大跨度桥梁无砟轨道单元动态化施工技术研究

大跨度桥梁无砟轨道单元动态化施工技术研究

胡海

（广东路宏达检测技术有限公司  佛山  528100）

摘  要：对广佛环城际铁路东平水道特大桥(96+176+96)m矮塔斜拉桥无砟轨道施工进行了方案研究，为确保成桥后无砟轨道施工精度，提出了一种大跨度桥梁无砟轨道分阶段单元化动态化线性控制施工技术，分别在主梁施工阶段、桥塔施工阶段、拉索施工阶段及“二恒一”施工阶段进行有限元分析，通过理论计算与实际数据对比修正计算模型，使模型计算值与现场实际变形值相吻合，在无砟轨道施工阶段通过单元验证修正模型精确度，达到后续单元理论计算精准指导实际施工的目的，最终实现大跨度桥梁无砟轨道施工精度毫米级的要求，可为今后类似大跨度桥梁无砟轨道施工提供一定的参考。

关键词：大跨度  无砟轨道  分阶段  单元化  动态化

1 工程概况

广佛环城际铁路东平水道特大桥主桥设计为（96+176+96）m双塔双索面PC矮塔斜拉桥。采用塔梁固结、墩梁分离的结构体系，主梁为三向预应力钢筋混凝土结构，桥塔采用钢筋混凝土结构，斜拉索采用交叉锚、双索面扇形布置。斜拉桥主跨跨越东平水道，东平水道属北江水系，为国家规划Ⅱ级航道。该桥是目前国内城际铁路最大跨度的矮塔斜拉桥，线性控制是施工中的关键，而无砟轨道施工[1]又是线性控制的重要环节。

2  无砟轨道线性控制施工技术

2.1  传统工艺及存在问题

目前大跨度桥梁无砟轨道线性控制多采用传统预压方式，也有部分采用模拟计算、一次性浇筑方式。第1种方式通过预压得出实测变形值，根据实测变形值对设计变形值进行修正，进而在无砟轨道施工中通过设置预拱度进行线性控制。但在施工过程中，预压荷载和加载位置的准确性难免存在误差，从而测出的变形值本身就存在误差，导致无砟轨道预拱度设置值精度不高[2]。第2种方式对于线性控制来说精度大大提高，但是对于工装、人员机具的配置要求极高，导致施工组织及成本控制压力极大，同时一次浇筑对于计算变形值缺少验证环节，难以保证计算变形值和实际变形值的吻合度。

2.2  工艺介绍

针对目前大跨度桥梁无砟轨道线性控制施工现状，结合东平水道176m矮塔斜拉桥具体情况，通过深入分析，研究了一种无砟轨道单元化动态化线性控制施工技术，较好的克服了以上问题。

线形控制阶段划分见表1。

表1  线性控制阶段划分

主梁施工过程中主要控制立模标高、斜拉索张拉力[3]和主梁最不利受力截面的应力，过程中应高度重视混凝土浇筑前后、张拉前后、挂篮行走钱后、拉索施加拉力前后八个工况，准确的反馈现场数据给监控单位，并结合施工线性控制的要求，尽可能减小理论指导误差，现场施工误差和测量误差，做到准确控制施工立模高程，确

保箱梁受力和线形控制在规范要求的允许范围内，为后期的无砟轨道线性控制奠定基础，主梁施工如图1。

图1 斜拉桥主梁施工

斜拉桥斜拉索的工作状态是衡量斜拉桥是否处于正常运营状态的重要标志之一，施工阶段斜拉索的工作状态是影响桥梁将来的内力和线型的重要因素之一。在建桥施工阶段及全桥合拢后均需准确测定斜拉索的索力并将其调整到设计允许误差以内，对保证施工安全及斜拉桥的设计线型是非常重要的。

“二恒一”施工过程中，主要通过施工前后的实测变形值与理论变形值[4-5]对比检验结构实际刚度和模型计算的吻合程度，为”二恒三”施工预拱度设置奠定基础，模型如图2。

图2 斜拉桥计算模型

“二恒二”施工主要消除悬臂施工过程中梁面标高误差过大的情况，确保“二恒三”的结构尺寸符合设计要求，同时通过施工前后的实测变形值与理论计算值之间的对比[6]，进一步验证模型与结构实际刚度的吻合度。

