装配化桥梁技术的山区路径
力能扛鼎的木瓜
2022年12月13日 14:04:51
来自于桥梁工程
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贵州是我国唯一一个没有平原支撑的省份,全省92.5%的国土面积为山地和丘陵;森林覆盖率60%,草原综合植被覆盖度达到88%。分为五大类生态保护区:水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性维护功能、水土流失控制、石漠化控制,共14个片区。自然资源分布现状反馈到交通建设的工作实际中,主要体现就是路地关系矛盾多,建设项目占用生态保护红线及其他各类保护地几乎不可避免。


生产组织方式对环境的影响


以某高速公路 K112+920~K119+950 段为例。


工程概况


路线长7.03km,桥梁 4193m/6座,隧道3845m/1座,标段桥隧比87.35%。桥梁桩基536根、共13153m;承台36个;系梁331道;墩柱397根/7769m;盖梁220道;T梁共1543片。


路线穿越阔叶林自然保护区、恒河猴保护区;横坡较陡,地形陡峭,跨越沟谷;粉砂质泥岩较多,多处有滑塌迹象。


 

图1 某高速公路 K112+920~K119+950 段地形及生态环境


采用现场浇筑的施工组织


项目所处路段横坡较陡,为满足多工点作业,仅修建红线内便道不能满足运输要求。需新修及改造主便道4条、支便道2条,总长约24.272km。


各分部工程施工工艺:桩基结合地形地质,分别采用人工挖孔桩、水磨钻施工;桥墩35m以下采用吊车施工,35m以上采用塔吊施工;中系梁采用吊车或塔吊施工;盖梁采用吊车或塔吊施工;各桥陆续开工,需配置吊车10台,塔吊8台,40m架桥机4台。


施工桥梁桩基、墩柱、盖梁等均需经过便道运输钢筋、混凝土、模板等,加之钢筋安装、模板安装、混凝土浇筑以及拆模过程中,很难避免临时占用部分便道,故常对便道进行加宽修建,这样一来,仅是便道的开挖或回填就已对自然生态造成了较大破坏。


 

图2 某高速公路 K112+920~K119+950 段施工平面布置图


采用装配化的组织方式


因公路线形的需要,山区公路桥隧比高,部分路线也不可避免经过林地或保护区。采用装配化的组织方式,按路线纵向组织施工,不占公路红线外用地,最大限度地减少对林地或保护区的破坏。


沿路线纵向,基础以1~2联为作业单元,展开平行流水施工;下部构造及梁体按“1+1”流水施工:N+1跨完成墩柱安装、座浆料等强、灌浆、灌浆料等强、盖梁安装、座浆料等强、灌浆、灌浆料等强;N跨:T梁安装,架桥机过孔。架设顺序如图3所示。


 

图3 K112+920~K119+950 段梁体架设顺序图


一体化架桥机安装架设墩柱、盖梁及单幅1跨T梁用时为5天。


以此为参照,架设工期如下:

1号架桥机共架设128跨,架设工期约为21个月,综合考虑工期23个月;2号架桥机共架设108跨,架设工期约为18个月,综合考虑工期20个月。均能满足合同工期要求。


采用装配化的优势


1.节约用地:山区普遍桥梁比例大,地形条件复杂,采用装配化减少临时工程占用林地,减少红线外施工便道。


2.提质增效:智能化钢筋加工,加工、焊接质量得以保证;工厂化构件预制,标准化程序施工,高精度定位,保证了桥梁预制构件的内在质量。


3.绿色环保:减少生态破坏;减少交通堵塞、粉尘污染、噪音污染和木材消耗等。


装配化技术在山区应用的局限


装配化桥梁国外研究现状


装配化桥墩在国外的应用较早,1955年,美国新奥尔良 Pontchartrain桥首次在世界上采用预制墩柱和承台,从开始到建造完成,整个施工周期仅为18个月。国外装配化桥梁的研究及应用如表1。


 


装配化桥梁国内发展应用概况


1994年建成的澳门新澳凼大桥,是我国首次采用预制拼装桥墩的工程,该桥墩身采用工字形截面,划分为若干节段进行预制,采用后张预埋预应力钢筋将节段墩身与承台连接形成整体。我国对装配化桥梁的研究及应用主要如表2。


 
 

图4

 

图5


现有技术的局限性


桥梁高度不高,墩柱一段预制,接头主要是墩柱底与承台、墩柱顶与盖梁。接头采用灌浆套筒及灌浆波纹管技术。对于墩柱高度较高,需要分段预制目前没有成熟的技术或相应的结构构造。


国内装配化技术主要应用于城市桥梁和海上桥梁,需要有通行大型运输吊装设备的条件;海上拼装采用的整跨安装的运输和吊装设备,均不适用于陆地;陆上拼装采用移动式大型起重设备及机械臂辅助,不适用于山区施工。


山区桥梁装配化的技术路径


标准跨径桥梁(PC)


