大跨度高原铁路钢管混凝土拱桥施工关键技术

  胡平生

摘    要：藏木特大桥为拉林铁路控制性工程，主跨为钢管混凝土中承式提篮拱桥，主拱采用缆索吊分节段吊装、逐节斜拉扣挂法架设，本文主要介绍富水裂隙地质条件下整体嵌固式基础开挖技术、缆索吊机关键技术点、高原峡谷复杂地形条件下铁路大跨钢管拱肋安装技术、钢管拱吊装、合龙技术等关键技术。

关 键 词：大吨位提篮钢管拱  250t缆索吊机  空间定位  线型控制  两钩翻身 富水 裂隙 注浆止水 合龙

1工程概况

藏木特大桥跨越藏木雅鲁藏布江，位于西藏加查藏木水电站上游1.2km，为拉林铁路控制性工程。主桥设计为钢管混凝土中承式提篮拱，主桥矢跨比为1:3.84，跨径为430m，矢高112m。主拱采用悬链线方程形式，内倾角为4.59°、拱轴系数2.1的钢管混凝土提篮拱结构，拱顶至拱脚处拱肋中心距由7m渐变至25m。主拱为变桁高拱肋，拱顶至拱脚处桁高由8.8m渐变至15m，拱脚区段拱肋截面采用横向哑铃桁式，其余区段采用四肢桁式截面，两拱肋间通过横向横撑连接。拱肋钢管采用变管径设计，拱脚局部直径1.8m，中间2m段过渡段变径至1.6m后，其余区段直径均为1.6m；拱肋腹杆采用H型或箱型杆件；拱肋钢管焊接节点板作为连接板，腹杆与节点板采用对拼式螺栓栓接连接，螺栓采用M30的耐候高强度制作。

图1 雅鲁藏布江特大桥立面图

2  架拱施工方案及重难点

2.1 工程重难点

2.1.1“一大”。政治意义重大。

2.1.2“二新”。新材料：大桥主拱采用免涂装耐候钢新材料制作(钢管最大壁厚52mm)，是国内第一座真正意义上的免涂装耐候钢桥；新工艺：大桥拱肋拼装所采用的高栓施工属于新技术新工艺。

2.1.3“三最”。跨度大；海拔高；缆索吊塔架高度 170 米均为同类型桥梁之最。

2.1.4“四难”。拱座基础施工困难大；钢管拱肋吊重达250t,为高原条件最大吊重，施工困难大；拱内混凝土单次顶升量大，顶升质量控制施工困难大；主梁现浇施工困难大。

2.2 总体施工方案

图2 主桥施工流程图

3  施工关键技术

3.1 富水裂隙地质条件下整体嵌固式基础开挖技术

整体嵌固基础施工流程：①注浆止水施工→②坡面防护施工→③竖向及斜向导向墙施工→④大管棚施工→⑤台阶开挖施工→⑥支护施工及横撑安装→重复④到⑥循环至开挖完成。

整体嵌固基础所处施工区域节理裂隙发育，破碎度高，导水性极强，拱座基础处于水下，水位高差达19.2m，河水补给迅速，采用水泥-水玻璃（1:1）双液浆为注浆材料快速止水，与双壁钢围堰施工比较，帷幕注浆及封底注浆结合的止水方案既节省了工期和成本，又能有效地解决库区用地面积小，整体嵌固基础内部渗水等问题。

本止水方案主要包括帷幕注浆和封底注浆，帷幕注浆采用多点式分段注浆，分三序注浆，注浆时遵循先外后内、先深后浅，先帷幕注浆，后基底注浆的原则。

图3拱座注浆平面图

帷幕注浆孔在拱座及承台基坑开挖前进行施工，靠江边侧布置三排注浆孔梅花形布置，孔距、排距分别为1.0m和1.5m，帷幕注浆孔深入拱座轮廓线以下5.0m控制，靠岸侧布置两排注浆孔。方案设计中帷幕注浆孔设置了2-3排，是为了提高帷幕止水的可靠性，截断拱座斜洞与外部河流水源的联系。帷幕孔考虑多点多段注浆，钻孔一次到位，根据钻孔深度下1根注浆钢管至孔的不同深度进行多点分段注浆。

封底注浆孔在拱座及承台基坑开挖前进行施工，孔底深入拱座轮廓线以下4.0m控制，满布于基底，孔距和排距均为1.5m，梅花形布置。封底注浆利用插打两根20注浆钢管的进行注浆，其中一根钢管以打入基坑底标高为基准，另一根以设计孔底标高为基准，两者之间加止浆塞，分两段进行注浆。上部注浆以填充注浆孔道为目的，用低压浓浆注浆，下部以有效封堵基底孔隙及裂隙为主，采用高压浓浆注浆。开挖整体嵌固基础过程中，当出现少量渗水时，采用双液浆进行补充注浆，采用煤电钻成孔方式钻孔成孔。

3.2 缆索吊机关键技术点

3.2.1针对两岸位置受限，因地制宜，缆索吊设计采用非对称结构。为了顺应山体地形，两岸采用非对称边跨布置、两岸塔架位置（主索跨中与拱肋跨中不重合)、塔架高度非对称、塔架顶不等标高的设计，有效解决山体地形地貌受限及不利地质条件的影响；对比常规对称缆索吊机结构，该结构设计形式受力复杂，计算精度要求更高，计算更为复杂，在结构设计计算时，需研究非对称造成的主索下垂对吊装净空影响、不等跨径边跨索体对主索垂度的影响、非对称扣锚索受力对塔架结构受力的影响等各种影响因素。

