跨既有高速公路下承式铁路系杆拱桥施工关键技术研究

张 博

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

桥梁作为国家交通路网中的关键工程，有效地促进了地区间的经济交流与合作，方便了人们出行、加速了区域城市化、国际化进程，在地方区域社会与经济发展中具有重要的战略意义。我国作为交通运输强国，近年来公路桥梁建设突飞猛进，70万座桥梁拔地而起。截至2020年底，我国高速公路通车里程达到16.10万km，稳居世界第一。伴随着我国已建成的高速路网及铁路干线，新建的桥梁工程经常需要跨越既有路网及铁路干线等，高速行驶的车辆对新建桥梁的施工带来诸多风险[1-2]。为了既不影响既有线路的正常交通运行，又能确保上跨桥梁结构的安全施工，对桥梁施工技术的要求越来越高。

系杆拱桥作为铁路桥梁中的一种常见结构形式，由于结构受力性能良好、横向刚度大、动力性能优越及结构形式美观等特点，在目前我国铁路桥梁建设中得到了广泛应用[3-4]。对于传统系杆拱桥的施工方法，最为常见的是依据“先梁后拱”的施工原则进行桥梁建造，具体施工步骤主要包括系梁浇筑、预应力筋张拉、拱肋吊装以及吊索张拉等。对于跨越既有高速公路的系杆拱桥施工，一般可以沿用上述的施工方法，但为了确保下穿的高速公路的安全运营，必须对系梁支架的基础及结构形式进行重点设计和检算，以确保在施工荷载作用下，支架的变形及沉降满足设计要求。

本文以合安铁路某跨既有高速公路的系杆拱桥为工程背景，对跨越既有高速公路的铁路系杆拱桥施工关键步骤进行分析，并对施工中存在的技术难点进行阐述，为后续的类似工程项目建设施工提供必要的参考和借鉴, 具有较为重要的工程应用价值。

1 工程概况

某新建合安铁路跨既有高速公路系杆拱桥为下承式钢管混凝土系杆拱桥，主跨长116 m，计算跨径112 m，矢跨比1/5，拱肋平面矢高22.4 m。拱肋整体线形为悬链线，截面为哑铃型钢管混凝土截面。两拱肋之间设置5道横撑，拱顶处为X撑，拱顶至拱脚设4道K撑。系梁采用单箱三室预应力混凝土箱型截面，桥面宽17.8 m，梁高2.5 m。吊杆采用尼尔森体系，吊杆材料采用127根Ф7高强低松弛镀锌平行钢丝。桥梁整体布置如图1所示。

图1 桥梁整体布置图

2 跨既有高速公路的系杆拱桥施工技术研究

结合工程特点，该铁路系杆拱桥采用“先梁后拱”的施工原则，主要施工步骤可分为：①系梁满堂支架施工，一次浇筑成型；②系梁预应力张拉；③拱肋及横撑吊装施工；④拱肋混凝土灌注；⑤吊杆安装及索力张拉。考虑到在桥梁施工过程中，确保下穿高速公路的正常通行，需要对系梁支架的基础及结构形式进行设计和检算，支架设计应成为此类型桥梁施工的首要步骤。因此，对于跨既有高速公路的铁路系杆拱桥施工方法主要包括以下内容。

2.1 系梁支架设计

结合该桥梁工程下穿高速公路的通行状态和实际需求，采用在高速公路双幅车道上各设置一个门洞的支架形式，门洞净宽为8.5 m、净高为6 m，双向通行。系梁支架除门洞区域外，其余各处采用满堂支架。门洞支架自下而上由条形基础、钢管立柱、工字钢横梁、贝雷梁、底模组成。其中为方便行车安全，门洞位置与行车线位置相对应，将行车路线预留出来，并设置支架防护设施。门洞立柱采用Φ426 mm螺旋钢管，横梁采用双拼40a工字钢，纵梁均采用贝雷梁，通过门洞纵梁贝雷梁上铺设10#工字钢，工字钢上直接铺设木模板作为底模；实体段门洞立柱采用Φ426 mm螺旋钢管，横梁采用双拼40a工字钢，纵梁均采用25b工字钢。系梁混凝土一次浇筑成型，内模和外模采用18 mm厚优质竹胶板。

