高铁节段箱梁信息化管理长短线偶配预制技术

宋志坚/SONG Zhi-jian

（中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600）

随着多年来我国桥梁设计理念、施工技术和配套工装的发展成熟，整孔预制架设装配施工早已是桥梁建造过程中最为普遍的施工工艺。对于因跨越河流、沟谷、城区、既有建筑等跨度较长或者处于小曲线半径上的桥梁建造，仍主要采用整体支架现浇或者悬臂浇筑施工的方式，存在施工工期较长、安全风险性高、人员投入多、质量难以保证、受天气影响大、对周边环境及交通影响大等弊端。采用节段预制拼装技术可较好的弥补整孔预制架设和现浇施工存在的不足，目前该技术在我国公路和城市轨道交通工程中应用较广，上海新浏河大桥、上海沪闵高架、苏通大桥引桥、广州地铁4 号线、6 号线等项目都采用了节段预制拼装技术。但是对于我国铁路桥梁的节段预制拼装技术，其发展应用远滞后于公路和轨道交通行业，由于材料、技术、设备等多方面原因，与整孔预制架设、现浇施工方法相比，节段预制拼装技术在铁路工程应用份额不足3%，高速铁路建造中应用更是少之又少，缺少成熟的施工经验和标准参考。

1 工程概况

新建鲁南高速铁路是山东省“三横五纵”高速铁路网的重要组成部分，是国家“八纵八横”高速铁路网的重要连接通道，速度目标值350km/h。其中，鲁南高铁菏泽至曲阜段1 标泗河特大桥109#-136#共27 孔简支箱梁因跨越泗河河道原因，设计跨度48m，采用节段预制胶结拼装结构，每孔梁共分为11 个节段。该桥是国内高速铁路工程首次采用胶接拼装简支节段箱梁结构的项目，结构新型，施工难度大，科技含量高。

2 高速铁路胶拼简支节段箱梁结构形式

泗河特大桥简支节段梁采用梁场预制节段箱梁、架桥机逐孔拼装施工工艺，梁体设计为单箱单室等高度直腹板预应力混凝土简支箱梁，全桥共27 孔，每孔梁跨度为48.6m 共分为11 个节段，总计预制箱梁节段297 节段。梁段分节长度有2 种分别为3.15m、4.7m，其中1#、11#（长3.15m）和2#、10#（长4.7m）节段为异形节段、3#～9#节段为标准节段（长4.7m）。节段梁底板宽6.4m，梁面宽12.6m，梁高4.8m，跨中截面顶板厚35cm，底板厚35cm，腹板厚50cm；支点处顶板加厚至55cm，底板加厚至90cm，腹板加厚至100cm。在箱梁两端支座处设置带过人孔的横隔墙，厚140cm。

箱梁预制长度根据梁段重量控制在170t 以内及减少梁段种类的原则划分，节段重量分为167t（1#、11#）、165t（2#、10#）、141t（标准节段）3 种形式。节段箱梁混凝土设计为C60 强度等级，每个节段梁大约需浇筑56m3混凝土。

节段梁段在顶板、底板、腹板位置均布置一定数量剪力键，剪力键采用梯形，键顶宽5cm，键根部宽15cm，键高5cm，各节段剪力键位置各不相同。

3 节段箱梁长短线偶配预制技术原理

3.1 长短线偶配法预制工艺原理

根据箱梁的结构形式及成桥的线形特点，采用“长短线偶配结合预制法”，梁首尾节段在短线台座进行预制，预制完成后，将首尾节段移动至长线台座两端的精调台座上，并按照理论坐标调整首尾匹配节段空间位置，完成首尾节段定位后，通过移动长线台座外模（与整孔预制类似），依次预制剩余节段。当长线台座上某一节段预制完成后，作为前方下一节段匹配端，进行下一节段预制时，就可以把其后方自身的原匹配梁段吊离；条件满足时，长线台座上空余的位置就可以进行下一孔梁该节段号的预制，保证了每个台座的快速循环使用。

节段梁场共布置短线台座2 个，分别负责1#块和11#块2 个梁端节段的预制；长线台座2 个，负责2#～10#段预制施工。1#和11#节段在短线台座预制完成后，将其吊入长线台座两端的三维精调台座上作为匹配端，用于2#、10#段的预制精调匹配，依次在长线台座上完成剩余节段的施工。

