王 勇 劉 澤 林國(guó)輝

(中鐵二局集團(tuán)有限公司， 成都 610031)

目前，基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)勞動(dòng)力逐漸呈現(xiàn)老齡化趨勢(shì)，同時(shí)由于其工作環(huán)境差，工作強(qiáng)度高，且伴隨著較高的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致了基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)勞動(dòng)力流失。因此，勞動(dòng)密集型的高速鐵路施工須積極發(fā)展自動(dòng)化和智能化，推動(dòng)機(jī)械化換人和自動(dòng)化減人。

高速鐵路橋梁簡(jiǎn)支梁具有工廠化預(yù)制、機(jī)械化運(yùn)輸與架設(shè)的良好條件。國(guó)內(nèi)外高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)居多，其中普遍使用的24 m、32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁具有受力明確、構(gòu)造簡(jiǎn)單、耐久性好、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)簡(jiǎn)支梁橋跨度大于32 m時(shí)，主要采用原位澆筑連續(xù)梁、連續(xù)鋼構(gòu)橋的形式，與預(yù)制架設(shè)相比，造價(jià)較高，且質(zhì)量難以控制。因此，開(kāi)展40 m跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)與應(yīng)用的研究是一項(xiàng)大膽的探索與創(chuàng)新。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院聯(lián)合相關(guān)單位研發(fā)了高速鐵路跨度40 m 后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，并于2016年在中鐵房山橋梁場(chǎng)試制成功[1-2]，但工程化應(yīng)用還面臨諸多具體問(wèn)題。

在鄭濟(jì)鐵路鄭州黃河特大橋北岸引橋工程中，貫徹綠色發(fā)展理念，提升了箱梁預(yù)制自動(dòng)化與信息化水平，創(chuàng)新采用簡(jiǎn)支箱梁正位提梁上橋及架設(shè)方法，推進(jìn)了40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與工程化應(yīng)用。

1 工程概況

新建鄭州至濟(jì)南鐵路連接山東、河南兩省省會(huì)，線路呈西南走向。鄭州至濮陽(yáng)段東起濮陽(yáng)市濮陽(yáng)東站，終至鄭州東站。線路正線全長(zhǎng)197.279 km，橋梁共7座，長(zhǎng)178.342 km，橋梁比為90.4%。鄭州黃河特大橋北岸引橋?yàn)楣F兩用橋梁，最大坡度為9.5‰，北岸引橋186～371號(hào)墩線路長(zhǎng)度 7 804 m，預(yù)制架設(shè)箱梁采用40 m簡(jiǎn)支箱梁。

鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁可應(yīng)用于350 km/h高速鐵路和160 km/h市域鐵路，兩者的外形結(jié)構(gòu)相似，參數(shù)略有不同。350 km/h無(wú)砟軌道采用的40 m簡(jiǎn)支箱梁，單片梁長(zhǎng)40.6 m，計(jì)算跨度39.3 m，梁高3.235 m，頂板寬度12.6 m，底板寬5.4 m，跨中截面頂板厚 285 mm，底板厚280 mm，腹板厚360 mm，支點(diǎn)截面頂板變厚至685 mm，底板變厚至700 mm，腹板變厚至 950 mm。腹板預(yù)應(yīng)力束為22孔預(yù)應(yīng)力束單排布置，單片簡(jiǎn)支箱梁混凝土為370 m3，單片預(yù)制箱梁重 925 t。其橫斷面布置如圖1所示。

圖1 鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁橫斷面圖布置示意圖(cm)

2 鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁特點(diǎn)

合寧鐵路客運(yùn)專線32 m簡(jiǎn)支箱梁試驗(yàn)成功后，在我國(guó)鐵路橋梁建設(shè)中得到推廣應(yīng)用。對(duì)比分析 350 km/h無(wú)砟軌道采用的32 m和40 m簡(jiǎn)支箱梁，得到40 m簡(jiǎn)支箱梁的特征，針對(duì)性地開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)與創(chuàng)新，解決40 m箱梁預(yù)制、運(yùn)輸及架設(shè)的技術(shù)難題。

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸比較

與常規(guī)32 m、900 t級(jí)預(yù)制箱梁相比，40 m、1 000 t級(jí)預(yù)制箱梁具有跨度大、重量重、高度高、寬度寬等特點(diǎn)。鐵路32 m和40 m簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比如表1所示。

