武漢二七長江大橋跨武九鐵路立交橋施工技術(shù)與安全控制
2017-07-31
0 引言
研究的背景和意義：
隨著近年來我國道路橋梁大規(guī)模建設(shè)發(fā)展，上跨既有鐵路營業(yè)線的橋梁施工案例日漸增多，一旦發(fā)生危及營業(yè)線交通的安全事故，處罰非常嚴(yán)厲。因此，針對(duì)上跨鐵路營業(yè)線橋梁施工的共性方法規(guī)律和個(gè)性化問題開展研究，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。
研究的動(dòng)機(jī)和目的：
上跨營業(yè)線掛籃懸澆施工作業(yè)時(shí)間長、各類施工機(jī)具多，極易發(fā)生物體打擊影響行車安全；傳統(tǒng)防護(hù)棚架對(duì)沖擊荷載的類型和量化考慮不夠充分。在本工程案例中，采用箱梁0號(hào)塊支架采用現(xiàn)澆支架與墩梁固結(jié)一體式設(shè)計(jì)并分段切割、牽引吊放拆除鋼管混凝土柱，掛籃采用斜拉重力式地錨原位試驗(yàn)方案及防墜落措施，防范物體打擊沖擊荷載防護(hù)棚架研究設(shè)計(jì)等新的思路和方法，以解決施工技術(shù)問題、控制安全風(fēng)險(xiǎn)。
1 工程概況
1.1 橋式布置
武漢二七長江大橋上跨武九鐵路立交橋梁采用（45m+60m+45m）三跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋（見圖1）。連續(xù)梁基礎(chǔ)為鉆孔樁，下部結(jié)構(gòu)為混凝土承臺(tái)及墩身，上部結(jié)構(gòu)箱梁采用掛籃法懸澆施工。
1.2 既有線情況
橋梁中心與鐵路的交點(diǎn)里程為武九線K10+936，軌頂高程+24.548m（85國家高程，下同），鐵路安全限界寬5.0m、高6.7m，線路左側(cè)鐵路約5米處埋設(shè)5條鐵路通信光纜，兩側(cè)路肩上各有1條信號(hào)電纜溝，內(nèi)埋3條區(qū)間信號(hào)電纜。在鐵路左側(cè)距線路中心3.8m處有鐵路電力貫通線。
橋梁S2號(hào)墩鄰近既有線，承臺(tái)距安全限界最近為9.1m，墩身高24.74m，箱梁60m主跨需跨越既有線施工，梁底距安全限界最低凈空為16.4m。
1.3 主要施工方案
鉆孔樁采用大扭矩全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)成孔、垂直導(dǎo)管法澆筑水下混凝土；承臺(tái)基坑深度達(dá)5m且鄰近既有線，采用鋼板樁圍堰支護(hù)施工；墩身采用翻模法施工；箱梁0號(hào)塊采用落地支架現(xiàn)澆并臨時(shí)鎖定，然后安裝掛籃并預(yù)壓試驗(yàn)，對(duì)稱懸澆施工。
2 跨既有線施工關(guān)鍵技術(shù)
2.1 鄰近既有線S2號(hào)墩承臺(tái)基坑設(shè)計(jì)與施工
S2號(hào)墩承臺(tái)基坑深度達(dá)5.2m，承臺(tái)邊緣距既有線安全限界最近處9.1m，地質(zhì)情況為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂組成，施工季節(jié)為2011年4～5月份，尚未進(jìn)入長江主汛期，無地下水影響。為節(jié)約開挖空間、保護(hù)既有線路基穩(wěn)定，采用鋼板樁圍堰的基坑支護(hù)方案。圍堰采用12m長拉森Ⅳ型鋼板樁，頂端設(shè)一道內(nèi)支撐，以支撐鋼板樁受力、控制圍堰頂端水平位移，進(jìn)而保證地表土體和既有線路基的穩(wěn)定[2]。
2.2 S2號(hào)墩箱梁0號(hào)塊支架設(shè)計(jì)
0號(hào)塊支架計(jì)算工況分為0號(hào)塊混凝土澆筑、墩梁固結(jié)狀態(tài)，其中①0號(hào)塊混凝土澆筑工況，分別對(duì)鋼管混凝土柱、托架、橫橋向分配梁、底模排架、外側(cè)模爬架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算，其中托架變形為1mm、彎曲應(yīng)力41MPa，鋼管混凝土柱承受豎向荷載975kN，承載力設(shè)計(jì)值為8273kN，均滿足要求。②墩梁固結(jié)狀態(tài)工況，計(jì)算荷載考慮：梁體重量施工偏差即一端為理論值、另一端為理論值的105%；一端掛籃墜落、墜落重量300kN，位置為6號(hào)節(jié)段與邊跨合攏段相交處；另外考慮20年重現(xiàn)期的橫向和豎向風(fēng)荷載。三者組合計(jì)算最不利工況鋼管混凝土柱豎向荷載為5909kN，小于承載力設(shè)計(jì)值8273kN。 2.3 S2號(hào)墩掛籃荷載試驗(yàn)
