便橋

工程概況

鐵路寧波站改建工程位於寧波市老城範圍內的寧波火車站既有站場上，為大型鐵路樞紐站房，鐵路站房及站前廣場下方設有地鐵 2 號線、4 號線車站，其中寧波市軌道交通 2 號線寧波南站位於鐵路站房正下方，橫穿整個鐵路站場。根據鐵路運營的要求，在寧波站改造建設施工期間要保證既有鐵路線路正常運營，同時整個樞紐工程的建設工期也不允許將站房基坑“一分為二”分區分期開挖施工。因此，在站房基坑開挖施工期間需要設置跨越基坑的臨時鐵路便橋，在保證既有線正常安全運營同時，也可提供站房基坑整體開挖施工的條件，縮短基坑工程的工期，確保整個樞紐工程的建設進度。如圖1所示。

1.1 站房基坑工程概況

寧波站主體基坑為國鐵南北換乘大廳基坑與地鐵車站基坑共建，為“坑中坑”形式，分兩級開挖，同時採用了分級放坡、鑽孔灌注樁+止水帷幕以及地下連續牆圍護形式，施工工藝複雜。本項目主體基坑一次性開挖面積約 17000m2，設 3 層地下室，其中站房換乘大廳基坑開挖深度約10.15m，地鐵車站基坑開挖深度約 20.7~23.7m，建設場地內存在深厚的軟弱土層，基坑開挖深度影響範圍內第②1 層灰色淤泥質粘土、②2 層及 3 層灰色淤泥質粉質粘土、④1 層灰色淤泥質粘土和④2層灰色粘土均為高含水量、高壓縮性、低強度的軟弱淤泥質土和粘土，具有較明顯觸變及流變特性，受擾動後強度降低較大，同時大體量的土體一次性開挖卸載將對周邊環境造成較大影響。

1.2 鐵路既有線遷改過渡情況

站房施工期間鐵路既有線要保證不中斷正常運營。基坑開挖前，先將正線臨時搬遷至既有的其他線路，然後在既有正線位置處施工臨時鐵路便橋。便橋施工完畢後，將正線復位(即正線通過臨時鐵路便橋跨過站房及地鐵基坑)，再開挖施工站房及地鐵基坑。待站房及地鐵基坑永久正線區域，地下結構回築至±0.00 後，鋪設永久正線，再將過站正線從臨時鐵路便橋搬遷至永久正線位置處，然後拆除臨時鐵路便橋。

1.3 鐵路便橋方案選型

在基坑方案設計過程中，擬定了兩種臨時鐵路便橋設計方案進行比選：

1) 傳統鐵路便橋方案。橋墩採用現澆大直徑灌注樁，橋面則採用工廠化生產的鋼結構梁板。優點是安裝、拆除方便，快速，工程造價相對較低。但存在以下缺點：① 本工程中橋樑墩柱最高約 24m，橋樑橫向振動和穩定問題較難解決，目前鐵路工程中通常僅在橋柱高度≤10m 的情況下使用；② 採用此便橋方案，通過橋樑的列車時速需控制在 45km/h以內，不能滿足運營的要求；③ 橋樑墩柱(樁)穿過主體結構底板，澆築底板混凝土時防水很難處理，成為工程質量的隱患。

2) 現澆砼梁板+鋼格構柱組合式便橋方案。因便橋柱採用插入灌注樁的格構式鋼柱，對於橋樑柱穿過地鐵及通道底板混凝土時結構防水處理比較簡單。同時通過在橋柱間設置柱間支撐和連繫梁等措施，可較好地解決高墩柱便橋橫向剛度偏弱的問題。並且通過計算分析和構造措施，可以將過站列車的速度提高到 80km/h，完全滿足鐵路運營需求。綜合比較上述兩個方案的優缺點，並與建設、施工、鐵路運營等單位充分討論研究後，確定採用鋼格構柱支撐現澆鋼筋混凝土梁板的組合式鐵路便橋方案。

組合式便橋結構設計

2.1 便橋結構設計概況

鐵路便橋按 2 線，線間距 5.3m 設計，縱向長度為 133.6m，橫向寬度為 12.9m，高度最大約為24m。橋柱採用由 4 根 L200×200 角鋼，通過鋼綴板焊接組成的格構式鋼柱。橋面混凝土梁截面尺寸採用 1000mm×1000mm，橋面板厚度為 350mm，混凝土強度等級均為 C35。

