云南大理铁路钢箱梁桥顶推施工安全风险分析

云南大理铁路钢箱梁桥顶推施工安全风险分析摘要：云南大理锦场村枢纽互通主线桥上跨铁路钢箱梁采用顶推法施工，钢箱梁在制作厂采取分段预制，运至施工现场采取节段吊装，根据施工现场情况采取专家调查法确定施工安全风险，并采取相应的安全控制措施，对钢箱梁顶推全过程进行有限元数值分析，并结合现场线型和应力检测，对顶推全过程进行实时监控，确保施工安全。对公司首个跨越高铁线的顶推钢箱梁工程提供了技术支持，对公司后续承接此类桥梁工程积累了安全管理经验。关键词：钢箱梁；高速铁路；顶推施工；风险分析；施工监控工程概况楚大高速公路扩容工程锦场村枢纽互通主线桥设计为分离式桥梁，24#〜29#墩左幅共4联28+(30.5+26.5)+63+39.8全长187.8米；右幅共4联28+(30.5+28.3)+63+38全长187.8米。桥梁下部结构桥墩采用单桩单柱加系梁结构其中29#墩最高32.072m；柱间设置系梁，墩顶设置盖梁。全桥上部结构除左幅第4联，右幅第4联为钢箱梁，其余均为简支T梁。左幅第4联、右幅第4联跨度63m，采用钢箱梁顶推施工工艺跨越楚大线、既有广大线，共需向前顶推97.2m。图1结构立面图钢箱梁为单箱五室，分左右两幅，错孔1.8m布置，与铁路交角为85度，左幅跨径为63.16米，右幅跨径为62.84米。箱梁全桥纵向等梁高布置，内轮廓高3.3米，外轮廓高3.348米、3.336米及3.34米。箱梁顶面全宽24.5米，两侧各设2米宽挑臂。桥梁平面位于R=2400m的曲线上，采用曲梁直做，左右幅横断面上梁顶底均采用2%的单向坡。每幅桥顶面宽24.5m(0.50m防撞栏+1.5m异物监测网+0.50m防撞栏+21.5m车行道+0.50m防撞栏)，箱梁顶板为单向横坡2%，箱梁中心线位置梁高3.3m，采用Q345D材质。钢结构总重共2362.6t。钢箱梁底面与铁路接触网最小净空为10m。顶推施工系统钢箱梁采用拖拉法顶推，施工采用左右两幅同时顶推的方案，单幅桥采用一次拼装完成后顶推到位。在支撑架上安装顶推支座和顶推轨道，在拼装平台上拼装钢箱梁和导梁。安装液压顶推设备，包括油管、传感器等，并进行空载调试。调试完成后开始正式顶推。顶推到位后，拆除导梁，顶推用临时措施，将钢箱梁落至设计标高，顶推落梁施工完成，等待其他梁体的安装和对接。第六步：拆除38m前导梁；拆除拼装平台；第七步：安装落梁临时措施，将钢箱梁落至设计位置。施工工艺(1)工艺流程拼装和顶推平台T导梁设计和安装T滑道系统T横向纠偏系统T顶推设备布置T顶升设备布置T顶升落梁T落梁纠偏。（2）工艺要点导梁设计导梁委托西南交通大学设计院进行设计，前导梁由2片变高度工字形实腹板钢板主梁组成，横向中心距12.3m，纵向长38m，根部高度与钢箱梁对应一致（3.348m）。前端3.1m底板抬高80cm，便于导梁上墩，为了运输和拼装方便，将38m长前导梁纵向分成4段，采用栓接拼装而成。工字形钢板主梁顶、底板厚度前段16mm，中段28mm，后段44mm；腹板厚度前段16mm，中段24mm，后段24mm；相应翼板宽度500mm、760mm、1060mm。前导梁设置12mm、16mm、20mm厚的横向加劲肋和纵向加劲肋。两片前导梁之间设有圆钢管组成的横联、平联，将整个前导梁形成整体。后导梁工字形钢板主梁顶、底板厚度44mm；腹板厚度24mm；翼板宽度1060mm。后导梁设置20mm厚的横向加劲肋和纵向加劲肋。