武汉二七长江大桥跨武九铁路立交桥施工技术与安全控制
2017-07-31
0 引言
研究的背景和意义：
随着近年来我国道路桥梁大规模建设发展，上跨既有铁路营业线的桥梁施工案例日渐增多，一旦发生危及营业线交通的安全事故，处罚非常严厉。因此，针对上跨铁路营业线桥梁施工的共性方法规律和个性化问题开展研究，具有极为重要的现实意义。
研究的动机和目的：
上跨营业线挂篮悬浇施工作业时间长、各类施工机具多，极易发生物体打击影响行车安全；传统防护棚架对冲击荷载的类型和量化考虑不够充分。在本工程案例中，采用箱梁0号块支架采用现浇支架与墩梁固结一体式设计并分段切割、牵引吊放拆除钢管混凝土柱，挂篮采用斜拉重力式地锚原位试验方案及防坠落措施，防范物体打击冲击荷载防护棚架研究设计等新的思路和方法，以解决施工技术问题、控制安全风险。
1 工程概况
1.1 桥式布置
武汉二七长江大桥上跨武九铁路立交桥梁采用（45m+60m+45m）三跨变高度预应力混凝土连续梁桥（见图1）。连续梁基础为钻孔桩，下部结构为混凝土承台及墩身，上部结构箱梁采用挂篮法悬浇施工。
1.2 既有线情况
桥梁中心与铁路的交点里程为武九线K10+936，轨顶高程+24.548m（85国家高程，下同），铁路安全限界宽5.0m、高6.7m，线路左侧铁路约5米处埋设5条铁路通信光缆，两侧路肩上各有1条信号电缆沟，内埋3条区间信号电缆。在铁路左侧距线路中心3.8m处有铁路电力贯通线。
桥梁S2号墩邻近既有线，承台距安全限界最近为9.1m，墩身高24.74m，箱梁60m主跨需跨越既有线施工，梁底距安全限界最低净空为16.4m。
1.3 主要施工方案
钻孔桩采用大扭矩全液压动力头钻机成孔、垂直导管法浇筑水下混凝土；承台基坑深度达5m且邻近既有线，采用钢板桩围堰支护施工；墩身采用翻模法施工；箱梁0号块采用落地支架现浇并临时锁定，然后安装挂篮并预压试验，对称悬浇施工。
2 跨既有线施工关键技术
2.1 邻近既有线S2号墩承台基坑设计与施工
S2号墩承台基坑深度达5.2m，承台边缘距既有线安全限界最近处9.1m，地质情况为淤泥质粉质粘土、粉细砂组成，施工季节为2011年4～5月份，尚未进入长江主汛期，无地下水影响。为节约开挖空间、保护既有线路基稳定，采用钢板桩围堰的基坑支护方案。围堰采用12m长拉森Ⅳ型钢板桩，顶端设一道内支撑，以支撑钢板桩受力、控制围堰顶端水平位移，进而保证地表土体和既有线路基的稳定[2]。
2.2 S2号墩箱梁0号块支架设计
0号块支架计算工况分为0号块混凝土浇筑、墩梁固结状态，其中①0号块混凝土浇筑工况，分别对钢管混凝土柱、托架、横桥向分配梁、底模排架、外侧模爬架进行了结构计算，其中托架变形为1mm、弯曲应力41MPa，钢管混凝土柱承受竖向荷载975kN，承载力设计值为8273kN，均满足要求。②墩梁固结状态工况，计算荷载考虑：梁体重量施工偏差即一端为理论值、另一端为理论值的105%；一端挂篮坠落、坠落重量300kN，位置为6号节段与边跨合拢段相交处；另外考虑20年重现期的横向和竖向风荷载。三者组合计算最不利工况钢管混凝土柱竖向荷载为5909kN，小于承载力设计值8273kN。 2.3 S2号墩挂篮荷载试验
S2号墩靠近既有线一侧挂篮拼装后需进行原位荷载试验，采取斜拉重力式地锚原位试验方案（见图2），具体做法：①邻近既有线路基边缘就地浇筑重力式地锚，预埋拉结结构，共布置2个地锚，各设1个拉结点；②挂篮上横梁安装斜拉吊点及Ⅳ级冷拉钢筋吊带，挂篮设置抗剪装置与箱梁0号块固定；③将挂篮试验荷载换算为2个斜拉吊点拉力，布置监控量测点位，分级对挂篮进行加载和检测记录。
2.4 跨线防护棚架设计
防护棚架的设计要求能抵御除挂篮、混凝土、人员坠落之外的施工荷载，包括钢筋、散拼模板、施工机具三类，具体分析见表1。
防护棚架顶面应采用缓冲吸能材料消耗坠落物的冲击动能，同时将冲击力分配至梁柱结构直到基础。采用梁跨式结构设计防护棚架，在既有线路基两侧设置钢筋混凝土扩大基础，基础上设一排？准1.2m钢管柱，柱顶设单层带加强弦杆贝雷梁，其上布置I40型钢，防护面层为三层50mm木板+10mm钢板（见图3）。对防护面层进行计算，杉木或松木弦向冲击韧性可达37kJ・m-2[3]，不计入钢板影响计算钢筋、散拼模板、施工机具坠落缓冲能力可3.55kJ、27.8kJ、3.3kJ，均大于其动能；冲击点位于防护面层跨中时还应计算木板抗弯能力，取木材TC13等级抗弯强度设计值为13MPa[4]，三层厚50mm、宽250mm、跨径1.5m的木板可承受12.2kN的冲击力，根据动量与冲量换算公式，坠物与防护面层缓冲时间在25ms以上即可满足要求，综合考虑增加钢板的防护能力，面层设计可行。冲击力分配至I40型钢、贝雷梁、钢管柱、扩大基础并相应进行检算，均满足设计要求。
