移动模架造桥机在高速铁路箱梁施工中的应用

(中铁六局集团有限公司，北京 100000)
摘 要：简述了移动模架造桥机的产生、发展及使用原理，结合高速铁路施工实例，对移动模架造桥机的工作原理、施工技术、关键要点进行了阐述，同时提出了完善该施工技术的建议。
关键词：移动模架；高速铁路；箱梁施工；应用
中图分类号：U238  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)08—0139—04

移动模架造桥机是由桥梁施工挂篮及地面移动支架设备衍生出的一种桥梁施工机械，在国外简称为MSS(The Movable Scaffolding System)。上世纪70年代出现在挪威，相继在世界各地广泛用于桥梁工程梁部施工。上世纪80年代，我国开始引进移动模架造桥设备进行公路桥梁的施工，90年代，实现了移动模架造桥机的设计、加工国产化。移动模架引入我国后，进行施工的全部是公路或市政桥梁工程，对于移动模架在铁路工程的应用，是一项空白。进入本世纪，随着我国桥梁工程施工技术的不断发展，继台湾高速铁路采用移动模架造桥机开始铁路桥梁施工后，在高速铁路桥梁施工中，开始大量使用移动模架造桥技术，同时结合各地区不同的特点，对这项施工技术进行不断的完善和再创新。
1 移动模架类型

经过多年的发展，结合不同施工条件，按照移动模架主承重梁支撑位置的不同，移动模架造桥机分为两类，即：下承式和上承式，或称为下行式和上行式。

上承(行)式移动模架主承重梁支撑于桥墩墩顶及已成梁的梁面上，利用安装在主承重梁上的吊杆、吊臂等吊挂模型系统进行桥梁梁部的施工。上承(行)式移动模架造桥机的优点是：结构受力明确，力学模型简单；由于支撑于桥墩墩顶，对于高桥的施工比较有利，同时便于桥梁首末孔的施工。其缺点是：由于采用了众多的吊杆和吊臂，在施工中造成不便；由于底模在打开的时候，多采用下翻的方式，因此要求桥下净空较大，其使用范围受到限制。下承(行)式移动模架主承重梁支撑于设置在桥墩边的牛腿上，牛腿采取直接支撑于桥墩承台或采取桥墩身预留孔的方式设置，主承重梁上安装支撑系统，支撑模型进行桥梁施工。下承(行)式移动模架的优点是：模型采取了直接支撑的方式，便于对底模线形的调整；桥下占用净空相对较小。其缺点是：模架移动时需要横向打开，为保证横向抗倾覆稳定，需要设配重设施；横向打开时，桥梁两侧占用空间大；由于有前后导梁的存在，在施工桥梁首末孔时难度较大。
2 移动模架施工技术特点

移动模架造桥机将桥梁梁部的预制场搬到了桥位，其形成一个稳定的、移动的工作平台，将梁立模、绑钢筋、灌注混凝土、养生、张拉、就位等工作，全部在桥位高空作业完成。

移动模架造桥机制梁与预制场制梁相比，减少了预制场建设、运架梁设备的投入；与桥位支架现浇梁相比，避免了支架地基处理、安装、拆除等工作，同时受桥下地形影响小、对桥下交通、通航等影响小。因此，移动模架造桥机可广泛的应用于用地紧张、运输条件不便、跨越江河及交通线路、地形条件复杂的桥梁工程施工中。
3 移动模架造桥机的施工技术
3.1 工程概况

新建高速铁路温(州)福(州)线是国家重点铁路工程项目，其中，笔者所在的中铁六局承建的温福铁路(福建段)站前工程第三标段位于福建省福安市、宁德市、福州市罗源县境内，里程范围为DK186＋922～DK240＋315，总长度44.13km。 合同段内有飞鸾特大桥、漳湾特大桥、云淡门特大桥及大云特大桥等四座特大桥，桥梁上部结构均为预应力钢筋砼简支箱梁。
3.2 移动模架造桥机选型及结构设计
3.2.1 移动模架造桥机选型。温福铁路工程桥梁上部结构绝大部分采用了32m整孔预应力简支箱梁，由于结构形式单一，这为移动模架施工带来了便利的条件。但同时，由于各套移动模架分别使用在四座桥梁上，四座桥的具体情况又存在差异，因此，在移动模架选型时，必须综合考虑四座桥各自的特点，使模架能够满足各座桥的施工需要。经过分析，四座特大桥具有以下几方面的特点：①地形比较复杂；②在桥下都存在既有道路，其中飞鸾特大桥不但跨越104国道，同时跨越密集的住宅区，移动模架施工时，必须考虑桥下通行净空；③当地处于沿海地区，在台风到来时，风荷载对移动模架的施工存在安全威胁；④桥墩高度都较低，最大墩高只有21m。

