廖 菲，馬 濤

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

0 引言

隨著我國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，各類型無砟軌道結(jié)構(gòu)均有廣泛的工程應(yīng)用，針對路基、站場、隧道、中小跨徑橋梁的無砟軌道施工技術(shù)已日趨成熟[1]，但目前國內(nèi)外已建成的高速鐵路大跨度鋼橋大多仍采用有砟軌道，如鄭州黃河公鐵兩用橋(主橋為1聯(lián)(120+5×168+120)m六塔單索面連續(xù)鋼桁結(jié)合梁斜拉橋)[2]，滬蘇通長江公鐵大橋(主跨1 092m的鋼桁梁斜拉橋)[3]、五峰山長江大橋(主跨1 092m的鋼桁梁懸索橋)[4]、黃岡長江大橋(主跨567m的鋼桁梁斜拉橋)[5]等工程；僅少部分嘗試采用了無砟軌道，如商合杭裕溪河特大橋(主跨324m的鋼箱桁梁斜拉橋)[6]、昌贛高鐵贛江特大橋(主跨300m的鋼-混組合梁斜拉橋)[7]、武廣高鐵汀泗河橋(主跨135m的鋼箱系桿拱橋)等[8]。無砟軌道結(jié)構(gòu)在大跨度鋼桁梁橋梁上的應(yīng)用尚處于起步階段，與無砟軌道相比，有砟軌道幾何狀態(tài)不易長期保持，增加了維修的工作量和養(yǎng)護(hù)維修設(shè)備種類。在大跨度鋼橋上推廣使用無砟軌道，不僅是實現(xiàn)高速鐵路高速平穩(wěn)運營的要求，同時對降低工程造價、減少后期軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量均有積極意義[9]。

本文以大跨鋼桁梁公鐵兩用橋——鄭濟(jì)高鐵鄭州萬灘黃河特大橋主橋無砟軌道施工為工程實例，針對大跨鋼桁梁公鐵兩用橋無砟軌道施工難點系統(tǒng)地提出了解決方案和關(guān)鍵施工步驟，對于類似大跨鋼桁梁公鐵兩用橋無砟軌道施工具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鄭濟(jì)鐵路鄭州石灘黃河特大橋主橋及南引橋，全長4 377m，為公鐵共建段(下層為4線鐵路、上層為6車道快速路)。橋梁孔跨布置由北向南為：7孔112m簡支鋼桁梁+(112+6×168+112)m連續(xù)鋼桁梁+45孔40m鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁/15聯(lián) 3×40m 公路小箱梁+1孔120m簡支鋼桁梁+10孔40m鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁/公路小箱梁；市域鐵路同期實施段為10孔32m簡支箱梁，總長327.52m；鄭新快速路同期實施段為1聯(lián)(2×40)m連續(xù)小箱梁(雙幅)，總長81.40m。總體橋跨布置如圖1所示。

圖1 總體橋跨布置

鄭州萬灘黃河特大橋主橋為(112+6×168+112)m連續(xù)鋼桁梁橋，如圖2所示。橋梁平面為直線，立面關(guān)于382號墩對稱布置，設(shè)0.6%人字坡，豎曲線半徑R=30 000m。大橋為上、下分層公鐵兩用橋，上層為6車道鄭新城市快速路，下層為4線鐵路，上游側(cè)為兩線鄭濟(jì)高速鐵路，下游側(cè)為兩線鄭新城際鐵路(預(yù)留，道床暫不施工)。鄭濟(jì)鐵路采用CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道，設(shè)計速度為350km/h。

圖2 橋式布置(單位：m)

1.2 無砟軌道結(jié)構(gòu)

本工程正線無砟軌道主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限不少于60年。CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、WJ-8B扣件、道床板以及底座組成。

(112+6×168+112)m連續(xù)鋼桁梁、7孔112m 簡支鋼桁梁、1孔120m 簡支鋼桁梁段鐵路橋面采用CRTS I型雙塊式減振無砟軌道，無砟軌道結(jié)構(gòu)高度為785mm，如圖3所示。

