高铁架桥机桥上整体调头关键技术及应用研究

路 斐,张耀辉,2,魏岳峰

(1.石家庄铁道大学,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)

引言

铁路交通基础设施建设中,桥梁施工往往是整个建设项目的关键控制工程。尤其是我国的高铁桥梁,其在整个建设线路中所占的比例很大,目前建成和在建的高速铁路桥梁总长平均占线路长度的50%以上,有时一个施工标段中,桥梁比例甚至达到80%以上。大型架桥机已经成为桥梁架设的关键装备,但是由于工程施工单位的施工计划安排、工期的限制、施工作业场地的限制、施工过程中的交叉作业以及征地拆迁障碍等因素的影响,往往需要架桥机适时调头,进行双向架梁作业的工况。然而对于架桥机这种几百吨重的超大型装备来说,其在桥上进行调头较困难,会受到许多因素的影响。主要针对高铁架桥机在桥上进行高空整体调头的实施方案、所需回转机构及应用关键技术等问题,通过应用实例将这一新技术进行详细阐述,为工程施工单位解决这一难题提供技术帮助与参考。

1 架桥机调头作业方式分析

根据铁路架桥机的结构形式、施工现场条件等不同因素,架桥机调头作业方式可分为以下几种。

(1)架桥机部分解体调头方式

此种调头方式是最为“原始”的一种调头方式,其基本调头作业流程：根据架桥机的具体结构形式和起重机具的现场适应能力,将架桥机分解成几个部分→利用汽车吊或借助跨线提梁机等起重设备将架桥机解体后的部分分别调转180°→将调转后的各个部分按照前后顺序重新组装,实现架桥机的反向调头。

此种调头方式的优点：一是不需要占用较大的场地及对梁场运梁便道不作要求；二是作业场地的选择相对灵活。缺点：一是架桥机拆解再组装作业耗时较长且工作量大；二是需大型辅助吊装机具进行配合；三是架桥机的调头成本很高。

(2)预制梁场自行调头方式

适用此种调头方式的架桥机一般为采用轮胎式大车走行机构的架桥机。其现场适用条件包括：桥梁一侧设置预制梁场,且梁场的空间足够大,有能适应整个架桥机长度回转的无障碍场地；梁场有通向桥面的运梁施工便道。其调头作业流程包括：架桥机从桥上沿运梁通道退回至梁场→在梁场专用场地上通过架桥机轮胎式走行机构的多次转向调头180°→架桥机反向沿梁场另一侧的运梁通道驶上桥面。

此种调头方式的优点：一是架桥机调头过程简单；二是调头作业时间短；三是不需任何辅助吊装机具。缺点：一是必须具备梁场和运梁通道等现场条件；二是梁场自行调头所占空间比较大,增加了梁场征地及地面处理成本；三是仅限具有轮胎式大车走行机构的架桥机。

(3)轮胎式运梁车驮运架桥机梁场调头方式

此种调头方式对架桥机的形式限制较少,只要在桥上能够实现运梁车的驮运即可。其现场适用条件同预制梁场自行调头方式一样。其调头作业流程包括[1-4]：运梁车在桥上将架桥机整体背负驮起→运梁车驮着架桥机从桥上沿运梁通道退回至梁场→在梁场专用场地上通过运梁车轮胎走行机构的多次转向调头180°→运梁车驮着架桥机反向沿梁场另一侧的运梁通道驶上桥面→在待架孔后的梁面上将架桥机卸下就位。

此种调头方式的优点：一是适合于长距离架桥机转场工况；二是不需大型辅助吊装机具；三是对架桥机的形式限制较少,但是多用于架桥机自身不具有转向功能的架桥机。其缺点：一是必须具备梁场和运梁通道等现场条件；二是运梁车桥上驮运准备工作和桥上卸落工作较长,而且有时架桥机还需进行部分的拆解作业；三是梁场所占空间比较大,增加了梁场征地及地面处理成本。

(4)架桥机桥上整体调头方式[5-8]

