京张铁路官厅湖特大桥主桥施工方案研究

2016-11-10中铁大桥局集团有限公司湖北武汉430050

安徽建筑 2016年4期

韩　巍　（中铁大桥局集团有限公司，湖北　武汉　430050）

京张铁路官厅湖特大桥主桥施工方案研究

韩巍（中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉430050）

京张客专官厅湖特大桥，全长9.07km，其中跨越官厅水库的主桥为8-110m变截面简支钢桁梁。结合该桥水文地质情况和主桥的特点，主要研究了大临工程方案、主桥基础和墩身施工方案以及上部结构施工方案。重点论述了上部结构施工，通过三方案比选，最终选定质量、安全、工期有保证的顶推施工方法。

官厅湖特大桥；主桥施工；方案研究

1　工程概况

新建京张铁路是北京至张家口的客运专线，是京津冀城际铁路网的重要组成部分，最高时速350km/ h。官厅水库特大桥位于河北省怀来县东花园乡和狼山乡之间，跨越官厅水库，与京藏高速官厅水库大桥并行，高速公路位于线路左侧，大桥位置示意图见图1。

图1　官厅水库特大桥位置示意图

官厅水库特大桥位于河北省怀来县东花园乡和狼山乡之间，跨越官厅水库，与京藏高速官厅水库大桥并行，高速公路位于线路左侧。桥跨布置：36-31.5m+1-23.5m+1-31.5m+1-（40+64+40）m连续梁+3-31.5m+3-23.5m+69-31.5m+1-23.5m+110-31.5m+8-110m钢桁梁+21-31.5m+1-23.5m+1-31.5m。桥全长9077.89m。主桥为（P227～P235）8-110m简支变截面钢桁梁上跨官厅水库，边墩P227、P235分别位于水库南、北两岸（P227位于浅水区），主墩P228～P234为水中墩。主桥主体结构形式见图2。

图2　官厅水库特大桥主桥结构立面示意图（单跨）

据现场调查，墩位水域宽度约800m，水深约10m，水位随季节性变化幅度为±1m，流速较慢，利于水中墩施工。桥位处陆上土壤最大冻深0.99m，冬季水面最大冰层厚度0.66m，河床流塑性覆盖层最大厚度2.5m。

主桥的主要结构

①钻孔桩

基础均采用直径φ2.5m摩擦桩。其中边墩P227、P235设计为12根桩，水中墩P228～P234为15根。

南岸P227墩，桩长77m，北岸P235墩，桩长60m；水中墩P228～P234桩长76m～90m。

②承台

承台均采用矩形结构形式。

承台P227、P235结构尺寸为：23.8m×17.2m×5m，单个承台混凝土方量：2047m3；

水上承台P228～P234为高桩承台，承台底距河床面高度约为2.5m，结构尺寸为：30.4m×17.2m×5m，单个承台混凝土方量：2614m3。

③墩身

边墩P227、P235采用双柱式+单柱式矩形截面桥墩，主墩P228～P234采用双柱式矩形截面桥墩，双柱式墩柱之间墩顶以下2.2m处设一道横梁。墩高16.4m～20.07m，墩顶设球形钢支座。

④上部结构钢桁梁

上部结构钢桁梁为简支结构，采用变高曲弦拱形桁式。拱形桁架计算跨度为108m，结构长度为109.7m。跨中桁高19m，桁宽13.8m，节间长10.8m，支座距梁端0.85m。单孔钢桁梁杆件重约2120t，混凝土桥面板218m3。最大单个杆件为E0、E1，重量为54t，其余杆件重量约10t～40t。

2　工程特点、重点及难点

2.1工程特点

2.1.1工程意义重大，铁路等级高

新建京张铁路是京津冀城际铁路网的重要组成部分，对于加强京张两地合作意义重大；另外这条铁路的修建也为北京近郊城际铁路的发展及2022年申办冬奥会提供了交通保障。本铁路为客运专线，最高速度按350km/h标准设计，铁路等级高，施工标准高。

2.1.2桥梁结构新颖，施工技术含量高，施工方法创新

官厅水库特大桥主桥采用8跨110m变高度简支钢桁梁跨越官厅水库，主桥结构新颖，造型优美；主桥桩、承台和墩身位于水中，主桥采用8-110m简支钢桁梁桥顶推施工，施工技术含量高。

