高速鐵路多跨56 m簡支箱梁橋的施工方案優化

侯書平，藺鵬臻，劉應龍

(1.銀西鐵路銀川至吳忠客專工程建設指揮部,寧夏 銀川 750403；2.蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

在高速鐵路建設實踐中，跨度適中的簡支梁由于對地基沉降要求相對較低、受力簡單、維護方便等優點被鐵路橋梁廣泛采用。箱梁具有抗扭性能好、縱橫向剛度大、整體穩定性好等優點，現在已經普遍采用。在目前的高速鐵路橋梁中，簡支箱梁大部分采用20,24，32，40，56，64 m等幾種跨度[1]。但是在跨越深谷、通航江河、少占耕地時出于施工可行性、經濟比選及通航的考慮，小跨度已經不能滿足要求，大跨度的簡支梁越來越多被運用于鐵路橋梁中。目前大量簡支梁結構采用沿線梁場預制、運梁車運輸和架橋機架設的施工模式，少量簡支梁采用移動模架、膺架法橋位灌筑法施工。橋梁施工方法的選擇，受設計、機械設備、工程造價、組織管理等多方面影響。不同施工方式必須因地制宜，才能保證成本與效益的最優。因此，本文結合新建銀西高鐵銀川機場黃河特大橋引橋56 m簡支梁橋的施工，采取合理的施工方案優化方式，科學制定最優施工方案，在保障工程質量、安全和環保等要求的基礎上，進一步縮短施工工期，避免冬季施工，節約投資成本，可為銀吳客專按期開通奠定堅實基礎。

1 大跨度簡支梁的施工方法及主要特征

隨著預應力混凝土的應用、橋梁類型與跨徑的增加以及構件生產的預制化等，橋梁上部結構施工方法有了較大的進步和發展，形成了多種多樣的施工方法。但是從總體上來講，橋梁施工方法主要分為支架現澆、節段預制拼裝和預制整孔架設等3類。各自的主要施工特征如下：

1)支架現澆法：無需預制場地，而且不需要大型起吊、運輸設備；無需做梁間或節間的鏈接工作，橋跨結構整體性好；施工質量受現場混凝土澆筑、預應力張拉等影響；施工中需搭設支架，支架控制和模板投入較大[2]。適宜于橋梁高度較低、橋下無通航、泄洪等需求的平坦地區。

2)節段預制拼裝：節段尺寸小、重量輕，運輸方便，拼裝施工速度快； 在預制場預制節段，混凝土質量容易控制[3]，混凝土后期徐變撓度較低；施工前期投入較大，主要包括預制場地建設、運輸設備、架梁設備等；節段之間以膠縫聯結，膠縫現場處理的質量控制存在風險，如處理不好的話，大氣中的水分和酸性成分滲入，導致結構的耐久性差；施工工序復雜，膠縫、預應力張拉、節段之間線形和高程控制等工藝要求高，技術難度大；施工的總體組織、協調的工作難度較大[4-7]。

3)預制整孔架設：需專門的預制場，工廠化預制有利于確保構件的質量，便于采用機械化施工；主梁構件在安裝時一般已有一定齡期，可減少混凝土收縮徐變引起的變形；架設需要大型運輸和起吊設備，且適用于32 m及以下跨度高鐵橋梁，56 m雙線架橋機較少。

2 56 m簡支梁施工方案研究

2.1 節段預制施工方案

本工程56 m簡支箱梁若采用節段預制施工方案，擬短線匹配法預制、節段法拼裝施工。需投入2臺 2 200 t 造橋機,2臺250 t運梁臺車，1臺用于橋下梁場向提升站運梁，1臺用于橋上運梁?？傮w架設方向由17#墩向30#墩逐孔推進。

根據現場實際情況，在17#，18#墩之間布置1臺固定式250 t跨線大型門吊，在線路左側18#墩附近布置56 m簡支箱梁節段預制場。為了不影響工期，梁場投入短線制梁臺座6套，雙層存梁臺座33個。1臺 34 m 跨250 t大型門吊，1臺22 m跨20 t簡易門吊。

