1 工程概况

新建铁路北同蒲韩家岭至应县增建四线工程朔州—山阴联络线连续梁位于山西省朔州市, 为单线铁路等截面预应力混凝土连续箱梁, 梁长113.2m, 孔跨布置形式为 (32+48+32) m, 梁体净重2 300t, 加装前后钢导梁及桥面系后, 顶推力为27 000k N, 采用步履式顶推法施工。

连续梁对应北同蒲线里程为K98+380, 斜交角度33°29'00″, 梁体纵坡-9.3‰, 曲线半径为500m。连续梁现浇位置为32m跨标准简支梁结构, 个别为24m跨。9~17号段桥墩高度为7~12.5m, 采用混凝土实体墩结构。桥位关系如图1所示。

连续梁为等高截面, 梁高2.9m, 截面为单箱单室直腹板形式, 箱梁顶宽7.2m、底宽4.4m。顶板厚度除梁端附近和中支点附近外均为0.32m, 腹板为直腹板, 厚0.4~0.7m, 按折线变化;底板厚度除梁端附近和中支点附近外均为0.4m。全桥在端支点和中支点处共设置5个横隔板。隔板厚度:端支点处1.0m, 中支点处1.5m, 跨中处0.5m。

原设计方案采用传统的拖拉法, 即在其中2个墩顶设置穿线式千斤顶, 后端设置拉锚器, 梁底设置滑板, 每个墩顶设置强制限位装置。通过对钢筋混凝土梁结构进行分析, 此方法存在以下诸多不利因素: (1) 要求梁底的平整度为1mm, 施工难度极大; (2) 拖拉的受力点位于其中的2个墩身, 应力较集中, 混凝土梁底平整度较难控制, 容易造成滑板受力不均, 与梁底接触程度不同, 四氟乙烯板填塞不畅, 造成应力集中, 梁体受力不均, 出现细微裂缝; (3) 拖拉法启动容易引起梁体“蛙跳”现象, 对混凝土结构不利, 如拉锚器损坏, 梁体将无法拖拉, 且无法修复; (4) 纠偏采用在墩顶两侧设置强制装置, 容易出现墩身、梁体及装置损坏情况, 较难控制; (5) 本梁体要跨越48m既有铁路, 拖拉钢绞线位于梁体下方, 既有铁路接触网上方出现断线现象, 安全隐患大。

针对传统拖拉的诸多不利因素, 根据本工程特点, 特进行了技术革新, 采用步履式多点顶推施工方法。步履式顶推施工方法为在梁体经过的每个墩顶设置顶堆装置, 即竖向和横向千斤顶, 本桥在6个墩顶共设置6套顶推装置, 整个顶推设备采用智能化控制, 同步起落前进, 在每套千斤顶设置压力传感器, 自动调整与梁体的接触应力, 确保每套千斤顶与梁体均能接触, 按照MIDAS/Civil程序进行建模和检算, 梁体受力均按照检算结果进行控制, 较传统拖拉法有以下优点: (1) 对预制梁底的平整度要求不高, 高差2cm内均能满足施工要求; (2) 顶推受力点位于6个墩顶, 受力点较多, 墩身应力影响较小, 且每个顶推设备均按照应力传感器, 可对顶推过程实施监控, 千斤顶自动调节与梁体的接触, 消除局部梁体应力集中, 避免梁体出现裂缝; (3) 梁体顶推千斤顶同步起落、前进, 梁体运行平稳, 如其中1套设备出现故障, 整个系统将自动停止运行, 待检修完成后方可继续顶推; (4) 不需要在墩身两处安装强制纠偏装置, 降低施工成本; (5) 跨越既有线路仅有梁体与导梁结构, 无其他安全隐患。

虽然步履式顶推施工有顶推速度较慢的不利因素, 但综合钢筋混凝土结构的安全和稳定性, 本工程曲线半径较小、跨越既有线等诸多不利因素, 故采用步履式多点顶推施工方法。步履式顶推装置如图2所示。

在小里程侧9~13号墩现浇预制, 达到设计强度后, 进行顶、底板和临时束的张拉, 张拉完成后, 安装前、后钢导梁, 其中前导梁长35m、后导梁长20m。钢导梁完成后, 安装顶推设备, 进行钢筋-混凝土组合连续梁的体系转换, 并进行试顶推。各项指标达到要求后, 采用多点式步履顶推法将连续梁上跨既有线顶推就位, 顶程约113.2m, 顶推就位后, 梁体位于14~16号墩, 张拉剩余永久钢束并拆除临时束, 凿除临时混凝土垫块, 安装临时钢支墩、防震落梁, 用竖向千斤顶落梁就位。