此种调头方式是本文重点介绍的当前较为先进的一种新式调头方法,其原理类似于桥梁的转体施工。其作业流程：根据具体的架桥机形式设计加工架桥机的回转支撑机构→在桥上选择合适的安装位置进行回转支撑机构的安装→安装架桥机的临时支撑结构并安装相应的反力传感器装置→通过计算初步确定架桥机起重天车的平衡调节位置,并通过反力传感器装置的反应数值来进一步调整,确保整机的重心位于回转中心的安全范围内→启动回转机构进行架桥机桥上整体调转180°→拆除回转支撑机构,恢复架桥机至正常状态。

此种调头方式的优点：一是无需梁场及运梁通道等设施,现场环境适应性高；二是无需大型辅助吊装机具进行配合作业；三是调头作业用时短且工作量小；四是调头回转机构可重复利用,综合下来成本相对较低。其缺点：一是需设计加工回转支撑机构；二是一次性投入成本相对较高；三是高空作业安全风险相对较高。

针对此种调头方式,以下通过SPJ900架桥机实例对其关键技术进行详细阐述。

2 SPJ900架桥机桥上整体调头关键技术

2.1 SPJ900架桥机桥上整体调头实施方案

架桥机的调头是施工中经常遇到的问题,在方案的优化选择上需综合考虑以下几个方面：调头方案要具有较高的环境适应性,其目的是减少施工现场条件的诸多限制,便于施工单位具体操作；尽量减少架桥机的拆解作业,降低现场大型起吊设备的应用环节；调头速度要快,有利于满足工期要求和降低成本；具有可靠的安全保障措施。

SPJ900架桥机是石家庄铁道大学国防交通研究所研发的一款拼装式高铁架桥机[9-11],其采用两跨式的结构形式,如图1所示。在中铁十二局徐连高铁项目中,综合考虑上述因素,该架桥机采用了桥上整体调头的施工方案：利用单独设计的整机回转机构和架桥机的中车结构连接,并将整个架桥机顶起呈双悬臂状态,然后通过回转机构的驱动电机提供转体动力,将架桥机整机一次性调头180°。此方案可适应任何架梁工程现场的环境,不占用任何桥下施工场地,不需要大型起吊装备的辅助施工,作业人员少且劳动强度低,充分保证了工期要求。

图1 SPJ900架桥机整机形式(单位： mm)

架桥机桥上整体调头装置包括：回转机构系统、回转支撑桁架、锚固结构、反力测试装置等四大部分组成,其中回转机构系统包括：桥机支撑平台结构、回转轴承机构、回转支撑底座等,详见图2和图3。

图2 整体调头装置布置立面(单位： mm)

图3 整体调头装置布置平面(单位： mm)

架桥机桥上整体调头装置安装在架桥机的中车位置,安装前先拆除中车走行机构,然后将调头装置从下到上依次安装各个组成部分。如图4所示。架桥机悬臂支撑在回转装置上,通过回转电机驱动实现整机调头。

图4 整机调头状态(单位： mm)

2.2 桥上整体调头技术要点

架桥机桥上整体调头是一项风险较高的作业施工,从方案的制定到具体的实施工艺环节都要充分考虑各种影响因素,做到设计先进、工艺简捷、适应性强和安全可靠。

(1)回转机构系统的设计

回转机构系统是整个调头装置的核心部位,它由上层的桥机支撑平台结构、中间的三排滚柱式回转轴承及下层的回转支撑底座组成。回转动力由2台功率为7.5 kW的YZPEE160L-8型变频调速制动电机提供,电机通过连接法兰盘竖直安装在支撑平台结构上的固定位置。上层的桥机支撑平台结构是根据架桥机中车结构的具体形式来设计,既要便于和中车结构可靠连接,又便于和主梁的三角形回转支撑桁架连接；中间采用三排滚柱式回转轴承,其能够同时承受各种载荷,承载能力大且轴及径向结构牢固；下层的回转支撑底座上面连接回转轴承,下面和混凝土梁面进行可靠锚固。见图2及图3。