2.2 主要設計參數

臨時過站線路考慮客貨共線，客運列車限制速度80km/h，貨運列車限制速度45km/h 設計。便橋橋面活荷載取值採用《鐵路橋涵設計基本規範》“中-活載”圖式，列車的橫向搖擺力、離心力、制動力或牽引力均按《鐵路橋涵設計基本規範》規定取值。

2.3 便橋結構靜力計算

1)針對本便橋結構的特點，選用通用有限元軟件SAP2000 進行空間結構分析計算；並運用中國建築科學研究院開發的PKPM 系列軟件進行便橋結構的整體計算。

2)基坑土方開挖對臨時鐵路便橋的附加變形影響。

3)計算結果分析。

綜合以上計算結果，臨時鋼格構柱支撐現澆鋼筋混凝土梁板的臨時鐵路便橋方案，橋柱、梁板承載力均滿足使用要求；基坑開挖對鐵路便橋的附加變形影響、便橋結構的撓度、縱橫向剛度及自振頻率等均能滿足規範和列車運行速度V≤80km/h時的使用要求。

組合式便橋結構動力特性分析

採用有限元軟件MIDAS/CIVIL 和SAP2000 建立便橋結構計算模型，除橋面板採用板單元模擬外，其他構件均採用空間梁單元模擬。考慮到本工程的地質條件及橋墩柱的嵌固狀況，計算模型考慮在樁頂以下10m 處將樁固定約束，以此等效考慮樁基礎和坑內加固土體的彈性約束。經計算分析，便橋前10 階振型均以墩柱和橋面梁體橫向彎曲振動為主，而橋面結構豎向振型未在前10 階出現。分別為橫橋向、順橋向和橋面扭轉振型，計算表明便橋墩柱的橫向剛度是整個橋樑剛度的控制因素_。

因墩柱的高度隨着便橋下基坑土方開挖深度的逐漸加深，剛度相應變小。墩柱基礎的剛度還和便橋下土層性質有關。本工程基坑開挖深度基本位於淤泥等軟弱土層內，通過加大墩柱基樁直徑、在墩柱間設置縱橫向連繫梁、對軟弱土層採用高壓旋噴樁加固處理等措施，加強便橋基礎彈性約束和墩柱橫向剛度。計算結果也表明，通過以上處理措施後，便橋結構的動力特性能夠完全滿足鐵路橋樑設計規範和運營的要求。

組合式便橋車橋耦合振動響應分析研究

採用有限元程序MIDAS 和車橋耦合振動分析軟件VBC 分別建立橋樑結構模型和運行車輛模型，採用模態疊加法建立車輛和橋樑結構的運動微分方程，進行車橋耦合計算。計算模型考慮了便橋墩柱的高度和剛度隨着基坑開挖深度不斷變化情況，建立了開挖第一層土方和開挖到坑底兩種施工工況下的橋樑結構模型，進行對比分析計算。每個施工工況均考慮了不同的車型和車速工況的組合。分析表明，基坑土方開挖到底的施工工況是便橋結構的最不利受力工況，以下的便橋振動分析均基於此施工工況進行計算分析。

便橋振動響應計算結果分析及評價：

1)按照表2 所列工況進行計算分析列車運行引起的便橋結構振動加速度最大值為0.68m/s(豎向)、0.33m/s(橫向)，均滿足鐵路橋樑軌道結構正常使用及行車安全性要求。

2)橋樑橫向振幅最大為2.59mm，豎向位移最大為0.68mm，由貨車編組計算工況控制。同時計算結果顯示出因便橋邊墩與路基為簡支連接，其橫向振幅超過2mm，對行車安全性和舒適性不利。

3)列車動載引起的便橋結構內力變化值不大，採用規範提供的衝擊係數以及中-活載進行結構設計能夠保證結構具有足夠的強度和安全度。

計算分析結果也揭示了列車動載可引起便橋結構較大的橫向位移，主要對應於貨車編組工況，應對通過便橋的貨車適當限速。同時加強便橋邊墩與基礎的連接，增強邊墩剛度。分析結果也顯示在上述計算工況下，橋樑豎向加速度最大為0.68m/s，出現在ICE 列車編組車速為100km/h 時，且便橋豎向加速度有隨列車車速增大而迅速增大的趨勢，即有發生短跨橋樑豎向共振的可能，應對動車組類型列車進行適當限速。綜合考慮便橋結構安全和鐵路運營管理部門的要求，最終將通過便橋的客車限速取80km/h，貨車限速45km/h。