S2號(hào)墩靠近既有線一側(cè)掛籃拼裝后需進(jìn)行原位荷載試驗(yàn)，采取斜拉重力式地錨原位試驗(yàn)方案（見圖2），具體做法：①鄰近既有線路基邊緣就地澆筑重力式地錨，預(yù)埋拉結(jié)結(jié)構(gòu)，共布置2個(gè)地錨，各設(shè)1個(gè)拉結(jié)點(diǎn)；②掛籃上橫梁安裝斜拉吊點(diǎn)及Ⅳ級(jí)冷拉鋼筋吊帶，掛籃設(shè)置抗剪裝置與箱梁0號(hào)塊固定；③將掛籃試驗(yàn)荷載換算為2個(gè)斜拉吊點(diǎn)拉力，布置監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位，分級(jí)對(duì)掛籃進(jìn)行加載和檢測(cè)記錄。
2.4 跨線防護(hù)棚架設(shè)計(jì)
防護(hù)棚架的設(shè)計(jì)要求能抵御除掛籃、混凝土、人員墜落之外的施工荷載，包括鋼筋、散拼模板、施工機(jī)具三類，具體分析見表1。
防護(hù)棚架頂面應(yīng)采用緩沖吸能材料消耗墜落物的沖擊動(dòng)能，同時(shí)將沖擊力分配至梁柱結(jié)構(gòu)直到基礎(chǔ)。采用梁跨式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)棚架，在既有線路基兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上設(shè)一排？準(zhǔn)1.2m鋼管柱，柱頂設(shè)單層帶加強(qiáng)弦桿貝雷梁，其上布置I40型鋼，防護(hù)面層為三層50mm木板+10mm鋼板（見圖3）。對(duì)防護(hù)面層進(jìn)行計(jì)算，杉木或松木弦向沖擊韌性可達(dá)37kJ・m-2[3]，不計(jì)入鋼板影響計(jì)算鋼筋、散拼模板、施工機(jī)具墜落緩沖能力可3.55kJ、27.8kJ、3.3kJ，均大于其動(dòng)能；沖擊點(diǎn)位于防護(hù)面層跨中時(shí)還應(yīng)計(jì)算木板抗彎能力，取木材TC13等級(jí)抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為13MPa[4]，三層厚50mm、寬250mm、跨徑1.5m的木板可承受12.2kN的沖擊力，根據(jù)動(dòng)量與沖量換算公式，墜物與防護(hù)面層緩沖時(shí)間在25ms以上即可滿足要求，綜合考慮增加鋼板的防護(hù)能力，面層設(shè)計(jì)可行。沖擊力分配至I40型鋼、貝雷梁、鋼管柱、擴(kuò)大基礎(chǔ)并相應(yīng)進(jìn)行檢算，均滿足設(shè)計(jì)要求。
3 安全控制重難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施
3.1 施工天窗封鎖要點(diǎn)的計(jì)劃與實(shí)施
根據(jù)《鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法》對(duì)營業(yè)線施工等級(jí)劃分的規(guī)定，普速干線封鎖6h及以上的施工為Ⅰ級(jí)；封鎖4h及以上的施工為Ⅱ級(jí)；其他施工為Ⅲ級(jí)。
施工天窗封鎖要點(diǎn)計(jì)劃見表2。
經(jīng)過嚴(yán)格辨識(shí)施工天窗共申請(qǐng)10次，分為防護(hù)棚安裝、拆除、掛籃走行、節(jié)段澆筑四類，根據(jù)具體工序時(shí)間分析，采取相應(yīng)的技術(shù)措施和設(shè)備投入，單次耗時(shí)分別控制在5h、5h、3h、5h以內(nèi)，避免申請(qǐng)Ⅰ級(jí)施工，降低了申請(qǐng)計(jì)劃的審批難度，實(shí)際施工中10次計(jì)劃均及時(shí)批復(fù)、順利組織實(shí)施。
3.2 鉆孔樁塌孔及應(yīng)對(duì)措施
為防止塌孔造成既有線路基垮塌，采取以下應(yīng)對(duì)措施：①采用長6m的鋼護(hù)筒分散鉆孔設(shè)備荷載壓力，并保持表層土體穩(wěn)定。
?、谀酀{池遠(yuǎn)離既有線并用防滲砂漿砌筑，采用泥漿泵抽吸循環(huán)。
