劉向明

(中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

1 問(wèn)題的提出

目前國(guó)內(nèi)高速鐵路普遍采用32 m箱梁，為適應(yīng)更高速度、更大跨越能力以及高墩條件下高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋建造需求，鄭濟(jì)(鄭州至濟(jì)南)高速鐵路首次采用40 m箱梁制架技術(shù)，這是根據(jù)高速鐵路建設(shè)、綜合試驗(yàn)和運(yùn)維實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而提出，其建造技術(shù)在世界上尚無(wú)先例，為解決鋼筋預(yù)扎精準(zhǔn)定位、內(nèi)模變徑斷面直收、預(yù)應(yīng)力孔道橡膠棒抽拔高速反彈、成品束鋼絞線自動(dòng)平衡同步張拉問(wèn)題，確保建造質(zhì)量和安全，開(kāi)展技術(shù)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 40m/1000t箱梁制造和運(yùn)架中關(guān)鍵問(wèn)題分析

鄭濟(jì)高鐵鄭州黃河特大橋引橋?yàn)楣F兩用橋梁，分上下兩層設(shè)計(jì)，下層為四線鐵路，上層為32.5m寬雙向六車(chē)道城市快速路。鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速350km,無(wú)砟軌道40m簡(jiǎn)支箱梁，全長(zhǎng)40.6m，計(jì)算跨度為39.3m，支座中心距4.4m，梁高3.235m，頂板寬度12.6m，底板寬5.4m。單孔箱梁混凝土數(shù)量為370m3，梁重約925t。與傳統(tǒng)32m箱梁相比，鐵路40m箱梁明顯跨度增長(zhǎng)、高度增高、體積增加、重量增大和預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)，并采用了單排大錨具設(shè)計(jì)技術(shù),目前尚沒(méi)有成熟的制梁工藝和制架設(shè)備。40m簡(jiǎn)支箱梁橫斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 40m簡(jiǎn)支箱梁橫斷面設(shè)計(jì)圖

傳統(tǒng)的箱梁內(nèi)模系統(tǒng)采用龍門(mén)吊吊裝入?；蚓?yè)P(yáng)機(jī)拖拉出模的施工方式，內(nèi)模變徑無(wú)法一次成型，需要耗費(fèi)大量人工成本，且施工質(zhì)量安全不易控制。一方面原有箱梁鋼筋預(yù)扎采用人工搭設(shè)支架方式，分階段搭設(shè)，結(jié)構(gòu)整體剛性不強(qiáng)，鋼筋定位受制于支架結(jié)構(gòu)限制，人工不易操作，鋼筋定位不準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了工程質(zhì)量及施工安全，且工效不高。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)箱梁建造管理、梁場(chǎng)布局設(shè)計(jì)采用人工計(jì)算方式，受人員管理水平、經(jīng)驗(yàn)程度影響較大，造成建造管理粗放，梁場(chǎng)布局不科學(xué)，加大了臨時(shí)用地，更缺少綠色施工的可持續(xù)發(fā)展理念。而40m箱梁首次采用成品束鋼絞線，原有采用千斤頂對(duì)稱(chēng)張拉，中間各級(jí)臨時(shí)錨固后，重新安裝千斤頂，再分級(jí)張拉方式，伸長(zhǎng)測(cè)量積累誤差不斷加大，無(wú)法滿足高質(zhì)量建造要求。鄭濟(jì)高速鐵路跨黃河特大橋采用高鐵雙線和市域鐵路雙線并行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，且40m箱梁較傳統(tǒng)32m箱梁高度、重量都有較大增加，原有運(yùn)架設(shè)備無(wú)法滿足施工需要。

3 技術(shù)措施研究

3.1 加大自動(dòng)化設(shè)備及工裝研制，全面采用機(jī)械化制梁

3.1.1 研制和使用箱梁自驅(qū)式內(nèi)模系統(tǒng)

箱梁自驅(qū)式內(nèi)模系統(tǒng)，內(nèi)模采用龍骨結(jié)構(gòu)，整體性強(qiáng)、變形小，并設(shè)置自驅(qū)裝置自行進(jìn)出模型，實(shí)現(xiàn)了變徑斷面直收、自動(dòng)移位、液壓系統(tǒng)搖控操作功能，方便快捷，避免了傳統(tǒng)的龍門(mén)吊吊裝入?；蚓?yè)P(yáng)機(jī)拖拉出模的施工方式，節(jié)約了人工，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。自驅(qū)式內(nèi)模進(jìn)出主梁鋼筋籠和梁體工況見(jiàn)圖2所示。

圖2 箱梁自驅(qū)式內(nèi)模進(jìn)出筋籠和梁體施工

3.1.2 研制和使用箱梁鋼筋預(yù)扎自動(dòng)升降內(nèi)架

箱梁鋼筋預(yù)扎自動(dòng)升降內(nèi)架，采用電力驅(qū)動(dòng)齒輪箱實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降，具有結(jié)構(gòu)整體性好、剛度大，鋼筋定位更準(zhǔn)確等特點(diǎn)，使用該裝置對(duì)于保證工程質(zhì)量、施工安全和提高工效具有明顯作用。