根據架設要求，預制順序由小里程向大里程逐孔預制。每孔梁預制時，先分別在2個制梁臺座上預制1#及13#節段，然后再將1#及13#節段分別做為匹配預制2#及12#，最后再將1#及13#節段吊入存梁臺座存放，將2#及12#分別吊往其余臺座，做為匹配梁預制下一節段，最后將同片梁的6#及8#同時吊入同一臺座做為7#梁的匹配梁預制7#梁段。

結合線路橋址地形地貌及水文地質條件，對銀川機場黃河特大橋17#—30#墩13孔箱梁的施工方案進行仔細研究，擬定的總體施工步驟如下：

1)在17#墩頂設置混凝土臨時支墩，17#—18#孔安裝造橋機。

2)運梁車將待架梁段運至造橋機正下方，通過天車提梁，進行17#—18#孔膠拼施工。

3)造橋機過孔至18#—19#孔，在17#—18#孔之間拼裝提升站龍門吊機。

4)運梁車將箱梁節段運至提升站，提升上橋，橋上運輸至架橋機尾部喂梁架設，逐孔施工18#—30#孔。

根據節段預制拼裝施工工藝特點，該工法適用于中等跨徑(30～50 m)、橋梁總長度較長的海上、大型河流湖泊、山區橋梁以及城市高架與輕軌等上部結構箱梁施工，并且工期緊的工程采用最為合適。但該施工方案不僅需要考慮施工過程中梁段混凝土、預應力、膠縫、線形、預拱度控制等因素，同時還需考慮施工機械投入和施工安全等因素。56 m箱梁橋采用預制拼裝施工方案有必要進行進一步的優化。

圖1 澆筑狀態模板橫斷面(單位：mm)

2.2 支架現澆施工方案

采用支架現澆方案時,箱梁模板采用整體式鋼模板[2]和帶有走行縱梁的液壓內模(見圖1)，每個循環設置4套箱梁底模、1套箱梁外側模、1套箱梁全液壓收縮式內模、1套鋼筋綁扎胎具。施工順序依次為底?！鈧饶！鷥饶！四０?。支架施工完，第1孔至第4孔底模及外側模鋪設完成后，對第1孔支架進行預壓，同時在第2孔支架上拼裝外側模，待第1孔支架預壓完成，對第1孔箱梁底模按預壓數據進行標高調整；然后外側?；浦恋?孔就位。第2孔支架進行預壓，預壓完成后調整底模標高，而后在第2孔箱梁底模上拼裝內模板；待第1孔箱梁底腹板鋼筋綁扎完成及波紋管定位完成，內?；凭臀?，同時在第2孔支架上拼裝鋼筋綁扎胎具；胎具拼裝完成以后開始第2孔箱梁底腹板鋼筋綁扎及波紋管定位施工。第3孔支架開始預壓。第1孔箱梁混凝土澆筑完成后，待強度達到要求，滑移鋼筋綁扎胎具至第3孔支架上；下落及外移外側模，滑移外側模至第2孔就位，收縮內模，內?；浦恋?孔就位。依次循環，至13孔箱梁全部施工完成。

3 施工方案的比選

3.1 橋梁施工方法的優選原則

確定橋梁的施工方法，需充分考慮橋位的地形、地質、環境、施工方法的安全性、經濟性、施工速度等。因此，在橋梁設計時就要對橋位條件進行詳細調查，掌握現場的地理環境、地質條件及氣象條件等。在選擇施工方法時，橋梁的類型、跨徑、施工技術水平、施工設備條件等等也是相當重要的因素，同時必須考慮施工過程中橋梁結構的應力變化。橋梁設計時往往預先假定施工方法，并在設計上考慮施工全過程的受力狀態。因此，施工方案的確定應充分考慮設計時假定的施工方法，并考慮其他相關因素的影響。橋梁施工方法的選定，可依據下列條件綜合考慮。

1)使用條件：橋梁的類型、使用跨徑、橋墩高度、橋墩形狀、梁下空間的限制、平面場地的限制等。

2)施工條件：工期要求、施工設備條件、施工技術水平、施工管理能力、材料供應情況、施工經濟核算等。

3)自然環境條件：山區或平原、地質條件及軟弱層狀況、對河道的影響、運輸線路的限制等。

4)社會環境影響：對施工現場環境的影響，包括公害、景觀、污染、架設孔下的障礙、道路交通的阻礙、公共道路的使用及建筑限界等。

3.2 工程數量及工期對比

1)工程數量對比：分別對56 m簡支梁進行節段預拼和支架現澆2種施工方案的設計，在滿足橋梁使用性能要求的前期下，可獲得2種設計方案的工程數量。通過從單孔梁工程數量、大臨工程數量等方面的對比，支架現澆施工方案明顯優于預制拼裝施工方案。