3.2 梁场功能区布置

为了便于后续架梁吊装，预制梁场布置在109#墩节段箱梁架设起始位置，该地处于泗河东大堤和泗河东河道之间的河滩地，地形狭长面积较小，梁场规划布局存在一定困难。事先通过建立梁场BIM 模型，对场地布置进行了精细规划：梁场分为南北两侧，南侧从西至东依次为迎检区、物资存放区、信息化管控区、生活区；北侧从西至东依次为钢筋加工区（含3 个钢筋专业绑扎胎具）、第1 个长线预制台座、1#短线预制台座、11#短线预制台座、第2 个长线预制台座、养护区（10 个节段养护能力）、存梁区（28 个存梁台座，双层存）等。通过BIM 技术对于现场的模拟指导，一方面充分利用现有地形，尽量减少河滩区大临建设占地，从而减少填方量和征地面积，降低施工成本；另一方面满足了预制梁场功能区设置齐全、梁场建设高标准化的要求。

3.3 钢筋机械化、标准化加工

1）引进全自动数控调直切断机、数控弯箍机实现钢筋机械化加工，既降低人工消耗，又提高施工效率；开发设计了多功能除烟型钢筋定位焊接工装台，该装置具有钢筋定位、照明、焊烟收集、焊渣收集等功能，在提高钢筋焊接精度的同时兼顾作业人员的健康保护。

2）为提高钢筋绑扎功效和绑扎精度，减少对于预制台座的占用，特利用槽钢、角钢制作3 个钢筋绑扎胎具，2#～10#节段钢筋在胎具上绑扎完成后整体吊入台座模板内；1#和11#节段为梁端节段，因预埋件较多、钢筋密度大，故钢筋和预埋件直接在预制台座上绑扎安装。

3）节段梁预埋件种类多且定位精度要求高，开发应用了预应力管道、三墙预埋钢筋、接触网支座基础预埋螺栓、下锚拉线基础预埋螺栓、吊装预留孔等多个预埋预设结构的定位工装，确保了定位效率和位置准确性。

3.4 模板加工优化

1）节段预制箱梁模板采用液压全钢大模板，模板加工尺寸、强度、刚度满足要求，可有效保证节段梁段预制精度。底模全部固定于台座基础上；侧模、内模均为全自动液压收支，可自行合模、脱模，同时配备自动行走轨道系统，便于模板移动，工人劳动强度低；端模分为两种，一为固定端模（短线台座），一为活动端模（长线台座）。项目2 个短线制梁台座配备固定端模和底模各一套，内模共用1 套；2 个长线制梁台座分别配备2 个外侧模、1 个底模、1 个变截面内模和2个标准段内模。

2）节段梁匹配端设置有剪力键，则端模上对应设置有剪力槽。图纸设计中节段梁剪力键原为凸形，且每一节段剪力键位置各不相同，对应的端模上剪力槽均为凹形，由于剪力键位置各不相同、凹形无法移动的原因，每一梁段都需要配备一套活动端模。为了避免端模设备重复投入，经过自行研究优化并征得设计单位同意，将梁段剪力键改为凹形结构，则对应的端模处剪力槽则变为凸形，同时通过在端模所有剪力键部位钻孔并配置螺栓的方式，将模板剪力槽变为可活动结构，预制不同的节段时简单调整一下剪力槽位置即可，确保了同一个活动端模在所有梁段的适用性。

3）加工制作预应力管道橡胶堵头，因每节段预应力管道布置位置均不相同，每次端模安装时，将其粘贴在每节段端模和预应力管道相对应的位置，预应力管道安装时用橡胶堵头进行封堵，确保了混凝土浇筑时预应力管道偏位，也避免了混凝土进入堵塞管道。

3.5 测量控制及数据采集

1）相较于短线法，长短线偶配法仅需要进行首尾节段匹配，其余节段均在长线台座完成，无需匹配，故其线控及现场预制难度较短线法低。节段预制时，1#和11#移动至长线台后的精确定位是节段预制线形控制的要点，需建立精确的测量控制体系。

2）测量数据采集采用新开发的长短线偶配法节段梁段预制线控系统，手机App 蓝牙直接连接全站仪，全站仪采集完数据后直接自动上传线控系统云平台数据库，且不可人为修改，避免误差；同一测点不同测回的测量误差大于2mm 时，系统内对应点位的测量值字体会变色，提示重新测量该点；系统内自动计算梁端节段从短线台座转换至长线台座时的控制点坐标，为节段预制线形控制提供数据基础。

3）长短线偶配法匹配法梁段预制线控APP基本操作流程为：施工测量人员单点登录→全站仪与手机蓝牙通讯→扫码或搜索完成节段任务选取→节段匹配与数据采集→生成节段预制报告。

3.6 信息化应用管理

节段梁生产管理系统分为为主页面、BIM 信息中心、物料信息、钢筋加工信息、节段预制信息及节段安装信息等6 个模块，通过信息化管理系统的应用，提高了管理效率和质量，确保施工生产过程具有可追溯性，有效控制施工质量、施工进度等。

