铁路抢修高墩液压顶升施工工法

铁路抢修高墩液压顶升施工工法1 前言随着我国铁路的高速发展，高桥墩的数量日益增多。它们多处于峡谷地带，墩高跨大，位置险要，是战时铁路保障运输的重点，也是应急抢修工程保障的难点。我国既有桥墩抢修器材是以中低高度桥墩为主要对象，没有高墩抢修的制式器材；利用既有桥梁抢修器材组拼高墩的技术，也难以适应现代高技术局部战争对抢修器材的战术技术性能提出的要求。正是基于此，铁路高墩抢修器材的研制应运而生。高墩抢修器材研制的核心问题是最大限度地提高安装速度，以适应高技术条件下局部战争对铁路保障的要求。高墩部件数量多、高空风力大是高墩组立的不利条件，而且多处于深山之中，地形情况各异，更需要因地制宜。虽然北京西客站和上海东方电视塔等大型结构的施工中曾采用顶升方法并获成功，但毕竟与高墩结构不同。高墩断面小、重心高、随拼随顶，难度更大，抢修速度要求快，而且没有组立实践。加之已有抢修墩（钢塔架）的吊装方法都难以达到快速抢修的要求，为此提出了顶升法自上而下组墩。并于2005年7月由中铁第五勘察设计院集团有限公司和铁道战备舟桥处共同进行了铁路抢修高墩拼装速度考核试验，在试验中采用液压顶升的施工方法拼组了一座70m高墩，从器材运到工地起，用时69小时34分。“铁路高墩抢修器材研制”科技成果于2007年10月18日通过了铁道部科技司组织的鉴定，认为该项目技术水平为国际先进。项目获2008年度总公司科技进步一等奖；中国铁道学会科学技术奖三等奖；2007年度中国施工企业管理协会科学技术奖技术创新成果一等奖。该成果对铁路抢修高墩的理论分析、结构设计和液压顶升施工等关键技术进行了深入的探讨，弥补了我国桥梁高墩抢修制式器材的空白，提出的液压顶升施工方法，在施工技术上是一项突破，使得我国高桥墩施工工艺和方法有了新的突破，体现了新时期的技术新成果。为便于推广使用，我们将施工技术进行总结、整理，形成本工法，以利于类似工程借鉴。2 工法特点1）采用液压顶升组立高墩，工艺、设备简单，顶升设备集中控制，操作简便，稳定性好，安全可靠。2）顶升法组立高墩占用土地少，配套设备少，投入劳动力不多，大量作业在地面进行，高空作业少，是一种适合高墩抢修的施工方法。3）顶升框架采用拆装式结构，结构简单，重量轻，安装折除方便。4）为深山峡谷交通不便地区修建高支架、现浇大跨度、高拱桥提供了一种可行的施工方法。5）高墩采用单元化拼组，随拼随顶，平行作业，可提高战时抢修进度。6）为抢修器材的研究设计提供了依据。3 适用范围本工法不但适用于八三式铁路轻型军用桥墩、六五式铁路军用桥墩和铁路抢修高墩等制式器材，而且可以利用液压顶升组立高墩，应用于抢修公路、铁路桥梁及修建高支架、大跨度现浇桥梁和其它高层建筑。4 工艺原理高墩液压顶升拼组是在已浇注好的混凝土基础上，安装好下垫梁，拼组导框框架、墩身顶部和墩帽，安装顶升设备，在预拼台座上拼装好单元墩节，用墩节运送小车通过运输轨道送到已顶起的墩身下部，用小吨位千斤顶顶起，与上部墩身直接联结固定好，然后用大吨位千斤顶升，如此循环往复，自上而下组墩，直到墩身拼完，最后与导桩框架连接，完成整个高墩的拼组。5 施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程图铁路抢修高墩液压顶升施工工艺流程图如图5.1.0-1。5.2 关键技术与设备顶升用液压系统由四台液压油缸、一个泵站以及附属的液压和电气控制系统组成。油缸额定压强P额=25MPa，外径D=250mm，内径d=180mm，有效行程L=1100mm。四台油缸可单独升降，也可同步升降。顶升导向与设备安装。高墩高达数十米而且是利用牛腿兜底提升，重心远在支顶点以上，这是与电视塔桅杆、屋架、钢梁提升等不同的新情况。高墩顶升面临的首要技术关键问题就是顶升过程中的稳定性、方向及组立精度控制，同时提升千斤顶也需要有支撑点。