2.1.3官厅水库风大、温度低，冰冻厚、主桥施工难度大

官厅水库特大桥主桥地处张家口进北京的“风口”区，常年多大风，持续时间长；冬季寒冷漫长，气候干燥，官厅湖内冻结深度0.98m，平均冰冻厚度0.61m，结冰期从11月中旬至第二年3月中旬，结冰期长达4个月，主桥施工难度增大。

官厅水库特大桥主桥跨越官厅水库，水库属于三级水资源保护区，环保要求非常高。

2.2工程重点及难点

①官厅水库特大桥主桥跨越官厅水库，水库属于重要水源保护区，环保要求非常高，钻孔泥浆及基坑开挖弃土等废渣的妥善处理为本桥施工重点。

②桥位处地质条件较差，覆盖层有很厚的淤泥质黏土，地基承载力很低，岸上各项临时设施及设备基础的地基处理为本桥施工难点之一。

③桥址处风大、频率高，冬季气候寒冷，各项临时设施基础防冻融破坏和大型构件起重吊装安全管控为施工重点。

④桩基直径2.5m、设计桩长达90m，实际钻孔深度约达112m，大直径、大桩长的钻孔桩施工为本桥施工难点之一；同时，桥梁工后沉降要求很高，桩底沉渣厚度的控制为施工重点。

⑤P228～P234墩承台底均高于河床面约2～3m，P227、P235墩承台底均置于淤泥质黏土层，围堰基底处理及封底质量控制为本桥施工难点之一；同时，承台厚度高达5m，大体积混凝土温控防止开裂为施工重点。

⑥墩身高度较高，分次成型。墩身与承台之间的龄期差、大体积砼温控防止开裂及其外观质量控制为施工重点。

⑦主桥设计为8-110m简支钢桁梁结构，采用顶推施工，施工过程中须将每4孔简支钢桁梁先形成连续结构，然后再实施顶推，待顶推到位后再转换成简支体系，施工过程中结构受力复杂、工序转换多、工艺复杂，钢桁梁大吨位、长距离顶推精确就位为本桥施工难点之一；钢桁梁拼装支架及顶推系统设计施工质量控制、主体结构的体系转换等为施工重点；同时，钢桁梁现场拼装及防腐涂装质量控制为施工重点。

⑧本桥施工周期较长，期间将多次跨越冬季，须暂停施工，施工组织安排与施工工艺要求的匹配性及合理性为施工重点。

3　主要大临方案的选择

官厅水库特大桥主桥跨越官厅水库，桥梁基础位于水库中，水深约10m，桥位无通航条件，基础施工时需搭设栈桥。上部结构施工需在官厅水库两岸设置钢梁存放及预拼场，并分别在引桥P218～P227和P235～P244墩之间搭设钢桁梁拼装支架，拼装支架与引桥桥墩相结合，构成钢桁梁整体拼装支撑体系。

根据全线工程分布及交通运输情况，共设置2处混凝土集中拌和站。

3.1混凝土搅拌站

两岸各设置2×HZS120搅拌站一座，北京岸搅拌站设在DK97+332线路的右侧，占地约19亩；张家口岸搅拌站设在DK99+175线路的右侧，占地面积约14亩。

3.2钢筋（钢结构）加工场地

拟在北京岸DK97+460线路右侧设置大型钢筋（钢结构）加工场地，兼作材料的堆放场，占地37亩。划分相应的区域作为全桥需用的钢管桩、钢护筒、双壁钢围堰等钢结构制作场地，划分相应的区域作为北京侧主体结构钢筋加工场地。

拟在张家口岸DK99+072线路右侧设置钢筋加工区，兼作材料的堆放场，占地面积为20亩，负责张家口侧主体结构钢筋加工场地。

3.3栈桥

桥位处官厅水库的水域宽度约为740m，受线路左侧已有高速公路的限制，栈桥拟设置在线路的右侧，栈桥采用钢管桩+贝雷梁便桥，宽度为8m，并在主墩位处设置6×26m加宽平台，栈桥累计长度为950m，作为各种材料、双壁钢围堰分片运输、大型机具设置的行车通道。

