高速铁路多跨56 m简支箱梁桥的施工方案优化

侯书平，蔺鹏臻，刘应龙

(1.银西铁路银川至吴忠客专工程建设指挥部,宁夏 银川 750403；2.兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070)

在高速铁路建设实践中，跨度适中的简支梁由于对地基沉降要求相对较低、受力简单、维护方便等优点被铁路桥梁广泛采用。箱梁具有抗扭性能好、纵横向刚度大、整体稳定性好等优点，现在已经普遍采用。在目前的高速铁路桥梁中，简支箱梁大部分采用20,24，32，40，56，64 m等几种跨度[1]。但是在跨越深谷、通航江河、少占耕地时出于施工可行性、经济比选及通航的考虑，小跨度已经不能满足要求，大跨度的简支梁越来越多被运用于铁路桥梁中。目前大量简支梁结构采用沿线梁场预制、运梁车运输和架桥机架设的施工模式，少量简支梁采用移动模架、膺架法桥位灌筑法施工。桥梁施工方法的选择，受设计、机械设备、工程造价、组织管理等多方面影响。不同施工方式必须因地制宜，才能保证成本与效益的最优。因此，本文结合新建银西高铁银川机场黄河特大桥引桥56 m简支梁桥的施工，采取合理的施工方案优化方式，科学制定最优施工方案，在保障工程质量、安全和环保等要求的基础上，进一步缩短施工工期，避免冬季施工，节约投资成本，可为银吴客专按期开通奠定坚实基础。

1 大跨度简支梁的施工方法及主要特征

随着预应力混凝土的应用、桥梁类型与跨径的增加以及构件生产的预制化等，桥梁上部结构施工方法有了较大的进步和发展，形成了多种多样的施工方法。但是从总体上来讲，桥梁施工方法主要分为支架现浇、节段预制拼装和预制整孔架设等3类。各自的主要施工特征如下：

1)支架现浇法：无需预制场地，而且不需要大型起吊、运输设备；无需做梁间或节间的链接工作，桥跨结构整体性好；施工质量受现场混凝土浇筑、预应力张拉等影响；施工中需搭设支架，支架控制和模板投入较大[2]。适宜于桥梁高度较低、桥下无通航、泄洪等需求的平坦地区。

2)节段预制拼装：节段尺寸小、重量轻，运输方便，拼装施工速度快； 在预制场预制节段，混凝土质量容易控制[3]，混凝土后期徐变挠度较低；施工前期投入较大，主要包括预制场地建设、运输设备、架梁设备等；节段之间以胶缝联结，胶缝现场处理的质量控制存在风险，如处理不好的话，大气中的水分和酸性成分渗入，导致结构的耐久性差；施工工序复杂，胶缝、预应力张拉、节段之间线形和高程控制等工艺要求高，技术难度大；施工的总体组织、协调的工作难度较大[4-7]。

3)预制整孔架设：需专门的预制场，工厂化预制有利于确保构件的质量，便于采用机械化施工；主梁构件在安装时一般已有一定龄期，可减少混凝土收缩徐变引起的变形；架设需要大型运输和起吊设备，且适用于32 m及以下跨度高铁桥梁，56 m双线架桥机较少。

2 56 m简支梁施工方案研究

2.1 节段预制施工方案

本工程56 m简支箱梁若采用节段预制施工方案，拟短线匹配法预制、节段法拼装施工。需投入2台 2 200 t 造桥机,2台250 t运梁台车，1台用于桥下梁场向提升站运梁，1台用于桥上运梁。总体架设方向由17#墩向30#墩逐孔推进。

根据现场实际情况，在17#，18#墩之间布置1台固定式250 t跨线大型门吊，在线路左侧18#墩附近布置56 m简支箱梁节段预制场。为了不影响工期，梁场投入短线制梁台座6套，双层存梁台座33个。1台 34 m 跨250 t大型门吊，1台22 m跨20 t简易门吊。

根据架设要求，预制顺序由小里程向大里程逐孔预制。每孔梁预制时，先分别在2个制梁台座上预制1#及13#节段，然后再将1#及13#节段分别做为匹配预制2#及12#，最后再将1#及13#节段吊入存梁台座存放，将2#及12#分别吊往其余台座，做为匹配梁预制下一节段，最后将同片梁的6#及8#同时吊入同一台座做为7#梁的匹配梁预制7#梁段。

