桃河大桥跨既有线转体施工仿真应用

刘思明

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300140）

随着铁路网的丰富完善，新建铁路与既有铁路交叉的情况频繁出现，通常采用桥梁上跨方式跨越既有线。与桥梁现浇施工相比，转体施工能缩短对既有线运营的干扰时间，具有显著的安全性和经济性[1-3]。转体施工方案从既有线防护开始，经历主体结构施工、主梁转体、现浇段合龙、封固上下转盘等工序。施工全过程对时间和空间环境较为敏感，边界条件复杂，可能存在侵入既有铁路限界、干扰铁路接触网、与墩旁托架碰撞等施工风险。依托以BIM和GIS为代表的计算机技术和仿真技术，开展跨既有线T形刚构桥转体施工仿真，有助于预判并管控施工过程中的潜在风险。

1 工程概况

桃河大桥与既有石太铁路上下行线交叉，交叉角度为69°，采用T形刚构桥跨越，跨度为（56+56）m。主墩墩高11 m，采用矩形截面、墩梁固结。主墩与承台之间通过转动球铰连接，承台厚度4.0 m，其中转体部分基础厚3.7 m。承台下设群桩基础，桩基布置为20根1.25 m群桩，桩尖置于1 500 kPa的石灰岩上。桃河大桥立面图见图1。

主墩大里程侧为桃河主河道，受桥址处地形限制，施工场地狭小，T形刚构桥采用先平行既有铁路悬臂施工再实施转体就位的方式，转体质量4 800 t。为降低基坑开挖对相邻铁路的影响，主墩基础施工时采用钻孔桩防护，基坑回填根据要求分层夯填密实，并采用混凝土挡墙进行防护。

2 新技术应用

施工仿真应用建立在可视化3D信息建模基础上，涉及的信息模型主要有2类：工程设施模型和数字地形模型[4-6]。

BIM技术是对工程对象的数字化、信息化表达[7]。选择基于达索V6平台完成BIM模型建模，平台具有精细化建模和参数化建模等能力。应用定位骨架结合模板的设计方法，在完成转体T形刚构桥BIM建模的同时，能够存储几何与非几何信息。通过对BIM模型信息的挖掘，可为工程决策提供支持，并能较好地服务于桥梁工程施工仿真研究。主要应用BIM技术完成工程设施模型的创建（见图2）。

GIS技术与多学科关联，以地理信息技术为核心，通过对各类地理信息的搜集、分析及存储，能够根据不同地理信息，挖掘地理及空间信息资源，以满足工程测量的实际需求。数字地形模型采用航空摄影的手段获取基础地理数据，并进行GPS差分解算、点云数据处理、DEM制作等。施工器械模型通过模型移动、关节旋转控制等方法，可实现任意运动控制并记录过程数据。

通过深度理解BIM与GIS模型数据结构，将工程模型、真实地理环境及其他相关模型进行多源数据融合，并基于GIS平台开发施工仿真工具，实现施工工序及施工工艺过程仿真。能有效利用设计模型和既有三维地理信息数据，保证数据的真实性和几何精度，降低施工仿真的难度和成本，拓展应用面。

图1 桃河大桥立面图

图2 基于达索V6平台建立的桃河大桥BIM模型

3 应用目标

开展桃河大桥T形刚构桥施工工序的仿真应用，主要涉及工程设施模型与数字地形模型。应用BIM技术完成工程设施模型建模，应用GIS技术完成数据融合。主要涵盖钻机平台搭设、既有线防护、转体设备安装、主梁转体等工序，过程中重点关注以下内容：

（1）基础施工对既有线的干扰及防护；

（2）吊车、钻机等施工机械作业期间对既有线的干扰；

（3）T形刚构桥转体过程中与既有铁路的安全限界核查；

（4）转体合龙前梁体与墩旁托架的碰撞检测。

此外，通过开展桃河大桥施工仿真应用，探索施工仿真工作的组织流程，为施工仿真技术的发展应用积累经验。

4 转体施工仿真

4.1 仿真工作流程

施工仿真核心在于还原施工工序。不同工法的风险点、关注点各有侧重，同一工法在不同阶段的重心有所不同。开展仿真工作时，应通过需求分析与需求评估，有针对性地开展仿真工作，并通过初步模拟、需求评估、反馈迭代的方式确定施工仿真内容。仿真工作流程见图3。

4.2 施工工序仿真

根据施工组织安排完成主要施工工序的仿真，仿真流程见图4。跨既有线转体施工从既有铁路设备及线路防护开始，到封固上下转盘结束。防护桩分级施工后开挖至承台底部，开始施工桩基，防护桩与桩基的建模与设计保持一致。按顺序开展承台、主墩墩身及主梁的施工仿真，其中上下转盘需临时固结，梁体采用挂篮悬臂法施工（见图5、图6）。

4.3 施工仿真分析

转体施工对既有线的干扰、工程设施与既有线的相对关系是转体施工的重点。主墩基础靠近既有线一侧设防护桩，分层填筑施工平台，分级施工防护桩，并施工冠梁及防护措施。根据施工仿真模拟，防护桩最外侧距离铁路接触网8.4 m（见图7），桩基础最外侧距离接触网最近10.9 m。

在模拟钢筋笼吊装施工时，选用25 t汽车吊进行吊装，吊臂长度31 m。考虑吊车倾覆等情况，经仿真模拟确定安全作业线到线路安全运营限界的距离为23 m（见图8）。防护桩与铁路接触网立柱最近距离8.4 m，采用冲击钻施工，需吊装钢筋笼最长为6 m，通过施工仿真模拟钢筋笼倾覆的干扰范围，完成对施工工序安全风险的评估（见图9）。

图3 仿真工作流程

图4 转体施工工序仿真流程

图5 既有铁路防护与桩基施工仿真

图6 解除临时固结试转开始

图7 桩基防护与既有线相对关系

图10 转体过程中梁体底部到接触网顶距离

图8 吊车倾覆分析与安全作业线

图11 试转后梁体边缘到接触网线水平距离

图9 吊装钢筋笼倾覆分析

图12 合龙前梁体与墩旁托架碰撞检测

转体施工分为试转和正式转体两步，总转体角度69°，其中试转角度13°，正式转体角度56°。转体过程中，桥梁结构及既有线的相对关系动态变化。通过施工仿真模拟，获取转体过程中不同阶段的梁体底部到接触网顶的距离、梁体底部到既有线轨面的距离及梁体平转时到基础网线的水平距离（见图10、图11），完成转体施工对既有线干扰的全过程分析。

合龙段墩旁支架与转体梁体的碰撞在转体施工中容易被忽视，具有一定的安全风险。根据施工图纸建立托架模型，在合龙前开展重点施工工序细节仿真，核查并预判墩旁托架与转体梁的碰撞情况（见图12）。

5 结束语

以桃河大桥跨越既有石太铁路项目为依托，完成T形刚构桥跨既有线转体施工过程的仿真模拟。针对复杂的转体施工工法和既有线敏感的施工环境，开展施工全过程仿真能够发掘可能存在的风险，并通过对施工方案的及时调整，实现对风险点的有效管控，进而提高施工质量、保障施工安全、提升综合效益。

BIM与GIS技术的融合应用，能有效利用工程模型信息与三维地理信息，快速高效完成基于真实地理场景的桥梁施工仿真，并对转体施工中产生的数据进行记录和反馈，将信息技术的优势互补应用到复杂桥梁的仿真应用中。