③采用全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)鉆孔，砂層中鉆進(jìn)時(shí)，適當(dāng)加大泥漿比重和黏度，降低鉆進(jìn)速度。
?、芘渲媚酀{分離器分離泥漿雜質(zhì)，保證泥漿護(hù)壁能力。
?、菰O(shè)置路基觀測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，定期對(duì)道碴進(jìn)行補(bǔ)充和振搗加固。
3.3 掛籃墜落及應(yīng)對(duì)措施
懸澆施工掛籃墜落的事故屢有發(fā)生，在既有線上墜落將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)和次生災(zāi)害。
應(yīng)對(duì)措施為：①掛籃走行時(shí)除正常后支點(diǎn)反扣外，在下弦桿增設(shè)防墜保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)（見圖4）。
?、趻旎@澆筑時(shí)后錨固拉桿在計(jì)算值基礎(chǔ)上雙倍設(shè)置。
?、蹝旎@每側(cè)底平臺(tái)增設(shè)4臺(tái)20t導(dǎo)鏈與上橫梁連接。
3.4 物體打擊傷害及應(yīng)對(duì)措施
既有線運(yùn)營時(shí)，列車遭受物體打擊將可能導(dǎo)致線路中斷、列車脫軌毀壞、人員傷亡等重大事故，必須確保萬無一失。
應(yīng)對(duì)措施為：①掛籃走行、澆筑時(shí)申請(qǐng)?zhí)齑胺怄i施工。
②較大施工荷載均采取可靠的支承或吊掛措施，杜絕墜落的可能。
?、鄢膳武摻顝膾旎@后側(cè)吊裝上橋，人工搬運(yùn)至前端安裝。
?、苋杂锌赡軌嬄涞匿摻?、散拼模板、施工機(jī)具三類，設(shè)計(jì)安裝防護(hù)棚架進(jìn)行防范等。
3.5 S2號(hào)墩0號(hào)塊支架拆除
S2號(hào)墩0號(hào)塊支架拆除鄰近既有線且處于箱梁下受限空間，鋼管混凝土柱重量大、穩(wěn)定性差、大型吊裝設(shè)備無法使用，易發(fā)生倒塌事故。
采用了兩種拆除方案：①遠(yuǎn)離既有線一側(cè)的鋼管混凝土柱先用2根50米長的鋼絲繩一端拴在要拆除的鋼管混凝土頂部，另一端通過手拉葫蘆連接拴于7號(hào)墩承臺(tái)，然后在鋼管混凝土底部切除10cm寬的鋼管，露出混凝土并用電鉆沿牽引方向鑿一道小口，用手拉葫蘆拉緊鋼絲繩使鋼管混凝土順牽引方向整體傾倒。
?、诳拷扔芯€一側(cè)的鋼管混凝土柱則采用分段切割吊裝拆除，具體做法：先將柱頂與箱梁底板間鋼楔塊割除并鑿除50cm混凝土，然后在柱身劃分切割線、焊接吊點(diǎn)和作業(yè)平臺(tái)，利用箱梁預(yù)埋孔將立柱首節(jié)吊掛于梁面后，操作金剛石繩鋸快速沿切割線割斷立柱，在割斷后的柱段底部栓掛纜風(fēng)，利用吊點(diǎn)千斤頂起吊柱段并用卷揚(yáng)機(jī)牽引纜風(fēng)繩，將柱段落于地面（見圖5）；后續(xù)鋼管混凝土柱分解為高3m、重量6t的柱段采用50t汽車吊機(jī)吊放即可。
武漢二七長江大橋武昌岸引橋需跨越武九鐵路，其連續(xù)梁主墩距離既有線較近，掛籃需跨越既有線上空施工，施工安全風(fēng)險(xiǎn)很高。實(shí)踐證明，該橋通過對(duì)鄰近既有線箱梁0號(hào)塊支架特殊設(shè)計(jì)、采取斜拉重力式地錨配重進(jìn)行掛籃荷載試驗(yàn)、采用梁跨式鋼木組合面層防護(hù)棚架設(shè)計(jì)，以及采用施工天窗封鎖要點(diǎn)計(jì)劃、采取措施防范鉆孔樁塌孔、掛籃墜落、物體打擊、管線破壞、0號(hào)塊支架拆除等重大安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了該橋安全、優(yōu)質(zhì)、按期完成，確保了施工過程既有線安全運(yùn)營。
其中箱梁0號(hào)塊支架采用現(xiàn)澆支架與墩梁固結(jié)一體式設(shè)計(jì)并分段切割、牽引吊放拆除鋼管混凝土柱，掛籃采用斜拉重力式地錨原位試驗(yàn)方案及防墜落措施，防范物體打擊沖擊荷載防護(hù)棚架研究設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)施效果良好，可為類似上跨鐵路立交橋施工提供借鑒和參考。
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