变截面箱梁跨越电气化铁路施工及安全保障技术研究
摘要：以西潼高速跨越陇海铁路的两座预应力连续箱梁为依托工程，对悬臂挂篮施工及安全保障技术进行了系统的研究，达到了全天候施工的目标，满足了公路桥梁施工与铁路运营互不干扰的要求，并编制了跨铁路挂篮悬臂施工的作业指导书。本文对研究的主要内容及成果进行了简要的介绍，希望对同类工程起到借鉴作用。
关键词：桥梁;悬臂施工;电气化铁路;安全保障
1、项目简介
随着经济的发展，无论是铁路还是公路都得到了大力发展，在相应的工程建设中经常遇到铁路公路线路交叉现象。在工程建设实际中，如何处理好铁路和公路的关系，避免相互干扰的问题一直是工程界努力的目标，特别是电气化铁路普及后，公路施工跨越电气化铁路施工时，由于是跨高压线路施工，如何保证施工的安全性和铁路的安全、正常运营一直是工程界所关心的问题。
潼西高速公路进行4改8改扩建工作。潼西高速公路改扩建项目全长130.878公里，投资概算72亿元。根据工程计划，2009年元月全线开工建设，2010年建成通车，工期异常紧张。按工程要求，沿线桥梁中K84+800尤河大桥、K92+621大桥上跨陇海干线电气化双线铁路，在跨铁路线桥梁施工期间，必须保证陇海铁路干线的安全、正常通行。K84+800尤河大桥、K92+621大桥主桥上部结构相同，均为(47+80+47)m变高度预应力混凝土单箱双室连续箱梁桥，最大梁段重1992kN，采用三向预应力体系。
原设计拟定采用搭设钢结构防护棚架方案。如采用棚架方案，施工需在铁路运输的间歇时间进行，功效低，时间长，并需在铁路管理各部门的严密配合下进行施工;如果改用悬臂挂篮加“四防”措施施工，可以做到桥梁施工与铁路运营互不干扰，既保证了工期又节约了工程费用，社会效益和经济效益显著。
为此设立了“变截面宽箱梁跨越电气化铁路悬浇施工及安全保障技术研究”科研项目，项目研究的目的就是为了在确保铁路大动脉安全、正常通畅运行的条件下，保证在建桥梁的工程质量和进度。鉴于国内同类项目的研究均未做到系统性，本项目研究的目标就是编制同类项目的作业指导书，对同类项目及类似项目的施工起到指导和借鉴作用，这不但具有重大的现实意义，还对以后同类问题的处理有重要的指导意义。
2、主要研究内容
主要研究内容有：挂篮安全使用及受力性能专项研究，变截面宽箱梁跨越电气化铁路悬浇施工作业指导书编制，宽幅箱梁剪力滞效应观测及线形控制。各项研究工作所完成的具体内容如下：
2.1 挂篮安全使用及受力性能专项研究
使用安全性研究。针对工程的实际情况，对挂篮的“防电、防水、防火、防坠落”即“四防”体系进行研究和优化。使施工作业面达到相对独立，与铁路运营互不干扰;
1)主桥跨越电气化铁路干线—陇海线，防电防护对人员、机具的安全非常重要。本工程中采用一系列技术措施确保安全。首先所有金属构件均良好接地，接地线不少于两根，每根接地线阻抗不大于3欧姆，定期对接地线进行巡查和检验;二是在挂篮底部设置防电绝缘板达到全封闭，绝缘板具有较高的机械强度、阻燃性、介电强度及耐电压高，具有良好的机械电气性能。在绝缘板的下面刷一层耐电弧漆，达到分散隔离电弧的作用。相邻绝缘板接头块采用同材料绝缘板压接，并凃环氧树脂调合剂，确保结合处密封良好、绝缘性能的可靠性。各构件均采用绝缘螺栓固定。