1）梁场基本信息管理 建立梁场BIM 轻量化模型，对梁场的总体布局，功能区域的划分，各功能区域的基本信息等梁场信息进行管理，并将信息附着在梁场BIM 模型中。

2）材料进场、检验及存储信息管理 对原材料的进场检验信息进行系统管理，包括每批次原材料进场时间、原产地、送料信息，进场检验及材料存储情况等。并与梁场三维模型进行附着，可通过点击原料区模型进行查看相关信息。也可将不同批次原料与生产节段之间进行指向连接，通过查看节段的信息可以追溯其原料信息情况。

3）预制施工进度及龄期管理 通过对节段的预制时间的管理，通过时间自动累加功能实现对龄期的管理，并以直观的形式展现出龄期情况。同时利用BIM 模型不同着色的原理对当前节段预制计划进度，预制实际进度等进度信息管理。

4）架设施工进度及预应力施工信息管理 对架设进度进行管理，管理架设进度，包括计划进度和实际进度，及预应力施工的相关信息。包括预应力安装信息，预应力张拉信息等内容，并与BIM 模型进行连接。

5）存梁及养护信息管理 建立存梁场的BIM模型，及实际的存量台座等模型，通过着色变化显示各台座的存梁情况，并将各节段在在存储前的信息均与模型进行连接，通过点击模型可了解到改节段的养护相关信息，及前期已经完成的相关预制施工信息。

6）节段预制质量管理 对节段预制生产质量进行管理，包括预制尺寸信息、预制节段重量、预制强度、预制管道偏差等相关质量信息进行管理。在检验后可输入相关检验信息，与BIM 模型进行对应。

7）节段预制及安装线形控制管理 对施工过程中施工监控的成果进行管理，将节段线形以直观的图表进行显示，能够指导节段预制及安装过程中的平面、高程的误差情况。

8）方案、检验批等资料归档管理 对桥梁施工过程中的主要资料信息进行管理，如方案审批资料、检验批、试验报告、内部检查资料、交底资料、项目人员管理资料等信息进行管理。可以随时查看相关资料信息，并为竣工后的资料上报做好储备。

9）二维码的融合应用 将每段节段梁预制过程中的各种生产信息集合后生产二维码，粘贴在对应梁段，便于信息追溯。

10）BIM 技术与平台深入融合 通过BIM技术的融合能够更加直观的将管理信息展现在管理者面前，能够形象地展现施工过程中的管理信息，避免了之前系统信息单一枯燥和不直观的弊端。

结合图纸要求及BIM 标准，完成节段梁BIM模型的创建，利用模型的三维可视化交底、图纸复核、碰撞检查、施工模拟及场地规划等功能，为现场作业全过程提供数据参考和模型指导。

4 施工控制要点

1）钢筋在贮存过程中应上盖下垫，防止锈蚀、污染和变形。钢筋原材堆放按照不同的规格存放，钢筋贮存在距地面不小于0.3m 的平台、垫木或其他支承上，并应使其不受机械损伤及由于暴露于大气而产生锈蚀和表面破损。现场应设置材料标识牌，钢筋按规格分类堆码整齐，按其检验状态与结果、使用部位等进行标识。

2）侧模就位后通过精轧螺纹钢筋与预制台座台座板、和顶板槽钢对拉固定连接。侧模与底圆弧段与直线段相接处的加工精度一定要确保，以保证该处过渡平顺，接缝严密。侧模与固定端模拼缝要严密。

3）箱梁预制节段混凝土应保证整体灌注，并采用底振和侧振，辅以插入式振捣器，但应避免碰击管道、钢筋、模板、混凝土剪力键及预埋件。由于腹板较高，施工腹板混凝土时应采用导管输送等有效措施混凝上，以免造成混凝土离析。

4）所有模板均采用钢模，严格保证端模剪力键位置的准确性，预应力孔道边缘距剪力键边缘距离不小于5cm。为保证孔道压浆的密实性，模板拉杆及通风孔等各种孔道距预应力孔道边缘不小于5cm。模板安装前应在匹配面上均匀涂刷对混凝土无害并便于清洗的水性脱模剂，并在节段拼装前予以清洗干净，其性能不得影响节段拼装对接时接缝粘结材料的粘结性能。

5）箱梁吊装采用在梁段翼缘预埋钢套管的方法，起吊时应结合施工现场对箱梁吊点进行设计，尤其是偏心节段的吊装孔，应注意符合图纸上的位置是否正确。

5 施工关键技术及实施效果

1）采用胶接法拼装节段梁结构，较于施工中常用的整孔预制架设方法，其对于孔跨长度、线路曲线半径等方面适应性更强，预制时梁场占地规模更小；和现浇施工相比，人员材料投入少，施工工期短，标准化水平高，安全质量更有保证，同时受外界环境的影响和对作业区域外界环境的影响都比较小。