图2 系梁支架布置示意图

在支架结构形式确定之后，为防止因支架基础沉降而对下部通行造成影响，因此，需要对支架基础承载能力进行检测评定，并根据检测结果对地基做相应的加固或硬化处理。根据该系杆拱桥的地质资料，此段为高速公路路堑地段，地基条件较好，条形基础施工前将基础底部地基承载力不满足检算要求的土体挖除，换填建筑垃圾压实，从而完成系梁支架基础的加固工作。待支架搭设完毕之后，按1.2倍的结构自重荷载对支架进行预压，用以消除支架系统的非弹性变形，确保施工安全进行。

2.2 系梁施工

待系梁支架预压完成之后，将进行主梁施工。依据设计资料，主桥系梁截面采用单箱三室构造形式。在系梁混凝土浇筑前，首先进行吊杆下锚管安装及定位，待下锚管安装完成之后，开始进行系梁混凝土浇筑。在系梁混凝土浇筑中，实体段混凝土为整断面浇筑，分层厚度在30 cm左右。中间段就每箱的底板、腹板高度沿结构横截面以斜坡层向前推进，分段长度5 m左右，根据情况适当进行调整距离，保证混凝土不出现冷接缝为原则，当分段距离远时，为了保证不出现冷接缝，分层厚度可适当降低。混凝土浇筑过程中横向坚持“对称、平衡、均匀、同步进行”的原则，沿梁高方向先浇筑底板，再浇筑腹板、顶板，并最终成型。然后，进行混凝土振捣，养护等工序，待养护完成后，进行预应力张拉，并最终完成系梁施工。

2.3 拱肋安装

钢管混凝土拱肋安装是系杆拱桥关键的施工步骤，依据施工方案，拱肋采用工厂预制，现场节段拼装的方法进行施工。由于拱肋现场采用现场高空拼装的方式进行施工，因此，对拱肋的制造精度提出较高的要求。拱肋部分施工主要包括：主拱肋、横撑、K撑等，由于这些构件均为圆管造型，其整体组装和检查尺寸均难以通过直接测量得出或控制，因此，在主拱肋施工时，需通过控制点坐标定位进行组装和控制。由于在拱肋施工完成之后，需要进行吊杆安装，因此，吊杆上锚点的安装精度成为系杆拱桥施工控制的重点内容。

在拱肋安装前，首先在桥面搭设拱肋临时支架，支架采用混凝土墩加支架柱形式，支架柱选用2根φ609×10 mm钢管，管中心相距2 m，中间腹杆采用Φ299×6的钢管连接，腹杆间距2.5 m设一组，保证支架的稳定。在支架顶设分担梁，采用20#工字钢连接组成3 m×3 m的支架平台。

拱肋现场施工如图3所示，总体流程可表述为：首先将工厂预制的拱肋节段运至桥面待吊装区域；然后，利用2台75 t汽车吊对拱桥两侧拱肋节段进行同步吊装，确保桥面在拱肋施工过程中受力平衡；在吊装过程中，通过在拱肋表面设置坐标控制点对拱肋的安装线形进行控制，待拱肋位置定位完成之后，作业人员对拱肋节段进行焊接、固定，待焊接完成之后，由专业检测人员对焊缝的质量进行检测并复核安装线形。待确认无误后，进行下一节段拱肋安装，以此类推，直至拱肋合龙完成。拱肋合龙之后，将进一步进行拱肋内混凝土灌注，完成拱肋全部施工。

图3 钢管混凝土拱肋现场吊装施工图

2.4 吊杆安装及张拉

待系梁和拱肋施工完成之后，将进行吊杆的安装及张拉工序。吊杆作为系杆拱桥体系中的重要传力构件，其安装精度及张拉力控制结果直接影响到桥梁结构的整体受力性能，因此，吊杆的安装及张拉是拱桥施工控制的重要内容。在系梁和拱肋安装完毕后，吊杆的上、下锚筒的位置已基本确定，因此，在施工前期应对吊杆锚筒的安装精度进行控制。根据现场测量拱肋与下锚筒之间的实际距离，下料吊杆索，然后进行吊杆安装。

