铁路上跨桥防撞墙移动作业架施工技术

张林昌

(江苏雷威建设工程有限公司,江苏南京 210003)

新建铁路上跨桥防撞墙及防抛网施工,位于铁路既有线上空,一般需在线路封锁天窗时间内进行作业。由于各工序施工周期较长,且均为临边作业,常规施工方法存在诸多隐患。线路封锁施工虽能保证铁路行车安全,但仍难避免施工期间可能发生的高空坠物造成铁路设施损坏(尤其电气化区段)。介绍移动作业架施工技术,采用“物理隔离措施、封闭作业环境”的思路,利用既有桥面作为辅助设备使用空间,使用外挂篮方式的移动作业架形成独立封闭的作业区域,将施工操作面与既有铁路隔离,确保铁路行车安全和施工期间人身安全。以下结合苏州北环东延二期工程BH-7标段具体实施情况,简单介绍该项技术的应用。

1 工程概况

苏州北环快速路东延二期工程位于苏州工业园区,BH-7标项目为互通式立交,其中两幅匝道桥均跨越京沪铁路及沪宁城际高铁,平均跨度为40～43 m。该工程共约220 m钢筋混凝土防撞墙位于既有京沪铁路和新建的沪宁城际高铁(当时尚未正式开通)上方。京沪铁路为全国最繁忙的铁路干线之一,双线电气化区段,铁路行车安全必须确保万无一失。

2 移动作业架结构说明

根据现阶段铁路营业线施工特点及要求,采用可靠的安全装置,将防撞墙施工界面与既有铁路完全隔离,在铁路上空形成完全封闭的作业面,减少施工对铁路行车造成的影响，移动作业架结构如图1所示。

图1 移动作业架三维模型

移动作业架为钢结构,整个作业架框架主体由外挂篮、主桁移动小车、配重框等组成,通过螺栓及钢丝绳斜拉杆连接成一体。其中外挂篮为全封闭结构(型钢骨架+定制挡板),悬挑至桥面以外的铁路上空,完全将施工界面与既有铁路隔离,同时为施工人员提供了安全的操作空间。主桁移动小车是整个结构的主体,能够起到平衡整个结构的作用,底部设置行走装置确保整个移动作业架使用的灵活性。配重框的主要作用就是平衡外挂篮中荷载的作用；通过顶部连接装置将上述组件有机连接在一起,使整个移动作业架结构能够满足既定功能的要求。移动作业架结构主要组件需先在工厂焊接完成安装,然后再分别将组件运至工地现场进行螺栓连接,最终形成整个作业架框架的结构主体。

综合考虑铁路防撞墙(含防抛网)常规尺寸、结构整体稳定性、桥梁平竖向曲线及使用功能等方面因素,确定移动作业架断面结构(如图2所示),作业架单元每节长6 m,可以根据防撞墙长度采用多节作业架组合使用。

图2 移动作业架截面(单位：mm)

3 移动作业架结构检算

3.1 荷载取值

(1)恒载

钢结构理论自重3.128 t,ρ=7 850 kg/m3。

(2)活载

外挂篮：1.5 t/6 m=2.5 kN/m,按线荷载布置在作业架的最外侧。

配重：2 t/(1.97 m×6 m)=1.692 kN/m2,按均布荷载均匀布置在配重框内。

(3)风荷载

考虑到施工条件为江苏省内,同时结构对风的敏感性较强,因此风荷载基本风压值取江苏省各地50年内最大值：0.55 kN/m2,地面粗糙度为B类。计算高度暂按30 m高度取。

依据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)(2006年版),风荷载标准值为

wk=βzμsμzw0

其中各参数取值如下：μs=1.3,μz=1.42,βz=1.42。

3.2 荷载组合

对结构进行抗倾覆承载力验算,荷载组合见表1。

表1 荷载组合

3.3 设计指标

(1)应力指标

杆件最大组合设计应力不大于0.95f(f为钢材设计强度)。

(2)杆件截面指标

长细比：受压和压弯杆件λ≤150。

3.4 钢结构计算分析

(1)分析软件

首先在CAD中建立作业架的三维模型,然后导入结构有限元软件SAP2000中进行计算,有限元模型的整体坐标系如图3所示。

图3 有限元模型整体坐标系

(2)单元的选用

模型中梁柱采用SAP2000中的梁单元,支撑采用两端释放弯矩的杆单元，面荷载采用加载面进行施加。加载面通过无刚度的壳单元(厚度设置为0)进行模拟。

(3)荷载的施加

结构自重通过软件自动计算,外挂篮内活荷载按移动作业架一节活荷载换算成线荷载,并按最不利位置布置在外挂篮内,配重框内活荷载按一节活荷载换算成均布荷载,通过加载面施加面荷载。风荷载主要施加在外挂篮侧面,通过加载面施加面荷载。

(4)整体分析结果

杆件截面类型：HW100×100×6×8 mm,L63×5 mm,焊接矩形管172×122×8×8 mm；

拉索类型：钢丝绳类别6×19(a)或则6×19(b),公称直径12 mm；

钢结构杆件理论钢材用量为3.128 t。

3.5 抗倾覆承载力验算

通过建立模型,分别在主桁架的下端2侧各设置3个支点,然后采用荷载组合1～组合5进行抗倾覆承载力验算,如果任何一个支点的竖向反力小于零,则认为不满足抗倾覆承载力验算,反之如果任何一个支点的竖向反力大于零,则认为满足抗倾覆承载力验算。竖向反力正反向取向上为正。验算结果见图4～图8,结果可以发现,支点反力均沿Z轴正方向,满足抗倾覆承载力验算。