表1 鐵路32 m和40 m簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比表

鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁跨中橫斷面如圖2所示。通過(guò)計(jì)算可知，40 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁重925 t，而32 m箱梁只有790.25 t。由于相關(guān)規(guī)范要求須在6 h以內(nèi)完成預(yù)制箱梁混凝土的澆注，在單孔40 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁混凝土增加17%的情況下，就必須創(chuàng)新澆注工藝，提高工效。同時(shí)，40 m預(yù)制箱梁自重近 1 000 t，傳統(tǒng)的32 m預(yù)制箱梁搬運(yùn)設(shè)備無(wú)法滿足要求，須研制 1 000 t級(jí)的箱梁運(yùn)架設(shè)備，才能滿足40 m預(yù)制箱梁的運(yùn)架。

圖2 鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁跨中橫斷面圖(mm)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

與常規(guī)32 m、900 t級(jí)預(yù)制箱梁相比，40 m預(yù)制箱梁腹板采用22孔的錨具，腹板比32 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁??；同時(shí)，跨中抗裂安全系數(shù)僅為1.32，而32 m箱梁的跨中安全系數(shù)為1.40，這就要求40 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁混凝土澆注質(zhì)量和有效預(yù)應(yīng)力施加必須更加精確，以保證箱梁的受力狀態(tài)。

3 箱梁預(yù)制關(guān)鍵技術(shù)[3]

3.1 綠色梁場(chǎng)建設(shè)

運(yùn)用BIM技術(shù)輔助梁場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)，貫徹“四節(jié)一環(huán)?！钡木G色施工理念，建立梁場(chǎng)可視化BIM模型，進(jìn)行施工過(guò)程模擬、虛擬漫游、工程量精確計(jì)算，輔助梁場(chǎng)布置方案的論證及優(yōu)化調(diào)整，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。原陽(yáng)制梁場(chǎng)采用縱列式布置，分為6個(gè)區(qū)域，即生活辦公區(qū)、制梁區(qū)、存梁區(qū)、提梁區(qū)、拌合站、生產(chǎn)輔助區(qū)。箱梁預(yù)制采用裝配式鋼構(gòu)制梁臺(tái)座、裝配式鋼筋預(yù)扎架、鋼筋整體吊架、裝配式箱梁預(yù)制模型，最大限度地實(shí)現(xiàn)收轉(zhuǎn)重復(fù)利用；優(yōu)化給排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工用水回收再利用，盡可能地節(jié)約資源和減少環(huán)境污染，推動(dòng)鐵路橋梁預(yù)制綠色施工技術(shù)的發(fā)展。

3.2 箱梁預(yù)制模具

基于40 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁自驅(qū)式液壓內(nèi)模系統(tǒng)。模型由底模、側(cè)模、內(nèi)模、端模等構(gòu)件組成。底模和側(cè)模采用固定式，底模固定在鋼性制梁臺(tái)座上，側(cè)模調(diào)整到位后與底模連接形成整體；內(nèi)模采用自驅(qū)式走行液壓設(shè)計(jì)，通過(guò)內(nèi)模的周轉(zhuǎn)提高模板的使用率，高效利用實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保并降低成本。

自驅(qū)式內(nèi)模采用貝雷式龍骨結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，液壓收放采用變徑斷面直收、自動(dòng)移位和液壓系統(tǒng)無(wú)線搖控操作；內(nèi)模行走采用電驅(qū)模式，配置1套固定托架、2套驅(qū)動(dòng)托架和2套從動(dòng)車架，實(shí)現(xiàn)箱梁內(nèi)模快速安全的安裝和拆除。通過(guò)減量化設(shè)計(jì)90條螺旋支撐桿，形成管路清晰的簡(jiǎn)明液壓系統(tǒng)，可減少故障、方便維護(hù)。箱梁底、側(cè)模及內(nèi)模如圖3所示。

圖3 箱梁底、側(cè)模及內(nèi)模圖

3.3 鋼筋數(shù)控加工及吊裝

箱梁鋼筋采用數(shù)控彎曲中心進(jìn)行加工，整體綁扎，龍門吊整體吊裝。依托智能數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)觸摸屏操作面板設(shè)定鋼筋加工參數(shù)，設(shè)備按預(yù)先設(shè)定好的程序控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行鋼筋加工，通過(guò)編碼器、位移傳感器等檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)加工精度及加工狀態(tài)的精確控制。自動(dòng)完成鋼筋的調(diào)直、定尺剪切、對(duì)齊傳輸、托起移送、自動(dòng)彎曲等工序。箱梁鋼筋數(shù)控加工如圖4所示。