两片后导梁之间设有圆钢管组成的横联、平联，将整个后导梁形成整体。钢导梁制造的工艺要求，应按《铁路钢桥制造规范》办理，本设计中的各个梁段制造，应严格控制其长度误差。要求梁段的全长（上、下盖板长）误差为±2mm；竖向加劲板的间距误差为±0.5mm；梁高误差±1.0mm。前后导梁顶板、底板、腹板及加劲肋钢材均采用Q345B，平联、横联及法兰接头钢材均采用Q235B。导梁各杆件均系在工厂加工制造好，现场连接。单幅桥一套前导梁总重约116.1t每延米重3.1t；单幅桥一套后导梁总重约40.4t，每延米重5.1t。液压同步顶推技术特点1）采用“液压同步顶推施工技术”施工大跨度钢结构，技术成熟，有大量类似工程成功经验可供借鉴，安装过程的安全性有保证；2）顶推过程中采用计算机同步控制，液压系统传动加速度极小、且可控，能够有效保证整个安装过程的稳定性和安全性；3）液压同步顶推设备、设施体积和重量较小，机动能力强，倒运和安装方便；4）顶推、反力点等与其他临时结构合并设置，加之液压同步顶推动荷载极小的优点，可使顶推临时设施用量降至最小。顶推临时设施布置顶推临时设施主要有滑道大梁，滑道梁，滑靴，千斤顶反力座，拉锚器等。1）顶推轨道设计在广大铁路靠近楚雄一侧，在支撑架上设置4条顶推轨道（滑道大梁），4条顶推轨道的长度分别为98.8m，97.3m，100.3m，98.8m。顶推轨道（滑道大梁）由双拼HN700x300x13x24型钢（材质为Q235B）和不锈钢板组成，双拼H型钢设置在支撑架分配梁上，不锈钢板满铺在双拼H型钢上表面。2）滑板滑靴、滑道梁和MGE滑板a滑靴滑靴与钢箱梁或前后导梁底面连接，滑道梁与临时墩连接，滑靴与滑道梁都用于将上部钢结构竖向荷载传递到支撑架上。滑靴下方设置MGE滑板。滑板最下层光滑面，与不锈钢板接触，上层为粗糙面，与顶推支座底板接触。MGE滑板与顶推支座采用限位块进行限位，限位块设置在滑移方向后部。滑板规格为-30mmx1000mmx600mm。滑板表面涂硅脂油以减少顶推摩阻力，滑道表面的光洁度要保证，保持清洁并避免划伤。b滑道梁滑道梁设置在L1#、L2#临时墩上，前后两端设置限位，下方设置橡胶垫，上表面满铺2mm厚不锈钢板。滑道梁与钢箱梁或前后导梁之间通过滑板进行接触，滑板采用MGE滑板。滑板规格为-30x600mmx600mm。MGE滑板下表面涂硅脂油以减少顶推摩阻力，滑道表面的光洁度要保证，保持清洁并避免划伤。滑板需连续喂入，喂滑板时一面朝下与不锈钢板接触，另一面朝上与钢箱梁底面接触。当梁体向前行进时，带动滑板一起前进，MGE滑板便在不锈钢板上滑行，当滑板滑到滑道的尽头时，便从前端掉下来，此时应将它拾起来拿到后端重新喂进去，这样滑板不断吐出、喂进，周而复始，梁体便可继续向前滑行。在顶推过程中，滑板始终与不锈钢板之间滑动。MGE滑板与不锈钢钢板的滑动摩擦系数约为0.05，静摩擦系数约为0.07〜0.1。摩擦系数随荷载压在MGE滑板上的滞留时间增长而增加。在顶推过程中，短暂停留后再启动的摩擦系数变动不大，但当停留时间较长时，摩擦系数应按静摩擦系数计算。为安全起见，本方案中所有与摩擦系数相关的计算，均按静摩擦系数取值。限位与纠偏装置顶推过程中由于各种原因造成箱梁的横向偏位，在顶推过程中如果不对横向偏位加以控制，有可能会导致梁体失稳或偏离顶推路线。1）限位装置本工程采用滑靴在滑道大梁上滑动作为限位措施。在顶推过程中，滑靴下方的T型板始终在滑道大梁的两侧，滑靴始终沿着滑道大梁滑动。