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京张铁路官厅湖特大桥主桥施工方案研究

  • 来源:中国工程项目管理网
  • 作者: 韩 巍
  • 发表于:2017-02-13 15:46:31
  • 点击:1336

摘  要:京张客专官厅湖特大桥,全长 9.07km,其中跨越官厅水库的主桥为 8-110m 变截面简支钢桁梁。结合该桥水文地质情况和主桥的特点,主要研究了大临工程方案、主桥基础和墩身施工方案以及上部结构施工方案。重点论述了上部结构施工,通过三方案比选,最终选定质量、安全、工期有保证的顶推施工方法。

关键词:官厅湖特大桥;主桥施工;方案研究

1工程概况

新建京张铁路是北京至张家口的客运专线,是京津冀城际铁路网的重要组成部分,最高时速 350km/ h。官厅水库特大桥位于河北省怀来县东花园乡和狼山乡之间,跨越官厅水库,与京藏高速官厅水库大桥并行,高速公路位于线路左侧,大桥位置示意图见图1。

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官厅水库特大桥位于河北省怀来县东花园乡和狼山乡之间,跨越官厅水库,与京藏高速官厅水库大桥并行,高速公路位于线路左侧。桥跨布置:36-31.5m+1-23.5m+1-31.5m+1-(40+64+40)m 连续梁+3-31.5m+3-23.5m+69-31.5m +1 -23.5m +110 -31.5m +8 - 110m 钢桁梁+21-31.5m+1-23.5m+1-31.5m。桥全长9077.89m。主桥为(P227~P235)8-110m 简支变截面钢桁梁上跨官厅水库,边墩 P227、P235 分别位于水库南、北两岸(P227 位于浅水区),主墩 P228~P234 为水中墩。主桥主体结构形式见图2。

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据现场调查,墩位水域宽度约 800m,水深约10m,水位随季节性变化幅度为±1m,流速较慢,利于水中墩施工。桥位处陆上土壤最大冻深 0.99m,冬季水面最大冰层厚度 0.66m,河床流塑性覆盖层最大厚度 2.5m。

主桥的主要结构

①钻孔桩

基础均采用直径 φ2.5m 摩擦桩。其中边墩 P227、 P235 设计为 12 根桩,水中墩 P228~P234 为 15 根。南岸 P227 墩,桩长 77m,北岸 P235 墩,桩长60m;水中墩 P228~P234 桩长 76m~90m。

②承台

承台均采用矩形结构形式。

承台 P227、P235 结构尺寸为:23.8m×17.2m×5m,单个承台混凝土方量:2047m3;

水上承台 P228~P234 为高桩承台,承台底距河床面高度约为 2.5m,结构尺寸为:30.4m×17.2m×5m,单个承台混凝土方量:2614m3。

③墩身

边墩 P227、P235 采用双柱式+单柱式矩形截面桥墩,主墩 P228~P234 采用双柱式矩形截面桥墩,双柱式墩柱之间墩顶以下 2.2m 处设一道横梁。墩高16.4m~20.07m,墩顶设球形钢支座。

④上部结构钢桁梁

上部结构钢桁梁为简支结构,采用变高曲弦拱形桁式。拱形桁架计算跨度为 108m,结构长度为109.7m。跨中桁高 19m,桁宽 13.8m,节间长 10.8m,支座距梁端 0.85m。单孔钢桁梁杆件重约 2120t,混凝土桥面板 218m3。最大单个杆件为 E0、E1,重量为 54t,其余杆件重量约 10t~40t。

2工程特点、重点及难点

2.1 工程特点

2.1.1 工程意义重大,铁路等级高新建京张铁路是京津冀城际铁路网的重要组成部分,对于加强京张两地合作意义重大;另外这条铁路的修建也为北京近郊城际铁路的发展及 2022 年申办冬奥会提供了交通保障。本铁路为客运专线,最高速度按 350km/h 标准设计,铁路等级高,施工标准高。

2.1.2 桥梁结构新颖,施工技术含量高,施工方法创新官厅水库特大桥主桥采用 8 跨 110m 变高度简支钢桁梁跨越官厅水库,主桥结构新颖,造型优美;主桥桩、承台和墩身位于水中,主桥采用 8-110m 简支钢桁梁桥顶推施工,施工技术含量高。

2.1.3 官厅水库风大、温度低,冰冻厚、主桥施工难度大官厅水库特大桥主桥地处张家口进北京的“风口”区,常年多大风,持续时间长;冬季寒冷漫长,气候干燥,官厅湖内冻结深度 0.98m,  平均冰冻厚度0.61m,结冰期从 11 月中旬至第二年 3 月中旬,结冰期长达 4 个月,主桥施工难度增大。官厅水库特大桥主桥跨越官厅水库,水库属于三级水资源保护区,环保要求非常高。

