跨越运营高铁的铁路钢桁梁桥横移施工技术

 崔文科

 （中铁宝桥天元实业发展有限公司，陕西宝鸡721001）

摘  要：对西成客专跨西宝客专特大桥132 m钢桁梁开展了横移施工风险分析。该桥跨越既有西宝客专及西安机场高速公路，采用横移法施工，钢桁梁在钢厂分节段预制，运至施工现场进行拼装，根据施工现场情况采用专家调查法确定施工风险，并采取相应控制措施确保施工安全。通过有限元数值分析方法对钢桁梁横移过程关键部位进行研究，结果表明：临时墩的应力和变形均满足要求，结构安全。

关键词：钢桁梁；高速铁路；横移施工；风险分析  DOI:10. 13206/j.gjg201606021

1  工程概况

 西成客专跨西宝高铁特大桥132 m钢桁梁位于国家级开发区西安市西咸新区，是目前国内最大单跨双线跨高铁钢桁梁桥，工程跨越既有西宝高铁及西安机场高速公路，钢桁梁与西宝客专斜交夹角为140，与机场高速斜交夹角为720。采用单孔132 m跨下弦式钢桁梁跨越。钢桁梁全长134 m，两片主桁中心距为13.9 m，桁高20 m，线间距为4.6 m，总质量约2 800 t。本桥位于R=7 000 m的圆曲线上，主桥采用平分中矢布置，按直线梁外包设计。

2方案比选

 本工程通过对纵向顶推施工和横向移动施工两种方案的计算模拟分析与现场情况安全因素的综合考虑，选取了横向移动施工的方案。

2.1  纵向顶推施工

 纵向顶推施工是将钢桁梁在桥跨的一侧沿桥纵轴线方向逐段拼装，在梁体前安装钢导梁，梁下及墩顶布设滑道和滑移装置，用千斤顶顶推钢桁梁，沿纵向滑移到预定位置，然后拆除辅助设施构件，移正钢梁，降落到位。顶推法施工具有施工费用较低、施工设备少、无噪声、不影响桥位处交通运行和工期短等优点。对于跨越既有线的桥梁施工，所选取的施工方法应具有施工周期短、吊装作业少、不易产生坠落物、施工场地小等特点。为避免对既有西宝高铁正常运营安全的影响，降低施工安全隐患风险，该方案施工周期长，安全性不易保证，不予采用。

2.2  横向移动施工

 横向移动施工是在桥梁一侧搭设拼装支架及横向滑道梁，然后用水平千斤顶沿滑道梁将钢桁梁牵引横移至桥位处，调整钢桁梁的水平位置后，用竖向千斤顶将钢桁梁落在支座上，浇筑钢筋混凝土桥面板，安装钢桁梁附属设备，完成钢桁梁全部施工。该方案较顶推施工对钢桁梁损伤较小，施工周期短，经济合理，安全可靠度大。横向移动施工布置如图1所示。

3  横移施工平台

 本工程采用横移架设钢桁梁方案，在桥梁右侧对孔搭设拼装支架及横向滑道梁，利用40 t龙门吊进行拼装，主要结构由龙门吊轨道梁、滑道梁、滑道梁钢管临时墩、八三墩组成。钢桁梁横移布置如图2所示。

3.1  龙门吊轨道梁构造

 龙门吊轨道梁采用Q345B钢材，由A、B两种断面组成，分别由2个和4个H582型钢组成。龙门吊轨道梁布置与龙门吊轨道梁断面如图3和图4所示。

3.2  滑道梁系统

 滑道梁由两组箱形梁拼接而成，材质为Q345B。滑道梁总长59 m，宽2.4 m，高2m或2.4 m。箱形梁顶板36 mm，腹板30 mm，13.9 m跨底板厚度为24 mm，其余底板为30 mm，加劲肋20 mm，高2 000 mm或2 400 mm，宽2 000 mm。

 滑道梁分为E、F、G、H四段，梁段之间通过对接焊缝连接，E段与临时支架连接，H段与钢桁梁桥墩连接。在地面将E、F、G、H分别拼装成整体，用150 t汽车吊吊到237号墩顶临时支架上，再连接成59 m单段梁，依次将4片梁在支架上联成整体，最后在1个天窗点内完成钢横梁跨线过孔。237号墩处滑道梁拼装流程如图5所示，滑道梁构造如图6所示。

