本站原创摘 要 ：本文通过向莆铁路京山特大桥空心高墩的施工实践,阐述了铁路双线变截面圆端形空心薄壁高墩群施工方案的选择及其快速施工技术,重点介绍了模板、钢筋连接、起重、混凝土输送、墩身封顶、人行通道施工的方案比选及相应的各种施工工艺,为今后的类似工程总结施工经验.
关 键 词 ：变截面；圆端形；空心薄壁高墩群；施工方法；施工技术
1.工程概况
向莆铁路（江西向塘至福建莆田）京山特大桥位于福建省永泰县长庆镇梅楼村,中心里程DK453A+280.688,全长1149.855m；设计为铁路双线,桥墩采用变截面圆端形空心薄壁高墩,基础除桥台采用扩大基础外,其余均采用钻孔桩基础,全桥共30个桥墩,平均高度52m,超过50m的墩身共20座,其中4#墩最高为73.35m,空心墩身外坡比采用35:1,内坡比根据墩身高度不同采用55:1、70:1、80:1三种,墩身底部设置高250cm～750cm不等的实心段,墩身顶部设计为圆端形顶帽,空心段壁厚50cm～167.2cm,空心段上下各设高100cm倒角；墩底最大尺寸为4#墩长A1477.1cm×宽B1097.1cm,圆端直径R等于1097.1cm,中间直线段宽L等于380cm,墩底实心段高H1等于750cm,墩顶实体段高H2等于500cm,壁厚b等于70cm～167.2cm；上部结构设计有3联（40+64+40）m预应力混凝土悬灌梁,线间距4.6m～5.0m,悬灌梁中支点梁高为5.2m,跨中梁高为2.80m,梁体为单箱单室、斜腹板、变高度、变截面结构,箱梁顶宽12.2m,底板宽度6m.梁部主体采用C50高强混凝土,普通钢筋采用Q235和HRB335级别,预应力采用三向预应力体系.
2.施工方案比选
京山特大桥作为向莆铁路第一高桥,是全线的重点工程,施工方案的选择将直接影响工程的施工进度、质量和安全,为了能够满足业主的总体工程要求,在施工前进行了详细的方案比选：
2.1 模板方案选择
根据以往类似工程的施工经验,目前高墩施工主要有三种施工方法：滑模、爬模、翻模.一是滑模方案,滑模主要是将模板悬挂在工作平台的周围上,沿着所施工的混凝土结构截面的周界组拼装配,并随着混凝土的灌注由千斤顶带动向上滑升,优点是采用干硬性混凝土连续作业,施工速度快,可用于直坡墩身和斜坡墩身,缺点是结构复杂,工艺要求高,设备投入大,混凝土表面和内部质量不稳定,滑升高度受限制,施工精度低；二是爬模方案,爬模是以空心墩已经凝固的混凝土为支撑体,利用自身携带的提升爬架,以液压顶升油缸为爬升设备主体进行爬升,主要用于空心高墩,优点是模板、平台、支架一体,机械化程度高,劳动强度低,施工安全方便,工序少,质量好,缺点是如果墩身变坡度,模板调整困难；三是翻模方案,这种模板系统依靠混凝土对模板的粘着力自成体系,随着混凝土的浇筑,下面一层模板向上翻滚,依次循环直至设计标高,主要用于不变坡的方墩,这种模板优点是制造简单,构件少,费用低,施工灵活,施工速度快,混凝土接缝易于处理,便于模板误差调整,缺点是对起吊设备依赖性强,如果变坡度墩身模板尺寸调整困难.
根据以上三种高墩模板施工方案对比,结合京山特大桥空心墩内外均收坡,同时圆端直径不断变化的特点,项目部最终选取了类翻模施工工艺,即根据每个墩身中间直线段L的尺寸不变,圆端模板直径R自下向上不断减小的特点,直线段平模采用翻模的施工工艺,圆端模板以全桥顶口圆端半径尺寸最小处作为模板顶口,以全桥底口圆端半径最大尺寸为模板底口1.5m为一节加工全套模板,根据各个桥墩顶、底口尺寸调整模板节段长度,保证每个桥墩顶、底口处尺寸单独成节.施工时中间平模直接向上翻升,圆端模板根据圆端直径选取,同时将施工完毕的的圆端模板转移到其他墩使用,各墩之间形成自带支架模板流水法施工作业,确保多个墩身基本保持同时施工.根据实际使用情况看,这种方案能够同时施工15个墩,满足总体施工工期要求.