2)为防止施工用水排到铁路股道内，影响行车及施工人员安全，采取以下措施：在箱梁两侧设挡水檐，防止桥面养护水下流。将箱梁上的预留孔洞暂时封闭。箱梁侧面及内壁养护采用养护剂或覆膜养生。在挂蓝绝缘板上方设防水层，并在四周设挡水板，以免箱梁浇筑过程中，离析水滴到铁路上。在防水层上最低角设集水槽和排水导管，让积水沿箱梁下排出铁路外，排水导管安排专人管理，保证不堵、不漏。在挂蓝防护外侧底缘设10cm宽导流槽，防止下雨时雨水沿防护板侧面汇成流与接触网连通，导流槽中水通过导管接入集水槽。
3)为防止施工中发生火灾，采取以下措施：在梁体顶板配备灭火器，防止因梁体焊接火花而引起的起火，进而危及铁路的安全。挂蓝的防护底板采用的底部密铺钢跳板，不可燃，有效防止起火。避免火灾。
4)为防止施工中坠物干扰铁路运营，采用以下措施：加强职工教育，严禁向桥下丢弃物体。挂蓝所有外露部位底部密铺钢跳板，四周密目钢丝筛网围护。防止施工中钢筋、石子或其他物体掉落到桥下，钢丝网高度为1.7米。
受力性能专项研究。建立了杆系有限元模型和实体有限元模型对挂篮的整体受力和局部受力性能均进行了验算，从设计角度对挂篮的受力安全性给予保证;另外，从挂篮的制造、验收、试验、拼装、移动、拆除，乃至“四防”体系的安装，均给出了建议和原则，从施工角度对挂篮的使用安全性给予保证。
1)挂篮设计：挂篮设计首先应满足受力要求，主要受力构件安全系数不小于2.0，挂篮构件设计计入“四防”装置荷载;挂篮设计考虑构件的稳定性;挂篮必须具备足够的刚度，最大施工荷载作用下挂篮竖向变位不大于20mm，挂篮前后横梁最大弹性变位不大于5mm;挂篮的横向连接系必须具有足够的强度和刚度，在各个工况下，如挂篮行走、混凝土浇注等，横向连接系各构件均不应发生塑性变形。
2)挂篮制造：委托有资质的单位对挂篮焊接杆件的焊接质量进行无损检测(探伤)。对主要受力构件焊缝进行100%探伤，对发现缺陷部位根据病害情况采取相应的处理措施，必要时可责令厂家返工。对其它构件焊缝可进行30%探伤，发现缺陷后进行双倍探伤，如发现新缺陷，可要求100%探伤，并对病害部位进行处理，必要时可责令厂家返工。如有必要，可要求对母材性能进行检测。挂篮在制造现场应进行预拼装。拼接过程应模拟施工现场条件，查看各杆件拼接情况是否正常。
3)挂篮拼装：安装挂蓝时，吊车应位于远离既有线路一侧。拼装过程中构件、吊装机械均不能侵入铁路限界。挂蓝安装时，严格按照拟定的挂蓝安装顺序执行，每个部件的连接都要经专职安全人员检查，确认牢固、稳定，可靠后方可脱钩，进行下一拼装件的拼装。
4)挂篮预压：挂篮预压荷载不小于挂篮施工中承受最大荷载的1.2倍;挂篮预压采用堆载的方式;挂篮预压采用分级加载的方式，按0.5、0.8、1.0、1.1、1.2倍进行分级，每级测试主桁应力、主桁前后支点和悬臂点的变位、前横梁和后横梁的变位情况，加载中还注意观察底模、侧模的变形情况;加载前根据理论分析情况对结构的变形情况进行预测，加载过程中一旦发现异常立即停止加载，分析并排除隐患后方继续进行加载;每级加载到位后，每隔15分钟进行一次测试，如果应变、变位变化量在本级总变化量的5%范围内或在仪器精度范围内，方进行下一级加载;加载最大级后持荷不小于24小时，以消除构件的非弹性变形。
5)挂篮行走：由于梁体较宽，挂篮采用3品主桁的方式，因而3品主桁的协同受力是关键。为保证其协同受力采用了以下技术措施：3品主桁下的轨道要严格抄平，即各轨道处于同一工作平面，防止挂篮出现横向不均匀受力。轨道下要支垫牢固，防止轨道变形影响到主桁的受力;在主桁受力的敏感部位布置应变测点，密切关注挂篮就位时各主桁受力的不均匀性，不均匀性超限时做到及时报警，然后通过调整各主桁标高使其受力均匀，达到主桁行走就位过程的自适应平衡。
