雷建華，何旭輝

峽谷地區(qū)鐵路上承式鋼管混凝土拱橋綠色施工技術

雷建華1, 2，何旭輝1

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 中鐵開發(fā)投資集團有限公司，云南 昆明 650118)

以新建浩吉鐵路洛河大橋工程為背景，針對橋位處地形險峻陡峭、施工落差大、環(huán)保要求嚴等特點，提出峽谷地區(qū)上承式鋼管混凝土拱橋全過程綠色施工技術?？傮w采取無便道施工方案，最大限度地減少對山體和植被的破壞；研發(fā)高落差混凝土輸送及二次攪拌裝置，實現拱座190 m高落差大體積混凝土的快速、連續(xù)輸送；主拱肋節(jié)段采用“1+2”短線法臥拼及“半整體”吊裝工藝，節(jié)約了預拼場地的面積，提高了施工效率；拱上結構全部采用裝配化施工技術，降低了總體能耗，消減了安全風險。洛河大橋的施工，為我國重載鐵路橋梁建設積累了寶貴經驗。

峽谷地區(qū)；鐵路橋梁；上承式拱橋；綠色施工；洛河大橋

1 工程概況

浩吉鐵路洛河大橋位于河南省三門峽市盧氏縣與洛陽市洛寧縣交界處[1?2]，橋長313.74 m，采用雙線有砟軌道，線間距4.0 m。主橋采用有推力的上承式鋼管混凝土拱橋[3]，計算跨徑220 m，拱平面內矢高44.0 m，矢跨比1/5，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數=3.0。主拱結構由2根拱肋與橫向聯結系組成，拱肋橫向內傾角6.5°。單根拱肋由4支弦管組成，弦管外徑為1.2 m，弦管橫向中心距2.0 m，橫向2個弦管與平聯板形成啞鈴式，平聯高度0.8 m，弦管及平聯腔內均灌注混凝土。拱腳處拱肋橫向中心距為15.62 m，徑向中心距為7.0 m；拱頂處拱肋橫向中心距為6.0 m，徑向中心距為4.0 m。拱上結構包括拱上排架墩、拱頂Π形剛架和拱上預制T梁。拱上排架墩位于主拱兩側，單個排架墩包含左右2個鋼箱混凝土立柱，立柱底部設置鋼箱墩座與拱肋連接，立柱內傾角6.5°，立柱之間設置鋼筋混凝土K形橫撐。拱頂66.3 m范圍內采用混凝土Π形剛架，Π形剛架兩端為16.5 m簡支T梁。本橋位于峽谷腰部以下位置，橋位處為“U”形峽谷，山高水深、地形陡峭、植被稀少，岸坡平均坡角約44°，拱座底面距離岸坡頂部平臺高差近190 m，且橋隧緊鄰，施工安全風險極高，橋下為國家一級飲用水源地水庫，環(huán)保要求嚴，且與外界不通航，陸運或水運交通都極為不便，施工建設難度極大。洛河大橋橋型布置示意圖如圖1所示。

圖1 洛河大橋橋型布置圖

2 總體施工方案優(yōu)化

本橋采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工，主拱肋采用2階段制造方式，在專業(yè)工廠制造單元件，在橋位附近建設預拼場，再在預拼場內將單元件加工為吊裝節(jié)段。本橋單邊拱肋單個節(jié)段最大自重為137.0 t，設計建議方案為在水庫內新建碼頭和水上預拼場，材料、機具、設備和拱肋節(jié)段采用駁船運輸，在山腰設置具有橫移功能的纜索吊系統(tǒng)進行拱肋節(jié)段安裝[4?6]。采用該方案，纜索吊機主索的跨度約360 m，除新建碼頭外，還需修建與碼頭貫通的施工便道，僅碼頭和施工便道兩項臨時工程的投入就達1 300萬元以上；另一方面，由于橋梁下方水庫與外界不通航，大型船舶進出場困難，水庫水位受季節(jié)變化影響較大，水位落差可達14 m，不利于碼頭和預拼場的穩(wěn)定性。