3.4钢梁存放、预拼场

北京岸钢梁存放、预拼场地设置DK97+700线路的左侧，张家口岸设置在DK99+400线路的右侧，各占地约12.5亩。

3.5钢梁提升拼装区

北京岸在DK97+930～DK98+050、张家口岸在DK99+000～DK99+120各设置2台80t（Lp=50m）龙门吊，作为钢梁提升拼装的起吊设备。

3.6生活、生产用水

两岸均打井取水，以供生活、生产用水。

3.7生活、生产用电

工地用电由附近高压线路T形接入，北京岸在搅拌站侧设置1000kVA+630kVA各1台，张家口岸设置1000kVA变压器一台，现场采用架空线路沿便道布置，沿栈桥上设置电缆槽道接入主桥的各个墩位。另配备3台350kW的发电机组作为应急电源。

4　主要施工技术方案的选择

4.1下部施工方案

4.1.1钻孔桩施工

主桥钻孔桩施工均选用KTY3000旋转钻机成孔。水中墩P228～P234钻孔桩施工时采用栈桥+钻孔平台方案。水中墩钢护筒防护长度约为25m。

4.1.2承台施工

P227、P235墩陆上承台采用拉森VI钢板桩围堰支护开挖。

P228～P234墩水中承台基础施工采用先平台后围堰施工方案。围堰采用双壁钢套箱围堰结构，分段、分块拼装，之后利用钢护筒设置提升下放装置下放至设计位置，并浇筑封底混凝土。100t履带吊机配合吊装作业。

主桥大体积承台混凝土均一次浇筑完成，注意混凝土水化热冷凝处理。封底混凝土和承台之间设置隔离层，桥墩施工完成后，拆除围堰。

4.1.3墩身施工

墩身施工与承台施工连续进行，墩身混凝土浇筑在承台混凝土浇筑后14d内进行。承台以上10m墩身一次性浇筑完成，2节墩身之间混凝土浇筑间隔不超过3d。墩身分节段施工缝避开冰冻区。

4.2上部结构施工

主桥上部采用8-110m简支变截面拱形钢桁梁结构，拱形桁架计算跨度为108m，结合该桥水文地质及基础施工布置，提出了架梁吊机悬臂拼装法、支架法和双向顶推架梁三种架设方案。

4.2.1架梁吊机悬臂拼装法

首先在首孔位置布置膺架，前4个节间采用高架龙门吊机架设，其余6个节间由架梁吊机逐节架设。其他孔跨采用临时吊索塔架，架梁吊机架设，因该桥位于水源保护区，减少临时墩对环境的影响，采取吊索塔架辅助，逐孔向主桥中跨推进。方案示意见图3。

图3　主桥吊索塔架施工方案示意

4.2.2支架法

在桥位搭设钢管桩支架，利用栈桥上的轮轨式动臂塔吊进行钢桁梁架设施工的方法。方案示意见图4。

图4　主桥满布支架施工方案示意

此方案栈桥需加宽至10m，并在走行轨道底部加密布置钢管桩，纵向钢管桩间距拟定为4.5m，钢管桩直径采用φ0.8m，壁厚δ=1.5cm，纵向分配梁采用加密贝雷梁布置，以满足自重200t轮轨式起重机承力要求。起重机底部采用门式结构，横桥向起重机的支腿跨度为8m，结构内部净空为5×6m，栈桥上的运输设备下穿轮轨式起重机。利用轮轨起重机打入φ1.2m钢管桩作为支撑桩，设置在钢梁每个节点投影点以下，每排为2根，单跨需16根钢管桩。

4.2.3顶推施工法

主桥两端引桥区段各设置268m拼装支架，引桥及主桥桥墩处设置墩旁托架。采用2台80t跨墩门吊进行拼装，顶推方向前端设置68m钢导梁。

首次在支架上拼装第三、四、五、六孔钢桁梁，顶推268m。之后继续拼装第一、二、七、八孔钢桁梁，顶推220m就位。方案示意见图5。

4.2.4三种方案比较

第一方案钢桁梁必须由设置的简支钢桁梁变为临时的连续钢桁梁，上弦杆的曲线轴线需要增加临时杆件变为平弦方能满足架梁吊机及吊索塔架的走行和作业。钢梁需要设置岸上提升站提升至铁路桥面上，通过平车运送至待架墩位进行架设。此外吊索塔架较高，在本工程所在地区大风天气须对吊索塔架采取特别的锚固措施。第二方案具有拼装过程中钢梁受力清晰，不会破坏钢梁的主体结构等优点。但是支架处水深约14m，长约900m，采用支架时间约2年，需分别经历1～2个冬歇和防汛期，支架带载过冬，遇上冰凌等，存在一定工期和安全风险。第三方案可降低施工安全风险，提高施工效率，减短施工时间，但是同步性要求高，控制难度大。