高速铁路桥梁装配式一体化成套施工技术应用

高速铁路桥梁装配式一体化成套施工技术应用尊敬的各位领导、行业专家：大家下午好！很荣幸的参加本次由中国施工企业管理协会主办的“第十五届工程建设行业信息化发展大会——企业家会议”，我发言的题目是《高速铁路桥梁装配式一体化成套施工技术应用》。随着社会经济和现代化建设的快速发展，桥梁建设的发展也迎来了良好的机遇期，因此桥梁设计的各种新理念和桥梁施工的各种新方法都不断地被尝试。其中，节段预制拼装技术的应用及发展令人瞩目，而且得到了世界各国建设领域的广泛认可。预制拼装法作为桥梁绿色环保建设的代表工法，不仅可以促进传统产业的转型升级，还能降低劳动成本、节约建筑材料、降低能耗、减少扬尘、对环境干扰小，是符合节能环保的产业政策的先进技术。因此，对该施工方法和核心技术进行深入研究并实施产业化，具有重要意义，同时也是贯彻我国十三五“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念。因此，在铁路建设过程中，对桥梁结构节段采用工厂化预制，不仅可以减少现场施工混凝土浇筑、钢筋绑扎工作量，更有利于质量控制；同时，预制拼装在国外以及我国公路工程中已得到成功应用，有必要对铁路桥梁预制拼装技术进行系统、深入研究，更好为我们铁路特别是高速铁路建设事业服务。1.国内外发展现状1.1预应力混凝土管桩管桩基础是将预制的大直径钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土管桩，用大型的锤击锤沿导向结构将桩垂直向下沉到桩端持力层的桩基础。管桩基础适用于桩端持力层为较厚的强风化或全风化岩层，坚硬粘性土层，密实碎石土、砂土、塑性土、粉土层的场地；而且适用于大跨径桥梁的深水基础，没有水下作业和不受季节限制。管桩施工需要有打入锤、凿岩机、起重设备等大型机具，动力要求较高。1.1.1国外发展现状国外管桩技术的发展，主要向多样化、大直径、智能化流水线、新型快速接头、无废浆技术及组合桩设计等方向发展。工厂的机械化程度和流水线的自动化很高，使用人工较少，不仅节约了大量的劳动力，还可避免人为因素对产品质量的影响，减少安全事故。国外节约材料、能源的意识强，材料、设备、能源的利用效率较高，浪费较少，工厂比较整洁干净。国外预制管桩的施工方法，主要包括静压法、锤击法、中掘法等。1.1.2国内发展现状自1998年新长铁路开始，PHC管桩陆续应用于秦沈铁路，宁西铁路、赣龙铁路、宁启铁路、沪杭高铁、沪通铁路和连镇铁路等。当前预应力管桩在铁路路基处理上也有应用，如京沪高速铁路宿州站，温福铁路、宣杭铁路软土路基加固等。国内预应力管桩沉桩方法主要有锤击法、静压法、振动法、射水法、中掘法、钻孔植桩法等。目前铁路多采用锤击法、静压法、振动法等，其他方法因在动荷载条件下的承载力有不确定因素而较少采用。锤击法是利用打桩设备（柴油锤或液压锤）的锤击能量将管桩打入土（岩）层一定深度的施工方法。适用于软土、粘性土、粉土、砂土、软质岩石等。静压法是利用压桩机把管桩压入地基土（岩）层一定深度的施工方法，简称静压法。适用于覆盖层易压穿、桩端持力层为强风化、全风化岩层；软土、一般可硬塑的粘性土层；中密-密实的碎（卵）石土、砂土、粉土层等地质条件。中掘法针对PHC管桩和SC桩施工的一种方法，通过边钻挖土边连续沉桩，最后在桩端修筑扩大球根，使桩端产生较高的承载力。