2)工期對比：通過對比，若采取預制拼裝施工方法，施工工期合計為661 d，而改為支架現澆后工期為386 d，縮減了275 d，支架現澆具有明顯的工期優勢。由于本工程工期的總體安排，施工需在2017年11月3日前完成，預制拼裝不能滿足總工期的要求。一旦施工中有不可控因素造成延誤，難以通過增加投入來確?？偣て?。支架原位現澆方案由于不受架橋機、預制場、接縫施工等外部環境影響，施工工期更容易控制。因此，從工期角度考慮，支架現澆方案是最優方案。

3.3 質量及安全控制對比

預制拼裝和支架現澆方案由于施工工序不同，安全控制的要求和標準亦不相同。依據鐵建設[2010]162號《鐵路建設工程安全風險管理暫行辦法》及GB/T 50326—2006《建設工程項目管理規范》[8]中關于工程安全風險等級的劃分及界定標準，可對2種方案的安全控制要點及安全風險級別進行對比。為了定量評價2種施工方案的安全風險，引入安全風險度D的概念，表達式為

式中:n為安全控制核心要素數量;Si為第i項風險類型的風險等級;Pi為第i項風險發生的概率。

2種施工方案的安全控制要點、風險等級及風險概率，以及施工總體方案的安全風險度如表1所示。

由表1可以看出，預制拼裝施工主要有3大潛在的安全風險源：①節段拼裝方案中需要1臺 2 200 t 架橋機，1臺450 t跨線提梁機，2種機械均為大型起重設備，施工過程中存在較大安全隱患；②預制場提梁、存梁、運梁等操作過程中均存在較大安全隱患；③西北地區春季風力較大，尤其該橋橋址寬闊，春季大風預警幾乎天天都有，對于節段拼裝架橋機工作安全和效率影響較大。

表1 安全風險度比較

注：Ⅰ為可忽略風險；Ⅱ為可容許風險；Ⅲ為中度風險；Ⅳ為重大風險；Ⅴ為不容許風險。

與預制拼裝相比，支架現澆施工中的主要安全風險源為支架系統，且控制要素在一般橋梁施工中較為常見，可通過支架專項方案進行有效的控制。而預制拼裝施工由于涉及架橋機組裝和作業、架橋機吊裝、現場膠縫預拼等多個施工工序且相互影響較大，安全控制的難度較大，因此施工潛在的安全風險較大。

通過對2種施工方案安全風險度的定量對比可知，支架現澆方案的安全風險度為0.75，低于預制拼裝施工方法的1.00。

3.4 成本控制對比

預制拼裝和支架現澆方案的成本控制對比分析如表2所示。

表2 成本控制比較 萬元

綜上統計，移動式整體現澆施工方案共計節約資金911萬元。比預制拼裝施工方案少投入40%勞動力以及 30%的施工機具設備。

通過綜合比較，考慮到移動式整體現澆在工期、成本以及安全等方面的優勢，同時可避開冬季施工，質量可控，因此，56 m簡支箱梁的施工方案優選為支架現澆方案。

4 結論

針對銀西高鐵銀川機場黃河特大橋引橋56 m簡支箱梁，制定了預制拼裝及支架現澆2種施工方案。通過對比分析2種施工方案的優缺點，優選了適合于該工程的施工方案，得出的主要結論如下：

1)高速鐵路56 m雙線箱梁由于梁體重量大，整孔預制架設工藝不能滿足要求，支架現澆和預制拼裝是該類型箱梁的合適施工方案。

2)基于橋梁施工方案的優選原則，通過對比2種施工方案的工程數量、工期、質量控制、安全控制及成本，可認為鑒于該橋的建設環境條件，支架現澆為該工程最優的施工方案。不僅可縮短工期275 d，同時可節約資金911萬元。

3)通過對2種施工方案安全風險度的定量對比，支架現澆方案及預制拼裝方案的安全風險度分別為0.75，1.00。支架現澆方案的安全風險較低，56 m簡支箱梁的施工方案優選為支架現澆方案。