2.2 墩身竖向钢筋连接方案选择
目前桥梁施工钢筋连接方式主要有闪光对焊、电弧焊、直螺纹套筒连接.闪光对焊连接方式主要用于钢筋方便倒运、低空或水平作业的部位,对对焊机操作人员的技术水平要求较高,不适用于直径较细的钢筋连接；电弧焊连接可用于各种部位及各种型号的钢筋连接,但费时费力,尤其是竖向钢筋的连接,要求具有相当高的焊接水平才能保证施工质量；直螺纹套筒连接应用范围广、速度快、效率高,但容易出现质量控缺陷,要求操作人员具有较强的责任心,同时必须加强套丝和连接工艺的施工监督.
通过以上三种钢筋连接方式的比较,考虑京山特大桥工期紧、钢筋运输及安装不便、质量标准高的施工特点,选择速度快、效率高、质量有所保证的镦粗直螺纹套筒连接方式.
2.3 起重设备的选择
京山特大桥共30座桥墩,其中高于30m的墩有28座,大部分高于50m,施工中必须使用塔吊,考虑工程进度及施工成本,塔吊采用租赁及购写相结合的方式使用,所有悬灌梁主墩均使用自购塔吊,其余的普通墩身均采用租赁方式.根据京山特大桥墩跨、墩高、单位起重要求,最终选择QTZ80C型塔吊,QTZ80C型塔吊为水平臂架、小车变幅、上回转自升式多用途塔吊,该机具有适应性强,占地面积小,装拆迅速,起升速度快,效率高的特点,适应于恶劣的施工环境,工作幅度3～55m,独立式起升高度达到46m,附着式起升高度达150m,最大起重量8t,大臂40米处起重量为2t,满足施工起重要求.悬灌梁主墩部位的塔吊负责悬灌梁主墩、边墩及梁体的施工,其余每3个普通墩身共用1个塔吊.全桥最多使用8台塔吊,能够同时负责两联悬灌梁和50%的墩身同时施工,满足施工工期要求.同时为了方便协调现场施工,进场2台轮式25t吊车配合塔吊进行起重作业.
2.4 墩身封顶方案选择
一般墩身封顶采用落地支架或高空托架施工方案,但由于京山特大桥墩身均较高,并且在封闭内空间施工,空间小,落地支架方案操作不便、脚手架投入量大、施工周期长、拆除困难；而托架施工方案在封顶后托架拆除困难、安全风险非常大.考虑到施工进度及安全风险,以上两种方案均不适合本工程.在进行充分比较后,选择省工省时、操作简单方便、安全系数大的预制板法,即在已施工完的空心墩顶部倒角上铺设预先预制好的预制板作为封顶实体段的底模,然后在预制板上浇筑实体段的方案,预制板不再进行拆除.
3.墩身主要施工工艺
3.1 模板设计及施工
模板根据方案比选结果选用类翻模施工工艺.
3.1.1 模板设计
根据计算结果,京山特大桥不同直径的圆端模共计加工105米,平面模板共加工12套,数量完全能够满足施工需要.
3.1.1.1 外模板构造设计
由于墩身高,模板循环次数多,面板使用δ等于5mm厚钢板制作,模板纵肋采用[12槽钢,后横梁采用2[16槽钢,纵肋和横梁组焊而成,模板法兰采用δ等于15mm钢板,连接螺栓采用Φ20螺栓,间距20cm.模板拉杆采用Φ20精扎螺纹钢,Φ32拉杆孔只设置在墩身平面位置,横向间距1m,纵向间距90cm.模板外侧设置工作平台.模板具体参数见下图：
3.1.1.2 内模设计
考虑到内模施工空间较小,墩身内部平面部分模板设计与外模一样,分割成高度1.5m的小块模板进行组合,将两端圆模制作成两块大模板进行组合.面板使用δ等于5mm厚钢板制作,模板纵肋采用[8槽钢,圈肋采用[16槽钢,纵肋和横梁组焊而成,模板法兰采用δ等于10mm钢板,撑杆采用[16槽钢.内模板拉杆采用Φ20精扎螺纹钢,拉杆孔与外模相对应.