圖3 CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)

道床板與底座(含減振墊層)合稱道床，均采用分塊式結(jié)構(gòu)，長度、寬度均一致，在主桁架節(jié)點位置斷開設(shè)置，相鄰道床板、底座板間距為100mm，梁端位置兩線中間設(shè)置中間板，頂面與道床面平齊,中間板與道床板側(cè)面鋪設(shè)10mm厚彈性緩沖墊層，頂面采用聚氨酯密封膠封邊。

橋梁底座混凝土和道床板均采用模筑法施工[10]，混凝土底座在橋面(鐵路混凝土橋面板)上澆筑，底座分段設(shè)置，梁體內(nèi)預(yù)埋鋼筋與底座連接，道床板采用C40混凝土現(xiàn)場澆筑于混凝土底座上。軌道安裝調(diào)整采用“軌排框架法”施工[11]。

2 施工重難點分析

鄭州萬灘黃河特大橋主橋是八跨一聯(lián)的連續(xù)鋼桁梁公鐵兩用橋，聯(lián)長 1 232m，最大跨度168m，設(shè)計時速350km/h，采用CRTS Ⅰ 型雙塊式無砟道床。為保證高速列車通過時的安全性、平穩(wěn)性，無砟軌道道床的線形、質(zhì)量控制成為施工控制的重點。本工程無砟道床施工主要需解決如下的技術(shù)難題。

1)施工測量發(fā)現(xiàn)，在某一荷載作用下，橋梁實測撓度值小于設(shè)計計算撓度值，橋梁計算模型的剛度需修正后才能用于指導(dǎo)道床施工。

2)長聯(lián)鋼梁在溫度作用中產(chǎn)生的節(jié)點位移量大[12]，CPⅢ控制點的高程值、里程值在一天內(nèi)的變化量較大，無法用于道床施工控制。實測顯示，溫度升高10℃，跨中節(jié)點最大上拱量為9mm。

3)連續(xù)梁各跨間的撓度變形具有聯(lián)動性，一跨在施工時產(chǎn)生撓度變形，則其余7跨均會發(fā)生大小不一的撓度變形[13]，確定道床結(jié)構(gòu)的施工控制高程值十分困難。

4)大跨度鋼梁的剛度相對較小，受荷載變化的影響大[14]，某跨道床結(jié)構(gòu)施工時，對其相鄰跨已澆筑的道床結(jié)構(gòu)混凝土(已初凝，處于養(yǎng)護(hù)期，強(qiáng)度不高)質(zhì)量會造成影響，常規(guī)的道床施工順序(從橋梁一端向另一端順序推進(jìn)施工)質(zhì)量風(fēng)險非常高。

3 橋梁計算剛度修正

采用MIDAS Civil軟件建立全橋有限元模型(見圖4)，對施工各階段進(jìn)行模擬計算。但受模擬精度、制造偏差、施工誤差、材料離散等因素的影響，計算結(jié)果與實測結(jié)果往往存在一定偏差。受快速路混凝土橋面板等結(jié)構(gòu)的影響，本工程的上述偏差較大，不可忽略不計。為減小該偏差，采用實橋荷載試驗，測得橋梁實際撓度，與相應(yīng)的計算撓度對比，并據(jù)此調(diào)整計算模型的結(jié)構(gòu)剛度EI，從而使剛度修正后的計算撓度值達(dá)到可控制施工的精度。

圖4 全橋有限元計算模型

3.1 荷載試驗

為節(jié)約成本，以鐵路橋面鋪裝層為試驗荷載，以383～384號、384～385號、385～386號3跨為試驗跨。先澆筑384～385號跨的鋪裝層，再同步澆筑383～384號、385～386號兩跨的鋪裝層，通過混凝土運輸車過磅稱重，做好試驗荷載計量，分別測量上述3跨鋼梁節(jié)點的撓度變化值，并與相應(yīng)計算值進(jìn)行對比。

3.2 試驗數(shù)據(jù)

