高速鐵路節段箱梁預制場規劃設計研究

張 偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 概述

節段箱梁引入標準化設計，促進了工廠化、裝配式生產模式的規?；l展，通過數智化BIM設計、建造技術，提升了橋梁傳統設計、建造、工裝水平，緩解了建設臨時用地與環保的突出矛盾，縮短了工期。我國鐵路建造科技實力的不斷增強，凝聚著工程技術人員的勞動付出和智慧結晶。張立青[1]結合工程實例對節段預制技術、膠接拼裝裝備、膠接拼裝及節段預制拼裝線形控制技術進行了深入研究，具有借鑒價值；杜振華等[2]結合節段預制膠拼連續梁的設計實踐，對節段拼裝連續梁部分設計控制指標的選取、接縫截面直剪強度驗算以及耐久性設計等方面進行總結；賈筱煜[3]、施威等[4]、張雷等[5]、解兵林等[6]、熊偉等[7]對節段梁預制膠拼法建造技術的歸納提煉提供了實踐支撐；張波[8]對預制梁場的規劃設計提出了較完整設計思路；余承宏[9]對節段梁從預制到拼裝全過程線形控制、引入信息化技術管理長短線偶配等提供了系統解決成功方案。

節段箱梁預制的主要工法有3種:長線臺座法、短線臺座法、長短線偶配臺座法。短線臺座法和長短線偶配臺座法，分別適用于工廠化集中預制、現場預制。

2 節段箱梁基本結構設計

鐵路節段箱梁的設計分為三種節段類型:端頭節段、過渡(異形)節段和標準節段，見圖1。

節段箱梁成品及架梁工況見圖2。

3 節段箱梁預制技術

3.1 節段箱梁預制關鍵技術

(1)端頭節段在制梁臺座上綁扎鋼筋骨架，其余節段均在胎具一次性完成鋼筋骨架整體綁扎。

(2)采用全自動液壓可調式鋼模板。

(3)在預制臺座軸線上設置精測網觀測塔，實現整孔節段預制線形的精確定位。

(4)匹配節段與新澆節段接觸的一端截面，通過涂刷隔離劑，實現新舊截面的精準匹配。

(5)采用自動溫控養護系統進行養護。

3.2 節段箱梁蒸汽養護

制梁臺座的周轉效率取決于制梁周期，制梁周期中混凝土養護時間的確定至為關鍵。徐桂平[10]、黨海軍[11]、楊江朋[12]結合具體工程實踐先后對南方非冬季、北方冬季時段混凝土節段預制蒸汽養護做了深入研究，得出兩類代表性地區蒸汽養護可行的工藝參數。節段箱梁蒸汽養護溫度控制見圖3。

4 節段箱梁預制場規劃

4.1 單榀節段箱梁預制周期

根據某高速鐵路節段箱梁預制成功案例，單榀節段箱梁預制周期見表1、表2。

表1 單榀端頭及過渡節段箱梁預制周期(非冬季)

表2 單榀標準節段箱梁預制周期(非冬季)

從表1、表2可以看出，端頭節段、標準節段單榀預制占用制梁臺座時間分別為1.5 d、1 d。

4.2 節段箱梁制梁、存梁臺座及模板需求量計算

(1)節段箱梁架梁需求分析

根據節段箱梁架設施工組織安排，可按以下公式計算制梁場日產節段箱梁節數。

式中:η為每日架設節段箱梁數量(節/d)；N為架設節段箱梁總數量(節)；T為架設節段箱梁總工期(d)。

(2)節段箱梁制梁、存梁臺座需求量計算

根據現行鐵路工程大型臨時工程設計規范，節段箱梁制梁、存梁臺座需求量可按以下公式計算:

式中:N3為節段箱梁預制場制梁臺座數量(個)；η2為預制節段箱梁日產榀數(節/天)；T3為預制單榀節段箱梁占用單個制梁臺座周期(個·d/節)；N4為節段箱梁預制場存梁臺位(個)；T4為單節箱梁占用單個存梁臺位周期(個·d/節)，可取28 d；K2為節段箱梁存放系數，單層節段箱梁存梁時取1，雙層節段箱梁存梁時取2，三層節段箱梁存梁時取3。

(3)模板需求量計算

為確保節段箱梁線形及進度，標準節段前一榀梁預制完成后，作為后一榀梁的匹配節段，前一榀預制梁的外側模、內模拆除后作為后一榀梁的內外模；待澆筑混凝土與匹配節段混凝土接觸面，通過在匹配節段接觸面涂刷隔離劑，使新舊混凝土有較好地分離，當后一榀節段尾端截面高度發生變化時，需增加1個端模，而后一榀節段尾端截面高度不發生變化時則利用匹配節段拆除端模。

(4)單榀節段箱梁制梁、存梁臺座及模板需求量

從表1可以看出，單榀標準節段箱梁預制周期為24 h(按1 d計算)，側模、端模、底模與制梁臺座按 1∶1配置。

則，每天預制1榀標準節段箱梁需設置制梁臺座數N1為:

N1＝1×1＝1(個)

每天預制1片軌道簡支梁需投入側模、端模、底模M1為:

M1＝N1＝1(套)

根據短線法節段箱梁預制工藝流程，考慮成品節段箱梁檢查驗收等需耗用時間，實際存梁占有周期可按28 d計算。

則每一天完成預制1榀節段箱梁需設置存梁臺座數N2為:

N2＝1×28＝28(個)

5 節段箱梁預制場規劃設計

5.1 節段箱梁預制場基本資料

某新建高速鐵路特大橋，孔跨48 m連續布置有27孔簡支箱梁，設計采用預制節段膠結拼裝結構。利用枯水季節在橋下設置節段梁預制場，采用架橋機逐孔拼裝施工。梁型設計為單箱單室等高度直腹板，梁跨為48.6 m共劃分11節段，總計需要預制297節段。單榀梁段按節長分3.15 m和4.7 m兩種，其中1＃、11＃(長3.15 m)節段為端頭節段，2＃、10＃(長4.7 m)節段為過渡(異形)節段，3?！?＃節段為標準節段(長4.7 m)。節段梁梁高4.8 m，梁面寬12.6 m，底板寬6.4 m。計劃2021年11月30日前完成節段梁預制及架設任務。

施工選用TP48型架橋機，架梁效率7 d/孔，過孔時間為1 d。則計算出架梁工期為215 d，即制梁工期最佳匹配為215 d。單榀節段箱梁存梁周期按28 d計算。采用長短線偶配法預制工藝。

5.2 制梁、存梁臺座及模板數量配置

(1)節段箱梁預制場能力需求分析

梁場以保障架梁進度為目標，架梁開始和架梁結束時間提前一個制存梁周期(30 d)，即為制梁起止時間。1＃、11＃節段為端頭梁、2＃、10＃節段為過渡(異形)梁，節段預制周期均按1.5 d/節段計算，3?！?＃節段為標準梁，節段預制周期均按1.0 d/節段計算，按照一條生產線計算需要制梁工期為351 d，而實際允許制梁工期為215 d，則計算出需要設置生產線為1.6條(351/215)，按兩條生產線布置，具體計算見表3。

表3 節段箱梁預制場能力需求分析

可以看出，布置兩條生產線后，標準梁每天可以生產2榀標準節段梁，端頭梁、過渡(異形)梁的生產能力有所富裕，能夠滿足TP48型架橋機的節段梁吊裝進度。

(2)節段箱梁預制場臺座、模板、觀測塔配置

端頭梁:每條生產線配置1個制梁臺座、1套模板系統。

過渡(異形)梁及標準梁:每條生產線配置9個制梁臺座，在長短線偶配生產線設置，1套模板系統(其中底模為9個制梁臺座通長長度)。

長短線偶配生產線布置形式:端頭梁＋異形梁＋標準梁＋過渡(異形)梁＋端頭梁。

修整、自然養護座:按臺座占用周期2.5 d計算，兩條生產線需設置5個臺座，其中標準梁占用3個臺座、端頭節段梁及過渡(異形)節段梁占用1個。

存梁臺座:存梁周期按28 d計算，每條生產線需設置28個存梁臺座?？紤]雙層存梁，可滿足2條生產線存梁需求。

標準梁綁扎胎具:根據制梁周期需求關系，過渡(異形)節段梁和標準節段梁整體骨架鋼筋需要在胎具上綁扎完成，過渡(異形)節段梁制梁周期為1.5 d，每天為2榀梁預制，則胎具最大需求量為3個(1.5×2)。

觀測塔:設置4個觀測塔。

5.3 梁場規劃基本尺寸

結合架梁(TP48型架橋機)、模板系統等工裝設備配置，選擇線路左側橋下紅線范圍狹長地段，按縱列式布置流水生產線，利用附近集中混凝土拌和站供應梁場混凝土；在線路左側擴充租地范圍進行合理緊湊布置，工后復墾工作量小，對環境影響也較小。

將鋼筋加工車間、骨架鋼筋綁扎胎具、制梁區、梁段修整養護區、存梁區以軸線縱向形式布置，長度395 m、寬度36 m(其中紅線內3.0 m)。選用18 m-180 t龍門吊跨墩布置在橋墩兩側，均在紅線范圍內。

各功能區之間，設置操作安全距離。

5.4 節段箱梁預制場規劃成果設計

節段箱梁預制場生產區長度為395 m，寬度為36 m，總占地約21畝，其中紅線范圍約占2畝。日制梁能力2榀，存梁規模56榀(雙層)，滿足日架梁2榀進度要求。規劃設計見圖4。

6 結論

(1)節段箱梁預制場規劃，與國鐵整孔箱梁預制場規劃原理基本相同。

(2)節段箱梁預制線形匹配精度通過測量塔精測實現。

(3)鋼模系統根據設計圖紙設計制造，采用液壓可調式鋼模適應同截面不同節段長度的預制，模板快速倒用。

(4)可以將制梁、存梁功能區域分開規劃設置，充分利用紅線范圍內用地、灘地和荒地，最大限度減少耕地占用。

(5)運梁可利用社會資源，梁場移梁采用龍門吊，降低了工裝設備投入。

(6)運梁通道選擇性靈活，既可通過地方公路，也可通過施工便道或已完線下工程作為通道。

(7)TP48型架橋機經過改進，增加了運梁通道的選擇方式。

(8)架橋效率提高，移動模架造橋機按15 d/孔，TP48型架橋機可達7 d/孔，提高工效1倍多。

(9)增加多個架梁工作面，可縮短整個建設項目的架梁工期。