栈桥式平移法换架高速铁路简支箱梁技术研究

张耀辉， 王海林

(1.石家庄铁道大学国防交通研究所，石家庄　050043；2.河北省交通应急保障工程技术研究中心， 石家庄　050043)



栈桥式平移法换架高速铁路简支箱梁技术研究

张耀辉1，2， 王海林1，2

(1.石家庄铁道大学国防交通研究所，石家庄050043；2.河北省交通应急保障工程技术研究中心， 石家庄050043)

摘要：随着我国高速铁路桥梁的快速发展，各种灾害对其造成破坏的可能性增高。为了能够有效应对未来高速铁路桥梁灾后的快速保障需求，重点研究将来高速铁路桥梁遭受灾害损毁破坏后，在通过抢修钢梁保证临时限速通车的情况下，采用栈桥式平移法实现新制混凝土箱梁和临时抢修钢梁换装施工的技术方案。主要研究内容包括：总体技术方案、施工场地布置方案、施工设备的设计方案和换架梁施工工艺等，并总结该项技术的关键技术要点和方案的适应性。通过研究说明，栈桥式平移法是一种安全可靠、成本低廉、快速有效的换架梁施工技术，有助于推动我国高速铁路桥梁灾后应急保障技术的发展，并为同行提供有价值的参考。

关键词：栈桥；平移；换架；高速铁路；简支箱梁

近些年来，我国高速铁路运营和在建里程得到了快速增长，高速铁路线路在空间上跨越了全国范围内不同地质条件的各类域区域，具有点多、线长、面广的特点，其中桥梁在高速铁路线路中所占比例很大，已成为高速铁路的主体工程。我国是世界上遭受自然灾害最严重的国家之一，各种灾害对高速铁路桥梁造成破坏的可能性增高，但是专门针对高速铁路桥梁在遭受灾害破坏后的抢修与恢复方面的技术研究却很少。所以，尽早进行高速铁路基础设施的保障技术研究已是当务之急。本文论述的“栈桥式平移法换架梁技术”是针对灾毁后的高速铁路混凝土简支梁桥，在通过临时抢修钢梁保证了线路临时限速通车的情况下，通过此项技术将新制混凝土梁体替换下临时抢修钢梁的一种恢复施工技术。

1栈桥式平移法换架技术方案

栈桥式平移法换架梁施工所需主要施工装备包括：现浇梁支架结构、栈桥横梁系、临时支墩、1号轻型横移台车组、2号重型横移台车组、大吨位千斤顶等。

总体施工方案是：在桥梁一侧(为便于表达，可指定为右侧，则另一侧为左侧)平行桥梁纵向轴线方向搭设现浇混凝土梁的支架结构，垂直桥梁纵向轴心紧靠待架孔的两个桥墩内侧位置分别搭设栈桥横梁，其支撑在桥墩两侧的临时支墩上，在栈桥横梁上铺设轨道，安装布置1号轻型横移台车和2号重型横移台车。1号轻型横移台车用来移出桥跨的临时抢修钢梁到桥跨的左侧，2号重型横移台车负责载运新制混凝土梁体移入桥跨，通过千斤顶落梁就位。

在此技术方案中，新混凝土梁是在桥跨右侧的现浇梁支架结构上制作的，制作完成后，直接利用2号重型横移台车进行平移，不需要其他的重型门吊等设备进行混凝土箱梁的吊装作业；无论是临时抢修钢梁还是混凝土箱梁都是采用的平移方式进行位置的变化，达到换架梁的目的，具有方式简单、安全可靠、换架速度快的特点。

1.1栈桥式换架系统现场布置[1-6]

施工现场的布置在空间上除了要保证不得侵入高速铁路建筑限界外，还要满足《铁路工程基本作业施工安全技术规程》中的相关要求，如在建临时工程设施与外电架空线路边线之间的安全距离应符合规程中的规定要求等等。

现浇梁支架结构的设置：采用栈桥平移法换架梁时，现浇梁是在待换架孔的一侧平行于桥梁纵轴线的支架结构上进行。现浇梁的梁底和原桥跨箱梁的梁底设置在同一高程上，且现浇梁施工工程设施在空间上不得侵入原高速铁路桥梁的建筑限界范围内，同时不得侵入《铁路工程基本作业施工安全技术规程》规定的高速铁路接触网的安全空间范围内。如图1所示，现浇梁支架结构系统由下往上依次是支架基础、支架主结构、箱梁现浇模板，整个现浇梁支架结构系统的轮廓边线均处于建筑限界和安全距离之外。