在吊杆安装时，首先将吊杆索运至施工现场，然后作业人员到达拱肋上锚筒区配合吊机进行安装作业。安装流程大致可表述为：

(1) 首先将钢丝绳从拱肋吊杆导管套中顺下并系在连接器吊环上，保持连接器与吊杆连接；

(2) 利用吊车的钢丝绳将吊杆提升，当吊杆升至拱肋吊杆套管时，锚头对准套管缓慢提升；

(3) 待吊杆伸出锚垫板后，把锚头螺母拧到设计尺寸，松开钢丝绳，拧下连接器；

(4) 在系梁下锚筒处将吊杆索下端与吊索拉杆连接，并穿入系梁上索导管中，通过梁下施工平台旋上螺母，使吊索下端的螺母拧到2-3牙；

(5) 在单根吊杆索安装完毕后，可对刚安装完成的吊杆进行初张拉，张拉力为成桥索力的20%，目的为确保吊杆索具有一定的初拉力；

(6) 并以此依次类推，安装好所有吊杆索。施工现场的吊杆安装如图4所示。

图4 吊杆安装施工现场图

待吊杆安装完毕之后，下一步骤将进行吊杆索的张拉。由于吊杆索的长度短、相对刚性段比例较大，因此本方案直接采用液压千斤顶来张拉索力，吊杆施工现场张拉如图5所示。为了确保主桥在吊杆张拉过程中的受力性能，采用同步对称的方式对吊杆进行张拉。该系杆拱桥采用三级张拉原则对吊杆索进行张拉，张拉控制力可根据系杆拱桥施工过程模型进行计算。在吊杆每级张拉完成后，利用振动法对吊杆索里进行测试[5-6]，如图6所示，并记录当前索力值，通过与张拉设计值进行对比，对下一次张拉力进行控制，直至索力张拉至100%。待桥面二期铺装完成后，根据成桥索力测试结果与设计值进行对比，对吊杆索力进行调整，直至所有吊杆索力与设计值误差控制在±5%[5]。

图5 吊杆索张拉现场图

图6 基于振动法的吊杆索测试现场图

3 施工过程中技术难题及应对策略

本文主要针对跨既有高速公路的系杆拱桥施工关键技术进行研究，针对该类型桥梁，其主要的施工工序主要包括系梁浇筑及预应力张拉、拱肋安装、吊杆索安装及张拉。相较于传统的系杆拱桥施工，在进行此类型桥梁施工时，不仅要确保上部桥梁结构的施工安全，又要兼顾下部交通的正常运行，因此，给施工带来一定的难度。该类桥梁施工应注意的技术难点主要包括：

(1) 系梁支架设计是此类型桥梁施工的一项重要内容，在支架搭设前应对支架基础承载能力及支架结构形式进行设计和验算，确保其承载能力及变形符合规范要求；同时，在施工过程中，尤其在支架预压过程中，应对跨高速公路区域的支架变形及沉降进行重点监测，并对可能出现的问题进行及时调整[7-8]；

(2) 在系梁混凝土浇筑时，吊杆索下锚筒的定位安装是系杆拱桥施工的重点控制部分，其安装精度直接决定了后期吊杆索的施工准确性。因此，在施工过程中，应采用定位技术对吊杆索下锚桶进行安装，安装完成之后，应采取有效的稳固措施，保证下锚筒在施工时不发生移位；

(3) 由于拱肋一般采用高空吊装施工，如何实现拱肋线形的精确化控制是系杆拱桥桥梁施工的一项重要难题。在拱肋吊装时，应首先提取拱肋节段的控制点理论坐标，然后利用全站仪对拱肋节段的各控制点坐标进行实时监测，根据监测结果对拱肋的安装线形进行调整，确保各节段的安装误差符合规范要求[9]；

(4) 吊杆索作为系杆拱桥的重要传力构件，对其张拉力的控制精度直接决定了桥梁结构的整体受力性能。因此，在进行吊杆索张拉时，首先要根据系杆拱桥施工模型，采用无应力法确定张拉索力，然后采用分级、分批张拉的方法对吊杆索进行张拉，并利用振动法对吊杆索力进行复测，并根据测试结果对索力进行调整，控制误差精度为±5%[10-12]。

4 结 论

本文以合安铁路某下承式钢管混凝土拱桥为工程背景，对跨越既有高速公路的系杆拱桥施工关键技术进行研究。首先对跨既有高速公路的铁路系杆拱桥的施工过程进行了阐述，主要包括系梁的支架设计、系梁施工、拱肋安装、吊杆安装及张拉等，然后对桥梁施工中存在的关键技术问题进行了重点分析。本文的研究成果可为后续类似工程项目建设提供必要的参考和借鉴。