3.3滑道梁钢管临时墩

 滑道梁钢管临时墩立柱采用ϕ1500×14钢管，联接系采用ϕ476×6和ϕ800×10钢管，钢管材料均采用Q235B钢材。钢管临时墩的构造如图7所示。

3.4  滑道系统

 滑道是保证钢桁梁横移顺利实现的关键。滑道系统设在支座垫石上，整个滑道梁系统由滑道梁装置、不锈钢板（四周围焊，打磨平整）、滑块和四氟滑板组成。滑块位于钢桁梁底部与滑道梁之间，滑块顶面与钢桁梁底之间为橡胶，滑块底部与滑道梁之间为四氟滑板。横移滑块由4片工字钢145a组成，并加焊加劲肋，工字钢和加劲肋采用Q235B，滑块构造如图8所示。

3.5  牵引系统

 钢桁梁的牵引设备共采用4台300 t智能水平千斤顶，单侧2台千斤顶分别与一台泵站并联，用一台泵站同时控制2台千斤顶，通过两侧同时牵引来保证牵引的同步性。牵引系统如图9所示。

4  横移过程风险分析与控制措施

 钢桁梁横移施工过程中一旦发生风险事故，易造成人员伤亡且社会影响恶劣，因此在施工前必须对施工过程中的潜在风险进行分析。不仅要保汪钢桁梁横移施工自身安全，还应避免施工对既有营业线产生不利的影响。在正式施工前应根据所采取的施工技术方案，识别并评估施工中可能出现的风险，对施工风险做出正确的评价和判断，并制定控制措施对施工风险进行主动控制，确保施工安全。通过施工风险分析并采取相应措施确保钢桁梁横移施工的顺利完成及既有线路的正常运营。

4.1  风险源辨识

 钢桁梁桥跨越既有线横移施工由于其存在的特殊施工难点，施工中的风险需要结合现场调查及施工方案进行风险源辨识。施工前通过专家调查法对施工过程中潜在的风险源进行筛选，分类、分层次对所有施工过程中的主要潜在风险进行整理分类，如图10所示。

4.2  钢桁梁风险

 由于钢桁梁自身及施工工艺的特性，施工过程中钢桁梁存在若干潜在风险。1）随着横移的不断进行，钢桁梁左右两侧可能会出现不同步牵引造成钢桁梁扭曲的风险，因此必须随时对左右两侧的牵引设备调整，确保同步牵引。2）横移过程中，如果一侧纵向限位装置作用失效有可能导致钢梁纵向偏移过大，应在横移过程中实施纵向纠偏。3）落梁过程中，可能会出现某一墩顶支反力过大，致使钢桁梁局部屈曲。落梁时，要保证各墩千斤顶下落进度一致，施工人员要密切注意梁底变形情况。

4.3既有线风险

 钢桁梁跨越既有线横移施工由于其施工的特殊性，必然会对运营线路产生影响，因此也存在若干潜在风险。1）钢桁梁施工过程中，杂物有可能会落入既有线上，造成严重后果。施工方应在钢桁梁进入既有线前在桥面两侧安装护栏，防止杂物滚落，并责专人对桥面杂物进行清理。2）钢桁梁横移施工中滑道梁挠度过大，会对既有线的正常运营产生影响。施工过程中必须实时监测滑道梁挠度。3）钢桁梁施工过程中可能无意间会产生列车运营指挥信号的效果，干扰既有线列车的正常运营。因此，施工前应对施工人员进行相关知识普及，避免使用可能会产生干扰的设备。

4.4设施风险

 钢桁梁横移施工所用设施种类多样，施工设施的安全是完成横移的必备条件，因此必须对各类重要的施工设施进行风险分析。1）施工平台作为施工过程中最重要的临时结构，必须对最不利工况下支架的变形与整体稳定性进行验算，定时对地基沉降进行观测。2）滑道梁是钢桁梁横移的重要临时结构，横移过程中应满足强度、刚度、稳定性等设计要求。滑道梁表面摩擦系数应满足牵引力设计要求，否则可能造成横移困难。每阶段横移运行前，应反复涂抹润滑剂。3）施工中两台油泵如未能做到同步，同样也会造成钢桁梁发生较大纵向偏移。施工前需对牵引设备进行全方位检查，并进行2~3次试牵引，在确保设备运行正常后开始正式横移。横移运行过程中，必须有专人对千斤顶制动器进行控制，并实时汇报当前油压，横移现场负责人随时掌控当前施工中各项信息并下达进一步施工指令。