3.1.1.3 工作平台
考虑墩身较高,外模的工作平台采用搭设脚手架形式难以满足要求,支架的稳定性也得不到保证,同时工程量较大,投入的成本较高.签于以上原因,京山特大桥外模工作平台根据模板整体特点单独设计,设计外模时竖向加劲肋上预留螺栓孔,在竖向加劲肋上安装吊篮式三角支架,施工人员通过爬梯进入工作平台,工作平台宽80cm,采用螺栓每1m间距与模板进行铰接.工作平台为施工提供较为宽阔的操作平台,同时工作平台通过螺栓连接后组成空间桁架保证了工人的施工安全.内模工作平台考虑施工方便、人员操作安全和施工空间问题,在进行墩身施工时每隔10米在墩身上大小里程侧各预埋3个[20预埋件,然后在墩内焊接工作平台,在工作平台上搭设钢管支架,顶部设置顶托和方木,铺设厚度1.5cm的脚手板,作为操作平台.
3.1.1.4 模板的抗风设计
福建地处沿河,受季风和台风的影响,而且墩身模板迎风面积较大,模板设计时应充分考虑了模板的抗风性能,单块模板的设计刚度足够满足当地最大风力的要求.施工过程中主要从模板的整体性进行考虑加固,从工况最不利时考虑,风力组合影响最大的时候在两层模板全部安装和翻升完毕后.施工过程中要求当风力超过4级时禁止模板翻升和拆除作业,当模板翻升到位后立即组装成型,形成环形闭合体,在模板的四个平模角分别设置四个吊环,利用已经施工完的下部混凝土Φ32的拉杆孔和通气孔设置为作为临时约束,采用Φ20钢丝绳利用紧线器将模板进行预拉紧,必要的时候可以暂时利用钢筋直接临时焊接处理.
3.1.2 模板施工
空心墩分节施工,每节施工高度3m,模板分定位导向模板与混凝土施工模板.每个桥墩对应使用模板4.5m,前一节模板预留1.5m模板保持紧固状态,作为导向模板,再向上顺接内外模板3m,成为混凝土施工的模板体系.墩身平模直接向翻升,圆端模板不同对应高度采用不同的模板型号（不同高度直径不同）,同一型号模板在每个桥墩仅使用一次,然后拆除移到下一个桥墩对应工作面上,这样各个桥墩依次阶梯状使用圆端模板,形成一种流水节拍倒用模板,每一节段圆端模板向前流动使用.墩身的中心对位和平面尺寸通过外模螺栓调整和承台上的锚桩调整.由于墩身的内外壁均有坡度,因此在施工过程中应注意模板使用的排列顺序以保证墩身的线形平顺.在施工过程中各墩身施工高度相差一模(3m)以上,使一整套流水圆端钢模板分节段应用于若干桥墩上,拆除前一墩身的圆端模板在地面进行打磨、涂油后,直接吊装下一墩身进行施工.
由于墩身施工自然环境相同,在进行空心墩流水法施工时,应重点解决施工空心墩不同部位时圆端模板的配套以及施工机械和人员的现场调配工作,使每节段圆端模板在各墩身之间形成不间断循环向前使用的流水效应.
3.2 钢筋工程
根据京山特大桥的施工特点,钢筋连接施工采用镦粗直螺纹套筒连接方式.这种连接方式首先使用钢筋镦粗机将钢筋端头镦粗,然后将钢筋待连接部分滚压成螺纹,利用连接套筒进行连接,使钢筋丝头与连接套筒连接为一体,从而实现了等强度连接的目的.
为了保证施工质量,钢筋端面应平齐头,端面与母材轴线方向垂直,易采用砂轮切割机或其他专用切断设备,严禁气割.钢筋镦粗机采用ZFD-40型镦粗机,此设备结构简单,工作稳定可靠,以特有的单缸自动夹紧原理设计,操作简单、便于维护、镦粗时间短、效率高；套丝采用JCBL-40型钢筋剥肋滚压直螺纹机,此机构思新颖,性能优良,成型螺纹精度高,滚轮寿命长,集钢筋剥肋及螺纹滚压于一身,一次装卡即可完成两道工序,效率非常高；套筒采用45号优质碳素结构钢或合金结构钢,套筒尺寸应保证接头的屈服承载力和抗拉极限承载力不小于相应的钢筋标准屈服承载力和抗拉极限承载力的1.1倍.对套丝完成的丝头应逐个进行质量检查,避免不合格的用于工程主体,套丝完毕的钢筋采用塔吊或吊车吊装到位后人工使用扳手拧紧,所有连接工艺及技术标准应符合《钢筋机械连接通用技术规程》内的相关规定.