“二恒三”施工为线性控制最重要、最关键的环节，通过本阶段的精细化控制达到消除之前各个阶段累计误差、预留“二恒四”变形值的目标。东平水道矮塔斜拉桥总长368m,二恒三共分为7个各不相等的单元，从单元1到单元7依次施工，并且在施工过程中通过上一单元的实测变形值修正下一单元的预拱度，实现单元化施工，动态化监控，最终实现无砟轨道轨顶标高毫米级的

高程误差控制。单元划分及无砟轨道施工如图3、4。

“二恒四”施工为无砟轨道线性控制施工的最后以一步，也是非常关键的一步，通过前期施工对模型计算参数进行修正，保证了模型和现场实际的吻合度，提前预留本阶段的预拱度，以确保无砟轨道施工完成后轨顶标高与设计轨顶标高一致。

全桥二期恒载施工完成后，通测全桥轨顶标高，与设计轨顶标高相对比，检验无砟轨道单元化、动态化线性控制施工的精度。

按照规范要求的频次对桥梁徐变进行观测。

图3 无砟轨道单元化划分

3  施工工艺流程及操作要点

施工工艺流程如下图4所示。

图4 施工工艺流程图

主梁施工线性控制、拉索索力监控线性控[7]两个阶段本文不再赘述，以下主要对影响无砟轨道线性控制的二期恒载进行分析、计算，主要包括竖墙A、竖墙B、竖墙C、防护墙、混凝土栏杆、钢栏杆、底座板、道床板、防水保护层、钢轨及线路设备等，荷载值计算如表2所示。

表2  荷载计算表

（2）理论变形计算

根据设计图纸及相关资料，采用MIDAS软件建立斜拉桥计算模型，通过对计算模型按顺序施加“二恒一”、“二恒二”、“二恒三”、“二恒四”，运行分析得出桥梁结构的理论变形值，为理论指导施工，施工修正理论做准备。

4  二恒施工

（1）“二恒一”施工，斜拉桥主梁合拢后，在斜拉索初张力满足设计要求的前提下，采集变形观测点初始值，按线性控制流程施工“二恒一”，“二恒一”全部施工完成后，再次在对应位置采集变形观测点数据，通过前后两组数据计算“二恒一”施工完成后主梁的实际变形值，通过对理论值与实际值的对比分析，初步验证理论变形值与实测变形值的吻合度，具体如图5。

图5 二恒一施工主梁理论变形与实际变形对比图

通过上图对比分析，理论值与实际值的最大差值处于跨中，最大值为0.78mm，说明计算模型的刚度与桥梁实际刚度基本吻合。

（2）“二恒二”施工，“二恒一”施工完成后，按线性控制流程施工“二恒二”，在“二恒二”全部施工完成后，采集观测点数据，通过施工前后两次观测数据的差值得出“二恒二”施工主梁变形值，进一步验证计算模型与现场实际的吻合度。

（3）“二恒三”施工为线性控制最重要、最关键的环节，通过本阶段的精细化控制达到消除之前各个阶段累计误差、预留“二恒四”变形值的目标。该段无砟轨道设计处于平坡段，通过“二恒三”单元化动态化线性控制，使最终成桥后的线性能够满足设计要求[8-9]。根据线性控制流程由单元1开始依次施工至单元7，施工中需通过上一单元的现场实际变形值修正下一单元的预拱度。

设计目标：二期恒载上桥后，确保轨面标高与设计标高一致。

控制方法：东平水道矮塔斜拉桥总长368m,施工中分7次完成道床板浇筑，即划分为7个单元施工，施工顺序从单元1到单元7，根据理论变形值设置单元1预拱度，浇筑完成后通过实测变形值与理论变形值的对比修正单元2的理论变形值，依次循环施工至单元7。

控制流程：

1、单元1施工

第1步、单元1全长52m，施工前首先对全桥设置在节段端头防护墙内侧的观测点进行初始值采集，采集数据需按二等水准测量精度要求形成闭合水准线路，数据采集完成后将所测数据按格式录入电脑。