1.2预制拼装桥墩1.2.1国外发展现状国外较早开展了预制拼装桥墩的研究和工程应用，陆续修建了一些采用预制拼装的桥梁。其中自20世纪80年代以来，美国修建了一批预制拼装式桥墩。美国在非震区应用了部分节段预制拼装式桥墩，震区没有应用。典型工程包括北卡罗来纳的LinnCove高架桥（林湾高架桥）、佛罗里达瓦卢西亚县的sunshineskyway桥等。图1.2.1-1LinnCove高架桥（林湾高架桥）图1.2.1-2sunshineskyway桥国外对应用于中高震区的拼装式桥墩抗震性能做了相关研究，但均未投入工程实践。1.2.2国内发展现状我国对预制拼装桥墩的研究和应用早期曾在一些铁路项目中得到应用。近年来在公路市政、轨道交通等领域的应用日益广泛。从20世纪50年代起，我国就在铁路建设中开始了采用装配式桥涵的尝试。在60年代工点设计的基础上，发展到70年代在长大干线上成段全面采用装配式桥涵。1949年至1981年间，全路已建成各式拼装墩台，并已投入运营且情况正常者约20座。东海大桥、杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥及上海S7公路等公路及市政项目等也广泛应用装配式桥梁。图1.2.2-1上海东海大桥及其桥墩预制安装图1.2.2-2杭州湾大桥预制预制拼装桥墩1.3预制拼装防护墙和电缆槽1.3.1国外发展现状国外高速铁路桥梁的桥面宽度并没有一个统一的标准，有的较宽，有的较窄，桥面宽度主要由线间距、接触网立柱位置及桥上是否设置走行式桥梁检查车有关。各国在桥面两侧均设置遮板，主要包括跟梁体联结为整体（类似于我国T梁的挡砟墙）、预制后安装两种型式，主要作用包括美观、翼缘板端部引导雨水流向、为栏杆或声屏障安装提供基础、保护桥面横向预应力封锚部位等。1.3.2国内发展现状我国铁路桥梁桥面系目前基本上已经实现栏杆、遮板、人行道盖板的构件化预制，但遮板与梁体的连接、竖墙以及防护墙等均采用现场浇筑的施工方法。在公路桥梁中，分别在上海S6高架桥及沈阳南北快速干道工程中采用装配式防撞墙。图1.3.2-1上海S6公路预制防撞墙2.工程概况新建京雄城际铁路固霸特大桥349#～380#墩（DK72+580.45～DK73+578.47）段落设计为桥梁装配式一体化施工，即下部基础采用预制管桩，墩身采用分离式节段预制拼装圆端形实体桥墩，梁体采用预制简支箱梁，桥面附属设施设计为预制拼装整体式防护墙和电缆槽。2.1设计概况2.1.1预应力混凝土管桩桩基础采用大直径(φ1.0m)预应力混凝土管桩。本工程设计的管桩采用国家建筑标准设计图集(10G409)中的预应力高强混凝土管桩PHC桩，预应力管桩型号为PHC-1000(130)-AB。相关参数如下：管桩外径1.0m，内径0.74m，壁厚0.13m，采用C80预应力钢筋混凝土。采用柴油锤或液压锤锤击法沉桩，桩身分段长度控制在16m以内，根据设计情况需要厂家定制。桩身分段采用法兰焊接，焊接接头端板接头采用环氧树脂漆进行防腐处理；桩尖根据地质条件和设计要求采用开口型钢桩尖。管桩顶以下6m范围浇筑填芯混凝土，形成实体段并配置构造钢筋笼与承台连接。本工程设计管桩单根桩长34～42m，桩底均置于硬塑粉质黏性土层中。图2.1.1-1预应力混凝土管桩设计构造图2.1.2预制拼装桥墩节段预制拼装桥墩采用分离式圆端形实体桥墩,混凝土强度为C40，由两个墩身立柱和一个墩帽组成，其中墩身预制尺寸为桥横长2.6m×桥纵宽2.2m×高4m(4.5m、5m或5.5m)，安装时横向净距1.5m，墩身横向总宽6.7m。