3.1.3 研制和使用預(yù)應(yīng)力孔道橡膠棒抽拔臺(tái)車(chē)

后張梁鏈?zhǔn)桨喂艽┦_(tái)車(chē)采用兩對(duì)條形輪，夾緊、旋轉(zhuǎn)抽拔橡膠管，出孔后仍繼續(xù)夾緊，完全避免了高速反彈的安全風(fēng)險(xiǎn)，并減小膠管損傷，延長(zhǎng)了橡膠管的壽命。

3.1.4 研制和使用預(yù)應(yīng)力成品束鋼絞線穿束臺(tái)車(chē)

針對(duì)40m箱梁首次采用成品束鋼絞線，研發(fā)和使用了預(yù)應(yīng)力成品束鋼絞線穿束臺(tái)車(chē)，該臺(tái)車(chē)配套鏈條卡瓦式穿束裝置，保證鋼絞線束穿束過(guò)程順直，鋼絞線與錨孔一一對(duì)應(yīng)，確保預(yù)應(yīng)力束張拉時(shí)單筋受力均勻。其工作狀態(tài)見(jiàn)圖3所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力成品束鋼絞線穿束臺(tái)車(chē)

3.1.5 研發(fā)和使用箱梁混凝土自動(dòng)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

箱梁混凝土自動(dòng)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)手機(jī)APP或控制面板輸入梁號(hào)信息后，噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)入工作模式，控制供水系統(tǒng)向臺(tái)座噴淋管路供水，選取噴淋覆蓋范圍、噴射旋轉(zhuǎn)角度、噴射高度適合的噴頭對(duì)箱梁頂板、腹板、內(nèi)箱、底板進(jìn)行自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)作業(yè)。養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)自動(dòng)定時(shí)上傳至鐵路梁場(chǎng)綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)流轉(zhuǎn)。

3.1.6 研制和使用預(yù)應(yīng)力筋自動(dòng)張拉設(shè)備

預(yù)應(yīng)力筋自動(dòng)張拉設(shè)備由動(dòng)力子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)組成，可進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)，一鍵啟動(dòng)張拉，自動(dòng)完成整個(gè)張拉全過(guò)程。該設(shè)備自動(dòng)平衡同步張拉，自動(dòng)控制持荷時(shí)間、力值、位移值顯示及存儲(chǔ)，自動(dòng)計(jì)算張拉結(jié)果并打印完整的張拉記錄表。張拉數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至梁場(chǎng)服務(wù)器，可遠(yuǎn)程傳輸至鐵路工程管理平臺(tái)，見(jiàn)圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力筋自動(dòng)張拉設(shè)備

3.1.7 研制和使用預(yù)應(yīng)力管道自動(dòng)壓漿設(shè)備

孔道壓漿采用TGZY型鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力自動(dòng)壓漿系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由真空泵、高速攪拌桶、低速攪拌桶、壓漿泵、傳感器、平板電腦等組成，集抽真空、制漿、壓漿功能于一體，一鍵啟動(dòng)自動(dòng)進(jìn)行抽真空、制漿、壓漿、保壓過(guò)程，支持遠(yuǎn)程傳輸至管理平臺(tái)。

3.1.8 研發(fā)和使用箱梁自動(dòng)靜載系統(tǒng)

箱梁載荷試驗(yàn)自動(dòng)加載系統(tǒng)由自動(dòng)加載系統(tǒng)和自平衡式靜載試驗(yàn)架組成(見(jiàn)圖5)。靜載試驗(yàn)加載模塊根據(jù)主控模塊指令為靜載試驗(yàn)提供加載動(dòng)力，通過(guò)預(yù)設(shè)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，并根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整千斤頂加載速度，確保加載同步準(zhǔn)確和平衡穩(wěn)定。靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，可自動(dòng)生成“靜載試驗(yàn)報(bào)告”。

圖5 箱梁自動(dòng)靜載系統(tǒng)

3.2 研制和使用成套運(yùn)架施工設(shè)備

3.2.1 研制和使用40m /1000t箱梁搬運(yùn)機(jī)

研制了世界上首套40m/1000t級(jí)箱梁搬提運(yùn)架施工設(shè)備，該搬運(yùn)機(jī)跨度48m，凈跨43.5m，起升高度13m，自重約675t。該設(shè)備支腿結(jié)構(gòu)不再沿用傳統(tǒng)的“人字形”而改為“門(mén)形”，并將其橫向位置設(shè)為寬窄可變的技術(shù)方案，其爬坡能力2%、可原地90°轉(zhuǎn)向，適用于鐵路40m、32m、24m雙線整孔箱梁的起吊、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移等工作，并滿足雙層存梁的要求和具備為運(yùn)梁車(chē)裝梁的功能，確保箱梁運(yùn)架施工安全可靠。