连续梁由小里程侧向大里程侧按-9.3‰的坡度进行下坡顶推。由于连续梁与相邻简支梁梁高不同, 连续梁比简支梁高, 故顶推过程中梁体的顶推标高比设计标高要高, 综合考虑顶推设备尺寸、接长墩等, 确定顶推轨迹线比设计线高53cm。因此需调整相邻桥墩支撑高度, 结合本桥设计情况, 采用在既有桥墩顶部临时接高钢筋混凝土调整块进行调整。步履式多点顶推法, 每个循环走行0.75m, 分4步完成。

1) 第1步梁体同步起升, 竖向千斤顶同步起升, 将梁体顶起2cm, 梁体超过支撑块。

2) 第2步梁体前进, 水平千斤顶提供水平力, 克服摩擦力使梁体前行一个行程, 行程75cm。

3) 第3步梁体下降, 竖向千斤顶同步下降, 将梁体同步落在支撑块上, 与梁体分离。

4) 第4步水平千斤顶缩回, 带动竖向千斤顶回到初始位置。

此梁体已经前行0.75m, 完成1个单循环作业, 进行下个循环直至梁体就位, 顶推速度平均3m/h, 顶程共计113.2m。

每行进0.75m均进行仿真分析, 通过控制油压控制支反力, 使各墩上支反力接近仿真分析调整后的支反力。顶推过程中需对梁体受力状态进行控制, 对梁体应力状态进行监控, 防止梁体开裂。监控采用在梁体表面安装钢弦式应变计, 应变计在危险截面埋设, 控制仪读取应变计数值后, 与理论计算数值进行比较, 确定梁体应力状态是否安全。

墩顶顶推装置由滑道、滑块、水平千斤顶、竖向千斤顶、纠偏装置、泵站及控制系统组成。顶推装置存在3种工作状态, 从动装置只有1种, 主动装置有2种工作状态, 一种是当主动装置处于端头时, 此时滑块带着导向板一起运行, 导向板与滑道两侧限位之间只有2mm的间隙, 因此千斤顶只能推到滑块沿滑道中心线向前移动;另一种是当滑块处于中间位置时, 此时将导向板卸下, 滑块与滑道侧向限位之间理论有2cm的间隙, 滑块可以自由摆动。

钢导梁采用工字型截面梁, 2根导梁之间设置连接系杆, 其中前导梁长35m、重59t, 后导梁长20m、重38t。导梁设计为变截面梁, 前端刚度小, 根部刚度大, 与导梁受力情况相适应, 考虑曲线半径小, 顶推过程中侧向力大, 故在2根导梁之间设置刚度较大的连接系杆, 以承受较大的水平力, 导梁节间采用焊接, 焊缝采用对焊, 考虑现场焊接条件较差, 对焊后采用连接板加强, 焊缝设计为二级焊缝, 不必进行探伤试验。

预埋件的翼板及腹板上焊接有剪力钉, 剪力钉的规格及数量依据导梁所承受的最大弯矩及剪力进行设计, 可保证钢-混凝土组合接头处的受力强度满足要求。

导梁及预埋件采用Q345B材料, 委托厂家加工, 制造工艺应符合相关规定的要求。

导梁在地面按设计要求拼装完成后, 汽车式起重机配合, 与导梁预埋件进行焊接。

前导梁跨越最大跨为48m, 后导梁跨越最大跨为32m, 后导梁设计极为保守, 因此不是危险断面, 故无须对其进行监测。前导梁抗剪能力储备较大, 最危险的情况是导梁抗弯最不利时, 此时危险截面出现在导梁的根部, 故需对其进行监测。

顶推过程中, 主梁最小压应力出现在前移15m时的支点截面上, 此时理论计算的梁顶面的压应力最小, 且梁体刚度较大, 支反力无法准确按理论值进行控制, 故此截面属于危险截面, 需对此截面进行应力监控。

传感器安装后连线、调试, 保证监控设备工作正常, 张拉过程中张拉作业人员紧密配合, 采用增量法测量。传感器连接的电线均布置于梁体内, 对既有设备无影响。

顶推至设计位置后, 拆除前、后导梁, 凿除临时混凝土垫块, 安装防震落梁和钢支座。张拉剩余顶板束, 拆除临时束, 张拉腹板束和剩余底板束, 真空压浆, 然后落梁。落梁采用竖向千斤顶和保险垛配合的方式, 整个梁体同步进行, 落梁过程中, 相邻桥墩各顶点高差应≤5mm, 千斤顶落梁作业时, 下降必须均匀缓慢。需要注意的是, 支座安装时需对其进行预偏, 预偏量一般设计院在设计图纸中有标识, 但需核实的是, 设计院给出的预偏量往往是全部预应力张拉所需的预偏量。