(2)调头回转装置的锚固

回转支撑底座是调头回转装置的最下层结构,必须将其可靠锚固在桥面上才能抵抗架桥机倾覆力矩。之所以采用混凝土桥面作为锚固点,是考虑到混凝土桥面要比一般的路基路面的承压强度更高,且可避免在施工过程中因雨水浸泡等情况造成支撑面不均匀下沉的不利影响。在相邻两孔梁的梁端接缝处,利用梁体顶板的4个吊装孔,用架桥机自身的吊梁吊杆作为锚固螺杆，将回转支撑底座和梁体固定。采用此种锚固方案,既解决了锚固点的设置及施工,又充分节省了锚固螺杆的加工制造成本,整体安全可靠性更高。具体布置形式如图5所示。

图5 调头回转装置的锚固布置(单位：mm)

实施前应对梁体的吊装孔的抗拔力及回转支撑座下的混凝土局部抗压强度进行校核。另外,锚固螺杆螺栓拧紧时,需严格控制回转支撑座的水平度,必要时加垫钢板或铺沙垫平。

(3)回转支撑桁架及反力测试装置的设置

回转支撑桁架采用倒三角桁架的结构形式,上端两个铰点分别和架桥机左右主梁采用螺栓连接,下端铰点通过销轴座和支撑平台结构相连。设置此结构一是作为架桥机的前后平衡支撑点,二是在下铰点处安装反力传感器,测试前后的支撑反力,差别较大时,通过主梁上的起重天车位置来进行调节,确保整机的重心位于回转中心附近。见图2及图3。

(4)整机平衡重心的调整和架桥机结构分析

整个架桥机呈双悬臂悬空状态时,其重心位置首先通过计算来确定。通过调整主梁上两个起重天车的位置,来保证整机的重心位于回转中心附近,同时还要尽量减小主梁的反向弯矩,确保中间最不利截面处架桥机结构满足强度要求。经过详细的优化分析计算,最终确定起重天车的布置方案,如图6所示。架桥机支点处及其他截面上的杆件强度及稳定性通过详细计算,均满足要求；通过实测架桥机两端挠度及最低位置，与桥面最高障碍物的实际预留距离不小于20 cm,以保证架桥机在平面内无障碍回转。

图6 重心调整后的整机状态(单位： mm)

2.3 调头作业流程及注意事项

(1)架桥机退至预定的桥上调头位置,打开前支腿,顶起中车,拆除中车台车,与此同时,在架桥机中车主梁附近安装调试整机回转支承调头装置。

(2)利用滑板将架桥机整机回转支承调头装置推至架桥机中车主梁下方,对准中车主梁4个牛腿和整机回转支撑结构牛腿4个联接处,缓慢下降架桥机高度,使中车主梁4个牛腿与整机回转支撑结构牛腿4个联接处紧密接触(此时后车和前支腿仍然起到整个架桥机的支承作用),用螺栓联接牛腿和支撑结构,可在支撑结构上设置挡块避免主梁牛腿滑动。

(3)使用该机吊杆将回转底座与桥端缝两侧的箱梁吊孔相连,起到整机回转支承调头装置的锚固作用。

(4)在距架桥机中车主梁位置前后各4 m的内侧F6主竖杆上部联接支撑桁架,支撑桁架下端与称重装置相连,称重装置中设有压力传感器,用于测量整个架桥机重心偏距在桥向支承平台上构成的偏心荷载。

(5)根据支撑桁架下的称重压力传感器的载荷数值并结合分析计算结果,调整起升桁车位置来调整架桥机重心位置,使支撑桁架的支撑反力在200 kN之内。

(6)上述各步骤完成后,仔细检查各个位置联接的可靠性,抬起后车和前支腿,复测称重压力传感器的数值显示,前后支撑反力差别较大时,重新通过调整起升桁车位置来调整架桥机重心位置。

(7)检查调头回转区域内无障碍后,通过遥控控制平稳启动回转驱动装置,使架桥机缓慢转动,至180°后,再将架桥机落回桥面上,完成架桥机调头作业。

架桥机整机回转调头状态如图7所示。

图7 整机回转调头过程状态

3 结语

架桥机调头作业是架梁施工中经常遇到的施工问题,选择不同的调头方式会对施工工期、施工成本和安全控制起到不同的影响。本文介绍的由石家庄铁道大学国防交通研究所设计的桥上整体调头方案是适应性较强,速度较快且综合成本较低的一种先进调头技术。目前,此项技术已经成功用于多个架桥机调头施工工程,取得了良好的经济效益。