6)挂篮拆除：挂篮退至铁路限界(包括正上方)以外后，方可进行拆除作业;拆除挂蓝时，吊车位于远离既有线路一侧。拆除过程中构件、吊装机械均不能侵入铁路限界。挂蓝拆除时，严格按照拟定的挂蓝拆除顺序执行，每个部件在起吊前都要经专职安全人员检查，确认牢固、稳定、可靠后方可起吊。
2.2变截面宽箱梁跨越电气化铁路悬浇施工作业指导书
课题研究的主要目的是保证桥梁施工与铁路运营的互不干扰，保证桥梁施工的顺利进行和铁路运营的安全通畅。为此针对这两座大桥的工程特点，编制了施工作业指导书，指导整个桥梁施工的技术工作。作业指导书主要包括以下内容：
首先，根据工程特点初步拟定了总体施工方案;依据设计图并通过现场实地勘察对铁路线路周围的情况进行了摸查，重点施工空间与铁路限界的关系进行调查，对方案的可行性进行分析;对施工中可能对铁路运营产生影响的各种因素进行了分析，在此基础上制定了基础、墩柱施工防护技术措施和挂篮防护技术措施，对基础施工的防护方法进行了论证，对墩柱施工中支架、模板的操作注意事项作出了具体的规定，从挂篮受力安全性及防护可靠性、安全性等方面论证了挂篮设计及防护中应该注意的问题和采取的相应措施;成立以项目经理为组长的安全保证体系，制定详细的安全管理措施，制定应急预案，以应对施工中遇到的突发性事件。
其次，编制了主梁悬臂浇筑施工技术方案。针对0、1#施工特点，制定了详细的施工技术方案，从施工工序到施工工艺都提出了明确的要求;挂篮的安全性是跨铁路线施工的重中之重，从挂篮受力安全及防护安全出发，对挂篮主要杆件的受力安全系数的选取及“四防”体系的设置做出了规定;给出了悬臂浇筑梁段、边跨合拢段、中跨合拢段的立模、钢筋绑扎、混凝土浇筑、养生等施工工艺及注意事项;给出了悬臂施工中立模标高的设置及结构线形控制技术措施;给出了质量保证措施、冬季施工措施及文明施工措施。
第三，编制了0#、1#块支架预压方案。0#、1#块是悬臂施工的基础，挂篮要在其上拼装完成，而且还是结构线形控制的起点，因此，0#、1#块支架必须有足够的刚度和强度，以保证0#、1#块的施工精度。为此，在混凝土浇注前，需对0#、1#块支架进行预压。通过支架预压达到三个目的，一是检验支架的强度和刚度，二是消除支架的非弹性变形，三是获得支架的弹性变形值，为确定0#、1#块立模的预抛值提供依据。方案中就支架的形式、试验荷载大小的确定、加载方式及注意事项都给予了详细的说明。
第四，编制了挂篮预压试验方案。挂篮是悬臂浇筑施工的关键，施工中梁段重量、施工荷载、混凝土浇筑时的冲击荷载等均由其承受，其受力安全性及刚度性能是施工质量的保证。通过支架预压达到以下目的，一是检验挂篮的强度和刚度，二是消除挂篮的非弹性变形，三是获得挂篮的弹性变形值，为确定各施工节段的预抛值提供依据。方案中就支架的形式、试验荷载大小的确定、加载方式、监测方法、监测项目及注意事项都给予了详细的说明。
第五，编制了施工安全防护作业指南。从挂篮的设计、制造、安装、前移、拆除、防电、防火、防水、防风、防坠落等各个方面提出了设计原则和注意事项。
2.3悬浇施工监控工作
这部分主要包含了以下工作内容：一是挂篮预压试验监测，根据监测数据推测各施工节段混凝土浇注时挂篮的变形值，为立模标高的确定提供依据;二是在施工仿真分析的基础上给出各施工节段的立模标高值，指导施工立模;三是对结构进行监测，包括梁体挠度及梁体应力监测，通过 “分析——监测——对比——调整——分析”的循环过程，确保结构施工过程的安全及合拢时结构线形达到设计要求;四是进行宽幅箱梁剪力滞效应观测，对梁体实际的剪力滞效应进行评价。