结合线路桥址地形地貌及水文地质条件，对银川机场黄河特大桥17#—30#墩13孔箱梁的施工方案进行仔细研究，拟定的总体施工步骤如下：

1)在17#墩顶设置混凝土临时支墩，17#—18#孔安装造桥机。

2)运梁车将待架梁段运至造桥机正下方，通过天车提梁，进行17#—18#孔胶拼施工。

3)造桥机过孔至18#—19#孔，在17#—18#孔之间拼装提升站龙门吊机。

4)运梁车将箱梁节段运至提升站，提升上桥，桥上运输至架桥机尾部喂梁架设，逐孔施工18#—30#孔。

根据节段预制拼装施工工艺特点，该工法适用于中等跨径(30～50 m)、桥梁总长度较长的海上、大型河流湖泊、山区桥梁以及城市高架与轻轨等上部结构箱梁施工，并且工期紧的工程采用最为合适。但该施工方案不仅需要考虑施工过程中梁段混凝土、预应力、胶缝、线形、预拱度控制等因素，同时还需考虑施工机械投入和施工安全等因素。56 m箱梁桥采用预制拼装施工方案有必要进行进一步的优化。

图1 浇筑状态模板横断面(单位：mm)

2.2 支架现浇施工方案

采用支架现浇方案时,箱梁模板采用整体式钢模板[2]和带有走行纵梁的液压内模(见图1)，每个循环设置4套箱梁底模、1套箱梁外侧模、1套箱梁全液压收缩式内模、1套钢筋绑扎胎具。施工顺序依次为底模→外侧模→内模→端模板。支架施工完，第1孔至第4孔底模及外侧模铺设完成后，对第1孔支架进行预压，同时在第2孔支架上拼装外侧模，待第1孔支架预压完成，对第1孔箱梁底模按预压数据进行标高调整；然后外侧模滑移至第1孔就位。第2孔支架进行预压，预压完成后调整底模标高，而后在第2孔箱梁底模上拼装内模板；待第1孔箱梁底腹板钢筋绑扎完成及波纹管定位完成，内模滑移就位，同时在第2孔支架上拼装钢筋绑扎胎具；胎具拼装完成以后开始第2孔箱梁底腹板钢筋绑扎及波纹管定位施工。第3孔支架开始预压。第1孔箱梁混凝土浇筑完成后，待强度达到要求，滑移钢筋绑扎胎具至第3孔支架上；下落及外移外侧模，滑移外侧模至第2孔就位，收缩内模，内模滑移至第2孔就位。依次循环，至13孔箱梁全部施工完成。

3 施工方案的比选

3.1 桥梁施工方法的优选原则

确定桥梁的施工方法，需充分考虑桥位的地形、地质、环境、施工方法的安全性、经济性、施工速度等。因此，在桥梁设计时就要对桥位条件进行详细调查，掌握现场的地理环境、地质条件及气象条件等。在选择施工方法时，桥梁的类型、跨径、施工技术水平、施工设备条件等等也是相当重要的因素，同时必须考虑施工过程中桥梁结构的应力变化。桥梁设计时往往预先假定施工方法，并在设计上考虑施工全过程的受力状态。因此，施工方案的确定应充分考虑设计时假定的施工方法，并考虑其他相关因素的影响。桥梁施工方法的选定，可依据下列条件综合考虑。

1)使用条件：桥梁的类型、使用跨径、桥墩高度、桥墩形状、梁下空间的限制、平面场地的限制等。

2)施工条件：工期要求、施工设备条件、施工技术水平、施工管理能力、材料供应情况、施工经济核算等。

3)自然环境条件：山区或平原、地质条件及软弱层状况、对河道的影响、运输线路的限制等。

4)社会环境影响：对施工现场环境的影响，包括公害、景观、污染、架设孔下的障碍、道路交通的阻碍、公共道路的使用及建筑限界等。

3.2 工程数量及工期对比

1)工程数量对比：分别对56 m简支梁进行节段预拼和支架现浇2种施工方案的设计，在满足桥梁使用性能要求的前期下，可获得2种设计方案的工程数量。通过从单孔梁工程数量、大临工程数量等方面的对比，支架现浇施工方案明显优于预制拼装施工方案。