墩帽预制尺寸为桥横长7.8m×桥纵宽3m×高2.5m，采用流线型过渡。图2.1.2-1预制拼装桥墩设计构造图墩身及墩帽主筋采用HRB400C32mm钢筋，墩身与承台、墩帽与墩身之间钢筋采用Φ32全灌浆套筒连接，构件之间混凝土通过M60高强砂浆连接。2.1.3预制拼装整体式防护墙和电缆槽高速铁路预制拼装整体式防护墙和电缆槽构件结构宽1770mm，标准块长1980mm，梁端块长2310mm，底板厚度140mm；32m梁左右侧共计安装32块整体式防护墙和电缆槽（28块标准电缆槽、4块梁端电缆槽）预制块，预制块纵向布置间距为2m。预制构件采用防护墙、电缆槽、边墙整体设计，取消原遮板部分，边墙顶部预留栏杆或声屏障接口，预制构件与梁采用预埋套筒连接，设计28mm砂浆找平层。预制块采用C50混凝土，砂浆调平层采用M35砂浆，结构图见下。图2.1.3-1预制拼装整体式防护墙和电缆槽设计构造图3.高速铁路桥梁装配式一体化施工技术3.1特殊地质条件下大直径PHC管桩沉桩施工技术3.1.1工艺流程3.1.2施工准备根据施工方案，针对管桩的施工要求，在开展施工前需要做好以下施工准备工作：（1）施工场地应平整，有一定的承载能力和运载能力，能满足打桩机来回行走不陷机的要求。场地的各种要求均已满足试验场地要求。（2）调查施工场地内的地下和地上管线无地下和地上管线影响。（3）收集进场机械设备及人员持证情况及管桩产品说明书、质量保证资料等。（4）管桩进场验收合格。3.1.3取桩管桩堆放时叠放均不超过2层，采用打桩机自行拖桩取桩或使用130t吊车取桩。取桩时用铁钩钩住管桩的后端，并把钢丝绳捆绑在管桩的前端距桩顶约2m处，拖拉取桩时，注意保持打桩机的稳定。同时要注意保护下节管桩露出地面部分的桩头，避免上节管桩吊起摆直时端头激烈碰撞造成桩身破裂。管桩吊起后，缓缓地将一端送入桩帽中。图3.1.3-1打桩机取桩3.1.4垂直度控制桩底就位后对中和调直工序对成桩质量起关键作用。“调直”，一是要使桩身垂直；并按规范要求底桩起吊就位插入地面时桩身的垂直度第一节偏差不大于0.3%，第二、三节偏差不大于0.5%。测量管桩桩身包括打桩架导杆的垂直度，本次试桩采用了用两台全站仪在离打桩机10m以外成90°角方向进行观察，并每2m测量一次，当桩身打入4m后再不进行调直，防止打桩中不均匀受力。图3.1.4-1全站仪进行垂直度控制3.1.5打桩打桩前技术人员先在桩侧上划出以米为单位的长度标记，以便在打桩时观测每米的锤击数。起吊预制桩时，先拴好吊桩钢丝绳和索具，然后用索具捆住桩上端30cm附近处，再起吊预制桩，桩提升到垂直状态后，送入桩架导杆内，准确地对好桩位；即可除去索具。然后利用全站仪将管桩调直到规范要求范围内。开始打桩时，先用重锤以自由落体的形式进行打桩，当打到2m处停锤，利用全站仪观察桩身与桩架、桩锤是否在同一垂直线上；打桩过程中随时用全站仪检查桩的垂直度。图3.1.5-1沉桩时桩身画线标记3.1.6引孔装配式桥梁段位置砂层距原地面深度为26.5-29.3m，由于管桩施工范围存在砂层地层，管桩进入砂层后沉桩贯入度急剧减小，继续沉桩极易对管桩桩头造成损坏，经试验，采用长螺旋钻机引孔可有效解决管桩进入砂层后贯入度急剧减小的问题，管桩施工时在第一节和第二节管桩打入完成后采用螺旋钻机分别进行2次引孔施工。