既有铁路黄河大桥改造方案的优化

杨彦海 江忠贵 韩晓强

（中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100038）

既有铁路桥梁改造工程，介于新建桥梁和桥梁构筑物维修［1］之间，参照新建铁路项目相关程序管理，但涉及铁路运输方案调整，有时甚至会暂时封闭线路，给运输和出行造成一定影响。其施工安全、建设工期、舆论压力等风险均较高，须严格论证技术方案，充分发掘现场条件，加强施工组织，优化资源配置，确保按期提供安全优质工程。本文对某既有铁路黄河大桥改造方案进行了研究，提出了墩帽改造“钢壳”方案、提高物资运输效率、均衡设置钢梁施工场地等优化措施，可有力保证建设目标的顺利实现。

1 工程概况

某既有铁路黄河大桥于1966年筹建，1970年交付运营，距今已将近50年。桥面为直线平坡，无上拱度。原设计上部结构采用24孔48 m上承式简易钢桁梁，设计使用寿命仅30年。主桁高5 m，中心距2.2 m，杆件连接为栓焊结合形式，采用铁路明桥面布置。桥梁基础为预制管桩和混凝土沉井，圆形桥墩高12～19 m，墩身直径3.0 m或4.0 m，两岸桥台为T形桥台。

铁路运维管理部门对该桥进行了技术检定［2］，检定结果：大桥8号墩沉井基础受上游水库排淤河床急剧下降影响产生裂缝，其余墩台基础未发现明显病害；钢梁横向刚度不足，存在上横联杆件端部开裂、高强度螺栓折断、横向振幅过大等病害［3］。目前，对8号墩沉井进行了修复处理，并对钢梁采取了病害部位安装拉杆、补充折断螺栓等临时加固措施。梁部病害已危及行车安全，不能适应铁路运输要求，急需进行彻底整治。2001年5月17日起，限速25 km/h（大桥设计速度80 km/h）。

2 原改造方案

该桥改造工程设计方案主要是采用明桥面钢箱梁替换既有钢桁梁。钢箱梁长49.1 m，梁高4.0 m，底板支座中心距3.8 m，节段间采用栓焊结合方式连接，顶板在工地对接焊，底板和腹板通过高强螺栓拼接，见图1。

为适应新箱梁与既有桁梁结构尺寸差异，须凿除墩身顶帽后作接高加宽改造施工，垫石顶面接高1.285m，顶帽加宽1.3～1.8 m，见图2。

图2 既有墩身顶帽改造示意（单位：cm）

大桥位于黄河重点湿地保护区和防洪区，其中21孔桥跨在河道范围内，不具备修建施工栈桥或便道条件。钢梁更换采用新、旧钢梁顺桥向整体拖拉［4］、边拆旧梁边装新梁的方案。对已服役近50年的墩台顶帽进行凿除安全风险极高［5］，运营部门不同意在运输天窗点内安排墩身作业，因此须按全过程封闭断道方式组织施工。大桥改造施工主要包含了施工准备、既有桁梁顶高及墩身顶帽改造、新钢梁安装、后续桥面附属及四电施工4部分内容，原方案施组工期总计12个月。

2.1 施工准备

施工准备包括了黄河湿地、防洪及两岸临时用地等施工审批手续办理，南岸旧梁拆除平台、北岸新梁安装场、钢筋加工场、工地试验室等大型临时设施建设，以及对桥上9根省级通信光缆的迁改等工作。计划工期约12 d。

2.2 桁梁顶高及墩身顶帽改造

利用千斤顶抬高既有钢桁梁，安装钢垫块作为临时支撑，为顶帽加高提供作业空间。在承台上搭设落地支架，其上布置施工平台。将既有墩身顶帽全部凿除，拼接混凝土浇筑模板。在原墩身上植筋，绑扎新钢筋骨架，浇筑顶帽接高及加宽混凝土［6］。其中，1#—5#，23#墩顶帽每墩新浇筑混凝土方量约44 m3，6#—22#墩顶帽每墩新浇筑混凝土方量约34 m3。该施工步骤计划工期144 d。

2.3 新钢梁安装

在旧梁的下弦杆底部安装滑道，墩顶设横向限位装置。旧钢梁首尾临时连接，变简支梁为连续梁，并利用竖向和水平拉杆加固旧梁，保证梁部拖拉过程安全。在南岸设置拆除平台，边拆除旧梁边逐跨向南拖拉；同时在北岸拼装场内利用龙门吊机拼装新梁，连接新梁与旧梁，实现新、旧梁同步拖拉。旧梁拆除及新梁安装计划用96 d完成。