 图4  缆索吊机布置图

3.2.2针对山体陡峭边坡条件下，顺应地形，塔架采用高低腿设计。林芝岸山体下方紧临桑加公路，且山体受地形限制，采用大范围、大方量的山体爆破难度较大，因地制宜，结合现场实际情况，对结构设计进行优化，塔架结构采用左右幅非对称高度结构设计，大幅减少了山体爆破开挖量，降低了对环境的破坏，保护了脆弱高原生态环境；为调整高低腿造成上下游侧塔架刚度差异对结构受力的不均衡影响，采用MIDAS建模分析，增设上下游连接系杆件，均衡上下游塔架受力，优化了结构、保证塔架整体稳定性。

3.2.3 高原山区的大体积石方爆破开挖技术。缆索吊机锚碇、塔架基础大，结构尺寸大，埋置深，山体岩体破碎，裂隙发育，为保证快速开挖和边坡稳定，采用松动爆破和预裂爆破相结合技术，解决了强风化、岩体破碎的开挖施工。

3.2.4 针对拱座和后锚场地狭小条件下同时考虑成本，按照扣锚合一进行塔架设计。扣塔和缆塔合二为一设计在一起，将吊装缆塔设置于扣塔上方，扣塔和缆塔通过铰轴连接传竖向力，有效减小了缆塔吊装时对扣塔产生附加弯矩，具有钢结构用量少、使用面积小、施工周期短等优点。

3.2.5 主缆采用塔顶和后锚双横移技术。指缆索系统为适应拱肋安装横向位置变化在塔顶和后锚均进行同步横移，由于两岸边跨小，钢管拱设计为变宽度提篮拱，两拱肋之间距离变化大，采用缆索吊机节段架设时，需根据拱肋位置同步横移索鞍和后锚卷扬机，减少主缆的侧向分力。在高原该首次采用技术，利用缆索横移进行工作，减少缆索使用量，大幅减少了山体爆破开挖量，大大节约了成本。

图5   缆索吊缆索塔顶和后锚横移布置图

3.2.6  四吊钩自动称重平衡控制系统。在缆索吊机四个吊钩上加装自动称重控制系统，实时监控拱肋空间姿态调整时各吊钩受力，既能保证单个吊钩受载不超限进而保证整个缆吊结构的吊装安全，在受载逼近限值时系统会报警，且系统能自动进行吊钩调整达到新的平衡，又能对拱肋空间姿态进行微调，保证拱肋精确快速对位。

3.2.7 高原陡峭困难地形缆索吊机塔架快速拼装技术。采用塔架节段预制快速拼装、下铰分配梁分段拼装多次横移安装、整体滑移安装就位等技术，解决了高原陡峭困难地形条件下缆索吊机塔架快速拼装难题。

3.3 高原峡谷复杂地形条件下铁路大跨钢管拱肋安装技术

3.3.1 两钩节段翻身技术。大吨位钢管拱节段在预拼场胎架上进行“2+1”卧式组拼成型，采用龙门吊机起吊吊运至存梁区存放，架设时利用运梁车转运至下河码头吊机下方翻身，使钢管拱节段由卧式变为立式，最后通过下河码头吊机吊装下河装船。钢管拱节段两钩翻身技术利用了下河吊机吊重大、结构稳固的优势，可保证钢管拱节段在翻身中不受碰撞且晃动小；同时在地面设有翻身台阶并在台阶面上设置软抄垫，可防止钢管拱节段在翻身过程中碰伤变形，增加了钢管拱节段翻身的安全系数。相较于传统翻身技术，具有更高效、安全及节约成本的特点。

3.3.2限位胎架硬加固及横向缆风软加固技术。高原河谷地区大吨位异型拱肋运输存在高安全风险，采用限位胎架硬加固及横向缆风软加固技术将大吨位异型拱肋固定在驳船上，相较于传统运输方式稳定性更强，且有利于后续钢管拱吊装作业，有效的解决高原河谷地区拱肋运输难题。

3.4钢管拱吊装、合龙技术

3.4.1钢管拱节段四钩架设技术。桥址地处高原峡谷，最大风力可达12级，提篮式钢管拱节段最大吊装重量250t。在架设过程中采用四钩同时起吊并灵活调整钢管拱空中倾角，利用千斤顶调整横向偏位，横向就位后挂扣索，最后利用扣索调整最终标高。

3.4.2钢管拱合龙测量观测。根据高原气候温差大、气压低的特点，通过连续观测和计算，总结出高原地区钢管拱拱肋架设“温度-合龙口长度”关系曲线和“温度-拱肋线形”关系曲线，得出钢管拱拱肋最佳合龙的温度范围和对应时间段，有效地指导钢管拱顺利合龙。

3.4.3钢管拱瞬时合龙技术。钢管拱合龙期间日最大温差17℃，期间拱肋表面温差最大达到27℃，钢管拱顶合龙采用上下游同步进行，采用在低温时快速锁定拱顶合龙装置再焊接嵌补段的合龙技术。

本项目根据高原河谷特殊环境条件下创造性的研制出川藏铁路大跨度钢管混凝土拱桥建造关键技术，克服了高原设备降效、施工场地小、地质条件差、运输条件差、高海拔、高温差、优质材料匮乏、冬季施工时间长、峡谷风大等施工难题，提前完成了拉林铁路藏木雅鲁藏布江特大桥的施工，节约了成本，取得了较好的经济及社会效益，为类似桥梁的施工提供了可借鉴的工艺和方法。川藏铁路大跨度钢管混凝土拱桥建造技术适用于高原地区拱桥的施工，同时也适用于其它地区同类型拱桥的施工，对于高原地区拱桥基础、拱圈的施工具有借鉴作用，相关施工技术具有创新意义，具有广阔的推广前景。