综合上述特点，选用DXZ32/900型下承(行)式移动模架造桥机进行箱梁的施工，由于下承(行)式移动模架自身的结构特点，能够最大限度的满足桥下的通行净空，同时，由于下承(行)式移动模架横向迎风面积小于上承(行)式移动模架，施工中受到的风荷载较小，在台风活动期间施工时，安全性较高。另外，结合桥梁高度较低的特点，下承(行)式移动模架支撑牛腿在设计时可直接支撑于桥墩承台上，牛腿受力明确、稳固、安全，并减少了上承(行)式移动模架需要在墩顶预埋固结构件的工序。
3.2.2 移动模架结构设计。DXZ32/900下承自行式移动模架系针对铁路客运专线双线整孔桥梁施工而设计，为下承式结构，能够自行倒装主支腿。主要由主框架总成、外模系统、内模系统、主支腿及立柱、前辅助支腿、中辅助支腿、后辅助支腿、电气液压系统及辅助设施等部分组成。
3.2.2.1 主框架总成。主框架部分由并列的2组纵梁组成，主要承托底模支撑梁、模板系统等设备重量及钢筋、混凝土等结构材料重量。每组纵梁由3节承重钢箱梁和 3节导梁组成，全长68.25m。钢箱梁接头采用螺栓节点板联结。导梁桁架式结构，接头为螺栓节点板连接。
3.2.2.2 底模支撑梁及外模系统。底模支撑梁及外模系统由底模支撑梁、底模、腹模、翼模、可调支撑系组成。底模通过可调支撑系支撑在底模支撑梁上，底模支撑梁从中部剖分，每侧均与主梁相联。腹模、翼模通过可调支撑系支撑在承重钢箱梁上。
3.2.2.3 内模系统。内模系统标准腔采用半自动化液压模板(内模小车)，端腔变截面采用人工辅助拼装方式，其余内模板的拆立模均利用液压油缸收放方式完成，内模板顺序分块自动收缩后从箱内移出 进入下一孔的钢筋笼内。
3.2.2.4 主支腿。主支腿设置两套，由支撑托架和移位台车两大部分组成。支撑托架由两个牛腿组成并锚固在桥墩上部。移位台车由托盘、纵移滑道及吊挂机构、支撑油缸、纵移油缸、横移油缸、竖向调整油缸等部分组成。移位台车在横移油缸的推拉作用下在支撑托架的横梁上横向移动。纵移滑道与主梁腹板和导梁下弦杆相对。主梁下盖板和导梁下弦杆上设置纵移轨道，纵移油缸缸端固定在纵移支座上，利用倒换插销的方式实现模架的推进过孔作业。移位台车设置吊挂机构，可以吊挂主支腿自行过孔。主支腿过孔利用纵移油缸实现。支撑托架是造桥机的支撑基础，共设2套，每套支撑托架由相同的左右两部分组成，为三角形框架结构，下部设置立柱支承在承台上。支撑托架的左右两部分利用φ32高强精轧螺纹钢对拉与桥墩固结成一个整体。
3.2.2.5 前辅助支腿。前辅助支腿设置在导梁上并与导梁连接为一个整体，作为主支腿吊挂过孔时的临时支撑。前辅助支腿可以从中间剖分，以适应移动模架横向开启过孔作业的需要。
3.2.2.6 中辅助支腿。中辅助支腿是承重主梁前端伸出的牛腿，在牛腿和墩顶之间设置油缸，可以将主框架临时支撑，作为主支腿吊挂过孔时的临时支撑。
3.2.2.7 后辅助支腿。后辅助支腿有两个作用，其一，吊挂主框架，实现后主支腿自行过孔，吊挂并实现主框架横向开启；其二，吊挂主框架后端并在桥面上行走，实现移动模架的过孔作业。后辅助支腿由L形腿、滑动横梁、横移油缸和支腿等部分组成。支腿下部设走形轮系，在铺设于桥面的轨道上走行。
3.2.2.8 液压系统简介。该系统由液压泵站、垂直支承油缸、纵移水平油缸、横移水平油缸、前后辅助支腿支撑油缸、控制元件及管路组成。
3.2.2.9 电气控制系统。电气系统采用380V三相四线制交流供电，由主梁配电柜接入后，分成三路：一路给主梁顶面的电气柜供电，用于向振捣设备和照明系统供电；另一路给主梁后端液压电气柜供电；第三路给主梁前端液压电气柜供电。
3.2.2.10 辅助设施。辅助设施包括爬梯、操作平台、栏杆等。操作平台和爬梯保证作业人员施工安全，主梁内侧的走道和操作平台以方便模架的开启与闭合，外侧的走道和操作平台方便模板撑杆的调整。
3.3 施工工艺流程
3.3.1 首孔梁施工流程。首孔箱梁由于需要拼装模架，同时模架尾部受到桥台及路基填土的影响，因此，与标准孔跨箱梁施工有一定的不同之处，其具体的施工流程如下：