為保護綠水青山，避免橋梁施工對山體、植被的大面積破壞，洛河大橋施工中對總體方案進行了優(yōu)化，橋梁建設全過程采用無便道綠色施工技術，將主塔由半山腰移至山頂；并取消碼頭，將水運改為陸運。行車便道僅修建至兩側山坡頂部，在南岸坡頂較平緩地段設置預拼場，架設1套額定起重量為15 t的小型纜索吊機和2套額定起重量為150 t的大型纜索吊機，其中15 t小型纜索吊機的跨度為720 m，150 t大型纜索吊機的跨度為660 m。輕型材料、機具和設備采用15 t纜索吊機吊運至作業(yè)工點，重型構件和機具則采用150 t大型纜索吊機進行空中運輸。

總體施工方案由水運改為陸運后，雖然纜索吊機的建造成本增加了約400萬元的費用，但不需修建碼頭，且縮短了施工便道長度，不僅降低了約820萬元的施工成本，還避免了大范圍的山體開挖，保護了環(huán)境，降低了安全風險，加快了施工進度。

圖2 纜索吊系統(tǒng)總體布置

3 綠色施工關鍵技術

3.1 無便道條件下拱座施工

3.1.1 拱座基坑開挖與棄渣

拱座開挖采用淺孔、密眼、小劑量的預裂松動爆破+挖機清基方式進行。基坑開挖產生的渣土，全部采用專門制作的小吊箱吊運至山頂平臺，再轉運至指定棄渣場，棄渣完畢后，及時對棄渣場進行復耕。盡量減輕渣土對水體的污染，避免水土流失。

3.1.2 拱座大體積混凝土施工

由于沒有行車便道到達拱座附近，拱座施工最主要的難題是高落差混凝土施工。在已建橋梁中，高落差混凝土一般采用泵管直接向下輸送或采用絞車一斗一斗的運送[7]。由于本橋大體積混凝土垂直運輸落差近190 m，采用已有方法難以保證混凝土的輸送效率和施工質量。

為實現大體積、高落差混凝土的快速、連續(xù)輸送，并消除輸送過程中可能產生的離析，本橋采用自行研制的高落差混凝土輸送及防離析控制系統(tǒng)進行拱座混凝土施工[8]。采用沿坡面布置的超長聯串筒進行輸送，再通過懸吊于纜索吊機的二次攪拌裝置消除離析，系統(tǒng)總體布置情況如圖3所示。

該系統(tǒng)主要由山頂平臺的放料口、沿坡面布置的明槽及超長聯串筒、拱座上方的緩沖料斗、懸吊式二次攪拌罐和各種滑槽組成。與該系統(tǒng)相匹配，為保證混凝土在輸送過程中連續(xù)、流暢，對配合比進行優(yōu)化，并調整粗骨料粒徑至5～20 mm，保證混凝土具有大流動性、緩凝時間長、水化熱低等 性能。

圖3 懸吊式二次攪拌裝置

混凝土采用罐車運輸至山頂平臺后，卸料進入明槽，經超長聯串筒沿坡面向下輸送，到達混凝土作業(yè)點上方的緩沖料斗?；炷两浘彌_料斗減速后，通過人字形滑槽進入攪拌罐組，攪拌罐組由2臺攪拌罐并列組成，在一個攪拌罐放料澆筑的同時，另一個攪拌罐可連續(xù)接收并攪拌混凝土，通過兩臺攪拌罐的交錯運行，既能消除離析，又可實現連續(xù)供應。

3.2 狹小場地條件下拱肋預拼

主拱肋的預拼方式按空間劃分有立式拼裝和臥式拼裝2種，按時間劃分有長線法和短線法2種。由于拱肋節(jié)段體量巨大，立式拼裝需要大量的胎架，施工效率較低，經濟性和安全性較差，而長線法施工周期長，一次性投入成本高，故在已建橋梁中，常用短線法臥式拼裝的方式[9?10]。

本橋主拱肋含14個吊裝節(jié)段和1個合龍段，受地形條件限制，預拼場平面尺寸僅為38 m×135 m。為提高預拼精度，保證各個吊裝節(jié)段的良好對接，短線法每次至少拼裝3個節(jié)段，將半孔主拱肋分為3個大組，每組包含一個已拼裝節(jié)段，第1組包含第1號，2號和3號節(jié)段，第2組包含第3號，4號和5號節(jié)段，第3組包含第5號，6號和7號節(jié)段，即按照“1+2”短線法進行臥式預拼裝。