2）主动纠偏装置在顶推过程中可通过限位导向措施控制钢箱梁横向偏差，顶推到位后可利用千斤顶进行纠偏。顶推过程安全风险与控制措施钢箱梁顶推施工过程中一旦发生安全风险事故，易造成人员伤亡且社会影响恶劣，因此在施工前必须对施工过程中的潜在风险进行分析。不仅要保证钢箱梁顶推施工自身安全，还应避免施工对既有运营线产生不利的影响。在正式施工前应根据所采取的施工技术方案，识别并评估施工中可能出现的安全风险，对施工风险做出正确的评价和判断，并制定控制措施对施工安全风险进行主动控制，确保施工安全。通过施工风险分析并采取相应措施确保钢箱梁顶推施工的顺利完成及既有高铁线路的正常运营。4.1风险源辨识钢箱梁桥跨越既有线顶推施工由于其存在的特殊施工难点，施工中的风险需要结合现场调查及施工方案进行风险源辨识。施工前，通过专家调查法对施工过程中潜在的风险源进行筛选，分类、分层次对所有施工过程中的主要潜在风险进行整理分类，4.2钢箱梁风险由于钢箱梁自身及施工工艺的特性，施工过程中钢箱梁存在若干潜在风险：1）随着顶推的不断进行，悬臂段长度不断增长导致倾覆力矩增大，钢箱梁可能会产生纵向倾覆的危险，因此必须对所有相对危险的工况进行抗倾覆验算并采取锁定措施2）顶推过程中，如果一侧横向限位装置作用失效有可能导致钢梁横向偏移过大，应在顶推运行过程中实施横向纠偏。3）大悬臂工况下钢箱梁悬臂末端竖向支撑反力较大，钢箱梁部分板件可能发生局部屈曲。施工过程中应实时监测，密切注意钢梁关键位置的屈曲现象，一旦发现及时采取加肋措施。4）钢箱梁顶推施工所用方法属于间断顶推，会产生“爬行”现象，使支架平台和桥墩受到反复冲击，会存在支架坍塌的安全风险，顶推前项目技术联合总包、监理、业主单位对整个支架体系对照方案进行仔细检查，检查查各个受力部位是否安全图纸施工，并履行验收程序。施工过程中应不断调整墩顶滑道高程，最大限度地降低结构受冲击程度。5）落梁过程中，可能会出现某一墩顶支反力过大，致使钢箱梁局部屈曲。落梁前，根据施工设计应对支点断面进行加强；落梁时，要保证各墩千斤顶下落进度一致，施工人员要密切注意梁底变形情况。4.3既有线施工风险钢箱梁跨越既有高铁线路顶推由于其施工的特殊性，必然会对运营线路产生影响，因此也存在若干潜在风险。1）顶推过程中，杂物有可能会落入既有高铁线路上，造成铁路停运的严重后果。施工方应在钢梁进入既有高铁线路前在桥面两侧安装护栏，防止杂物滚落，并设专人对桥面杂物进行清理。2）钢箱梁顶推施工中前导梁挠度过大，导梁前端距离接触线不满足要求的安全距离，会对既有高铁线路的正常运营产生影响。施工过程中必须实时监测导梁挠度，确保导梁前端处于安全距离。3）钢箱梁施工过程中可能无意间会产生列车运营指挥信号的效果，干扰既有线列车的正常运营。因此，施工前应对施工人员进行相关知识的普及和交底，避免可能产生对设备使用的干扰。4）铁路线上3米位置设有10KV的高压电网，雨水雷雨天气，顶推过程会发生雷击触电事故。因此顶推前左右幅箱梁尾端设置接地螺栓，接地线与管柱接地体进行可靠连接，防止顶推过程触电事故发生。跨越公路施工风险钢箱梁顶推方向自南向北跨越关凤大道，不封路，车辆正常运行。顶推过程存在以下安全风险：1）顶推过程中，容易发生高处坠物、物体打击，造成人员伤亡、车辆受损、交通堵塞的严重后果。为此将采取相应措施：加强顶推班组安全教育培训；设置保通员，确保顶推期间交通顺畅；专人清理箱梁杂物，防止高空坠物。2）人员防护不到位容易发生高处坠落，造成人员伤亡事故。