图1　现浇梁支架布置跨中断面布置(单位：mm)

在支架靠近桥墩内侧的相对位置上，应留有2号重型横移台车的横移通道空间及支架横移轨道梁的安装位置。所以，支架端部段设置如图2所示。

图2　现浇梁支架布置侧面

如图2所示，现浇梁支架采用的是满堂式支架结构形式，有利于将上面约20 000 kN左右的自重进行均匀分载后，传递给整垮长度范围内的基础，减少了桥位旁较长时间的地面荷载对桥梁基础的偏压影响。支架的结构形式也可根据现场情况，设置成梁柱式支架或其组合形式支架。

2号重型横移台车一开始就安装在端部现浇梁模板下面的横移通道处，兼做模板的支撑，其下面的轨道横梁支撑于下面立柱上。横移通道的宽度要考虑到横移台车轮廓线和待架孔桥墩内侧边沿之间有至少300 mm的安全距离。

支架轨道横梁采用多点支撑的连续梁的形式固定在下面2排立柱上；栈桥横梁一端搭在桥跨左侧的临时支墩上，一端支撑在桥跨右侧靠近支架的立柱上，同时保持支架轨道横梁和栈桥横梁上翼缘顶面保持在同一高程位置上，然后在其上安装横移台车的走行轨道。

1号轻型横移台车和2号重型横移台车均采用双轨走行方式。其中2号重型横移台车的载重量大(约14 000 kN)，所以采用三级均衡梁结构，载荷分载到32个走行轮上(16轴)，这样降低横移台车的轴重，对支架结构、栈桥横梁的受力和地基处理均有利。1号横移台车主要用来横移临时抢修钢梁，载重量较小，采用4轴共8个走行轮，均衡梁上设桁架支墩，用来支撑临时抢修钢梁。

整个栈桥式横移系统的布置横断面见图3。

图3　栈桥式横移系统布置断面示意(单位：mm)

1.2施工设备的设计方案

栈桥式平移换架梁中所用的主要装备/器材包括：现浇梁模板、现浇梁支架、栈桥横梁及支架轨道横梁、临时支墩、横移台车组、大吨位千斤顶、及电气控制系统等。

现浇梁模板：依然可以采用原桥箱梁的预制时的模板图纸进行加工，或租用现有的模板进行改造。

现浇梁支架：采用满堂式支架的结构形式，如图2所示。对于现浇梁支架材料的选用，由于量大，且支架承受的载荷大，制式钢管支架不宜采用。而充分利用既有的铁路或公路抢修制式器材是较为合理可靠的选择，比如铁路抢修器材之八三墩、六五墩、公路抢修桥墩等，其具有储存运输方便，使用灵活、装拆快捷、承载能力高和容易筹集等特点，可大大提高施工速度，节省成本。对于局部需要的特殊结构件也可采用常见的型钢材料，如圆管、方钢管、工字钢、槽钢等，其可根据现场需要进行临时连接。

图4　栈桥横梁及支架轨道横梁结构

栈桥横梁及支架轨道横梁(图4)：支架轨道横梁采用多点支撑的连续梁的形式固定在下面2排立柱上，栈桥横梁一端搭在桥跨左侧的临时支墩上，一端支撑在桥跨右侧靠近支架的立柱上，同时保持支架轨道横梁和栈桥横梁上翼缘顶面保持在同一高程位置上，然后在其上安装横移台车的走行轨道。考虑到加工和安装的快捷，同时考虑到运输方便，这2种横梁的单件长度不超过12 m，中间采用法兰盘进行螺栓连接。栈桥横梁和支架轨道横梁均采用箱形的截面形式，箱梁上翼缘正对腹板的位置用来安装走行轨道。其中支架轨道横梁从力学角度上来说是一个多点支撑的连续梁结构，其受弯和受剪强度不控制，但是需对轮下局部承压强度和腹板稳定性进行计算分析；栈桥横梁最大受力工况是，2号重型横移台车载梁走行至桥跨位置时，如图11所示。此时横梁均承受最大的弯矩和剪力，另外栈桥横梁端部和下面立柱的接触部位所受局部承压荷载最大，应设支撑加劲肋进行加强。

临时支墩：临时支墩是位于桥跨左侧用来支撑栈桥横梁的临时结构。可基于既有的铁路桥墩抢修器材(八三墩或六五墩)来进行设计及拼组安装，如图3所示。既节省了加工制造成本，又缩短了施工周期。