如圖4所示，每個節(jié)段每根上弦管均布置1個線形控制測點，為便于在現場找點，并防止現場監(jiān)測與接頭施工產生沖突，根據主拱肋節(jié)段接頭嵌補段的理論長度，在上弦管懸臂端沿弦管方向回退一定距離(圖中= 33 cm)布置線形控制測點。

主拱肋節(jié)段的“1+2”短線法臥拼工藝為：搭設拼裝平臺，繪制地樣→單根主弦管接長→單片啞鈴焊接→1+2短線法臥拼→橫撐組拼→節(jié)段涂裝→存放。根據主拱肋結構的對稱性，構造相同的節(jié)段共有4個，為避免混淆，每次預拼完成后都需做好唯一性標識。

由于主拱肋節(jié)段采用臥拼工藝，拱肋節(jié)段構件一側的平、立焊縫施焊完成后，需脫胎翻身，焊接另一側焊縫。在脫胎前，必須根據地樣，進行線形控制測點布設，并標注橫撐連接位置，才能移動構件進入后續(xù)工序。

圖4 控制點布置示意圖

3.3 拱肋半整體吊裝工藝

拱肋吊裝有單肋吊裝和節(jié)段整體吊裝2種工藝，根據纜索吊機起重能力，也可將部分節(jié)段采用單肋吊裝，部分節(jié)段采用整體吊裝[11]。單肋吊裝所需的吊裝次數多，施工效率較低；而整體吊裝所需預拼場地大，工序循環(huán)時間較長，且靈活性差，高空對接難度較大。

為提高吊裝效率，縮短工序循環(huán)時間，確保拱肋節(jié)段的對接精度，提出“半整體”吊裝工藝。半整體吊裝示意圖如圖5所示。拱肋節(jié)段采用左、右拱肋單肋制作、單肋臥拼，通過運梁小車轉運至纜索吊機下方起吊區(qū)后，在左、右2根拱肋之間設置前后2組拱肋空間對位調節(jié)裝置，并將永久橫撐臨時綁定在2根拱肋之間，形成“半整體”吊裝節(jié)段進行吊裝。從而加快吊裝速度，增大吊裝節(jié)段空間姿態(tài)調整的靈活性和可調范圍。

圖5 半整體吊裝示意圖

空間對位調節(jié)裝置由下弦管之間的調節(jié)橫撐和上弦管之間的調節(jié)倒鏈組成，調節(jié)橫撐使下弦管張開，調節(jié)倒鏈使上弦管靠近，從而形成所需的內傾角。可十分方便地對拱肋弦管的空間姿態(tài)進行調整，實現拱肋節(jié)段與已安裝節(jié)段精確對接，可調范圍大，安裝精度高，安裝速度快，施工成本低，構件材料均可重復利用，節(jié)能環(huán)保。

拱肋“半整體”吊裝工藝流程為：雙肋聯合轉運至起吊區(qū)→安裝空間對位調節(jié)裝置→臨時綁定永久橫撐→設置扁擔梁吊運→主弦管接頭法蘭盤對位與連接→拱肋節(jié)段線形調整→解除時綁定，拱肋節(jié)段永久橫撐安裝。拱肋節(jié)段線形通過張拉扣索進行調整，其中扣索索力采用剛性?彈性支承法和蟻群算法相結合進行計算[12?13]。

本橋除第1號、2號寬大節(jié)段采用單肋吊裝外，其余節(jié)段均采用“半整體”吊裝工藝。主拱肋節(jié)段吊裝完成后，采用瞬時鎖定兩階段合龍技術進行合龍[11]，完成結構體系轉換。

3.4 管內混凝土一次頂升壓注

管內混凝土的灌注是鋼管混凝土拱橋施工的關鍵步驟之一[14]，管內混凝土灌注過程中，主拱肋的穩(wěn)定性不斷變化[15]。為減少施工中不確定性因素的影響，應盡量減少管內混凝土的灌注層級，并配置兩套灌注系統(tǒng)以便應急處理。