落梁时不能一次落梁高度过高, 保险墩与千斤顶高差≤2cm, 落梁过程中始终要监控各支点的支反力状态。

连续梁位于500m半径的曲线上, 顶推过程走行轨迹是一条全长113.2m、半径500m的螺旋线, 若按直线行走将偏离桥梁中心甚远, 施工过程中采用走割线的方式进行施工, 采用转向原理, 水平千斤顶布设时按曲线的割线方向布置, 6套千斤顶与梁体不产生相对滑动, 梁体的走行将沿螺旋线行走, 走行原理如图3所示。

由于水平千斤顶布置方向无法绝对精准, 千斤顶向前方向会有自由误差存在等一系列无法克服的条件, 致使梁体在走行过程中可能产生走偏, 需对梁体前进方向进行纠偏。

在顶推行进过程中采取主纠偏和辅助纠偏的办法克服梁体跑偏。主纠偏主要采取微调滑道的方法, 对滑道每个行程或每3个行程进行微调整, 使滑道尽量保持在走行轨迹的割线上, 让梁体自行转弯按曲线行走。梁体走偏后, 以计算为依据, 适当使滑道向反方向偏移, 在后面的几个行程中完成纠偏。辅助纠偏即顶推前在侧面垫石上用膨胀螺栓固定1根竖向槽钢作为立柱, 在立柱上焊接1个螺帽作为微调螺纹, 需要调整时, 正反拧动螺杆, 滑道将左、右移动方向, 千斤顶与梁体夹角变化, 从而进行纠偏。

考虑到顶推过程中的安全性和同步性, 在泵站系统中合理设计了换向阀、液压锁、63MPa和10MPa安全阀, 选择了额定流量2L/min等。通过换向与安全阀的配合实现了泵站双向操作;液压锁设计保证了千斤顶到液压锁的油压稳定, 提供稳定的压力, 增加安全可靠性;通过两种安全阀能控制千斤顶的油压, 防止千斤顶超载使用;截流阀和额定流量的设计主要是控制千斤顶的顶升速度, 保证同步性。

为解决千斤顶同步性和安全性, 针对两大难点进行了电控系统设计。首先进行了总电路图设计, 根据总接线图进行了中央配电箱和中央控制箱设计, 实现了顶推系统的远程中控和同步控制。通过终端配电箱和终端控制箱的设计, 实现了单个泵站系统的分控制, 同时任何分控系统都可以急停, 控制系统共设计了6个分控系统;对中央控制系统和终端控制系统的操作台也进行了设计, 使操作非常简便, 顶推过程主要靠按钮实现。如图4所示。

在正式顶推前需要进行操作演练, 首先按设计要求在墩外将顶推系统拼装调试完成, 在墩外进行空载反复演练;空载试验完成后, 在顶推起始的2~3个循环再进行演练;演练过程设总指挥、各泵站负责人、操作人员、检查人员。模拟主要内容有:检查顶推系统设备正常性、竖向千斤顶顶起长度量取、水平千斤顶顶起长度量取及滑块重新布置等。

各墩检查设备情况→各墩汇报检查结果→各墩1/5MPa接触 (中间5MPa, 两端导梁1MPa) →各墩汇报接触压力→正常后总控向中控发出起升指令→率先达到支反力限值的泵站按下急停, 整个控制系统停止→总控向各分控发出各自调整指令→各分控调整支反力至控制支反力值→顺序向总控报告反力控制情况→正常后各泵站将滑块移至起点位置→各墩将滑块与梁体竖向间距用薄钢板调整至5mm→完成后各墩位向总控报告墩顶情况→总控向中控发出下降指令→梁体下落到滑块上→各墩检查并报告总控→总控向中控发出前行指令, 前行75cm, 完成1个循环。

采用步履式顶推施工方法, 朔山联络线上跨北同蒲铁路小半径曲线混凝土连续梁顺利顶推就位, 顶推平均速度达到2.5m/h, 每个循环均对梁体受力进行实时监控, 顶推过程中对梁体及桥墩没有任何损伤, 梁体就位方向和标高均满足规范要求。