在滑道梁两侧设置水平安全通道，通道旁设置双防护绳，确保顶推过程施工人员个人防护到位，杜绝了高处坠落的风险发生。设施、机械设备风险钢箱梁顶推施工所用设施种类多样，施工设施的安全是完成顶推的必备条件，因此必须对各类重要的施工设施进行风险分析。1）施工平台作为施工过程中最重要的临时结构，必须对最不利工况下支架的变形与整体稳定性进行验算，定时对地基沉降进行观测。2）横向限位装置的突然失效可能使钢梁在顶推进行中产生较大的横向偏位。在顶推运行中密切关注各侧向限位装置，一旦失效应及时更换。3）滑道梁表面摩擦系数应满足顶推力设计要求，否则可能造成顶推困难。每阶段顶推运行前，应反复涂抹润滑剂。4）施工中2台千斤顶如未能做到同步同样也会造成钢箱梁发生较大横向偏移。施工前需对顶推设备进行全方位检查，并进行2〜3次试顶推，在确保设备运行正常后开始正式顶推。顶推运行过程中，必须有专人对千斤顶制动器进行控制，并实时汇报当前油压，顶推监控小组须实时对钢箱梁应变进行监测并汇报，顶推现场负责人随时掌控当前施工中各项信息并下达进一步施工指令。5）现场使用汽车吊进行吊装作业，违章作业造成机械伤害。因此对进场设备进行检查验收；定期检查设备使用性能；对汽车吊司机及配合工种进行安全交底，确保机械设备的操作安全。4.6人员施工风险钢箱梁左幅右幅同时顶推，分成四个滑道组，每个滑道组成员相对固定，统一指挥有序施工。必须配合默契，顶推过程发现问题必须及时处理掉，否则会给顶推带来极大的安全隐患。涉及风险有：1、工期紧，人员高强度施工，存在疲劳作业，注意力不集中，顶推过程带来安全隐患。合理安排施工时间，实行换班制度，确保工人精神状态充足。2、各组成员配合默契性，人员不固定，顶推过程容易造成操作失误，带来安全隐患。要求各组人员相对固定，熟悉顶推流程，统一听从指挥，确保顶推过程安全平稳。3、人员安全意识性不强，顶推过程人员安全带时有未挂现象，存在高处坠落风险，需加强顶推人员的安全教育，每个滑道专人监护，确保人员顶推移位安全。4.7其他风险施工中由于不可抗力及人为原因会产生一些难以控制的风险因素，这些风险同样可能会对施工造成严重后果，产生恶劣的社会影响，成为桥梁施工中不可忽视的一类施工风险。这就要求施工单位做好相关的风险预案并合理处理有关矛盾冲突，同时要求施工人员严格遵守相关规章制度，合理安排相关事宜，妥善处理施工突发状况顶推施工过程钢箱梁监测5.1顶推过程的受力分析根据顶推施工情况，采用MIDAS/CIVIL中梁单元建立钢箱梁和前、后导梁有限元模型，通过约束变换来实现顶推的模拟，计算不同工况下结构的变形和应力。5.2变形监测变形监测包括平面线形监测（轴线偏位）和主梁高程监测。平面线形监测测点设置在每个顶推节段钢箱梁轴线中心处和梁端中心处，通过全站仪观测轴线偏移值，根据观测结果，及时对梁体轴线进行纠偏。主梁高程测点每个断面共2个设置在腹板处的顶板位置，便于观测箱梁横向变形和是否发生扭转变形，根据竖向变形监测数据分析得到其预拱度，与模型计算分析进行对比，判断其预拱度设置是否合理。结论与展望1）跨越既有高速铁路施工由于其施工的特殊性及高风险性，为了减少对铁路线的干扰，钢箱梁顶推施工方案被逐渐采用。对顶推施工的施工工艺与技术需进一步深入分析。2）在顶推过程中要重点监测钢箱梁底板及底板加劲肋易出现局部屈曲的位置。在设计阶段不仅要考虑成桥状态的结构安全也要考虑顶推过程的安全受力要求。3）顶推施工风险分析是施工安全的重要环节，施工筹备阶段应对潜在