2.4 后续桥面附属设施及四电施工

新梁到达设计位置后，精调线形并灌注支座砂浆。开展后续人行道、电缆槽等明桥面附属设施施工，铺设枕木及轨道，安装四电设施，安排工期113 d。

3 改造方案优化

该桥改造封闭施工期间，须调整相关线路运行图。其中3对通往东南部发达地区的旅客列车须停运，12对货物列车须迂回运行，影响沿线部分站点人民出行需求，带来较大运输收入损失。因此，在保证工程质量和安全前提下，应研究加快工程建设的措施，以节约工期［7］。既有墩帽改造和钢梁换装工期合计240 d，约占整个工期的2/3。本文重点分析了上述2个工序，分别从结构设计、施工组织2大方面提出了3项优化措施，可有效减少工期。

3.1 永临结合钢壳方案

墩帽接高加宽钢筋绑空间狭小，模板需多次安装、拆除和倒用，安装接口多，施工效率低，安全风险较高。同时钢筋和模板作业均需借助搭设在承台上的墩旁支架作为平台，汛期施工防洪手续办理困难。

将模板和作业平台整合设计，同时考虑结构永临结合［8］，研究提出了利用“钢壳”改造既有墩帽的方案，见图3。钢壳在横桥向分为2个对称部分，在工厂加工成型，利用墩顶钢梁竖向吊架运输到位，以栓接和拉筋实现组合拼装，减少了现场模板安装和周转工作量，降低了施工风险，可减少甚至避免对既有墩帽的凿除。钢筋在工厂分层或分块加工成型，吊至钢壳内拼接成整体，提高了安装效率。“钢壳”方案较原常规立模浇筑混凝土可减少工期约2个月。

图3 墩帽改造永临结合钢壳方案

3.2 提高物资运输效率

桥位处于黄河重点湿地保护区和防洪区，河道内禁止搭设临时栈桥，同时施工物资不能通过桥下水运和滩地便道运输，只能采用在铁路梁上运输的方式。运输通道与作业面存在交叉和干扰，组织难度大，运输效率低，安全风险高。为满足施工需求，研究提出了钢梁提升架、梁面有轨小车、钢梁吊装桥式吊机等多个吊装和运输设施，加快物资运输组织速度。

墩帽改造前将旧梁升高约1.3 m以提供作业空间，同时模板、钢筋、混凝土等材料均沿旧梁顶面纵向运输，施工物资的组织压力在该阶段尤为突出。旧梁升高原计划采用4台千斤顶梁底顶升方式，千斤顶需多次安拆和倒用，作业效率低，占用运输通道时间长，旧梁顶升失稳风险高。建议研制2台新梁提升架，利用扁担原理，改钢梁底部顶升为钢梁顶部提升，可减少钢梁升高所需时间，提升架整体性和同步性好，降低了安全风险。为提高梁面物资组织效率，设计制造了利用既有梁面轨道走行的有轨小车，承担施工材料和小型机具的运输工作。同时设置墩顶吊架，实现材料和机具由梁及墩的垂直转运。新梁安装阶段，在北岸临时拼装场内相应桥跨位置的岸地上搭设落地支架，其上设置可顺桥和横桥向移动吊装功能的大型桥式吊机，提高钢梁拼装效率，保障新梁拼装和顶推作业的匹配和均衡。

3.3 均衡配置钢梁施工场地

受环保、防洪等要求限制，河道不能搭设贯通栈桥，须在大桥两岸设置旧梁拆除和新梁安装作业平台。两侧桥台均与隧道洞口相接，可供选择的场地条件有限，尤其是南岸侧有下穿公路，仅能利用与洞口相连的最后一个桥跨位置。综合场地需求和运输条件，将南岸作为旧梁拆除、外运场地，北岸作为新梁存放、拼装场地。

原施工方案单孔新梁分为5个拼装节段，最长节段10.7 m，最大质量43 t。除去桥端拖拉设施长度影响，原施工方案中南岸拆装场地现有条件最多能满足单次3个节段长度的旧梁拆除、拖拉及相应长度新梁安装的要求。研究发现南岸23#桥墩位于岸堤处，具备搭设墩旁支架以增大拆装平台的条件，旧梁单次拆除节段数可提升为4个。通过优化北岸新梁拼装场的配套设施，协调湿地、环保等管理部门，扩大了梁场规模30%，增加箱梁拼接的设备和焊接技术人员，实现了现有条件下旧梁拆除、新梁拼装的饱和、均衡作业，有效减少了循环次数，可节约工期1个月。

4 结语

原铁路黄河桥改造工程原方案需封闭既有铁路约12个月，对铁路正常运营干扰较大。本文结合项目实际和现场条件，采取了墩帽改造“钢壳”方案、提高物资运输效率、均衡配置钢梁施工场地等措施，同时适当加强组织管理和资源配置，通过优化取得了良好效果，可缩短工期约4个月，同时降低了安全风险，有助于提高工程实体质量。该黄河桥改造工程正在实施中，可为后续类似工程提供借鉴和参考。