6主豎桿上部聯(lián)接支撐桁架,支撐桁架下端與稱重裝置相連,稱重裝置中設(shè)有壓力傳感器,用于測(cè)量整個(gè)架橋機(jī)重心偏距在橋向支承平臺(tái)上構(gòu)成的偏心荷載。

(5)根據(jù)支撐桁架下的稱重壓力傳感器的載荷數(shù)值并結(jié)合分析計(jì)算結(jié)果,調(diào)整起升桁車位置來(lái)調(diào)整架橋機(jī)重心位置,使支撐桁架的支撐反力在200 kN之內(nèi)。

(6)上述各步驟完成后,仔細(xì)檢查各個(gè)位置聯(lián)接的可靠性,抬起后車和前支腿,復(fù)測(cè)稱重壓力傳感器的數(shù)值顯示,前后支撐反力差別較大時(shí),重新通過(guò)調(diào)整起升桁車位置來(lái)調(diào)整架橋機(jī)重心位置。

(7)檢查調(diào)頭回轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)無(wú)障礙后,通過(guò)遙控控制平穩(wěn)啟動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置,使架橋機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng),至180°后,再將架橋機(jī)落回橋面上,完成架橋機(jī)調(diào)頭作業(yè)。

架橋機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)調(diào)頭狀態(tài)如圖7所示。

圖7 整機(jī)回轉(zhuǎn)調(diào)頭過(guò)程狀態(tài)

3 結(jié)語(yǔ)

架橋機(jī)調(diào)頭作業(yè)是架梁施工中經(jīng)常遇到的施工問(wèn)題,選擇不同的調(diào)頭方式會(huì)對(duì)施工工期、施工成本和安全控制起到不同的影響。本文介紹的由石家莊鐵道大學(xué)國(guó)防交通研究所設(shè)計(jì)的橋上整體調(diào)頭方案是適應(yīng)性較強(qiáng),速度較快且綜合成本較低的一種先進(jìn)調(diào)頭技術(shù)。目前,此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功用于多個(gè)架橋機(jī)調(diào)頭施工工程,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。