为此，先拼一个具有相当强度与刚度的导框结构，其功能为：a液压提升千斤顶的支撑；b高墩顶升时的稳定与方向控制；c高墩顶升一个节距后的临时定位；d操作人员工作平台；e与墩筒连接作为高墩的一部分，增加其水平刚度、减少墩顶位移。导框共24柱，分布在墩身四周，联成一个整体，在墩身顶升时起支撑和导向的作用。导框在一面留有一个门洞，以方便送入预拼墩节。导框内侧四边分上、中、下三处各装有导向轮，可以在墩身顶升时起导向和约束作用，以保持墩身稳定，控制方向。其他关键技术：高墩顶升过程中的安全稳定性。墩身顶升时顶部中线偏移量，方向控制及位置调整。导框的位移控制。基础顶面沉降观测。顶升千斤顶同步性能测控。顶升过程中导框水平力及墩身立柱受力的测试。图5.1.0-1 工艺流程图5.3 施工要点5.3.1 施工准备1）对高墩拼装场地、标准墩节预拼场地、杆件存放场、吊机作业位置等进行总体布置。总体布置图如图5.3.1-1。2）高墩基础施工：按设计要求，开挖基坑，并夯实，然后绑扎钢筋，浇筑砼，并根据设计位置预埋高墩锚定螺栓。基础及预埋件布置图如图5.3.1-2。3）预拼台座设置：利用高墩器材拼组，吊机安装，布置如图5.3.1-3。4）缆风卷扬机安装：在距高墩四角6080m处预埋地垅，安装卷扬机，用于收放缆风绳。布置如图5.3.1-4。5）铺设轨道：在高墩拼装场地和墩节预拼场地间铺15cm厚道碴，上铺枕木和钢轨，钢轨间距2595mm，作墩节运送小车的轨道。5.3.2 墩底垫梁安装墩底垫梁共两层，纵横叠置，首先将锚栓与底层垫梁连接成整体并按设计位置安装，然后将上一层垫梁与底层垫梁按设计位置连好，调整垫梁使其处于同一标高，因直接影响墩身的垂直度和拼装速度，要求保证安装精度。最后用高标号砂浆灌注锚栓。图5.3.1-1 高墩拼装场地总体布置图图5.3.1-2 高墩基础及预埋件布置图图5.3.1-3 预拼墩节台座布置图图5.3.1-4 缆风系统安装示意图5.3.3 导框拼装先进行导框预拼，然后用吊机将预拼好的单元安装完成并铺设脚手板，再将连接系杆件或单元逐件安装完毕，对导框各部位螺栓进行紧固。导框预拼单元划分如图5.3.3-1。5.3.4 顶部墩身和墩帽拼装顶部墩身和墩帽需在导框内拼装，首先进行预拼单元，然后进行单元间联结系杆件的安装连接。5.3.5 顶升设备安装图5.3.3-1 导框预拼单元划分图在导框和墩身之间按设计位置依次安装提升牛腿、三号牛腿、二号牛腿和一号牛腿。提升牛腿连接在墩身立柱上，三号、二号和一号牛腿与导框立柱连接。在提升牛腿下部安下横梁，三号牛腿上安装座梁，放置液压千斤顶，共四台，千斤顶顶部安装上横梁。然后安装提升杆，把提升杆穿过上横梁和座梁，其下端用钢销卡在下横梁上。在下垫梁上安装卷扬机，在下横梁和座梁上设置滑车，穿好钢丝绳，用于下横梁和提升牛腿的倒用。顶升设备安装布置如图5.3.5-1。5.3.6 墩节预拼和输送图5.3.5-1 顶升设备安装布置图（单位：mm）墩节预拼在导框门洞一侧的预拼台座上进行。用吊机将单元拼装成整体形成标准墩节。墩节拼好以后，拆掉与台座相联结的螺栓，将小车推到墩节腹内，用墩节运送小车上的六台5吨液压千斤顶将墩节稍稍顶起，然后送入导框内已顶升的墩身下部，用千斤顶将墩节顶起与上部墩身连接，运送小车退出。墩节预拼及运送如图5.3.6-1。墩节预拼和墩身顶升进行平行作业。图5.3.6-1 墩节预拼及运送示意图（单位：mm）5.3.7 顶升工艺流程墩身顶升是通过千斤顶、提升杆、牛腿以及横梁来实现的。首先将提升杆上端用钢销卡在上横梁上。开机后四台千斤顶将上横梁抬起，提升杆带动墩身上升。当千斤顶达到预定行程时停机，用钢销将提升杆卡在座梁上。千斤顶回程，上横梁随之下降。当千斤顶活塞全部收回后，再将提升杆卡在上横梁上。再顶升。循环往复直至墩身拼完。每次将墩身顶升6.5m的高度，在其下部送入一个预拼墩节，用墩节运送小车上的5t千斤顶调整墩节高度即可与墩身对好位并相联结，将墩身下落放到下垫梁上。