管內混凝土壓注方案為：通過增加硅粉、黏度改性材料及膨脹劑等添加劑優(yōu)化混凝土的工作性能，配制出保坍時間久、不離析、可泵性良好、強度高的混凝土；混凝土經高落差輸送至拱座附近后，采用地泵從拱腳處開始壓注，主弦管內混凝土采用1次頂升壓注，平聯腔內混凝土采用2次接力頂升壓注。

主拱肋矢高為44 m，為與后續(xù)拱上建筑施工及引橋墩身施工統(tǒng)一，選用HBT80混凝土輸送泵，在拱腳處設置壓注孔，在拱頂處設置出漿孔，在平聯腔接力頂升部位設置一組出漿孔和壓注孔。

為防止壓注過程中混凝土泄入水庫對橋下水體造成污染，對于出漿口流出的水泥漿、混凝土等集中排入5 m3料斗中進行收集，并采用纜索吊機吊運至岸上集中處理。在主拱肋下方設置安全防護平臺和防墜網，并在橋位上、下游水面拉設線狀攔截管，對壓注過程中或設備裝拆時不慎墜入河中的油污、漂浮物等進行收集，運至岸上處理。

壓注完成后，清洗設備，封堵壓注孔和出漿孔，清洗、拆除輸送泵管。待混凝土達到設計強度后，割除壓注管和出漿管，并及時封焊蓋板，蓋板利用原位割下的鋼管壁修邊坡口后復位安裝。最后對管內混凝土的灌注質量進行檢驗。

圖6 出漿口混凝土回收

3.5 拱上結構裝配化施工

拱上結構主要為鋼筋混凝土結構，為保證整體受力性能，設計建議采用高空現澆的方式施工。由于高空施工作業(yè)環(huán)境差、施工工序繁雜、施工效率低下，而且安全風險極高，近年發(fā)展出了拱上結構的預制或部分預制后吊裝施工技術[16?17]。對于拱頂Π形剛架，在預拼場正立預制后，采用纜索吊機吊運至橋位，在橋位處設置臨時支墩進行固定，再進行濕接縫施工；對于拱上排架墩，將K形橫撐單獨在預拼場進行預制，采用纜索吊機吊運至橋位后與立柱整體現澆，這些技術從一定程度上減少了高空作業(yè)，但仍有較多的高空混凝土濕作業(yè)，存在較大的質量和安全風險。

針對拱上施工作業(yè)空間狹小，高空混凝土濕作業(yè)風險高、泄漏物污染多等特點，本橋在已有技術的基礎上，充分利用現有預拼場和大型纜索吊機的有利條件，進一步優(yōu)化了拱上結構預制單元的組成，將所有可能的工序全部轉移至預拼場完成，拱上結構全部實現裝配化施工，加快了施工進度，降低了安全風險，提高了施工質量。

3.5.1 拱頂Π形剛架的倒立預制及無支架安裝

拱頂Π形剛架腹板高度為4.322～1.415 m，變化范圍較大，為便于支立模板，減少高空作業(yè)量，采用倒立法預制，并采用無支架安裝技術。在預制場設置倒立法預制臺座，完成Π形剛架的預制，并預埋型鋼支腿，預留混凝土灌注孔；將Π形剛架轉運至起吊區(qū)，利用纜索吊機進行連續(xù)二次90°翻身，使Π形剛架由倒立翻轉為正立；利用纜索吊機將Π形剛架吊運至橋位后，將型鋼支腿焊接于主拱肋上平聯板，對Π形剛架進行臨時固定，并完成Π形剛架的受力骨架與主拱肋的連接；安裝濕接縫模板和護腳鋼板，從預留混凝土灌注孔澆筑濕接縫混凝土，并振搗密實，完成Π形剛架的安裝。

該方法不需要搭設變高度的預制胎架，不需在高空設置臨時支墩，縮短了工序循環(huán)時間，減少了高空作業(yè)，降低了安全風險。

3.5.2 拱上排架墩長線法預制吊裝

首先對拱上排架墩的結構進行優(yōu)化，在矩形空心薄壁混凝土立柱的外表面和內壁設置鋼板，形成鋼箱混凝土柱；在預拼場內，將排架墩的K撐和頂帽分別單獨預制后，再將外鋼箱壁板、空心薄壁鋼筋混凝土柱的鋼筋、內腔鋼壁板、K撐、頂帽等作為整體進行長線法倒臥預拼；再拆分為多個節(jié)段采用纜索吊機吊裝，在橋位處完成節(jié)段鋼筋連接、焊接剩余外鋼箱壁板，并在高空免支模澆筑鋼箱內補償收縮混凝土，完成排架墩施工。