3.3 混凝土施工及养护工艺
3.3.1 混凝土施工工艺
混凝土采用两台JS1000混凝土拌合站集中拌和,混凝土运输车进行运输.为了加快施工循环进度,混凝土入模采用塔吊、拖式混凝土泵、臂架式混凝土泵车互相配合施工,混凝土入模高度低于25m时主要采用臂架式混凝土泵车；高于25米时主要采用拖式混凝土泵输送混凝土,混凝土泵管用卡扣直接附着在塔吊上,到达入模高度后搭设塔吊至墩身的临时平台固定泵管进行布料；在泵出现损坏或进行维修时即可采用塔吊进行临时作业,以保证现场的施工正常运转,使用塔吊起吊混凝土时应采取措施防止混凝土漏浆,具体办法是在混凝土吊斗底部的阀门钢板上固定厚度3cm的橡胶垫,阀门关上时橡胶垫堵住缝隙.
混凝土坍落度控制在14～18cm左右,采用输送泵垂直运输时,以满足泵送条件为宜.浇注过程中一定要注意布料均衡的问题,分层浇筑,每层浇注厚度控制在30cm,按顺（逆）时针的方向顺序浇注.上层混凝土的灌注必须在下层混凝土初凝前进行,否则应采取措施加快浇筑进度,浇注速度宜控制在0.6～0.8m/小时.同时浇筑时注意日照对模板的影响,先从模板阴面的一面开始浇注分层均匀进行.混凝土浇注过程中注意保护模板拉杆,工人不能踩在拉杆上,振捣混凝土时振动棒不能碰拉杆.浇注过程中保证第一层混凝土的坍落度不宜过大,防止由模板周圈泌浆、泌水污染墩身,混凝土浇注前模板周圈的缝隙使用玻璃胶封堵严密.因墩身混凝土分节浇注,控制好每节混凝土顶面高度可以保证相邻两段墩身接缝良好,当混凝土浇注到顶层时,使混凝土面稍高于模板顶,以便凿毛时方便清洗处理；浇注完毕后派专人用木抹子将模板四周附近的混凝土抹平,保证混凝土面与模板顶面平齐,以保证上下两节段为一条平齐的接缝.
京山特大桥空心墩底部设计为实体段,体积较大,为了防止混凝土在温度应力作用下出现开裂,在控制混凝土拌和与浇筑温度的同时,采用预埋冷却管的方式进行养护,依据承台温度应力场特征安置冷却水管,采用50×3mm钢管,原则上从中间向两侧分部布置,水平管间距为120cm,层间距100cm,水管距离四周边缘不大于50cm,进、出水管均各自独立,散热管进出水口露出混凝土面20cm左右.
3.3.2 墩身混凝土养护
由于本桥墩身比较高,采用洒水养护操作不方便,水源供应也是解决难题,故墩身养护采用混凝土养护液,墩顶及施工时的接茬面覆盖土工布浇水养生,并保持其湿润状态.根据以往的施工经验,混凝土养护剂采用YF-6型养护剂.YF-6型混凝土养护剂是复合类成模型养护剂,主要成份为：成模剂、改进剂、促进剂.YF-6型养护剂以水为连续相,选用了具有良好成模性与粘着性的成份作为成模剂；以有机胺作为改进剂,提高成模剂的溶解度,改良成模后的脆裂性,使覆盖模具有合宜的韧性；促进剂能促使成模物在养护剂中保持稳定的均一相,促进液模向混凝土表面渗透,粘结形成坚硬的致密封闭层,使水分难以挥发.该养护剂具有提高混凝土抗压、抗折强度,提高混凝土耐磨性,无毒、无污染的特点.
施工时采用3WS-7型压缩喷雾器将养护剂溶液均匀喷洒在混凝土表面上,喷头距表面30cm左右.喷洒时,操作人站在上风处,按顺序逐行喷洒,向前推进.混凝土拆模后应立即进行养护剂的喷洒作业,喷洒过迟会造成混凝土中水份过早过多蒸发,喷洒过早则降低养护剂对混凝土表面的粘结力.养护剂喷洒的厚度用每公斤溶液的喷洒面积来控制,根据现场实际操作经验来看,YF-6型养护剂每公斤可养护3～4m2混凝土面积.
4.结束语
京山特大桥作为向莆铁路第一高桥,难度大、技术含量高,通过各种方案的比选及现场实际使用,把近年桥梁工程中比较先进的工艺和方法应用于本工程,不仅保证了总体工期,创造了可观的经济效益,同时完成了安全事故零的目标,为今后类似的工程摸索了一套完整的施工工艺,值得在今后的工程中继续推广使用.