安装主承重钢箱梁临时支墩→安装墩边主支腿→安装主支腿上移位台车→安装主承重钢箱梁→安装底模支撑梁→安装桥梁支座→安装模型支撑系统及外模型→安装前导梁及前辅助支腿→安装液压及电控系统→模架预压及数据采集→计算模型线形→调整模型线形→清理模型→绑扎底板、腹板钢筋及安装预埋件→安装内模→绑扎顶板钢筋及安装预埋件→混凝土浇注及养生→预应力初张拉→安装中辅助支腿及后辅助支腿→模架下落，前、中、后辅助支腿受力→主支腿前移→前、中辅助支腿放松，模架落于主支腿上→模架横向打开→模架纵向移动至第二孔位置→模架横向合拢→开始第二孔梁施工。
3.3.2 正常作业循环施工流程：清理外模型并调整模型线形→绑扎底板、腹板钢筋及安装预埋件→铺设内模小车轨道→内模小车移动内模安装就位→绑扎顶板钢筋及安装预埋件→混凝土浇注及养生→预应力初张拉→安装下一孔桥梁支座→清理移动模架上及各轨道上杂物→安装后辅助支腿下轨道→模架下落，前、中、后辅助支腿受力→拆除主支腿上横向连接并吊挂于主梁及导梁上前移→主支腿达到下一孔桥墩边安装横向连接并紧固→前、中辅助支腿放松，模架落于主支腿上→解除前辅助支腿及底模支撑梁的横向连接→移动模架向两侧同步打开→移动模架两侧同步前移至下一孔位→模架两侧同步横移合拢→前辅助支腿及底模支撑梁横向连接，模架形成整体→顶升模架至施工标高并锁定→开始下一孔梁施工。
3.4 移动模架拼装及模型线形调整
3.4.1 模架拼装方案。移动模架的拼装方案依据“根据模架投入数量采取单一施工流向，尽量在低处拼装”的原则编制。

对于大云特大桥，采取两套移动模架进行施工，而全桥大部分位于海上，只有43号至47号墩位处于陆地上，并且场地较宽阔、墩高较低，因此在45号墩至46号墩之间拼装第一套移动模架，向小里程方向单一流向进行施工，在46号至47号墩间拼装第二套移动模架向大里程方向进行施工。

对于云淡门特大桥与漳湾特大桥，全桥墩高均较大，只有桥台处墩高较小，结合桥梁下部工程的施工流向，这两座特大桥的移动模架拼装位置均在0号台至1号墩间，并全部按照向大里程方向施工的流向进行。