4.5  其他风险

 施工中由于不可抗力及人为原因会产生一些难以控制的风险因素，这些风险同样可能会对施工造成严重后果，产生恶劣的社会影响，成为桥梁施工中不可忽视的一类施工风险。这就要求施工单位做好相关的风险预案并合理处理有关矛盾冲突，同时要求施工人员严格遵守相关施工章程，合理安排相关事宜，妥善处理施工突发状况。

5  横移施工过程计算

5.1  滑道梁验算

 采用桥梁专用软件MIDAS/Civil对结构整体横移全过程进行分析计算，在钢桁梁横移过程中，滑道梁上缘最大应力为156.1 M Pa，下缘最大应力为177.7 M Pa，滑道梁腹板最大剪应力为66.3 M Pa，滑道梁在滑移过程中最大竖向挠度为28.5 mm。滑道梁应力未超过钢材允许应力，结构安全。由于滑道梁放置在永久墩和钢管临时墩上，主桁在移动过程中，位于永久墩上的滑道梁会产生上翘现象，通过设置抗拔措施予以控制。

5.2  滑块验算

 采用通用有限元程序ABAQUS建立滑块的有限元模型，采用三维壳单元( S4R)建立钢管有限元模型，由于滑块钢板厚度较厚，采用实体单元( C3D8R)模拟钢板，滑块最大von Mises应力为124.0 M Pa。有限元模型和von Mises应力如图11所示。

5.3滑道梁钢管临时墩验算

 由于临时支墩安装后，垂度上在X及Y方向最大偏移分别为58 mm和22 mm，并造成立柱中心与滑道梁中心出现300 mm和450 mm的偏差。经专家组讨论决定对6根立柱加固，加固方式为钢管外侧焊接工字钢I25a，通长布置；J2与125a及钢管之间采用h f=6 mm连续角焊缝，间隔2.5 m布置一道，见图12。远离永久墩2立柱最大组合应力为154 M Pa，最大变形为14.6 mm；靠近永久墩4立柱最大组合应力为136 M Pa，最大变形为16.1 mm。在钢桁梁横移过程中，临时墩的应力和变形均满足要求，结构安全。

 由于钢管直径达1 500 mm，管径较大，考虑到焊接缺陷（残余应力和残余变形），临时墩在较大的竖向荷载作用下有可能发生钢管局部屈曲，因此，对钢管局部稳定进行进一步计算。采用ABAQUS软件进行建模计算，采用三维壳单元( S4R)建立钢管有限元模型。这里考虑钢桁梁在移动过程中各钢管受力的不均匀性，考虑3种加载情况，如图13所示，其中F均为单位力，可通过特征值换算为其对应加载的失稳临界荷载。

 滑道梁钢管临时墩在3种荷载工况下的临界荷载与稳定安全系数如表1所示。

 由表1和图13知，在工况3作用下，钢管临时墩首先出现整体失稳，其弹性稳定安全系数最小为

15.7，安全富裕度较大。

6  结束语

 钢桁梁桥跨越既有线横移施工具有较高的施工难度和风险，合理的施工方案与完善的风险应对方案是施工顺利完成的必备条件。本文关于跨越运营高铁的铁路钢桁梁桥的横移施工风险分析可为此类工程提供一定参考。

 1)跨越既有线施工由于其施工的特殊性及高风险性，为了减少对运营高铁的干扰，钢桁梁横移施工方案被逐渐采用。对跨越运营高铁的钢桁梁横移施工的施工工艺与技术需进一步深入分析。

 2)对于采用横移施工的钢桁梁桥，在横移过程中要重点关注、监测滑道梁底板及滑道梁钢管临时墩这些容易出现局部屈曲的位置。同时，设计单位在设计阶段不仅要考虑成桥状态的结构安全性也要考虑施工阶段临时结构的受力要求。

 3)钢桁梁横移施工风险分析是施工安全的重要环节，施工筹备阶段应对潜在的施工风险进行辨识，通过选择合理的施工方案，制定完善的施工组织设计可对施工风险进行有效规避。