該方法將除立柱混凝土外所有結構物全部采用預制吊裝的方式施工，不需在高空搭設支架和模板，提高了結構鋼筋的安裝精度，加快了施工進度。

圖7 拱上排架墩吊裝

3.5.3 拱上預制T梁聯合架設

本橋拱上預制T梁共計10孔，兩端各設引橋2孔，每孔橫向設由4片T梁，共計14孔56片T梁，單片T梁長16.5 m，總重約68 t。為提高預制T梁的架設效率，保證主拱肋結構受力的對稱性，拱上預制T梁采用架橋機和纜索吊機聯合進行架設。

圖8 洛河大橋進入試運營階段

由于橋隧緊鄰，中間沒有路基過渡段，受到隧道空間的限制，隧道出口處引橋的預制T梁采用架橋機人工橫移架設。當制梁端完成部分預制T梁架設后，形成了足夠的整機橫移空間和纜索吊機吊梁平臺，架橋機進入正常架梁程序，同時采用纜索吊機進行對岸預制T梁的安裝，交錯完成全部拱上預制T梁的架設。最后架橋機過主橋，完成對岸引橋T梁的架設。

4 結論

1) 浩吉鐵路洛河大橋施工中，行車便道僅修建至兩側山坡頂部，拱橋建設全過程采用無便道施工技術，在保證施工質量和施工連續(xù)性的前提下，避免了在峽谷地形一級水源地進行山體的大面積開挖，保護了綠水青山，具有顯著的節(jié)能環(huán)保效益，符合當前社會和經濟發(fā)展的主流趨勢。

2) 采用超長聯串筒進行高落差混凝土的輸送，同時采用2組并列的2次攪拌罐消除混凝土輸送過程中可能產生的離析，實現了峽谷地區(qū)無便道條件下高落差混凝土的快速、連續(xù)輸送，保證了混凝土的施工質量。同時，減少了陡峭地形下混凝土澆筑過程中對周邊環(huán)境的破壞。

3) 采用“1+2”短線法臥拼和“半整體”吊裝技術，在狹小場地條件下高效、精準地實現了主拱肋的預拼和安裝，減少了資源占用和總體能耗。

4) 拱上排架墩及拱上Π形剛架的預制安裝施工方法，實現了拱上結構的裝配化施工，縮短了工序循環(huán)時間，提高了結構鋼筋的安裝精度，減少了拱上結構混凝土濕作業(yè)，降低了安全風險，減少了對水體的污染。

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Green construction technology of a deck-arch railway bridge with concrete-filled steel-tube ribs in canyon area

LEI Jianhua1, 2, HE Xuhui1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China Railway Development Investment Group Co., Ltd., Kunming 650118, China)

Taking the Luohe bridge in the new-built Haolebaoji-Ji’an railway segment as engineering background, the construction process of the bridge was discussed in the present study. Due to the steep terrain, steep construction dropping, and strict environmental protection requirement, a green construction technology, mainly including a construction scheme without access roads, a high-drop concrete conveying and secondary stirring device, “1+2” short-line horizontal assembling and “semi-integral” hoisting built process of the main arch, and assemblage construction technology of all of the spandrel structure, was proposed during the construction process. This novel and environmentally friendly technology minimizes the damage to the mountain and vegetation, realizes the rapid and continuous conveyance of large-volume concrete of the skewback with a high drop of 190 m, saves the land area of the pre-assembled site, improves the construction efficiency, brings down the overall energy consumption, and reduces the safety risks. The present green construction technology of Luohe bridge provides valuable experience for the construction of heavy-haul railway bridges in China.

canyon area; railway bridge; deck-arch bridge; green construction; Luohe Bridge

U44

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3104 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200191

2020?03?12

國家自然科學基金資助項目(U1934209)

何旭輝(1975?)，男，貴州遵義人，教授，博士，從事橋梁抗風與監(jiān)測評估研究；E?mail：xuhuihe@csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)