飞鸾特大桥桥梁上部结构形式比较复杂，由小里程(0号台)开始，上部结构形式为：3孔32m箱梁＋(48＋80＋48)m连续梁＋6孔32m箱梁＋(48＋80＋80＋48)m连续梁＋12孔32m箱梁＋3孔24m箱梁＋9孔32m箱梁，0号台及41号台处均具备拼装的条件，但考虑到上部结构中有悬臂施工的连续梁存在，为保证连续梁有足够的施工时间、移动模架可以在施工完成的连续梁上通过从而避免二次拆装施工，因此在41号台至40号墩间进行移动模架的拼装，模架向小里程方向施工。
2.4.2 模架拼装设备。模架拼装中采用的设备主要是起重设备，由于模架各部件中最大但件重量达到21吨，同时考虑到施工场地条件不满足大吨位汽车起重机作业的条件，因此在施工中采用了50t履带式起重机作为主要设备，同时25t汽车式起重机配合施工。
3.4.3 模架拼装工艺。
3.4.3.1 主支腿及移动台车安装。移动模架拼装时，首先安装的是主支腿。主支腿由竖向立柱、三角支撑块及横向滑梁三部分组成。首先安装的是竖向立柱，在桥墩上下游对称安装竖向立柱，并采用精轧螺纹钢筋将上下游的立柱连接，使上下游的立柱连接后抱箍在桥墩上，形成一个稳定的整体。然后在立柱上端安装三角支撑块，在三角支撑块安装完毕后，利用三角块上的对拉横梁采用精轧螺纹钢筋将上下游的三角支撑块再次进行连接，进一步形成一个稳定的整体结构，最后再安装横向滑梁，完成主支腿的安装。

主支腿是移动模架的主要承力结构，因此在安装完毕后，必须进行全面的检查，测量其垂直度、偏折角度、扭转角度等，并对所有连接螺栓采用扭力扳手进行紧固力测量。精轧螺纹钢筋是两侧主支腿间重要的连接构件，安装时采用YC60千斤顶进行对称预拉至设计吨位后锚固。

在主支腿安装完毕后，在横向滑梁上安装移动台车，以及移动台车的液压和电控系统，安装完毕后进行试车。
3.4.3.2 临时支墩。移动模架主承重梁分三个节段拼装而成，因此，在拼装时必须设置临时支墩支撑主梁，支墩与主支腿形成支撑体系，在其上安设主梁的各节段后，将各节段连接，主梁成型。

临时支墩采用混凝土扩大基础上拼装D630钢管制作，在钢管顶端设置托盘及标高调节垫块，以调节标高，保证在主梁安装时三段主梁形成一个顺直的整体。
3.4.3.3 主承重钢箱梁与导梁安装。在主支腿、移动台车和临时支墩安装完毕后，进行主梁的安装。
首先应将移动台车平面位置锁定，同时将其上的竖向顶升千斤顶油缸回缩，使千斤顶高度为最小状态，这样有利于在主梁安装完毕后顶升主梁，便于临时支墩拆除。然后在移动台车、临时支墩上安装主梁进行拼装。主梁是移动模架的主要承力结构，因此在安装完毕后，必须进行全面的检查，测量其挠度、扭转角度、顺直度等，并对所有连接螺栓采用扭力扳手进行紧固力测量。由于导梁是悬臂结构，为避免由于悬臂所产生的弯矩及变形对主梁上其他构件安装造成影响，因此，导梁在模型安装完毕后进行安装。在导梁分节段拼装完成后，立即安装设置在导梁前端的前辅助支腿，并将辅助支腿支撑于桥墩顶上，以减少导梁悬臂对主梁的
影响。
3.4.3.4 模型支撑系统安装。主梁安装完毕后，安装模型支撑系统。首先安装的是横向底模支撑梁，在安装前，利用竖向顶升千斤顶将上下游两侧的主梁调整到同一标高，然后安装。底模支撑梁安装完毕后，两侧的主梁、底模支撑梁形成一个整体。底模支撑梁安装完毕后，安装可调模型支撑杆，在安装时将支撑杆的高度调节装置设置在中间的位置处，这样在下一步的施工中，既可以将底模向上调整，也可以将底模向下调整。
3.4.3.5 模型系统安装。模型支撑系统安装完毕后，安装模型系统。由于模型支撑系统采取了伸缩管的结构方式，与模型连接采用了销接方式，因此在调节模型尺寸及连接上非常方便。
3.4.3.6 辅助支腿安装。前辅助支腿在导梁安装完成后立即安装，以稳定导梁前端。中辅助支腿在模型安装完毕后即可进行安装。后辅助支腿由于在梁顶面上，如过早的安装，将给其他施工作业带来不便，因此，后辅助支腿在箱梁浇注并完成初张拉后进行安装。
3.4.3.7 质量检查验收。移动模架安装完毕后必须进行质量检查验收，这也是保证安全、正常施工的关键工作。检查的主要项目有：模架拼装尺寸及精度、连接螺栓紧固程度、液压系统空载情况下的运转情况及油压、电控系统情况、各类安全机械锁定装置的工作情况以及辅助设备适用情况等。
3.4.4 模架预压及线形设置。移动模架的预压是一项很关键的工作，它的目的有两个：第一是通过预压，实测模架的弹性变形，为模架底模线形的设置，提供基础数据；第二是对模架的强度、刚度、设计计算结果及拼装质量进行检验。
3.4.4.1 模架预压及数据采集。由于箱梁自重非常大，为模拟如此大的荷载，必须采用钢材才能保证，然而箱梁在纵横向荷载分布都不均匀，用钢材完全模拟箱梁的荷载分布情况进行预压显然是不现实的，经过与设计单位、监理单位的共同研究，考虑到模架的变形主要由弯矩产生，因此，采用弯矩等效进行预压，后经过对预压数据与实际施工中的数据进行比较，两者的差异很小，弯矩等效预压的效果比较理想。