結論

(1)現澆鋼筋混凝土梁板+鋼格構柱組合式鐵路便橋在城市鐵路樞紐站房深基坑工程中可以結合工程樁及基坑支護樁等同步施工，並隨着基坑土方開挖的加深逐步加設墩柱支撐保證便橋有足夠的抗側剛度，是一種結構新穎、施工簡便的跨越基坑的新型鐵路便橋，能較好的適應和滿足施工場地狹小、建設工期緊迫的鐵路工程建設。

(2)組合式鐵路便橋整體抗側剛度由橋樑墩柱的橫向剛度控制，而墩柱剛度主要取決於基礎剛度。因此對便橋下方基坑土方進行適當加固以提高土體強度，並在墩柱間設置柱間支撐等措施是合理、有效的。

(3)便橋的車橋耦合振動分析表明，不同的列車車型及車速會引起便橋結構較大的橫向振動和加速度，特別是貨車編組工況對便橋的振幅影響較大。因此需要對通過臨時便橋的列車車速進行合理限速。

(4)便橋下基坑土方的開挖及無支撐暴露時間對便橋橫向剛度影響較大，應儘可能縮短土方的開挖時間，及時安裝柱間支撐，並將便橋下的土方開挖及安裝支撐施工控制在列車停運的夜間進行，以確保便橋結構和列車運營的安全。 ^[1] 

主要施工步驟

1 施工準備調整。

鋼管樁每施打完成一段後, 即可在每個墩加設剪刀撐加固, 並在鋼管樁頂部橫橋向焊割一個寬為20cm 、高約45cm 的槽,安裝1 根Ⅰ45b 工字鋼作為鋼橫樑(蓋梁)。要特別注意鋼橫樑的頂面標高的控制, 偏差控制在±10mm之內並焊接加固。每個墩橫截面方向均設剪刀撐加固。

2 施打鋼管樁、 焊設剪力撐

首先, 打樁船在施工水域後拋錨定位, 船上吊車吊起振動錘及鋼管樁, 在全站儀的測量控制下,並焊接加固。用浮吊吊裝槽鋼作為上橫樑,在縱梁上橫橋向按0.8m 的間距架設上橫樑,做好連接及加固工作。

3 架設縱、 橫樑

利用浮吊在架設好的鋼橫樑(蓋梁)上順橋向架設縱梁, 橫向間距為0.9m, 共6根, 對稱佈設,施工前利用全站儀定位, 在交通船上用測繩及竹竿對施工區域的河底進行勘探, 瞭解河牀面情況是否與設計相符。施工前根據鋼便橋結構形式及長度準備好施工中所需的材料。同時根據施工進度安排各種設備進場, 主要包括施工所需的兩艘400t駁船, 一台16t吊機, 一台勾機、一台45kW振動錘及一台120kW 發電機等。

4 枱面系施工

平台面面板採用8mm 厚鋼板鋪設,視施工總體安排合理順序鋪設, 同時注意提高鋼板的週轉利用率。除平台與鋼便橋相連側不設安全護欄外, 其餘各邊側設置安全護欄, 每隔1.6m焊設高1.5m的鋼管, 掛設安全網並放置一定數量的救生圈。

調整打樁位置, 到達設計位置後用拉纜拉緊, 進行施打鋼管樁, 施打過程中利用經緯儀及全站儀觀測控制鋼管樁的位置(控制平面位置偏差小於10cm及垂直度小於1 %),將第一節樁振打至鋼管樁樁頂高出水面1.0 ～1.5m ,或以方便鋼管樁焊接的高度。外購的鋼管樁的長度多為12m ,施打第一節鋼管樁時, 鋼管樁的長度一定要滿足要求, 滿足第一節能打穩並使樁頂在水面以上。由於河牀高差變化較大, 地質情況差異較大, 原則上按鋼管樁入土深度不小於7m 進行控制 。

結語

(1)本鋼便橋使用能滿足設計範圍內各種施工機械過車、 作業。

(2)鋼便橋的應用將水上作業轉化為陸上作業, 大大方便了施工, 提高了生產效率。

(3)鋼便橋的應用減少了工程施工中所需的船機使用, 租賃船機用於鋼便橋的施工及拆除便可,降低了工程成本投入。

(4)鋼便橋施工完畢後進行拆除, 大部所使用材料可回收再利用。 ^[2] 

概述

“貝雷梁”又稱貝雷片或桁架片, 在我國於20世紀60年代開始定型生產,具有結構簡單、運輸方便、架設快捷、載重量大、互換性好、適應性強的特點,廣泛應用於國防戰備、交通工程、市政水利工程, 是我國應用最為廣泛的組裝式承重構件。由於具有以上優點,在大跨徑橋樑施工中,通常用貝雷樑架設便橋, 以便於為主橋的施工提供服務,現介紹用於某鐵路特大橋施工的貝雷便橋設計與檢算。