2)工期对比：通过对比，若采取预制拼装施工方法，施工工期合计为661 d，而改为支架现浇后工期为386 d，缩减了275 d，支架现浇具有明显的工期优势。由于本工程工期的总体安排，施工需在2017年11月3日前完成，预制拼装不能满足总工期的要求。一旦施工中有不可控因素造成延误，难以通过增加投入来确保总工期。支架原位现浇方案由于不受架桥机、预制场、接缝施工等外部环境影响，施工工期更容易控制。因此，从工期角度考虑，支架现浇方案是最优方案。

3.3 质量及安全控制对比

预制拼装和支架现浇方案由于施工工序不同，安全控制的要求和标准亦不相同。依据铁建设[2010]162号《铁路建设工程安全风险管理暂行办法》及GB/T 50326—2006《建设工程项目管理规范》[8]中关于工程安全风险等级的划分及界定标准，可对2种方案的安全控制要点及安全风险级别进行对比。为了定量评价2种施工方案的安全风险，引入安全风险度D的概念，表达式为

式中:n为安全控制核心要素数量;Si为第i项风险类型的风险等级;Pi为第i项风险发生的概率。

2种施工方案的安全控制要点、风险等级及风险概率，以及施工总体方案的安全风险度如表1所示。

由表1可以看出，预制拼装施工主要有3大潜在的安全风险源：①节段拼装方案中需要1台 2 200 t 架桥机，1台450 t跨线提梁机，2种机械均为大型起重设备，施工过程中存在较大安全隐患；②预制场提梁、存梁、运梁等操作过程中均存在较大安全隐患；③西北地区春季风力较大，尤其该桥桥址宽阔，春季大风预警几乎天天都有，对于节段拼装架桥机工作安全和效率影响较大。

表1 安全风险度比较

注：Ⅰ为可忽略风险；Ⅱ为可容许风险；Ⅲ为中度风险；Ⅳ为重大风险；Ⅴ为不容许风险。

与预制拼装相比，支架现浇施工中的主要安全风险源为支架系统，且控制要素在一般桥梁施工中较为常见，可通过支架专项方案进行有效的控制。而预制拼装施工由于涉及架桥机组装和作业、架桥机吊装、现场胶缝预拼等多个施工工序且相互影响较大，安全控制的难度较大，因此施工潜在的安全风险较大。

通过对2种施工方案安全风险度的定量对比可知，支架现浇方案的安全风险度为0.75，低于预制拼装施工方法的1.00。

3.4 成本控制对比

预制拼装和支架现浇方案的成本控制对比分析如表2所示。

表2 成本控制比较 万元

综上统计，移动式整体现浇施工方案共计节约资金911万元。比预制拼装施工方案少投入40%劳动力以及 30%的施工机具设备。

通过综合比较，考虑到移动式整体现浇在工期、成本以及安全等方面的优势，同时可避开冬季施工，质量可控，因此，56 m简支箱梁的施工方案优选为支架现浇方案。

4 结论

针对银西高铁银川机场黄河特大桥引桥56 m简支箱梁，制定了预制拼装及支架现浇2种施工方案。通过对比分析2种施工方案的优缺点，优选了适合于该工程的施工方案，得出的主要结论如下：

1)高速铁路56 m双线箱梁由于梁体重量大，整孔预制架设工艺不能满足要求，支架现浇和预制拼装是该类型箱梁的合适施工方案。

2)基于桥梁施工方案的优选原则，通过对比2种施工方案的工程数量、工期、质量控制、安全控制及成本，可认为鉴于该桥的建设环境条件，支架现浇为该工程最优的施工方案。不仅可缩短工期275 d，同时可节约资金911万元。

3)通过对2种施工方案安全风险度的定量对比，支架现浇方案及预制拼装方案的安全风险度分别为0.75，1.00。支架现浇方案的安全风险较低，56 m简支箱梁的施工方案优选为支架现浇方案。