预压采用钢材作为压重，钢材集中摆放在移动模架1/4跨至3/4跨范围内，加载重量按照加载产生的移动模架跨中弯矩与箱梁混凝土浇注时产生的跨中弯矩相同而进行反算。加载前，在底模1/4跨、1/2跨及3/4跨处标记处测量位置，并测量初始标高，荷载完全加上后，在测量位置进行挠度测量，测量每6h进行一次，直至不再发生挠度变形，这时记录的挠度变形值为最大变形值。然后进行卸载，在卸载完毕后，同样进行测量，直至不在发生变形为止。采集加载前、加载后、卸载后的底模标高数据，作为下一步数据分析的依据。
3.4.4.2 预压数据分析及计算结果。根据现场实际测量，加载后底模跨中挠度左侧为36mm，右侧为34mm，再卸载后挠度完全消除，因此可以认为：移动模架底模出现的变形完全是弹性变形，非弹性变形的影响可以忽略不计。

实测数据中，跨中左右两侧的挠度平均值为35mm，这与移动模架制造厂家所提供的跨中挠度49mm有较大的出入，在经过对厂家的计算进行复核后发现，在计算时未考虑模型自身的抗弯能力及前端导梁所产生的反向弯矩，经过重新计算后，跨中理论挠度为40mm，与实测数据差距较小。首孔梁的施工中偏于安全考虑，跨中计算挠度采用42.5mm，设计提供箱梁预应力张拉后跨中上拱22.5mm，计算得到底模跨中预拱度为20mm。底模预拱度按照二次抛物线型设置，依据跨中上拱度20mm，大小里程支座处拱度为0mm的边界条件计算得到二次抛物线公式，并对底模下每一处可调支撑按照公式计算出的结果进行高度调整。

实际施工中，经过连续对三孔梁混凝土浇筑过程中移动模架的变形观测及箱梁预应力张拉后的上拱观测，移动模架实际跨中挠度为35mm，张拉后箱梁实际上拱度在28～30mm之间，根据实测数据，将底模跨中预供度调整为10mm。
3.5 箱梁施工工艺