安装联结系、拼接板，同时将提升牛腿倒装到接拼墩节的下部，以备再顶升。顶升工艺流程框图如图5.3.7-1：图5.3.7-1 顶升工艺流程图5.3.8 墩身连成整体墩身顶升完毕，将下垫梁的上一层垫梁安装成整体，墩身下落与下垫梁连接。拆除顶升设备，连接导框和墩身间的联结系，形成整体。根据需要，接高导框立柱，增加墩身刚度，先通后善。5.4 劳动力组织劳力组织见表5.4.0-1。表5.4.0-1 劳动力组织工种指挥安全员测量员及工程师器材接收与发送高墩拼装导框拼装墩 节作 业吊装司机预拼拼装预拼连接搬运运送倒装提升牛腿对位泵站缆风指挥吊车人数1133151846421212142233导框拼装与墩节预拼、顶升为顺序作业，作业人员相同。一个工班45人。6 材料与设备本工法所需的通用机具设备和安装工具见表6.0.0-1，除此之外，需增加一套顶升施工辅助部件，数量表见6.0.0-2。表6.0.0-1 通用机具设备及安装工具表名 称规 格单位数量备 注吊机25t台2棘轮套筒扳手M24把10固定扳手M24把10开口扳手M24把2撬棍根10大号4根，中号6根铁锤把6大铁锤2把，小铁锤4把吊环3t个60冲钉30.8个8滑轮3.2t个14单轮10个，双轮4个铁梯m56卷扬机3t台10缆风绳4台、倒装提升牛腿4台、牵引小车用2台表6.0.0-2 一套高墩顶升施工辅助部件数量表名 称单位数量单重（kg）总重（kg）一号牛腿个127068472二号牛腿个82772216三号牛腿个48583432提升牛腿个63962376上横梁根222714542座梁根222154430下横梁根218863772提升杆根411774708钢销个1211132垫块个247.3175.2导框短柱根42871148临时联结槽钢根20501000临时联结槽钢根1629.2467.2步行梯套11381.21381.2小车个112681268液压设备套1/7 质量控制7.1 墩顶偏移量高墩液压顶升过程中，纵横向墩顶最大偏移量不超过60mm；高墩顶升到位后，纵横向墩顶最大偏移量不超过50mm。顶升过程中随时用经纬仪进行观测，一发现异常情况，立即停止顶升，利用缆风绳予以调整。7.2 基础沉降高墩顶升过程中随时用水准仪观测混凝土基础的沉降量，保证高墩顶升前后混凝土基础的沉降量不超过5mm，以免因基础的不均匀沉降而影响高墩的顶升。7.3 液压千斤顶的同步性能四台液压千斤顶的同步误差不大于5mm，采用一套泵站通过分配阀和同步阀控制。千斤顶还能单动，在同步超出5mm时，可以予以调整。8、安全措施拼装前应组织作业人员进行安全教育，并熟悉器材技术性能，拼装方法、操作要求。对液压千斤顶、卷扬机、钢丝绳、卸扣等应进行仔细检查，如发现有损坏或松动现象，应立即调换、修理。基础顶面和墩节预拼场地以及墩节运送小车的走行轨道力求平整，高低差不宜超过5mm。放置墩底垫梁时，应垫平。拼装和顶升过程中应设专人负责指挥，卷扬机、液压千斤顶必须按指挥人员的信号进行作业。信号事先统一规定，发出信号要鲜明准确。组装前,应对所用部件认真检查。同时定期检查施工设备，发现问题及时修正。在顶升过程中，应随时检查立柱的垂直度、立柱间的方正性与水平差，随时检查4个液压千斤顶的同步性，随时用经纬仪观测墩顶及导框在纵横两个方向的偏移，用水准仪随时观测基础顶面的沉降。一旦发现异常情况，应及时采取有效措施予以纠正。最顶一层的标准直撑和标准斜撑安装时，应注意立柱间距离的准确性和方正性，以免墩帽垫梁安装困难。拼装中遇到部件错孔，不能安装连接螺栓时，可以过冲纠正。过冲时应用小锤敲打，不宜使用大锤猛打。在用小锤敲打而不能纠正时，可以拧松附近螺栓再过冲。螺栓安装须按要求对号入座，长、短螺栓不得混用或代用。注意安装次序，以免施工互相干扰。