3.2.1384～385號跨

試驗荷載為5 750kN，384～385號鋪裝層澆筑后，測得鋼梁上游側(cè)邊桁架下弦桿節(jié)點處產(chǎn)生的豎向位移，實測最大撓度值為-9.0mm，計算最大撓度值為-11.9mm。

3.2.2383～384號、385～386號跨

新加試驗荷載9 600kN，383～384號、385～386號跨鋪裝層澆筑后，測得鋼梁上游側(cè)邊桁架下弦桿節(jié)點處產(chǎn)生的豎向位移，383～384號、384～385號跨、385～386號跨實測最大撓度值分別為-10.1，-7.9，-5.4mm，相應(yīng)計算最大撓度值分別為-13.0，-11.0，-6.0mm。

3.3 試驗成果

以跨中最大撓度值作為橋梁剛度修正的依據(jù)。通過將多組實測與計算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可知橋梁實際剛度約為計算剛度的1.3倍，據(jù)此修正鋼梁計算模型剛度。修正后，鋼梁各節(jié)點計算撓度與實測值的偏差在0.5mm內(nèi)，效果良好。

4 基于CPⅢ的“相對高差控制法”

4.1 工法原理

對大跨度鋼梁而言，CPⅢ[15]測點的絕對高程、坐標(biāo)值是動態(tài)變量，受溫度、荷載變化的影響，且其變化值不可忽略不計，要實時掌握各CPⅢ高程值十分困難。為此，提出基于CPⅢ的“相對高差控制法”。該方法以橋梁設(shè)計提出的軌道理論線形為目標(biāo)值，結(jié)合橋梁實測線形，計算出各底座、道床板的施工控制厚度，并利用CPⅢ測點與同斷面鋪裝層頂面測點間的高差變化極小、可視為一個不變量(h1，h2是不變量)的特點，用“相對高差”這個非變量，控制道床施工(見圖5)。該方法可剔除橋梁變形、溫度變化的不利影響。

圖5 相對高差示意

4.2 實施步驟

1)在環(huán)境溫度恒定且接近15℃(14℃～16℃)時(橋梁設(shè)計基準(zhǔn)溫度)，測量全橋CPⅢ測點的高程、坐標(biāo)值及全橋CPⅢ斷面處鋪裝層頂面實際高程值(測點設(shè)在無砟軌道中線處)，得到鋪裝層頂面實際高程曲線。

2)根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑睦碚撥壍讟?biāo)高曲線，計算得到軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線(理論軌底標(biāo)高+未施工的二期恒荷載引起的豎向變形)。

3)用目標(biāo)曲線減去實際曲線可得到各斷面處的高程差，此高程差即為底座和道床板施工厚度之和(含減振墊層)。

4)計算確定各斷面底座及道床板的施工控制厚度，消除前期施工高度偏差。注意控制底座、道床板施工控制厚度與設(shè)計厚度的偏差在驗標(biāo)允許范圍內(nèi)。

5)按確定的施工控制厚度，施工完全部底座。

6)在溫度恒定且接近15℃時(14℃～16℃)時，再次測量CPⅢ測點的高程及坐標(biāo)，同時測量底座頂面中心線高程。

7)根據(jù)軌底標(biāo)高目標(biāo)曲線及底座頂面中心線實測高程，計算各道床板的施工控制厚度。

8)用相對高差控制法，施工道床板。

9)進(jìn)行全橋竣工測量。

5 關(guān)鍵施工技術(shù)

5.1 底座

為減小施工荷載對相鄰跨間已澆筑、尚處于養(yǎng)護(hù)期內(nèi)混凝土的擾動，避免應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生，同時考慮滿足工期、連續(xù)施工，將底座劃分為跨中、墩頂兩部分，分15個區(qū)段進(jìn)行澆筑施工(見圖6)，順橋向以382號墩為對稱中心，按先跨中再墩頂、隔跨對稱施工的原則，從①～的順序依次澆筑，即先依次澆筑①～⑨，完成橋梁絕大部分的撓度變形后，再按⑩～澆筑墩頂6個節(jié)間，以減小鋼桁梁變形量；橫橋向的兩線底座同步施工。每一區(qū)段的底座混凝土在初凝時間內(nèi)澆筑完成，依次澆筑施工之間的時間差為3d，底座施工歷時45d。