移动模架梁位现浇箱梁的钢筋、混凝土施工工艺与预制场制梁基本一致，此处不再详述，其区别与预制场制梁的工艺主要是预应力张拉、内模安装及移动模架过孔作业，而这几项工艺也是移动模架制梁的关键工艺。
3.5.1 预应力张拉。箱梁预应力张拉按照《客运专线铁路桥涵施工技术指南》(TZ213-2005)要求施工，与预制场制梁不同的是箱梁梁端处的张拉空间问题。由于箱梁是简支梁，在梁位处两孔梁间距十分小，导致张拉空间不足。温福铁路采用的是有渣轨道后张法预应力混凝土简支箱梁(双线)，图号是：通桥(2006)2221-Ⅴ。根据设计要求，箱梁浇注完成后强度达到80%时可进行除张拉，以进行移动模架过孔施工，确保施工进度。当箱梁达到100%强度，且龄期不少于10天时方可进行终张拉。在箱梁端部，预留43cm后浇段作为张拉槽，待终张拉后进行该处的混凝土浇注。但在施工中往往出现上一片箱梁还未进行终张拉时，下一片箱梁已浇注完毕，因此箱梁终张拉时出现了张拉空间不足的问题。图纸预留张拉空间纵向长度为：43cm＋14cm(梁缝宽度)=100cm。而正常张拉时需要空间为：40cm(千斤顶长度)＋25cm(预留伸长量)＋5cm(工具夹片后钢绞线长度)＋45cm(退顶长度=115cm，大于张拉空间。
尤其是由于箱梁分两次张拉，在同一桥墩上，大小里程两侧的两片箱梁的钢绞线同时伸入张拉空间内，使得张拉空间越发紧张。针对张拉空间不足的问题，采取了以下的措施：①定购特制千斤顶，千斤顶长度为32cm，张拉空间纵向长度需要99cm。②在安装钢交线时，后浇注梁在靠近已浇注梁一端钢交线外露长度为10cm，减少两片梁间钢绞线的相互干扰，在张拉时再抽出达到张拉长度。
3.5.2 内模安装。移动模架的内模设计采用了液压内模小车结合整体可收缩钢模板结合的方式，除首孔梁施工中，内模需要起重机吊装外，其他梁的内模安装，均铺设轨道用液压小车收缩模型并运输到待浇梁内打开安装。这样的设计节省可施工时间、提高了工效、确保了安装精度。
3.5.3 移动模架过孔。移动模架在合拢状态下(施工箱梁状态)是一个稳定的整体，在其打开后移动过孔时左右两侧形成相对独立的两个单元，同时由于模型系统都集中在内侧，造成内侧外侧荷载不均衡，因此在过孔施工时安全隐患较大，过孔施工是非常重要及关键的施工工序。

移动模架过孔必须在白天进行，以确保安全，同时，由于移动过程中横向抗倾覆的需要，瞬间最大横向风力大于6级的情况下不得进行过孔作业。移动模架过孔施工的步骤如下：步骤1：前后主支腿前移：桥面铺设后辅助支腿的走行钢轨；点动前主支腿、后主支腿的承重油缸，解除机械锁紧螺母，前主支腿、后主支腿的承重油缸少量回收，依靠设备自重脱模；后辅助支腿在桥面支撑，中辅助支腿、前辅助支腿在墩顶支撑；前主支腿、后主支腿承重油缸完全回收；解除前主支腿、后主支腿的对拉高强精轧螺纹钢筋；吊挂油缸回收，将主支腿提高，安装吊挂机构；解除吊挂油缸的连接，主支腿吊挂在走道上。利用纵移油缸顶推前主支腿、后主支腿前进至下一桥墩就位；安装吊挂油缸，吊挂油缸回收，吊挂机构平移开；吊挂油缸伸出，主支腿支承在承台上；张拉主支腿的对拉高强精轧螺纹钢筋。

步骤2：模架横向打开：解除中辅助支腿、前辅助支腿支撑；后辅助支腿、后主支腿、前主支腿的油缸回收使移动模架主梁底部的轨道落放在支撑滑道上；解除底模桁架、底模、前辅助支腿中部的连接螺栓。
后辅助支腿、后主支腿、前主支腿的横移油缸循环伸缩使两侧移动模架向外横移开启约4.5m。

步骤3：模架前移就位并合拢：同时启动后主支腿上的纵移油缸，循环伸缩使模架前移一跨。模架横移合拢就位,底模桁架、底模、前辅助支腿连接；主支腿承重油缸顶升就位并机械锁定；模板调整；绑扎底腹板钢筋；内模就位；绑扎顶板钢筋；混凝土浇注。
［参考文献］
［1］ 郑州大方桥梁机械有限公司.DXZ32/900型移动模架造桥机使用说明［S］.
［2］ 客运专线铁路桥涵施工技术指南(TZ213-2005)［S］.

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