圖4 箱梁鋼筋數(shù)控加工圖

箱梁鋼筋面積大、重量重，研制鋼筋骨架專用吊具，防止起吊時(shí)吊具及鋼筋發(fā)生過(guò)大變形；采用兩臺(tái)95 t龍門吊吊裝鋼筋骨架。

3.4 混凝土澆注

(1)箱梁混凝土澆注工藝

40 m簡(jiǎn)支箱梁采用的高性能混凝土量較大，為縮短澆注時(shí)間，混凝土拌和站及泵送設(shè)備均配置兩套獨(dú)立系統(tǒng)。從梁體兩端向中間采用斜向分段、水平分層的方式連續(xù)灌筑，兩端同步對(duì)稱均勻進(jìn)行，首先灌筑腹板與底板結(jié)合處及底板混凝土，然后從內(nèi)模頂面預(yù)留的混凝土灌筑孔下料補(bǔ)澆底板混凝土，再澆注腹板，最后澆注頂板。確保連續(xù)灌筑，一次成型。

(2)混凝土養(yǎng)護(hù)

制梁臺(tái)座上梁體采用土工布覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)，存梁區(qū)采用自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，箱梁側(cè)面、底板和頂板采用自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)，箱梁內(nèi)箱采用封閉霧化養(yǎng)護(hù)。

(3)張拉與壓漿

鋼絞線采用鏈?zhǔn)桨喂艽┦_(tái)車，預(yù)應(yīng)力張拉采用自動(dòng)張拉系統(tǒng)，預(yù)應(yīng)力孔道壓漿采用自動(dòng)壓漿系統(tǒng)，自動(dòng)張拉系統(tǒng)極大地提升了施工效率和施工質(zhì)量。

3.5 試驗(yàn)檢測(cè)[4-6]

為掌握40 m簡(jiǎn)支箱梁預(yù)制過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力變化，對(duì)箱梁混凝土水化熱、材料性能測(cè)試、預(yù)應(yīng)力摩阻測(cè)試、終張拉預(yù)應(yīng)力效果、靜載試驗(yàn)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，得出箱梁預(yù)制工藝滿足設(shè)計(jì)要求。

(1)梁體內(nèi)溫度檢測(cè)

箱梁體內(nèi)埋設(shè)溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)箱梁混凝土水化熱溫度在65 ℃以內(nèi)，芯表溫差在15 ℃以內(nèi)；局部最大溫差出現(xiàn)在梁端與腹板結(jié)合部，為22.9 ℃，澆筑完成70 h后，溫差小于 15 ℃；跨中截面芯表最大溫差位于頂板與腹板結(jié)合部，最大為15.0 ℃。受環(huán)境溫度變化影響，各部位芯表溫差達(dá)到最大值的歷時(shí)差別較大，短則13 h，長(zhǎng)則38 h，芯表溫差隨時(shí)間呈波動(dòng)特性，如圖5所示?？傮w上，混凝土水化熱溫度發(fā)展趨勢(shì)正常，滿足技術(shù)條件相關(guān)要求。

圖5 預(yù)制箱梁混凝土跨中芯表溫差歷時(shí)曲線圖

(2)強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)

箱梁預(yù)制混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度和彈性模量滿足規(guī)范要求。梁體初張拉時(shí)(齡期3 d)，混凝土抗壓強(qiáng)度約40 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%；梁體養(yǎng)護(hù)齡期至7 d時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)值，滿足張拉條件。預(yù)制箱梁終張拉混凝土強(qiáng)度55～58 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)值110%～116%，彈模40～41 GPa，達(dá)到設(shè)計(jì)值的112%～115%，滿足規(guī)范要求。

(3)靜載試驗(yàn)

采用靜載試驗(yàn)自控系統(tǒng)和自平衡式靜載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行預(yù)制箱梁靜載試驗(yàn)，系統(tǒng)自動(dòng)保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成靜載試驗(yàn)計(jì)算單和輸出靜載試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)預(yù)制箱梁靜活載撓跨比實(shí)測(cè)值為1/3 989～1/3 783，小于設(shè)計(jì)值 1/3 358，豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求；單線設(shè)計(jì)活載作用下，試驗(yàn)梁扭轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)值在0.179‰～0.198‰之間，小于理論值0.310‰，梁體扭轉(zhuǎn)剛度符合設(shè)計(jì)要求。用1.2倍設(shè)計(jì)荷載測(cè)試處于彈性狀態(tài)的梁體，實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力與計(jì)算值接近，跨中未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，抗裂安全性滿足規(guī)范要求。