2.2 工程重点及难点

①官厅水库特大桥主桥跨越官厅水库,水库属于重要水源保护区,环保要求非常高,钻孔泥浆及基坑开挖弃土等废渣的妥善处理为本桥施工重点。

②桥位处地质条件较差,覆盖层有很厚的淤泥质黏土,地基承载力很低,岸上各项临时设施及设备基础的地基处理为本桥施工难点之一。

③桥址处风大、频率高,冬季气候寒冷,各项临时设施基础防冻融破坏和大型构件起重吊装安全管控为施工重点。

④桩基直径 2.5m、设计桩长达 90m,实际钻孔深度约达 112m,大直径、大桩长的钻孔桩施工为本桥施工难点之一;同时,桥梁工后沉降要求很高,桩底沉渣厚度的控制为施工重点。

⑤P228~P234 墩承台底均高于河床面约 2~3m,P227、P235 墩承台底均置于淤泥质黏土层,围堰基底处理及封底质量控制为本桥施工难点之一;同时,承台厚度高达 5m,大体积混凝土温控防止开裂为施工重点。

⑥墩身高度较高,分次成型。墩身与承台之间的龄期差、大体积砼温控防止开裂及其外观质量控制为施工重点。

⑦主桥设计为 8-110m 简支钢桁梁结构,采用顶推施工,施工过程中须将每 4 孔简支钢桁梁先形成连续结构,然后再实施顶推,待顶推到位后再转换成简支体系,施工过程中结构受力复杂、工序转换多、工艺复杂,钢桁梁大吨位、长距离顶推精确就位为本桥施工难点之一;钢桁梁拼装支架及顶推系统设计施工质量控制、主体结构的体系转换等为施工重点;同时,钢桁梁现场拼装及防腐涂装质量控制为施工重点。

⑧本桥施工周期较长,期间将多次跨越冬季,须暂停施工,施工组织安排与施工工艺要求的匹配性及合理性为施工重点。

3主要大临方案的选择

官厅水库特大桥主桥跨越官厅水库,桥梁基础位于水库中,水深约 10m,桥位无通航条件,基础施工时需搭设栈桥。上部结构施工需在官厅水库两岸设置钢梁存放及预拼场,并分别在引桥 P218~P227 和 P235~P244 墩之间搭设钢桁梁拼装支架,拼装支架与引桥桥墩相结合,构成钢桁梁整体拼装支撑体系。

根据全线工程分布及交通运输情况,共设置 2 处混凝土集中拌和站。

3.1 混凝土搅拌站

两岸各设置 2×HZS120 搅拌站一座,北京岸搅拌站设在 DK97+332 线路的右侧,占地约 19 亩;张家口岸搅拌站设在 DK99+175 线路的右侧,占地面积约14亩。

3.2 钢筋(钢结构)加工场地

拟在北京岸 DK97+460 线路右侧设置大型钢筋(钢结构)加工场地,兼作材料的堆放场,占地 37 亩。划分相应的区域作为全桥需用的钢管桩、钢护筒、双壁钢围堰等钢结构制作场地,划分相应的区域作为北京侧主体结构钢筋加工场地。

拟在张家口岸 DK99+072 线路右侧设置钢筋加工区,兼作材料的堆放场,占地面积为 20 亩,负责张家口侧主体结构钢筋加工场地。

3.3 栈桥

桥位处官厅水库的水域宽度约为 740m,受线路左侧已有高速公路的限制,栈桥拟设置在线路的右侧,栈桥采用钢管桩+贝雷梁便桥,宽度为 8m,并在主墩位处设置 6 ×26m 加宽平台,栈桥累计长度为950m,作为各种材料、双壁钢围堰分片运输、大型机 具设置的行车通道。

3.4钢梁存放、预拼场

北京岸钢梁存放、预拼场地设置 DK97+700 线路的左侧,张家口岸设置在 DK99+400 线路的右侧,各占地约 12.5 亩。

3.5钢梁提升拼装区

北京岸在 DK97+930~DK98+050、张家口岸在DK99+000~DK99+120 各设置 2 台 80t(Lp=50m)龙门吊,作为钢梁提升拼装的起吊设备。

3.6生活、生产用水

筑建徽安 应与究研程工两岸均打井取水,以供生活、生产用水。

3.7生活、生产用电

工地用电由附近高压线路 T 形接入,北京岸在搅拌站侧设置 1000kVA+630kVA 各 1 台,张家口岸设置 1000kVA 变压器一台,现场采用架空线路沿便道布置,沿栈桥上设置电缆槽道接入主桥的各个墩位。另配备 3 台 350kW 的发电机组作为应急电源。