3.2.2 采用兩臺(tái)同型門(mén)式跨線起重機(jī)組合抬吊工作方式

鄭濟(jì)高速鐵路跨黃河特大橋高鐵雙線和市域鐵路雙線并行，采用跨度參數(shù)相對(duì)較小的正位提梁上橋方式，箱梁提升上橋采用兩臺(tái)同型門(mén)式跨線起重機(jī)組合抬吊，單臺(tái)最大起重量為500噸，跨度36m、起升高度30m，減小了提梁機(jī)安裝拆卸和使用安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 使用40m/1000t箱梁運(yùn)梁車(chē)

YLS1000型運(yùn)梁車(chē)采用多輪軸、小輪胎設(shè)計(jì)方案，懸掛輪組采用雙胎并置結(jié)構(gòu)型式和寬基小輪胎方案，有效降低整機(jī)高度。使用該車(chē)可實(shí)現(xiàn)“整升整降”和“單點(diǎn)升降”功能，滿足了運(yùn)梁車(chē)自動(dòng)調(diào)平和喂梁時(shí)精確對(duì)位要求。

3.2.4 使用40m/1000t級(jí)箱梁步履式架橋機(jī)

JQS1000型架橋機(jī)采用雙主梁五支腿結(jié)構(gòu)，跨一孔簡(jiǎn)支架梁，額定起重量達(dá)1000t。使用該車(chē)架設(shè)首末跨、曲線梁和變跨梁十分方便，可快速實(shí)現(xiàn)橋間轉(zhuǎn)移或掉頭作業(yè)，在R2000m的曲線線路上正常架梁，30‰大坡道架梁安全可靠。箱梁架設(shè)作業(yè)見(jiàn)圖6所示。

圖6 40m/1000t級(jí)箱梁架設(shè)

3.3 采用信息化管理，推行綠色建造技術(shù)

3.3.1 大力推行BIM技術(shù)在箱梁設(shè)計(jì)和施工中的應(yīng)用

采用Bentley平臺(tái)ProStructures V8i，根據(jù)二維設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建40m預(yù)制梁高精度BIM模型(見(jiàn)圖7)，模型包括梁體、橋梁附屬設(shè)施、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力、支座和防落梁預(yù)埋件等，實(shí)現(xiàn)可視化技術(shù)交底，并可以進(jìn)行鋼筋碰撞檢查(見(jiàn)圖8)。

圖7 40m箱梁BIM模型

圖8 鋼筋碰撞檢查

3.3.2 BIM技術(shù)應(yīng)用于梁場(chǎng)規(guī)劃

使用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立梁場(chǎng)可視化BIM模型，進(jìn)行施工過(guò)程模擬分析、場(chǎng)地虛擬漫游、工程量精確計(jì)算，輔助進(jìn)行場(chǎng)地布置方案的論證及調(diào)整。管理者直觀了解場(chǎng)地布置情況，并通過(guò)場(chǎng)地模擬，合理規(guī)劃場(chǎng)地，減少臨時(shí)用地，實(shí)現(xiàn)綠色施工。

3.3.3 梁場(chǎng)全面采用節(jié)能減排環(huán)保技術(shù)

拌和站、制梁養(yǎng)護(hù)區(qū)和洗石區(qū)設(shè)置多級(jí)沉淀池，實(shí)現(xiàn)水資源回收利用，施工污水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)排放。采用霧炮消塵器和灑水車(chē)降塵，減少揚(yáng)塵，開(kāi)展生產(chǎn)生活區(qū)綠化建設(shè)，優(yōu)化場(chǎng)區(qū)布置，增綠降污，大量采用太陽(yáng)能、空氣能等新能源或低能耗設(shè)備，全面落實(shí)綠色施工和可持續(xù)發(fā)展理念。

總之，針對(duì)當(dāng)前中國(guó)高速鐵路建設(shè)，在解決線路平順性方面推廣整體道床、新型軌枕板、CF基樁地基處理、大量采用橋梁等新技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合鄭濟(jì)高速鐵路40m/1000t箱梁首次的工程化應(yīng)用，圍繞鐵路40m箱梁新結(jié)構(gòu)、新工藝的特點(diǎn)，開(kāi)展箱梁建造機(jī)械化作業(yè)，箱梁自驅(qū)式內(nèi)模、鋼筋數(shù)控加工、鋼筋預(yù)扎自動(dòng)升降內(nèi)架、預(yù)應(yīng)力孔道橡膠棒拔管臺(tái)車(chē)、預(yù)應(yīng)力成品束鋼絞線穿束臺(tái)車(chē)、預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉、預(yù)應(yīng)力孔道自動(dòng)壓漿、箱梁自動(dòng)靜載等自動(dòng)化設(shè)備和工裝技術(shù)研究，能夠確保40m/1000t級(jí)箱梁預(yù)制施工質(zhì)量更好、生產(chǎn)效率更高，施工安全更有保證，為高速列車(chē)的平穩(wěn)高速運(yùn)行提供保障。