引孔过程中引孔直径不宜超过桩直径的2/3，引孔深度根据地质情况确定，引孔深度宜穿透砂层但不宜超过设计孔深，引孔宜采用长螺旋钻机引孔，垂直度偏差不宜大于0.5%。图3.1.6-1长螺旋钻机引孔施工3.1.7接桩当下节管桩打入土层后应留0.5m～1m的桩头在地面以上，取桩准备将两节管桩的断面紧密贴合，且贴合前应将上下端面的泥土等杂物清除干净。在焊接前，技术员需检查贴合情况，不得在接头处出现间隙，管节间错位偏差不应大于2mm。管桩采用二氧化碳气体保护焊，两个焊工对称焊接。在焊接前检查焊接设备参数及保护气体压力，以免造成焊缝不饱满、平顺；根据规定自然冷却时间不应小于8min。图3.1.7-1管桩接桩焊接施工3.1.8送桩当顶节桩沉至离地面0.5〜1.0m时停锤，注意桩垫的完整性，必要时应换上新的桩垫。套上送桩杆，调节桩架，使送桩杆帽与桩顶接触平实，送桩杆与桩轴线成一条直线后开锤送桩，直至达到桩顶设计标高。施工前在送桩杆上刻长度标志，便于桩顶标高控制。沉桩及送桩过程中，通过观测桩的入土情况，并记录锤击数，计算贯入度。桩顶标高由水准仪测量控制，保证桩长满足设计要求。图3.1.8-1管桩接桩焊接施工3.1.9终锤成桩当桩端位于一般土层时，成桩要求为标高为主，贯入度为辅。当桩端达到持力土层时，进入持力层不小于1.5m，以贯入度控制为主，标高为辅。贯入度达到设计要求而桩端标高未达到设计标高时，应连续锤击3阵，并按每阵10击的贯入度不大于50-120mm为准。在确认桩端进入设计持力层后，连续三阵均达不到设计指标，应采取送桩、接桩，变更桩长等措施。根据设计文件要求和现场实际，桥梁预制桩采用锤击法施工，任意单桩的总锤击数不超过2500击，最后1m锤击数不超过300击。3.2预制拼装桥墩施工技术3.2.1工艺流程3.2.2施工准备施工前做好技术交底、原材料进场检验、进场模板验收和劳动力组织等准备工作。3.2.3灌浆套筒定位及安装安装墩身及墩帽钢筋胎具，灌浆套筒定位底座，将灌浆套筒通过螺栓橡胶塞与定位底座连接固定。墩身及墩帽钢筋绑扎由钢筋绑扎胎具辅助，底部灌浆套筒采用定位底座定位。图3.2.3-1墩身灌浆套筒安装及定位图3.2.3-1墩帽灌浆套筒安装及定位3.2.4钢筋绑扎待灌浆套筒在定位底座上安装定位完成后进行钢筋绑扎，墩身及墩帽钢筋绑扎在各自绑扎胎具上完成，钢筋绑扎前安装并测量钢筋胎具精度。图3.2.4-1墩身钢筋绑扎图3.2.4-1墩帽钢筋绑扎墩身顶部预埋两组环形钢绞线作为吊点，每组4根Φ15.2mm钢绞线，利用P锚锚固在混凝土内，预埋深度1.2m。吊装时吊绳利用卡环连接钢绞线起吊。图3.2.4-3墩身吊点布置示意图墩帽吊装采用预埋精轧螺纹钢作为吊点的方式，墩帽顶部预埋共6组12根Φ25mm精轧螺纹钢预埋深度1.5m。吊装时采用专用吊具吊装。图3.2.4-4墩帽吊点布置示意图3.2.5钢筋笼整体吊装及翻转墩身钢筋绑扎完成后整体吊入水平放置的墩身模板内，然后安装墩身圆弧模板，安装完成后，由龙门吊进行带模整体翻转，使墩身钢筋与模板直立，达到可以浇筑状态。图3.2.5-1墩身钢筋笼整体吊装图3.2.5-2墩身钢筋笼带模翻转墩帽钢筋笼采用整体吊装，吊装采用专用吊具整体吊装入模。图3.2.5-1墩帽钢筋笼整体吊装3.2.6混凝土浇筑及养护预制墩身混凝土采用直立浇筑，墩身和墩帽混凝土分层浇筑、分层振捣，一次浇筑完成。构件浇筑完混凝土后，顶面混凝土及时覆盖土工布洒水养生。混凝土强度达到2.5MPa后拆模，拆模后在存放区贴养生膜进行养护作业，养护14天。