第2步、采用三维空间梁单元建立全桥有限元模型，该模型经前期施工阶段采用实测数据对设计参数进行识别修正，具有足够的计算精度。根据梁上各单元荷载的大小和范围，将实际荷载换算为模型中的梁单元荷载进行加载计算，从而计算预测每一轨道施工阶段主梁的理论变形值，该值用于指导现场轨顶标高控制。

第3步、根据设计轨顶标高及理论变形值确定单元1道床板施工轨顶标高。

第4步、根据单元1施工轨顶标高精确调整单元1轨面高程，并进行有效加固，防止施工过程中轨顶标高除发生梁体变形外引起的不可控变化[10]。

第5步、单元1浇筑完成24小时候后按第一步采集数据过程二次采集观测点数据[11]，并将采集数据录入电脑，通过两次数据的差值得出单元1施工后主梁实际变形值。

第6步、通过对比发现理论数据与实测变形数据最大存在0.28mm的误差，偏差较小，所以对单元2理论计算值不做修正，按照理论计算设置单元2的预拱度。

2、单元2施工

全长65米，单元2施工完成后，测量队立即组织人员对单元2施工后的实际变形值进行了测量，并与单元1施工后的数据分析进行了对比，通过对比发现，单元2理论计算变形值不需要修正，所以根据设计轨顶标高及单元2理论变形值确定单元2道床板施工轨顶标高，单元2施工轨顶标高详见表3。

表3  单元2轨顶标高详表

按照单元1施工步骤施工完成单元2后，第三次采集观测点数据，并将采集数据录入电脑，通过前后两次数据的差值得出单元2施工后主梁实际变形值。单元2理论变形值值与实测变形值对比如图6。

图6 单元2施工主梁理论变形与实测变形对比

通过对比发现，单元2理论计算变形值与现场实测变形值在跨中位置出现最大2.9mm的差值,说明单元2理论计算变形值与现场实测变形值不吻合，从测量、施工、计算多角度分析，最终发现计算荷载与现场实际施工荷载不一致，从而致使理论计算值比现场实际变形值大了2.9mm。原因分析清楚后，对后续单元的荷载值进行了二次计算（以现场实际荷载为准），进而修正模型计算参数重新计算理论值。

3、单元3修正后的变形值及施工完成后的实测变形值详见表4，如图7。

表4  单元3修正后预拱度

图7 单元3施工主梁理论变形与实测变形对比折线图

从上图可知，单元3通过预留修正后的预拱度，实际施工完成后，实测变形与修正后的预拱度基本吻合。

4、单元4、单元5、单元6、单元7同上按相同的方法预留预拱度，现场实际施工完成后理论值与实测值基本吻合，如图8。

图8 单元4-7施工主梁理论变形与实测对比折线图

（4）二恒四施工。二恒四施工时注意对已完结构的保护，同时待二恒四全部施工完成后对全桥轨道进行复测，复测结果与设计相对比，判定无砟轨道线性控制是否合格，具体线性如图9。

图9 全桥设计标高与现场实际误差折线图

通过上图可知，无砟轨道施工线性与设计线性之间的差值均在2mm以内，可判定通过单元化施工、动态化监控[12]，该桥的无砟轨道实现了线性控制毫米级的要求，同时也验证了该工法的可行性，为后续的大跨度桥梁无砟轨道施工积累了宝贵的经验。

5  结束语

广佛环城际铁路东平水道特大桥主桥（96+176+96）m双塔双索面PC矮塔斜拉桥无砟轨道通过分阶段、单元化、动态化线性监控施工，取得了以下成效：

（1）提高了施工精度。相比传统工法，该工法根据现场实际分工况通过软件准确计算，消除了预压误差，避免了工况间的相互干扰，通过分阶段施工、动态化监控实现了无砟轨道精度控制精细化。

（2）节约了成本。该工法取消了预压模拟，大大减少了机械设备，人力物力的投入，为项目建设节约了成本。

（3）提高了施工效率，该工法通过软件模拟计算，取消预压模拟，减少了施工工序，消除了施工干扰，加快了施工进度。

（4）该工法可适用于受场地限制、工装不足的大跨度桥梁无砟轨道施工，可灵活应用，能够根据现场施工组织随时调整，更容易推广应用。

参考文献

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