4 箱梁運(yùn)輸與架設(shè)[7-8]

4.1 箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)

鐵路40 m整孔箱梁的轉(zhuǎn)運(yùn)包括箱梁從提梁站到運(yùn)梁車的垂直運(yùn)輸、運(yùn)梁車到架橋機(jī)待架位置的水平運(yùn)輸。通常大噸位鐵路預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)是通過(guò)路基(馬道)運(yùn)輸或輪軌式提梁機(jī)側(cè)位提升的施工方法。

鄭濟(jì)鐵路黃河特大橋北引橋采用“四線雙層”的設(shè)計(jì)方式，普通的提梁機(jī)跨度不能滿足橋梁架設(shè)的要求。為此，首次采用正位提梁新方法，通過(guò)聯(lián)合研制MG500型提梁機(jī)實(shí)現(xiàn)箱梁垂直運(yùn)輸。正位提梁法的工藝為：在橋下提升站內(nèi)設(shè)置提梁臺(tái)座，沿橋墩縱向在兩側(cè)設(shè)置提升機(jī)走行軌道并安裝提升機(jī)，搬運(yùn)機(jī)將箱梁搬運(yùn)至提梁臺(tái)座存放，提升機(jī)走行至提梁臺(tái)座正上方，將箱梁提升至橋面高度，縱移提升機(jī)至待架橋跨位置，架橋機(jī)架設(shè)箱梁，架設(shè)過(guò)程中，運(yùn)梁車配合架橋機(jī)完成箱梁架設(shè)。為滿足高速鐵路40 m、1 000 t簡(jiǎn)支箱梁通過(guò)復(fù)雜工況水平運(yùn)輸?shù)囊螅?lián)合研制了低位槽型運(yùn)梁車，采用四縱梁八橫梁的網(wǎng)格狀槽型結(jié)構(gòu)，最大程度利用隧道和箱梁兩側(cè)的空間，降低運(yùn)梁高度，可滿足路基、便道、橋梁、雙線隧道內(nèi)預(yù)制箱梁運(yùn)輸作業(yè)。

4.2 箱梁架設(shè)

基于40 m預(yù)制箱梁自重和架橋工況，聯(lián)合研制了 1 000 t級(jí)五支腿大跨度過(guò)隧架橋機(jī)。采用雙主梁四支腿結(jié)構(gòu)，起重小車采用分列式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中支腿和后支腿采用可翻折式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前支腿和前輔助支腿采用多級(jí)循環(huán)伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隧道內(nèi)通行時(shí)拆除起重小車中支腿下橫梁，中后支腿折翻，前支腿收縮，降低高度通過(guò)隧道。

4.3 箱梁運(yùn)架遠(yuǎn)程監(jiān)控

針對(duì)箱梁運(yùn)架大型設(shè)備在野外復(fù)雜工況下的運(yùn)維安全風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)發(fā)了箱梁運(yùn)架設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，極大地提升了箱梁運(yùn)架安全的管控水平。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模型，利用專屬VPN網(wǎng)絡(luò)，在廣域網(wǎng)上的任一位置通過(guò)Web瀏覽器登錄系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)架設(shè)備GIS地理信息的展示、運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備狀態(tài)及工況預(yù)警及報(bào)警分析與信息推送、設(shè)備遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)流程管理、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工、設(shè)備電子檔案管理等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

2018年5月18日，鄭濟(jì)鐵路黃河特大橋北引橋成功實(shí)現(xiàn)首孔鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁的預(yù)制，標(biāo)志著我國(guó)高速鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁預(yù)制技術(shù)從研究階段邁向工程化應(yīng)用；從2018年9月27日成功首架，到2019年11月8日順利完成344片40 m簡(jiǎn)支箱梁的預(yù)制，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高速鐵路預(yù)制梁建設(shè)的第三次飛躍。隨著我國(guó)高速鐵路建造技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新與工程化應(yīng)用的快速推進(jìn)，深度融入云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能等信息技術(shù)，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)高速鐵路橋梁建設(shè)邁向智能化建造的新高度。