3 安全控制重难点及应对措施
3.1 施工天窗封锁要点的计划与实施
根据《铁路营业线施工安全管理办法》对营业线施工等级划分的规定，普速干线封锁6h及以上的施工为Ⅰ级；封锁4h及以上的施工为Ⅱ级；其他施工为Ⅲ级。
施工天窗封锁要点计划见表2。
经过严格辨识施工天窗共申请10次，分为防护棚安装、拆除、挂篮走行、节段浇筑四类，根据具体工序时间分析，采取相应的技术措施和设备投入，单次耗时分别控制在5h、5h、3h、5h以内，避免申请Ⅰ级施工，降低了申请计划的审批难度，实际施工中10次计划均及时批复、顺利组织实施。
3.2 钻孔桩塌孔及应对措施
为防止塌孔造成既有线路基垮塌，采取以下应对措施：①采用长6m的钢护筒分散钻孔设备荷载压力，并保持表层土体稳定。
②泥浆池远离既有线并用防渗砂浆砌筑，采用泥浆泵抽吸循环。
③采用全液压动力头钻机钻孔，砂层中钻进时，适当加大泥浆比重和黏度，降低钻进速度。
④配置泥浆分离器分离泥浆杂质，保证泥浆护壁能力。
⑤设置路基观测点并进行位移监测，定期对道碴进行补充和振捣加固。
3.3 挂篮坠落及应对措施
悬浇施工挂篮坠落的事故屡有发生，在既有线上坠落将导致更为严重的连锁反应和次生灾害。
应对措施为：①挂篮走行时除正常后支点反扣外，在下弦杆增设防坠保险结构（见图4）。
②挂篮浇筑时后锚固拉杆在计算值基础上双倍设置。
③挂篮每侧底平台增设4台20t导链与上横梁连接。
3.4 物体打击伤害及应对措施
既有线运营时，列车遭受物体打击将可能导致线路中断、列车脱轨毁坏、人员伤亡等重大事故，必须确保万无一失。
应对措施为：①挂篮走行、浇筑时申请天窗封锁施工。
②较大施工荷载均采取可靠的支承或吊挂措施，杜绝坠落的可能。
③成批次钢筋从挂篮后侧吊装上桥，人工搬运至前端安装。
④仍有可能坠落的钢筋、散拼模板、施工机具三类，设计安装防护棚架进行防范等。
3.5 S2号墩0号块支架拆除
S2号墩0号块支架拆除邻近既有线且处于箱梁下受限空间，钢管混凝土柱重量大、稳定性差、大型吊装设备无法使用，易发生倒塌事故。
采用了两种拆除方案：①远离既有线一侧的钢管混凝土柱先用2根50米长的钢丝绳一端拴在要拆除的钢管混凝土顶部，另一端通过手拉葫芦连接拴于7号墩承台，然后在钢管混凝土底部切除10cm宽的钢管，露出混凝土并用电钻沿牵引方向凿一道小口，用手拉葫芦拉紧钢丝绳使钢管混凝土顺牵引方向整体倾倒。
②靠近既有线一侧的钢管混凝土柱则采用分段切割吊装拆除，具体做法：先将柱顶与箱梁底板间钢楔块割除并凿除50cm混凝土，然后在柱身划分切割线、焊接吊点和作业平台，利用箱梁预埋孔将立柱首节吊挂于梁面后，操作金刚石绳锯快速沿切割线割断立柱，在割断后的柱段底部栓挂缆风，利用吊点千斤顶起吊柱段并用卷扬机牵引缆风绳，将柱段落于地面（见图5）；后续钢管混凝土柱分解为高3m、重量6t的柱段采用50t汽车吊机吊放即可。
武汉二七长江大桥武昌岸引桥需跨越武九铁路，其连续梁主墩距离既有线较近，挂篮需跨越既有线上空施工，施工安全风险很高。实践证明，该桥通过对邻近既有线箱梁0号块支架特殊设计、采取斜拉重力式地锚配重进行挂篮荷载试验、采用梁跨式钢木组合面层防护棚架设计，以及采用施工天窗封锁要点计划、采取措施防范钻孔桩塌孔、挂篮坠落、物体打击、管线破坏、0号块支架拆除等重大安全风险，保证了该桥安全、优质、按期完成，确保了施工过程既有线安全运营。
其中箱梁0号块支架采用现浇支架与墩梁固结一体式设计并分段切割、牵引吊放拆除钢管混凝土柱，挂篮采用斜拉重力式地锚原位试验方案及防坠落措施，防范物体打击冲击荷载防护棚架研究设计针对性强、实施效果良好，可为类似上跨铁路立交桥施工提供借鉴和参考。
参考文献：
[1]中华人民共和国铁道部.TG/CW106-2012铁路营业线施工安全管理办法[S].北京，2012.
[2]李哲宇.黄河铁路大桥跨越京广线既有线施工风险研究[J].建筑科技与管理，2012（11）：1-5.
[3]王佑宏，江泽慧，费本华，等.木材冲击韧性含水率修正模型的研究[J].南京林业大学学报，2009，33（3）：93-94.
[4]中华人民共和国建设部.GB50005-2003木结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
