高速铁路400m级混凝土拱桥建造关键技术成果

2020-09-11中铁十八局集团有限公司

云南科技管理 2020年4期

中铁十八局集团有限公司

该技术依托云桂铁路南盘江特大桥研发，并在该桥得以成功应用。云桂铁路起于南宁到达昆明，是国家中长期铁路网规划中的干线铁路，是云南省里程最长、标准最高、覆盖区县最多、投资规模最大的铁路，也是西南出海主通道之一。

南盘江特大桥由中铁十八局集团有限公司承建，大桥全长852.43m，桥高280m，主跨采用416m 上承式钢筋混凝土拱桥，为全线重点控制性工程，也是目前世界跨度最大的客货共线铁路混凝土拱桥。桥梁建造集大体积混凝土（3.2万方）、高墩（102m）、大跨（416m）、连续刚构、悬索桥、斜拉桥、拱桥及外包混凝土技术于一身，几乎囊括了同类型桥梁建设所有的顶尖技术，施工难度、技术含量前所未有。该桥于2016 年12 月28 日通车运营，至今状况良好。

图1 大桥建成

图2 大桥通车

为攻克该桥的技术难题，由建设、设计、施工等单位组成的桥梁科研团队秉承“敢为人先，争创一流”的精神，积极开拓创新，先后攻克400m 级混凝土拱桥横向刚度控制、钢筋混凝土拱圈成拱、大体积混凝土结构抗裂及百米高空中混凝土拱圈运营养护等诸多难题，总结形成“高速铁路400m 级混凝土拱桥建造关键技术”，取得以下创新成果：

1）首次建立了桥面静态竖向变形12.5m 弦平均曲率值与列车加速度的关系，提出12.5m 弦平均曲率竖向刚度控制方法和评价指标，填补了规范的空白，大大拓展了混凝土拱桥的应用范围。

图3 桥面变形12.5m弦平均曲率值

图4 列车加速度曲线

2）首次提出“横向变形拱上相邻跨折角+曲线半径”的横向刚度控制方法，突破了铁路桥梁横向挠跨比、宽跨比以及横向自振周期控制桥梁横向刚度的传统方法，大幅优化了拱圈结构尺寸，提高了设计的经济性。

3）首次提出了“交界墩顶刚构+拱上连续梁”的大跨度连续拱上结构，提高了拱上结构的整体刚度，对于400m级的大跨度拱桥可减小50m 以上高墩数量45%，拱上最高墩高度降低40%，减小了拱上结构的施工难度和拱座开挖边坡防护的施工风险。

图5 交界墩顶刚构+拱上连续梁方案布置示意图

4）首创了大跨度混凝土拱桥“斜拉扣索调整骨架内力的大节段平衡加载”混凝土拱圈施工方法，在外包混凝土之前采用极少扣索张拉在拱脚弯矩影响线最敏感的位置，以此减小劲性骨架内力峰值，拱圈混凝土外包过程中骨架管内混凝土基本消除了拉应力，最大压应力减小5MPa。劲性骨架尺寸优化25%，外包节段数量仅为传统劲性骨架法的1/4，缩短工期1/3 以上。

图6 分环分段浇筑示意图

图7 外包混凝土施工

5）研发了大跨度混凝土拱桥劲性骨架整体节段预拼安装技术。劲性骨架在预拼场采用单肋1+2 卧拼和整体节段1+1 立拼的方法将前后节段精确对位后，骨架左右肋及横梁一次性整体提升吊装就位，可实现2mm 的安装精度。大幅缩短劲性骨架安装工序、同时降低了劲性骨架高空焊接作业风险。

图8 劲性骨架整节段吊装

6）首次在高速铁路大跨度混凝土拱桥采用真空压注技术，将C80 混凝土在劲性骨架弦管内一次压注到顶，压注高差达102m。压注过程中设置扣索调载，有效控制了骨架的竖向变形，减小了对先压注管内混凝土的扰动。

7）研发了用于外包混凝土模板安装、拆除及周转的缆索吊二级提升平台，降低了施工安全风险，提高了高空作业效率，外包混凝土浇筑工期较原设计缩短1/3。

图9 缆索吊二级提升平台

8）提出了拱圈混凝土系统防裂技术，有效控制了裂缝的产生。一是根据拱圈分环分段形成，应力叠加的受力特性，将混凝土强度评定的龄期由28 天延长至90 天，让混凝土的强度一直处于健康的增长状态，减少了水泥和外加剂的用量，减小混凝土的水化热和收缩效应。二是在拱圈顶、底板增设横向预应力钢束，给拱圈施加预压应力1.5MPa 左右，以抵消拱圈混凝土横截面分环施工中先后浇混凝土由于龄期差导致的收缩拉应力。南盘江大桥采用该研究成果，运营3 年多来，拱圈未发现裂缝。

9）提出了拱桥分块式拱座基础结构形式，将拱座拆分成了核心受力区和下部基础三个独立的部分，体积缩小为之前的1/3，避免了混凝土水化热和收缩产生的裂缝。

图10 分块式拱座基础

10）研制了拱圈检查车，解决了混凝土拱圈百米高空中运营养护和维修难题。一是首创复合轨道驱动技术，电磁和液压组合制动技术实现了解决大跨度拱桥拱圈检查车45°大坡度爬升和无冲击安全驻车问题。二是首创单点悬挂和阻尼平衡技术，使得检查车在峡谷强风等不利荷载下的系统振幅周期只有原来的1/4，爬坡试验时基本感觉不到车体的摆动。