麦加地铁25 m U形先张梁施工技术

汪建文

(中铁十八局集团有限公司麦加地铁项目部,天津 300222)

1 工程概况

1.1 工程地理位置及自然地形、地貌特征

本工程位于沙特麦加圣城内,由Jamarat开始,经由Mina、Muzdalifah地区,最终达到Arafat山,总体走向由西北到东南。线路经行Jamarat与Mina地区,南倚山脉,山势陡峻,山脚下为朝觐交通要道、居民区、帐篷区,拆迁量较大。Muzdalifah和Arafat区,地势比较平坦,部分是低矮山区,线路基本沿着既有公路而行。

1.2 当地气象、水文特征

本区属地中海气候,夏季炎热干燥,最高气温高达60 ℃；冬季最低气温20 ℃,是雨量集中的时节,一年降雨1～2次,每次1～2 h,地面积水深度短时间内可达40～60 cm。

1.3 主要施工范围及上部结构工程量

本项目为新建沙特麦加地铁工程,其起讫里程为DK0+000～DK18+070,总长18.07 km。施工范围为属于本合同段内所有的桥梁、路基、轨道、站场、牵引变电站以及附属工程。全线先张预应力梁近5 000片,其中正线25 m U形梁1 170多片,其他梁为站台梁及各车站步行梯用梁,梁形较小。先张梁均采用一次性整体先张预制法施工,因此张拉台座的设计与施工成为本工程能否快速、优质、高效完成的关键。

2 工程特点及难点

2.1 工程特点

施工工期紧,不确定因素多。根据沙特方面的要求,全部工程要在20个月内完成。土建工程的施工时间只有14个月,实际施工工期还要除去2个月的斋月,工期将成为该项目最大的风险因素。

现场人力资源配置困难。由于麦加是伊斯兰教的著名圣地,教规非常严格,非穆斯林不得入内,这就要求我方进入施工现场的管理人员与劳务人员必须是穆斯林。这与我单位的人力资源状况极不匹配,为施工生产和指挥带来不便。

设备和周转材料投入大。工期紧,必须全线同时展开施工,各种资源投入大,后勤保障困难。

2.2 工程难点

麦加处于地中海沙漠性气候,常年高温干燥,无地表水,风沙大。U形梁的形式为薄壁结构,无内孔,给梁体的施工养护带来很大的挑战。U形梁整体预制、快速施工及腹板下部的施工防裂是本工程的难点。

3 张拉台座的设计

本工程采用长线台座,台座的设计长度为110 m,宽度为6.6 m,梁底总宽度为4.5 m。根据设计梁长,每条生产线布置2组台座,按每组台座一次性完成4片25 m U形梁设计。模板采用整体钢模,每条生产线布置8套底模,4套边模及内模,边模及内模来回利用龙门吊倒用,提高模板的使用效率。在2组龙门吊内共设置14条生产线,每组龙门吊跨度40 m,布设4台120 t龙门吊,以满足梁及组合钢模板的整体吊运。龙门吊之间预留10 m宽的施工便道,保证混凝土泵车及灌车在浇筑混凝土时畅通无阻,也方便小型工器具的运输。每组生产线一次性完成4片梁需要7～8 d时间,按这种布置方式,1号龙门吊内8条生产线,2号龙门吊内6条生产线。达到正常循环施工时,U形梁正常的施工速度每天可以生产6～8片梁。U形梁生产线整体布置见图1(只显示1号龙门吊内的台座布置)，单个台座的平立面布置见图2。

图1 U形梁生产线平面布置(单位：mm)

图2 台座立、平面(单位：mm)

台座是先张法施工梁体的关键设备,根据梁体的设计形式,25 m U形梁设计50根钢绞线。U形梁预应力钢绞线及梁形布置见图3。

图3 U形梁预应力钢绞线及梁型布置(单位：mm)

3.1 抗倾覆验算[1～3]

经计算，倾覆力矩MDV=2 734.2 kN·m,平衡力矩Mr=6 963.75 kN·m，抗倾覆力矩安全系数K1=6 963.75/2 734.2=2.55>1.5，抗倾覆稳定性达到安全要求。

3.2 抗滑移验算

经计算，台座抗滑移力N1=7 974.2 kN，作用于台座的滑动力为N=10 936.8 kN，该台座的抗滑移系数为K2=7 974.2/10 936.8=0.73<1.3，抗滑移安全系数K2不满足条件。

因此，直接采用重力式台座,抗倾覆稳定性可以达到要求,但抗滑移稳定性只能达到安全系数的73%,远达不到安全要求。初选方案为在台座下打桩增加台座抗滑移问题。因梁场位置处在相对平坦的沙地,短时间内无法得到相应的地质资料,而对桩的设置数量和深度需要专业的设计计算。打桩施工期较长,不适合该项目快速施工的要求,还存在桩基受水平力是否能达到要求的问题,最终此方案被放弃。