横移台车组：横移台车组由2个1号轻型横移台车和2个2号重型横移台车组成，均采用双线双轨走行方式。其中2号重型横移台车采用三级均衡梁结构，以使自重和重载情况下轮压均衡。每个台车的走行机构由4组组成，每组由2台主动台车、2台被动台车。1号横移台车由于载重小，可采用一级均衡梁结构。每个台车的走行机构由2组组成，每组由1台主动台车、1台被动台车。横移台车结构形式如图5和图6所示。

图5　2号重型横移台车组装示意

图6　1号轻型横移台车组装示意

1.3换架梁施工工艺技术[7-15]

1.3.1换架梁施工前的准备工作

(1)现浇混凝土箱梁施工，达到设计要求；

(2)检查横移系统的设备是否处于良好状态；

(3)做好换架梁施工的组织设计，细化到每个工序都落实到责任人；

(4)确定铁路运营的“天窗”要点时间。

1.3.2换架梁施工工艺

(1)拆除线路。桥上线路封闭后，解除本孔及临孔线路轨道扣件，在相邻孔靠近换架孔的两端安放千斤顶，将钢轨顶起500～600 mm 并支垫好。

(2)1号轻型横移台车就位。启动1号轻型横移台车向右侧驶入桥跨，位于临时抢修钢梁正下方，安好台车卡轨器；拆除钢梁下的临时支座锚栓；将横移台车架对准临时抢修钢梁的起顶部位；起动位于台车架上部的4台千斤顶同时将临时抢修钢梁顶起，至抢修钢梁支座脱离开垫石50 mm后停止。

(3)1号轻型横移台车载重横移。拆除卡轨器，启动1号台车组同步向左侧横移，将临时抢修钢梁横移出桥跨位置，行至栈桥横梁左端停止，安装好台车卡轨器。

(4)垫石处理。抢修钢梁被移出桥跨后， 墩顶开始处理垫石，为新制的混凝土箱梁的就位安装做好准备。

(5)模板拆除。为了能够将新制混凝土箱梁进行向左的横移作业，梁体制作完毕后，要拆除现浇梁模板的左侧和端部的模板，以便为横移让出空间，清除障碍。这部分工作可提前进行。

(6)起顶新制混凝土箱梁。利用2号重型横移台车架上的千斤顶将箱梁同步顶起，至梁底高程高出垫石顶面至少350 mm。一侧台车上的2台500 t千斤顶是连通的设置，另一侧台车上的2台500 t千斤顶是独立设置，实现了梁体四点支撑三点平衡的合理受力状态。

(7)2号重型横移台车载重横移。启动2号重型横移台车，在同步走行控制下载重向左横移至桥跨正下方就位，安装梁底支座，千斤顶缓慢落梁至垫石。在落梁就位的过程中，箱梁的横桥向偏差可通过台车的点动微量横移解决，箱梁的纵向偏差可通过在桥墩和台车间安放水平千斤顶来顶推台车来解决。由于在现浇梁时，已对箱梁位置进行了精确控制，并且横移走行机构采用了同步纠偏装置，所以横移至桥跨时的误差不会很大，调整量较小，容易实现。

(8)线路恢复。将桥上钢轨落下、摆正、测量、安装钢轨扣件，达到临时通车要求。

(9)要点封闭结束，临时通车。

(10)后续调整。进行后续的线路检查、调整和完善工作，达到永久线路的运营状态。

以上换架梁施工作业程序中，有些工序是可以并行作业的或可以提前进行的，所以应做好详细的施工组织设计，力求整个换架梁施工作业时间缩短，降低要点施工的风险，减少恢复施工的成本和中断线路运营造成的损失。

为了能清晰地解释栈桥式横移法换架梁的施工过程，将上述施工工艺简化为五大施工步骤(图7)，以图示的方式进行说明(图8～图12)。

图7　换架梁施工工序

图8　步骤1　1号台车空车驶入桥跨

图9　步骤2　1号台车横移抢修钢梁出桥跨

图10　步骤3　2号台车载新梁横移入桥跨

图11　步骤4　千斤顶落梁就位

图12　步骤5　2号台车空车驶出桥跨

1.3.3关键技术要点

(1)支架的设置。支架中间部分采用抢修制式桥墩器材，准备周期短、安装方便、安装速度快；支架两侧靠近桥墩的端部要预留重型横移台车的走行通道，同时重型台车架亦为模板的支架部分；采用满堂式的布置可保证现浇梁及施工载荷均匀分布传递给基础，降低了地基处理难度，减弱了地基载荷对既有桥墩基础的影响。