图4 组合1的支点反力(单位：kN,满足要求)

图5 组合2的支点反力(单位：kN,满足要求)

图6 组合3的支点反力(单位：kN,满足要求)

图7 组合4的支点反力(单位：kN,满足要求)

图8 组合5的支点反力(单位：kN,满足要求)

3.6 检算结论

通过对该结构的静力分析及对该结构在各种工况组合下的抗倾覆验算,满足使用要求。

4 移动作业架施工工艺

4.1 施工准备

按照移动作业架工艺进行铁路上跨桥防撞墙施工,因涉及既有线行车设备安全,根据铁路营业线施工相关规定,需制定专项方案并经相关管理部门、设备管理单位评审通过后实施。

4.2 移动作业架拼装

移动作业架组件于工厂加工成形,集中运输至现场进行拼装。拼装前按照桥梁悬臂板边缘与外挂篮相应位置,在地面铺设14号槽钢作为作业架移动轨道,确保外挂篮安装完成后的提供的工作空间不小于50 cm,轨道铺设范围从作业架拼装位置到铁路跨作业架就位位置。

拼装以节(6 m/节)为单位,在铁路保护区以外桥面逐节拼装,所需拼装节数根据铁路上跨桥跨径确定,移动作业架组装完成后总长度应满足完全封闭既有铁路上方的要求。拼装采用汽车吊、人工配合完成,并按照设计荷载(2t/节)设置配重。完成拼装后的移动作业架,应安排专人进行检查,确认作业架所有连接件、螺栓、销轴连接牢固,外挂篮封闭严密且外部无多余附着物后,进行试运行。

4.3 设备试运行

移动作业架试运行同样位于铁路保护区以外进行,其目的在于检查作业架各部件连接、移动车轮与轨道适应情况,外挂篮部分与桥梁悬臂板相对位置变化关系,发现问题及时处理,以确保作业架在封锁时间内顺利就位。同时确定作业架移动所需推力。

4.4 移动作业架就位

各项准备工作就绪后,按规定对铁路线路进行封锁,一般情况外挂篮底端距离接触网承力索均大于2 m,因此在电气化区段进行施工时不需要停电配合。封锁期间,采用人力(或机械牵引)将移动作业架分节推入铁路上方指定地点,作业架分节就位后再采用连接螺丝将每节作业架连接组成整体,相邻作业架之间拼缝采用木板封闭严密,外挂篮与桥梁悬臂板采用定制挡板封闭牢固,在每个移动滚轮下方设置限位装置。在确认组装后的作业架位置正确、外挂篮封闭严密、整体稳固后封锁完成,开通线路。一般推入拼装30 m移动作业架所需封锁天窗时间为30 min。

4.5 防撞墙施工注意事项

移动作业架就位后,在电气化区段需设置好接地保护装置,经接地电阻测试合格后方可按照常规工艺进行铁路上跨桥防撞墙施工。施工过程中需注意以下几点：

①由于作业架内操作空间限制,铁路跨防撞墙单块模板重量需控制在100 kg左右,以便人工进行安装。

②混凝土浇筑采用人力车推入作业架内人工入模。

③施工期间外挂篮严禁超过设计荷载(1.5 t/节)使用。

④施工期间应安排专人及时清理外挂篮内因施工产生的杂物。

4.6 移动作业架拆除

移动作业架退出铁路上方作业同样需封锁线路进行施工,其施工流程及封锁时间与进入铁路上方类似,不再赘述。移动作业架拆除在其退出铁路保护区以外的桥面上进行。

5 结束语

移动作业架封闭式施工技术经多项工程实践证明,该结构简单,拼装、移动、拆卸快捷方便,安全可靠,能有效保障既有铁路行车和施工安全且经济效益和社会效益明显。该项技术成果已于2011年4月通过上海铁路局科学技术成果验收(上铁局技验字[2011]第007号),其整体成果水平达到路内领先,目前已在上海局既有铁路上跨桥梁施工中广泛推广使用。

参考文献

[1] 北京钢铁设计研究总院.GB50017—2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社,2003

[2] 中国建筑科学研究院.GB50009—2001 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002

[3] 路桥集团第一公路工程局. JTJ041—2000 公路桥涵施工技术规范[S]北京：人民交通出版社,2000

[4] 王寿华,朱维益,张学助，等.建筑施工手册(第四版)[M].北京：中国建筑工业出版社,2003．

[5] 周水兴,何兆益,邹毅松,等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社,2001．

[6] 杨文渊,徐犇,等.桥梁施工工程师手册(第二版)[M].北京：人民交通出版社,2003．

[7] 上海市政工程设计研究总院.桥梁设计工程师手册[M].北京：人民交通出版社,2007．

[8] 邓运清.客运专线常用跨度简支箱梁施工注意事项及常见问题解析[J].铁道标准设计,2011(11):53．