因梁场处在沙地上,为防止梁体在施工过程中出现不均匀沉降,梁底设置纵向地梁作为重要的传力装置。以纵向地梁为主解决抗滑移问题,也解决了梁底可能出现不均匀沉降的问题。1对台座之间放置4片25 m U形梁,两端间距达到110 m。在U形梁底部宽度范围内设置3道纵梁,为防止纵梁在受力时出现扭转或侧移,在纵梁上间隔5～6 m设置1道横系梁,与台座形成框架。既起到防地梁扭转,也起到防止梁台座出现不均匀沉降的作用,增加了方案的经济性和可靠性。地纵梁断面见图4。

图4 地纵梁断面(单位：mm)

3.3 框架重力式台座抗滑移验算

采用混凝土框架式地梁平衡滑移力,混凝土地梁的收缩量与沙土相比很小,不考虑台座底沙土地基与混凝土地梁配合的抗滑作用,只计算地梁的抗滑能力。地梁混凝土采用C30混凝土,设计抗压强度为14.3 MPa。II级钢筋设计抗拉压强度为310 MPa。

地梁混凝土横截面积S1=1 787 000 mm2,钢筋横截面积S2=9 509 mm2，N抗=28 501.9 kN。

因此，抗滑安全系数K=28 501.9/10 936.8=2.61>1.3(安全)

3.4 应力集中问题的解决措施

11 000 kN的张拉力,要在5 m的宽度范围内实现传递,必须解决应力集中的问题。参照国内的很多种台座,均没有如此大吨位的台座设计先例可以借鉴，根据结构的需要,采用了钢箱混凝土的办法来解决应力集中。台座的固定横梁下预埋钢箱,在固定横梁腿部放入预埋钢箱后,向预埋钢箱内浇筑微膨胀混凝土,增加固定横梁的惯性矩,以增强其抗扭转和抗压的能力。钢箱采用30 mm厚普通热轧钢板,每个钢箱使用钢材达到14 t。经过实践这种方案是可行的。

3.5 张拉台座施工要点

(1)张拉台座要求地基坚实、稳定、底面光洁,因梁场设在沙地上,采用沉水压实,台座及周边全部硬化的办法来加强台座地基。因本工程采用的先张法U形梁单片宽度达到5.5 m,长25 m,梁底板设置反拱度为1.5 cm。内侧模及外边模采用组合钢模板,利用龙门吊进行整体拼装。

(2)台座及纵横梁钢筋绑扎。台座受力以水平的抗拉和抗压应力为主。为防止台座受集中拉压应力的破坏,台座钢筋采用立体井字形布置,增强台座在受拉压应力时的整体性。在预埋钢箱周边增加纵横向钢筋及抗剪钢筋,以分散集中应力。纵梁及横梁钢筋均采用绑扎搭接[4～5]。

(3)台座及纵横梁混凝土施工。台座及台座板混凝土浇筑必须连续,以保证台座的整体性。在干燥的沙漠环境下浇筑混凝土,混凝土入模温度按规范要求控制33 ℃以下[9～10],浇筑时间选择在下午3点以后开始,上午10点以前必须浇筑完毕,保证混凝土的浇筑质量。在混凝土浇筑前还对钢筋采取少量的洒水降温措施进行处理,防止混凝土突然遇到高温钢筋出现假凝。纵横梁混凝土浇筑时,必须设置后浇带。台座纵梁总长接近100 m,如果连续浇筑会出现收缩裂缝,会严重削弱纵梁的承压能力。因此在台座混凝土浇筑过程中,在纵梁的两端及中部各设1道30 cm宽的后浇带,在纵梁混凝土强度达到80%时再采用微膨胀混凝土浇筑后浇带,使纵梁与台座紧密结合。

(4)台座混凝土的养护。台座地处高温干燥的沙漠之中,台座四周也没有支立模板,直接与四周的沙土结合以增加摩阻力,这样混凝土失水速度很快。在混凝土浇筑完成后,表面具备覆盖条件时,就马上覆盖麻袋片洒水养护,让台座及纵横梁混凝土表面24 h保持湿润。

(5)台座受到的张拉力达到11 000 kN,50根钢绞线满布在4.8 m宽的梁底,钢绞线的间距最大只有16 cm。因此采用楔形放张,在固定横梁与活动横梁之间设置8个钢楔形块,以减少应力的集中。楔形块表面的压强控制在50 MPa以下,防止出现钢质表面因压力过大而改变楔形机构的摩擦系数,增大了楔形块的摩阻力。楔形放张可操作性比较强,在实施过程中也比较方便。