施工便橋結構形式

該鐵路橋跨徑佈置為60m+2 ×80m+60m的連續梁橋,該河道為VI級通航河道, 最高通航水位5.57m,淨高4.5m。連續梁設計水位為6.97m,施工水位為5.275m,正常施工時水深8.125m,施工地段受潮汐影響較為嚴重。

1.1 便橋上部結構

為了使施工設備能進出施工現場作業, 經過對各種施工方案進行比較, 採用搭設鋼便橋的施工方案。需在鐵路橋位旁從岸邊架設一座寬6m、長273m的便橋通至各墩,形成水上施工通道,以便使造橋材料和施工設備能夠運抵對應的位置, 在橋墩所在位置搭建施工平台,提供施工場地,順利完成該鐵路橋水中跨徑的施工。

便橋的結構形式的擬定本着就地取材和服務於主橋施工為原則,並與兩側路基相連接,鋼便橋上部結構按簡支梁設計,用國產3m×1.5m貝雷片建成標準跨徑為9m的簡支梁,立面構造如圖1所示,全長279m,橋面寬為6m,從下到上依次是:貝雷片、工字鋼(間距為20cm的I18工字型鋼)、橋面(10mm 厚防滑鋼板)、欄杆 。

1.2 便橋下部結構

根據地質情況,水中墩採用單排3根529mm 鋼管樁按每9m一跨佈置,鋼管樁橫向間距為2.5m,打入河牀以下6m左右,具體長度由施工水位及地質條件決定。鋼便橋鋼管樁的縱向和橫向均採用20槽鋼作剪刀撐,以增強其穩定性。樁頂用2根I32b工字鋼作為橫樑,與鋼管樁焊接在一起。

便橋的施工

2.1 材料製作

按便橋設計要求委託專業廠家加工12m長的Υ529mm鋼管樁,根據現場施工進度分批運至工地。鋼管樁在起吊、運輸和堆放過程中應避免因碰撞等原因而造成管身變形的損傷。

2.2 鋼管樁沉放

(1)沉放前先計算出每根鋼管樁的座標, 施工時逐樁用全站儀精確放樣其座標位置, 待沉放完畢後,用全站儀在對樁位進行復測,保證其在允許的範圍之內;如果沉放完畢後,鋼管樁偏差較大, 應及時將其拔起,重新定位沉放鋼管樁。並用水準儀測出其高程。

(2)鋼管樁沉放採用450振動錘, 最大激振力為40t,起吊設備採用25t汽車吊,在第一跨施工完畢後吊車開上6m寬便橋,由岸邊往河中逐跨施打,依靠鋼管樁重力插入覆蓋層中,待樁身有一定穩定性後, 再利用吊車吊起振動錘夾住鋼管樁,開動振動錘振動下沉鋼管,待第一節鋼管樁沉放一定標高後, 然後在其上進行第二節鋼管樁的對焊, 焊接中焊縫應飽滿,無殘餘焊渣, 並用搭接板進行加強。鋼管樁逐排沉放,一排鋼管樁沉放完成後,接着施工該跨上部結構,再移至下一跨。

(3)注意事項:①振動錘重心和樁中心軸應儘量保持在同一直線;②每一根樁的下沉應連續,不可中途停頓過久,以免土的摩阻力恢復,造成繼續下沉困難;③沉放過程應加強觀測, 鋼管樁偏位不得大於10cm,垂直度不大於1%;④鋼管樁施打完畢後,應及時焊接剪力板, 並使用20槽鋼做剪刀撐加強鋼管樁連接,以防水流衝擊傾斜, 保證樁穩定。

2.3 便橋搭設

鋼管樁沉放完成一跨後,即可開始進行便橋、平台上部結構的型鋼佈設,具體步驟如下:

(1)按照設計圖紙尺寸插打鋼管樁並對鋼管樁進行穩定性加固;

(2)在鋼管樁上安裝已拼接好的2根I32b工字鋼橫樑;

(3)工字鋼與鋼板焊接可靠連接;

(4)三列單層雙排貝雷樑架設;

(5)架設I18工字鋼橫向分配梁, 間距為200mm;

(6)橋面為δ=10mm防滑鋼板鋪設;

(7)便橋兩邊加設欄杆。 ^[3]