圖6 底座施工順序

5.2 道床板

道床板施工采用“軌排框架法”，施工工藝為：施工準(zhǔn)備→測量放線→鋪設(shè)道床板底層鋼筋→散枕器吊裝、人工布枕→安裝縱、橫向模板→組裝軌排→軌排粗調(diào)→道床板上層鋼筋綁扎→焊接接地鋼筋、接地端子→軌排精調(diào)→混凝土澆筑、抹面→混凝土養(yǎng)護(hù)→應(yīng)力放散→模板拆除、質(zhì)量檢查。

澆筑道床板混凝土順橋向以382號墩為中心(見圖7)，按①～⑧的順序逐跨進(jìn)行，即從跨中向兩端、隔跨對稱施工，相鄰跨間施工工期間隔以混凝土強(qiáng)度進(jìn)行控制；橫橋向兩線道床板同步施工。

圖7 道床板施工順序

6 混凝土質(zhì)量控制措施

無砟道床混凝土工程質(zhì)量是另一控制重點。混凝土裂縫、軌枕周邊裂縫是常見的質(zhì)量通病[16]，大跨度鋼梁無砟軌道工程因橋梁剛度小，受溫度、荷載變化影響大，上述質(zhì)量風(fēng)險極高。研究采用以下質(zhì)量控制措施，實施效果良好。

1)選用優(yōu)質(zhì)地材，進(jìn)行適當(dāng)清洗降低含泥量。

2)設(shè)計時，適當(dāng)提高道床混凝土強(qiáng)度等級。優(yōu)選低坍落度、低用水量、低膠凝材料、高含氣量的配合比設(shè)計，施工時嚴(yán)格控制混凝土坍落度。

3)在凹槽四角、軌枕轉(zhuǎn)角等處增設(shè)防裂鋼絲網(wǎng)片。

4)原漿收面、底座收面不少于3次，道床板收面不少于5次。

5)養(yǎng)護(hù)及時、保濕效果好，養(yǎng)護(hù)時間不少于14d。

6)道床施工期間，鋼梁上嚴(yán)禁重車通行。

7)道床板混凝土澆筑后6～7h，根據(jù)氣溫、混凝土強(qiáng)度增長情況，適時做好軌排框架鋼軌應(yīng)力放散工作。

7 結(jié)語

鄭州萬灘黃河特大橋是國內(nèi)聯(lián)長最長、跨度最大、設(shè)計時速最高的公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁橋。目前鄭濟(jì)高鐵已進(jìn)入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，該橋無砟道床施工質(zhì)量良好，軌道各項檢測指標(biāo)優(yōu)良。無砟軌道技術(shù)在該橋的成功實踐，對無砟軌道在大跨度橋梁上的應(yīng)用推廣意義重大。主要得到如下結(jié)論。

1)長聯(lián)大跨連續(xù)鋼桁梁橋受荷載、溫度變化等因素影響大，無砟軌道道床施工質(zhì)量風(fēng)險很高，其施工工序、工期、工藝工法與其他類型橋梁有較大區(qū)別。

2)將鐵路橋面鋪裝層作為試驗荷載，工期短、成本低、工序流暢，對橋梁計算剛度的修正效果好。

3)施工期間，荷載、溫度變化會引起連續(xù)梁各CPⅢ測點高程值不斷變化，基于CPⅢ的“相對高差控制法”，可消除上述不利影響，實踐也證實了其可行性。

4)連續(xù)梁無砟軌道底座、道床板的施工過程中，通過合理安排連續(xù)梁無砟軌道底座、道床板的施工順序，可降低施工荷載對相鄰跨間已澆筑、尚處于養(yǎng)護(hù)期內(nèi)混凝土的擾動程度，對控制其早期受力裂縫的發(fā)生有利。