4 U形梁施工工艺要点

4.1 施工工艺流程

25 m U形先张法预应力梁整体预制施工工艺流程为：施工准备→调整底模→绑扎底腹板钢筋→安装端模→穿钢绞线及PVC管→钢绞线初拉→吊装内模侧模→钢绞线终拉→梁桥混凝土浇筑、养护→移走内模侧模→放张→拆除端模→吊移梁体→割丝封锚。

4.2 模板设计与施工

U形梁内外模均采用整体钢模,整体内外模与制梁台座1∶2配置,内模采用丝杠调节支撑,保证施工可靠性。外模采用千斤顶与丝杠配合支撑,方便脱模。根据内外模的整体吊运的需要,模板骨架及支撑均采用型钢制作,模板面板厚度6 mm[8],模板组成形式见图5。

图5 内外模设计

内外模均在拼装平台上分节预拼,然后联结成一个整体,用2台龙门吊整体吊装就位。为达到内外模快速循环利用,一组模板脱模后迅速清理打磨涂脱模剂,吊运至下一组安装,下一组在模板吊运安装前必须完成钢筋绑扎和相关预埋件的预埋。如此可提高模板的利用效率,也可以提高U形梁的预制速度。

4.3 钢筋及预应力筋施工

底、腹板钢筋在移梁之后,修整加固完底模后直接在底模上绑扎。在钢筋绑扎完成后,穿预应力筋。为加快穿预应力筋的速度,从两侧向中间分两组同时穿钢绞线。初步检查钢绞线的位置是否正确,在确定无误后进行初张拉。内外模安装完成后,进行终张拉至控制应力。

4.4 U形梁高温条件下混凝土配合比设计及施工技术

(1)U形梁混凝土强度要求为C45,按美国试验标准检验其强度,与国内的C50高强混凝土是一个等级。在沙特麦加地区,常年白天气温高于30 ℃,尤其是在七八月份地面温度最高可达60 ℃以上,为控制混凝土的入模温度必须采取加冰措施,将混凝土温度控制在33 ℃以下(美国标准规范要求)[7～9]。早期控制混凝土的温度单纯采用加冰措施并不理想,仍出现入模温度过高的情况,最后采用降低用水温度与加冰措施并举,砂石料搭遮阳棚的办法,取得了比较好的效果,可以将混凝土的出厂温度控制在27 ℃,入模温度控制在30 ℃以内。

(2)混凝土浇筑。因外界气温过高,混凝土浇筑时间一般选择在上午的10点之前,下午的3点之后。在下午浇筑混凝土时一般先洒水降低模板及钢筋的温度,防止混凝土入模之初出现假凝。混凝土供应采用2台集中拌和站供料,2台泵车浇筑,从一端向另一端水平分层左右对称方式一次浇筑成形。先浇筑U形梁腹板与底板结合处混凝土,再浇筑腹板混凝土,当两侧腹板混凝土浇筑到顶完成后,再浇筑底板没有完成部分的混凝土。混凝土振捣采用人工插捣与模板附着式振捣器配合的方式进行,经过实践,底腹板结合处缺陷较少,达到了预期目的。

4.5 放张移梁[6～7]

U形梁在48 h内达到设计强度的80%,具备放张条件。在台座的两端按2组施工人员,对两端各8个楔形块放松。两端各放松2 cm后,从4片梁的中间开始切断钢绞线,实现放张。移梁采用龙门吊加钢扁担起吊,防止腹板在起吊时受到横向力出现裂纹。移梁后割丝封端,继续洒水养护至规范要求的时间后运架梁。

5 施工效果评价

制梁台座采用预埋钢箱套固定横梁的方式,施工效果良好,满足先张法预应力混凝土U形梁的制梁要求,为U形梁的快速施工打下了坚实的基础。内外钢模板的整体吊运加快了模板周转速度,也节约了大量人工及场地占用。模板采用丝杠加固方式可靠性高,减少了配件在施工过程中的丢失，达到了先张U形梁快速施工的目的。

6 结语

本工程为城市轨道交通,先张U形梁的设计节约结构空间,与一般预应力箱梁相比,同等跨度下要节约结构空间2～3 m，为多数城市轨道交通的净空要求提供了很好的解决方案。先张法预制U形梁结构可靠,可批量生产,达到快速施工效果,相对造价低,可为国内外相似的城市轨道交通的方案设计提供参考。

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[9]AREM2, Part 5, Special Types of Construction[S]. 2007.

[10]AREM2, Chapter 15, Steel Structures[S].2007.

注1： ASTM： American Society of Testing Matericals

注2:AREMA: American Railway Engineering and Maintenance of-way Association