2）创新应用了节段梁长短线偶配法预制的施工方法，一方面避免了传统短线法预制时各节段均需匹配试拼装，预制线形精度要求高，测量匹配时间长且后续可能造成架设拼装误差大的缺点；另一方面相较于传统的长线法预制施工，同一孔梁所有节段不需要等待整孔梁预制完成后方能吊离，减少了同一节段对长线台座的占用时间。

3）施工过程引入BIM 技术，利用BIM 模型的各项功能，对河堤下方狭长区域梁场建设规划、大密度钢筋的绑扎优化、数量繁多的预埋件精确定位等预制施工步骤内容进行模拟，通过三维可视化的交底，使得在有限的地形条件下，各功能分区合理布局满足流水化作业要求；指导现场管理人员、作业人员提前熟知施工要点，加快了施工进度，降低了材料浪费，简化了施工难度。

4）考虑工厂化预制和节段梁段尺寸精度要求非常高的特点，研制高精度、高强度的液压大模板用于施工，有效保证梁段预制精度；同时设计了侧模和内模自动行走系统，拆模后利用行走轨道自行滑出，劳动强度低，施工效率高。

5）钢筋原材加工采用全套机械化工装；特制钢筋绑扎专用胎具，除预埋件较多的1#、11#节段外，剩余标准节段钢筋在胎具上绑扎，绑扎完成后整体吊入模板内，避免了工序干扰，提高了流水作业效率和加工精度，减少了人员投入和材料浪费。

6）开发了吊装孔、预应力管道、三墙预埋钢筋、接触网支座基础预埋螺栓等预留孔或预埋管件的定位工装，确保各项预埋件精确定位。

7）原设计剪力键采用凸键形式，同时各节段凸键设置不统一。将剪力键优化调整为凹键形式，同时凹键处模板做成可活动安装式，通过每次对剪力键凹键模板简单调整，一套活动端模可适宜于所有节段施工，避免原设计中每一节段都要配置一套活动端模的情况，减少设备投入节省成本。

8）优化原设计中节段梁体通风孔、泄水孔等预留孔间距一致的设置，改为每个标准节段预留孔位置统一固定，确保同一套模板在所有标准节段施工的通用性，侧模一次开孔即满足所有节段施工要求，避免因侧模多处开孔对模板质量和孔位处混凝土外观质量造成影响。

9）将节段梁腹板内侧的临时预应力张拉锚固块在梁体内的预埋U 型螺栓和钢板结构，直接优化改为预埋PVC 管横向预留通孔，在不影响后续张拉锚固块安装的前提下，减少了U 型螺栓和钢板等材料投入，节省了施工成本。

10）节段梁匹配时，特制一种橡胶堵头，用于匹配梁端和活动端模端的预应力孔道口的封堵，一方面通过堵头的定位，保证新预制梁段预应力管道位置准确；另一方面避免了混凝土浇筑过程中，混凝土涌入造成预应力孔道堵塞。

11）节段梁场内布设专门的测控系统，预制测量采用最新开发的长短偶配法节段梁预制架设线控软件，利用手机APP 和蓝牙终端，预制测量数据由仪器采集后直接传入系统且不可人为修改，避免误差；梁端两节段从短线台座移至长线台座时，直接通过系统内设定的线形算法，自动给出台座转换后的控制点空间坐标，确保梁首尾两节段的匹配定位精度，从而确保整孔梁的预制精度。

12）施工中自行研究开发节段梁场生产管理系统，实现了现场物料管理、钢筋加工、节段梁生产信息、节段梁架设信息及内业资料的信息化、智能化管控，所有生产数据具有可追溯性，确保施工质量和成本管控。

6 结语

鲁南高铁菏泽至曲阜段1 标泗河特大桥施工中，面对结构新颖（胶拼简支节段箱梁在高速铁路首次应用）、工期紧张（预制工期不足十个月）、地形受限（河道狭长区域，梁场布置困难）、经验缺乏（无成熟标准）的挑战和难题，开发应用了高速铁路节段箱梁信息化管理长短线偶配预制技术，创新采用了长短线偶配法进行节段梁预制施工，在钢筋绑扎、模板安装、预埋件定位等方面研制多项工装设备，并在过程中辅以信息化技术进行全方位管理，确保了国内首次采用胶接拼装简支节段箱梁结构的高速铁路工程按期完成工程施工，成套工艺已成熟，基于工厂化、机械化、专业化、信息化的管理需求和绿色工程建设理念符合行业趋势，具有广阔的应用前景。O