图3.2.6-1墩身混凝土浇筑图3.2.6-2墩身养护3.2.7墩身翻转及预制构件运输墩身、墩帽混凝土强度达到设计强度75%时开始吊装。墩身采用在场内直立预制，预制场设置墩身翻转架将墩身由直立状态翻转至水平状态，然后水平放置存放在存放区。图3.2.7-1墩身翻转墩身、墩帽的运输选用6轴重型平板半挂车，运输至现场后墩身、墩帽采用260t履带吊卸车，现场翻转利用随车带的翻转架翻转作业。图3.2.7-1墩身构件运输图3.2.7-1墩帽构件运输3.2.8承台验收及测量放样承台浇筑完成后，及时对预埋钢筋进行高程和位置复核，确保偏差在验收标准允许范围内。墩身安装前在承台顶面及墩身底部进行十字线测量放样，承台上墨斗弹线，墩身上用防水记号笔标记清晰。图3.2.8-1放样尺寸标线3.2.9坐浆槽凿毛及墩身调整装置安装根据放样位置弹出坐浆槽区域轮廓线并对其环切凿毛，凿毛需露出新鲜混凝土。凿毛尺寸为270cm×230cm，安放橡胶垫块，橡胶垫块采用20cm×20cm×4cm。图3.2.9-1承台坐浆槽凿毛坐浆槽外沿安装挡浆模板，模板与承台采用膨胀螺栓连接，设置L型限位板，安装千斤顶。图3.2.9-2挡浆模板及调整限位板安装3.2.10墩身预安装利用四个倒角处限位装置的10个螺杆进行立柱底部纵横向位置调整，调整完毕后，锁紧10个螺杆；观测墩柱中心线与设计中心线重合时，锁紧四个千斤顶，试吊结束后，墩柱吊离。图3.2.10-1墩身预安装3.2.11坐浆槽造浆及墩身安装墩身吊离后，安装止浆垫片，对坐浆槽洒水使润，搅拌坐浆料，并均匀摊铺于坐浆槽内，保证浆料中间高四周低。坐浆槽内造浆完成后，利用260t履带吊安装墩身，注意墩身下落距承台预留钢筋10cm时缓缓下放，过程中注意观察墩身垂直度，完成墩身安装。图3.2.11-1坐浆槽内造浆图3.2.11-2墩身安装同一墩位处，首个墩身安装完成后，相邻墩柱的定位要注意控制与首个墩身的相对位置，安装时通过墩顶定位架(槽钢加工)辅助安装，确保安装精度。图3.2.11-3墩顶卡具确定相对位置3.2.12墩底灌浆套筒灌浆当坐浆料初凝后，对墩身灌浆套筒进行灌浆，灌浆前先用清水清理灌浆套筒，安装压浆孔阀门，出浆孔管道，出浆孔管道连接至事先准备的小桶内，防止污染承台。待各项准备工作完成后，开启压浆机进行压浆，当出浆孔连续排浆且与进浆孔浓度一样时停止灌浆。注浆孔与出浆孔采用高强无收缩灌浆料封堵。封堵完成后涂刷防水涂料。图3.2.12-1墩底灌浆套筒灌浆3.2.13墩顶挡浆模板安装墩顶安装橡胶防漏条，并安装挡浆模板，每墩身顶安放2个橡胶垫块。图3.2.13-1墩顶挡浆模板安装3.2.14墩帽预安装墩帽安装采用260t履带吊，安装时利用吊机慢慢将墩帽吊至墩柱上方，对准墩柱开始慢慢下放，首先将墩帽底部标线与墩身底部标线调整对齐，然后通过抱箍调整顶帽标高。通过安装于墩帽灌浆套筒的牛腿调节墩帽的平面位置，调整完成后吊离顶帽。图3.2.14-1墩帽预安装3.2.15墩顶造浆及墩帽安装用水润湿墩身顶部，用M60高强砂浆料均匀铺设于墩顶。吊车将顶帽移至墩柱上方，按照试吊步骤安装墩帽。图3.2.15-1墩顶造浆图3.2.15-2墩帽安装3.2.16墩帽灌浆套筒灌浆在墩帽底部压浆孔安装阀门，进行压浆，压浆步骤同墩底灌浆套筒压浆相同。3.3预制拼装整体式防护墙和电缆槽施工技术3.3.1工艺流程3.3.2施工准备根据施工方案，针对预制拼装整体式防护墙和电缆槽的施工要求，在开展施工前需要做好技术交底、原材料进场检验、进场模板验收和劳动力组织等工作。