对K84+800沋河大桥及K92+621大桥挂篮均进行了预压试验，通过堆积沙袋加载方式，模拟混凝土对模板的侧向力作用。测试了主桁杆件、前吊点、后锚点的受力情况;测试了挂篮底模前横梁、主桁后锚点、主桁前支点的变形情况;对模板变形、挂篮底模变形、“四防”装置变形进行观察;对横向连接、节点板、焊缝、销轴、走形系统、锚固系统等局部受力部位进行观察。绘制荷载变形曲线，推算各节段混凝土浇筑引起的挂篮变形，为各节段预拱度值的设立提供依据。
对结构的施工全过程进行仿真分析，考虑施工中各种因素的影响，包括梁段自重、预应力、收缩徐变、挂篮、施工荷载、体系转换、二期恒载等，获得各梁段的总体弹性变形值，通过与梁体设计标高、挂篮的变形、活荷载的预抛值进行组合，获得各施工节段的预拱度值，指导桥梁施工。
结构施工监测的主要目标是保证施工过程中结构安全、合拢精度、成桥线形符合设计状态。施工监测获得结构应力和变位的实际响应，与施工预测值进行比较，由于施工预测值是以仿真分析结果为基础，而施工仿真分析初始时是以结构理想状态为基础的进行，实际状态与理想状态总有一定的差异，因而结构的实测值与预计值总有一定的偏差，通过调整计算参数使预计值与实测值逼近，在此基础上再重新进行全桥仿真分析，调整立模标高值，据此指导下一节段施工、再监测、再调整，如此通过多节段调整后，达到了理论值与实测值的一致性，从而达到施工监测的目标。
该桥桥幅较宽，箱梁顶板宽度达到了21m，为此采用了单箱双室截面，本次施工监测中选取典型梁体截面的顶板、底板埋设了应变测点，对截面的实际剪力滞效应情况进行测试，对结构实际的剪力滞效应情况给出评价。
3、取得的成果
1)采用研制的“四防”挂篮体系进行悬臂施工，解决了变截面宽箱梁跨越电气化铁路时全天候施工的技术及安全保障难题。
西潼高速扩建2009年开工，要求2010年竣工通车，工期紧任务重。作为两个节点工程，K84+800沋河大桥主桥、K92+621大桥主桥必须在全天候施工的条件下，才能保证这两个节点工程不影响整体的工期。为此，通过前期的论证和比选，选择挂篮悬臂浇筑施工方案作为主桥施工方案，就变截面宽箱梁跨越电气化铁路悬浇施工及安全保障技术展开了一系列研究工作。研制了“四防”挂篮体系，解决了施工中挂篮的“防电、防水、防火、防坠落”等一系列技术及安全保障技术难题，使整个挂篮施工成为一个独立体系，达到了桥梁施工和铁路正常运营互不干扰的目标，在桥梁施工得以安全、按时、顺利完成的同时，铁路正常运营也得以保证。
2)由于桥梁跨中部位位于铁路线路的正上方，为了不影响铁路的运营及安全，挂篮使用完毕后必须将整个挂篮体系(除内模体系外的全部构件)退至0#块才能进行拆除，这需要挂篮的构造必须满足这一工法要求，对挂篮的前上横梁和前下横梁的特殊构造进行了专项研究，这与常规的挂篮拆除工法有较大差异。
3)直接使用“四防”挂篮体系完成桥梁的合拢施工，而不是另外采用专门的吊架体系进行合拢施工，这样，一是缩短了体系转换需要的时间，二是合理利用现成的“四防”体系，保证了施工与铁路运营的互不干扰。
4)通过一系列技术研究，给出了“四防”挂篮体系从设计、制造、安装、试验、移动、拆除、安全控制等多项技术，首次系统编制了跨电气化铁路悬臂施工作业指导书。
虽然国内针对跨电气化铁路施工安全保证有相关的研究，但一直没有形成系统化，参考和指导的意义不大。从施工方案的编制、挂篮的设计、制造、安装、试验、使用、“四防”体系的设计、安装、使用、桥梁悬臂施工的控制、监测等等技术及安全保障环节进行了深化和总结，编制了作业指导书，对同类工程的实施起到良好的借鉴和指导作用。