一、山区标准跨径桥梁的特殊性

1.墩柱高,以前文所述项目为例,30m以上高墩柱37排,最高墩柱57m。


墩柱高度大于30m,若采用一段预制,因为需要考虑其运输时的受力状况,钢筋混凝土结构断面尺寸大、类型多。一段预制不便于工厂化。


2.基本没有城市桥梁的陆地吊装和海上桥梁的吊装条件,如:大型起重机、大吨位浮吊等。


二、山区标准跨径桥梁的装配化方案

1.全预制:墩柱、系梁、盖梁全部采用预制装配,墩柱分段预制,需要研究节段之间接头构造与连接。


2.半现浇半预制:高于20m墩柱,其顶部20m范围采用预制,底部现浇;低于20m的墩柱采用预制,中系梁、盖梁预制。墩柱接头易于解决,施工可省去多台塔吊,但仍然需要吊车配合现浇施工。


3.盖梁预制:仅考虑盖梁预制。墩柱、系梁施工需塔吊及吊车配合,装配流程较为简单,但装配比例有限,对减少现场机械、减少相互干扰有限。


三、山区标准跨径桥梁装配化技术路径

技术方面,在现有技术基础上,主要需要解决墩柱节段接头构造与连接以及专用设备。


采用现浇工艺,墩柱从底至顶为等截面,间隔一定高度设置系梁。若采用这样的结构构造,墩柱分段预制,连接部位的钢筋预埋套筒空间过小,安装时难以保证边缘混凝土的完整性。换而言之,墩柱节段预制接头部位需要考虑如下因素——

(1)混凝土骨料粒径要求

(2)灌浆套筒边缘质量要求

(3)成品保护要求


根据以上要求,综合考虑系梁的设置,节段接头方式可考虑图6所示方式。


 

图6 装配化桥墩节段接头示意图


专用设备目前已有成熟的定型产品,如图7所示。但由于山区桥梁墩柱高,需要重点对前支腿进行研究。


 

图7 一体化架桥机示意图片


施工组织方面:沿主线纵向组织施工,1~2联基础展开平行流水施工;墩柱、盖梁、梁体,按(1+1)方式组织流水施工。


精度控制体系:对钢筋的定位需要配置相应的工装;钢筋安装误差以及预制构件几何尺寸误差,需要满足安装精度的要求,需要建立新的质量检验标准。


非标准跨径桥梁


跨线桥梁,跨径因实际情况而不同;同时,互通或枢纽工程,跨线桥梁同时存在弯桥以及斜交的情况。


 

图8 跨线桥跨越高速公路示意图


经过一定数量的工程实践,采用(1.2m窄幅钢箱+PC桥面板)方案能够解决厂内制作、现场安装的装配化的生产组织方式。


 

图9 窄幅钢箱梁-混凝土叠合梁示意图


钢梁工厂制作,采用(搭设临时支墩+无导梁顶推)施工就位;混凝土桥面板采用预制吊装施工。


 

图10 混凝土桥面板预制安装示意图


特殊结构桥梁(跨越深切峡谷)


一、跨越深切峡谷桥梁特点

1.地形陡峻,基岩出露,利于拱桥布设。拱桥结构承载力富余度高,养护运营成本低,是跨越深切峡谷的首选桥型。


2.主拱圈结构一般采用钢筋混凝土箱拱、钢管拱、钢桁拱。


3.100~300m跨径较为普遍,主拱圈一般采用钢筋混凝土箱形结构;拱圈成形采用劲性骨架外包混凝土或悬拼钢拱架分环分段浇筑,存在劳动强度大,安全风险高等问题。


二、适合装配化的拱圈结构

总结拱肋预制安装的工艺特点以及存在的问题(拱肋分段接头不便于安装、分肋吊装线形控制难度大、运营期拱肋之间出现纵缝),参考“钢桁腹杆—SRC组合拱”相关研究成果,并通过资料调研研究“钢桁腹接头构造”,提出了“钢桁—混凝土组合拱”的构造型式。目的是减轻拱圈自重,便于预制安装;避免现场浇筑腹板的质量和安全控制难题。


 

图11 钢桁-混凝土组合拱拱圈截面

 

图12 节点构造示意图


三、施工组织

1.主拱圈预制:通过适当的地形改造,在主线引桥地面进行拱圈节段及拱上建筑的预制。


2.缆索吊装系统:充分利用峡谷两侧陡壁,覆盖全桥全施工区域布设缆索吊装系统,不设塔架,并能在桥梁全宽范围内横移,满足拱圈、拱上建筑以及引桥的安装。


3.扣挂系统:与拱座上边坡、引桥基础永临结合布设。


受地形和运输条件限制,山区公路桥梁建设一直延续着以现场作业点为核心,统筹地材生产、钢筋制作、混凝土生产、现场浇筑模式。在公路建设推行标准化施工以后,钢筋集中制作、混凝土集中生产,对公路桥梁施工质量控制起着积极的作用。但同时标准化施工也带来更多、更大型机械的使用,对临时道路的需求也越高,而“以现场作业点为核心”的生产组织方式并未改变。建设与生态环保的矛盾日趋突出。


进入“十四五”,公路建设延续传统的组织方式,已面临极大的困难。具体表现在弃土场、临建设施等用地基本难以得到批准,这也倒逼公路建设行业的转型升级。


新型工业化,工业化建设模式是基于公路的功能需求,按工业化的组织方式进行生产。公路桥梁的结构设计、构造要求、施工组织方式要围绕这种模式展开。


本文探讨的山区桥梁建设,三种典型的桥梁装配化技术应用场景,旨在使公路桥梁建设过程,减少红线外用地,减少环境污染,保护生态环境,节能减排,提高桥梁施工质量;符合低碳化、和谐社会的发展要求。


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