4主要施工技术方案的选择

4.1下部施工方案

4.1.1 钻孔桩施工

主桥钻孔桩施工均选用 KTY3000 旋转钻机成孔。水中墩 P228~P234 钻孔桩施工时采用栈桥+钻孔平台方案。水中墩钢护筒防护长度约为 25m。

4.1.2 承台施工

P227、P235 墩陆上承台采用拉森 VI 钢板桩围堰支护开挖。

P228~P234 墩水中承台基础施工采用先平台后围堰施工方案。围堰采用双壁钢套箱围堰结构,分段、分块拼装,之后利用钢护筒设置提升下放装置下放至设计位置,并浇筑封底混凝土。100t 履带吊机配合吊装作业。

主桥大体积承台混凝土均一次浇筑完成,注意混凝土水化热冷凝处理。封底混凝土和承台之间设置隔离层,桥墩施工完成后,拆除围堰。

4.1.3 墩身施工

墩身施工与承台施工连续进行,墩身混凝土浇筑在承台混凝土浇筑后 14d 内进行。承台以上 10m 墩身一次性浇筑完成,2 节墩身之间混凝土浇筑间隔不超过 3d。墩身分节段施工缝避开冰冻区。

4.2上部结构施工

主桥上部采用 8-110m 简支变截面拱形钢桁梁结构,拱形桁架计算跨度为 108m,结合该桥水文地质及基础施工布置,提出了架梁吊机悬臂拼装法、支架法和双向顶推架梁三种架设方案。

4.2.1 架梁吊机悬臂拼装法

首先在首孔位置布置膺架,前 4 个节间采用高架龙门吊机架设,其余 6 个节间由架梁吊机逐节架设。其他孔跨采用临时吊索塔架,架梁吊机架设,因该桥位于水源保护区,减少临时墩对环境的影响,采取吊索塔架辅助,逐孔向主桥中跨推进。方案示意见图 3。

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4.2.2 支架法

在桥位搭设钢管桩支架,利用栈桥上的轮轨式动臂塔吊进行钢桁梁架设施工的方法。方案示意见图4。

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此方案栈桥需加宽至 10m,并在走行轨道底部加密布置钢管桩,纵向钢管桩间距拟定为 4.5m,钢管桩直径采用 φ0.8m,壁厚 δ=1.5cm,纵向分配梁采用加密贝雷梁布置,以满足自重 200t 轮轨式起重机承力要求。起重机底部采用门式结构,横桥向起重机的支腿跨度为 8m,结构内部净空为 5×6m,栈桥上的运输设备下穿轮轨式起重机。利用轮轨起重机打入φ1.2m 钢管桩作为支撑桩,设置在钢梁每个节点投影点以下,每排为2根,单跨需 16 根钢管桩。

4.2.3 顶推施工法

主桥两端引桥区段各设置 268m 拼装支架,引桥及主桥桥墩处设置墩旁托架。采用 2 台 80t 跨墩门吊进行拼装,顶推方向前端设置 68m 钢导梁。

首次在支架上拼装第三、四、五、六孔钢桁梁,顶推268m。之后继续拼装第一、二、七、八孔钢桁梁,顶推220m 就位。方案示意见图 5。

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三种方案比较第一方案钢桁梁必须由设置的简支钢桁梁变为临时的连续钢桁梁,上弦杆的曲线轴线需要增加临时杆件变为平弦方能满足架梁吊机及吊索塔架的走行和作业。钢梁需要设置岸上提升站提升至铁路桥面上,通过平车运送至待架墩位进行架设。此外吊索塔架较高,在本工程所在地区大风天气须对吊索塔架采取特别的锚固措施。第二方案具有拼装过程中钢梁受力清晰,不会破坏钢梁的主体结构等优点。但是支架处水深约 14m,长约 900m,采用支架时间约 2 年,需分别经历 1~2 个冬歇和防汛期,支架带载过冬,遇上冰凌等,存在一定工期和安全风险。第三方案可降低施工安全风险,提高施工效率,减短施工时间,但是同步性要求高,控制难度大。

这三种方案都是可行的,根据项目总体工期调整要求考虑主桥为 32 个月(不含施工准备,包含 3 个冬季施工期),工期压力较大,而且在水库中满布拼装支架,安全风险大,环境影响大,通过比选确定采用了第三种方案。

5结语

特大桥施工技术复杂,施工周期长,且桥位水文地质及施工条件各不相同,认真做好重点项目前期施工方案,便于提前组织各类资源,做好项目成本管控,减少过程中的窝工和重复投入,保证项目建设的顺利实施至关重要。

参考文献

[1]王伟宁,张利英.钢梁施工多点同步对推技术及质量安全控制[J].铁道工程学报,2010(5).

[2]高宗余,郑州黄河公铁两用桥技术创新[J].桥梁建设,2010(5).

[3]许颖强,尹筱.郑焦城际铁路黄河桥钢桁梁顶推施工控制关键技术[J].世界桥梁,2014(5).


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