3.3.3钢筋绑扎及模板安装钢筋绑扎采用专用定位胎具，保证钢筋间距满足规范及设计要求。图3.3.3-1钢筋绑扎及预埋件安装构件模板尺寸严格按照设计图纸进行加工，采用整体开合式，为使脱模方便，特意在模板交角部位设置倒角、斜坡等。脱模时采用丝杆等使模板与混凝土脱离。模板采用定型钢板，面板采用5mm厚钢板，模板设计时，混凝土采用倒着预制（即防护墙底部与梁面接触部位朝上）。图3.3.3-2全开合式模板3.3.4砼浇筑砼浇筑前需再次对预埋件、模板进行检查，确保预埋件位置及模板尺寸无误，加固牢靠。混凝土浇筑过程中要充分振捣。振捣时严禁碰撞钢筋、模板。混凝土浇筑后，对顶面进行拉毛处理。图3.3.4-1构件混凝土浇筑3.3.5脱模吊装及翻转构件浇筑完成后及时洒水养护，强度达到2.5MPa后，拆除四周侧模，待强度达到设计强度75%（即35MPa）后，拆模脱模，将竖墙处开合式模板全部打开，构件整体吊装出模。图3.3.5-1侧模拆除吊点利用构件内预埋尼龙套管，将构件四角套筒安装螺栓，使用吊车将挂钩固定在螺栓上进行吊装。图3.3.5-2构件吊点布置构件预制时在两个端面预埋M20套筒，侧模拆除后，套筒上安装螺栓，吊带吊装螺栓辅助翻转。3.3.6箱梁预埋套筒定位预制箱梁钢套筒安装定位时采用定位工装辅助，预制块安装位置（即距两侧翼缘边1.77m）做拉毛处理。预制块灌浆前洒水湿润并将灰尘清理干净。图3.3.6-1箱梁预埋套筒定位3.3.7螺杆安装及调平构件安装前确认灌浆区域凿毛到位，安装连接螺杆，安装并调节垫片至设计高度。图3.3.7-1螺杆及调节垫片安装3.3.8封边模板安装封边模板采用∠75角钢加工，封边时将两个预制块做为一个单元进行灌浆作业。图3.3.8-1封边模板安装效果3.3.9灌浆作业灌浆前估算所需浆体体积，确保备料充足。灌浆实用数量不应与计算值产生过大误差，防止中间缺浆。搅拌前先将10kg聚合物拌合液倒入搅拌筒中，后将50kg灌浆料缓缓加入，使用手持搅拌机搅拌300秒后，观察拌合砂浆无结块现象方可开始灌浆，从其中一个灌浆孔灌入，从另一个灌浆孔观察灌浆料流动性，直至全部灌满为止。待灌浆料初凝且2h抗压强度达到20MPa即可拆除封边模板，然后对毛边进行清理。图3.3.9-1灌浆料搅拌图3.3.9-1灌浆料灌注3.4信息化助力桥梁装配式一体化3.4.1三维可视化技术交底、施工虚拟仿真模拟应用为保证全路首段装配式桥梁顺利实施，通过建立墩身工装BIM模型，将承台钢筋模型、墩柱钢筋模型、墩帽钢筋模型分别与对应工装胎架匹配无误后，再将三个构件模型按墩子尺寸装配成整体，通过模型试配检查拼装构件钢筋及预埋件之间的匹配精度，有效保证了预制件的加工精度。通过BIM技术生成三维可视化交底，项目制作了三维可视化技术交底，并支持在平台中实时查询，使施工人员更好的理解设计意图和施工工艺方法，确保施工质量，减少不必要的返工。利用BIM技术设计及优化大吨位预制节段桥墩和墩帽在预制场预制工效组织、场地布置、工装设计、工序模拟等，确保预制工艺和预制工期满足现场安装工期需求。图3.4.1-1信息化平台图3.4.1-2信息化平台上三维可视化交底3.4.2装配式一体化桥梁成本管理应用通过二维码的方式将桥梁预制构件施工过程信息自动集成到BIM施工管理平台，管理人员可通过电脑端或手机端随时随地了解预制构件的相关信息和施工状态，实现了桥梁装配式预制构件从设计、预制、运输、安装及运