(2)重型横移台车多级均衡的设置。重型台车采用三级均衡结构，既保证了各个车轮的轮压受力均衡，又保证了其下面支架立柱的受力均衡，同时降低了栈桥横梁的内力，有利于栈桥横梁的轻型化设计。

(3)横移台车的同步控制。重型横移台车载梁横移时，对于梁端的2组横移台车的走行采用同步纠偏控制，是保证其快速准确横移到位的关键。待架孔的中间净空是非常小的，理论上横移梁左右两侧距邻跨梁端之间仅有100 mm的空隙，如果横移时偏差较大，很容易发生碰撞。台车的走行机构采用全变频电气控制系统和自动纠偏控制，可以保证2个台车组在走行时的平稳同步。

(4)换架梁施工组织的优化设计。在有限的封闭“天窗”时间点内进行换架梁施工，各程序步骤的衔接和优化组织设计，是关系整个施工顺利完成的一项重要工作。在有限的时间内，完成诸多的工序步骤，需要环环相扣，做到每个步骤都在各自的时间段内完成，中间无时间空挡存在，才能在“天窗”关闭之前结束整个换架梁工程。

2技术方案适应性分析

栈桥式平移法换架梁具有以下优点：

(1)整个施工作业面不需跨越运行线路，均处于安全限界之外，对临时通车没有影响；

(2)施工中不需大的吊装机械设备，如大吨位的龙门起重机等，有利于降低施工成本；

(3)桥上的电气线路、接触网等不需要中断，减少了桥上电气线路的施工环节；

(4)绝大部分前期准备工作都在线下或线侧进行，易组织，效率高。

(5)换架梁工序简单，安全可靠，易操作；

(6) 现场环境适应性强。

同时，此技术方案还存在以下缺点：

(1)支架安装工作量大；

(2)首末孔桥台处，桥台护坡有空间干扰时，需提前开挖处理。

栈桥式平移法换架梁技术方案的适用条件：

(1)桥梁高度以不超过30 m为宜，如果桥梁过高，支架的安装工作量过大，且现浇梁的高空作业会比较困难，整个支架的稳定性也会降低；

(2)桥下为有较大水深的河流时或山区有较大山谷时，不宜采用此种方法，因为支架的地基处理和安装非常困难；

(3)桥梁跨越公路或铁路线路时，由于无法布置和安装支架，且往往桥下的净空高度难以保证不侵入桥下线路的建筑限界，所以不适宜采用此种方法。

总之，栈桥式平移法换架梁施工对桥址附近的地形适应性是比较好的。地面不需要铺设轨道，也不需大型的门式起重机等设备，对于地面有起伏的情况，可以就势将支架基础做成高低错落的结构形式。对于桥下存在较浅的水面时，也可以临时填筑后进行地基处理。

3结语

采用栈桥式平移法换架梁技术进行高速铁路混凝土简支梁桥的换架施工，是一项适应性强、成本相对较低、安全可靠和效率高的梁体换架技术。通过研究，可作为桥梁抢修工程的一项技术储备，提高我国高速铁路桥梁的保障技术水平。

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收稿日期：2015-11-04； 修回日期：2015-11-30

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014G008-A)

作者简介：张耀辉(1970—)，男，教授级高级工程师，2001年毕业于西南交通大学桥隧工程专业，工学硕士，E-mail：sjzzhangyh@126.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0080-06

中图分类号：U238； U445.7+4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.019

Research on the Replacement of High Speed Railway Concrete Box Girder with Trestle Translation Method

ZHANG Yao-hui1，2， WANG Hai-lin1，2

(1.Research of National Defense Communication， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043, China;2.Hebei Provincial Transportation Emergency Support Engineering Technology Research Center， Shijiazhuang 050043, China)

Abstract：With the rapid development of China’s high-speed railway bridge， the potential damages generated by various disasters to the bridge increase. In order to cope with future requirements for high speed railway bridges damaged by disasters， this paper focuses on the application of trestle translation method to replace new concrete box beam with temporary emergency steel girder under the condition that the emergency steel girders are used to ensure temporary speed limit. Researches are concentrated on the overall technical planning， construction site layout， construction equipment design and construction technology， and key technical points and the adaptability of technical scheme are summarized. Researches show that the trestle type translation method is a safe， reliable， low cost， fast effective construction technique and is helpful to promote the development of the emergency rescue for high-speed railway bridge in China， and may provide valuable references for similar projects．

Key words：Trestle bridge; Translation; Replacement; High speed railway bridge; Simple-supported box girder