本器材所用螺栓为剪力承压型螺栓，对于螺栓的施拧力，其大小一般按25kgm掌握，以拧紧螺栓，防止松动。在施拧过程中，要加强检查。缆风绳：在墩顶下部20m处四角设有缆风绳，顶升时放松，停工时收紧，以保证墩身顶升过程中的安全。尽量利用预拼，以提高拼装速度。应高度重视天气变化情况：遇有六级以上大风要停止墩身顶升工作，确保安全。9 环保措施认真学习环境保护法，执行当地环保部门的有关规定，督促全体施工人员自觉做好保护工作，并接受业主和环保部门的监督指导。在千斤顶、泵站等机械设备下放上隔油布，避免滴落的油渗入土地；更换液压油和检查油路渗漏时，在隔油布上操作，以免大量漏油引起污染；在清洗油污时，把清洗后的污水排入城市污水管道，避免二次污染。教育施工人员养成良好的卫生习惯，不随地乱丢垃圾、杂物，保持施工现场的整洁。10 效益分析本工法的优点是场地面积、配套设备、投入劳力少，劳动强度低并大量作业在地面进行，避免了高空作业；工艺、设备简单，操作方便；墩身上升平稳，方位易于控制，稳定安全可靠。用于高墩抢修，则可使比较复杂的上垫梁在地面拼组，墩身也可先在预拼场组成节段推入墩位与已顶升的墩段连接，自上而下拼组高墩，且可平行作业，因而效率高，作业安全，进度快。最后连接墩身下部扩大部分，形成比较经济的多柱式变截面塔架墩。架梁作业可与墩底扩大平行作业，从而节约抢修时间，能够快速恢复被中断的交通运输。由于铁路高桥墩多位于峡谷地带，已有抢修墩（钢塔架）的吊装方法都难以达到快速抢修的要求，而本工法是一种切实可行的新方法，是高桥墩抢修施工技术的一项突破。本工法的提出，使得我国高桥墩施工工艺和方法有了新的突破，体现了新时期的技术新成果，达到了国际领先水平，这一成果的推广应用，将带来良好的国防、社会和经济效益。本工法的国防、社会和经济效益首先表现在战时和平时的抢险救灾中，使用本工法有助于遭受破坏的铁路提前修复，使得一个地区、地带的工农业生产得以迅速恢复和发展，从而相应地间接获得经济效果。这一巨大的经济效益在战时或自然灾害时将会充分体现。本工法还可以用于高层结构施工以及桥梁架设，为深山峡谷交通不便地区修建高支架、现浇大跨度、高拱桥提供了一种可行的施工方法。其广泛使用，能够有效地改善施工组织，加快施工进度，降低工程造价，提高作业安全性，推广应用前景十分广阔。11 应用实例本工法主要以铁路抢修高墩拼装速度考核试验为素材而撰写的。铁路抢修高墩拼装速度考核试验是为了验证铁路高墩抢修器材的拼组速度是否满足研制任务书的要求以及高墩液压顶升施工方法是否安全可靠而进行的。铁路抢修高墩由墩身、墩帽和墩底垫梁组成。墩身为多柱式阶梯形变截面塔架，由核心墩筒（236柱）与兼做导框的下部加宽墩体（30柱，可根据需要接高）组成。设竖向联结系与断面联结系。核心墩筒23柱，外廓立柱中心距4.48m，导框部分高19.3m，核心墩筒联结导框后实际形成的墩身下部尺寸1416m。墩帽共2层，垫梁纵横叠置。上层垫梁分左右两组，各为双排双层工字钢，其位置与支座的位置相对应。下层垫梁为2组，为单排双层工字钢，均与立柱位置相对应。垫梁所用工字钢即用立柱部件卧放。墩底垫梁共2层，为单层工字钢纵横叠置，用立柱部件卧放。全墩包括墩底垫梁、墩身和墩帽的总高为70.2m，总重393t。中铁第五勘察设计院集团有限公司和铁道战备舟桥处承担了铁路抢修高墩拼装速度考核试验任务。从2005年7月7日至8月14日，进行了拼装演练。采用液压顶升的施工方法，进行拼组，包括下垫梁、导框部分、墩帽、液压顶升系统安装、墩节预拼和顶升，拼装70m高墩，在投入45人，两台25吨吊机的情况下，共用时69小时34分钟。采用液压顶升法拼组高墩，投入劳力和配套设备少，高空作业少，拼组速度快，墩身上升平稳，安全可靠，方向能够有效控制，满足铁路高桥墩安全抢修的要求。该项技术研究与应用成果，于2007年10月18日通过省部级鉴定，鉴定认为：该项技术成果为国际先进水平。12