软土地区跨既有桥梁非对称矮塔铁路斜拉桥施工控制关键技术研究

软土地区跨既有桥梁非对称矮塔铁路斜拉桥施工控制关键技术研究软土地区跨既有桥梁非对称矮塔铁路斜拉桥施工控制关键技术研究中铁六局集团天津铁路建设有限公司科技研发项目立项报告申请单位：中铁六局集团天津铁路建设有限公司项目起止时间：201*年**月至201*年**月中铁六局集团天津铁路建设有限公司制订一、立项目的（不少于300字）天津津保铁路三线矮塔斜拉桥是我国首座三线铁路曲线矮塔斜拉桥，其空间行为明显，受力复杂，主墩结构特殊，施工工艺复杂，技术标准高。

且工程位于天津市西青区，跨越外环桥、外环河，主墩承台侵入既有外环河，基坑挖深最大为11m，并紧邻外环桥桥墩，主塔采用搭设支架分阶段浇筑混凝土，施工工艺复杂，技术标准高，施工难度大，施工过程中需要解决如下问题：（1）软土地区临近桥墩深基坑支护研究本工程所在的天津地区是一个地下水位高、土质差的软弱土地区，并且本桥主基坑位于外环河内。

天津地区软土为渤海环境沉积形成，具有触变性、流变性、高压缩性、低强度、低透水性、不均匀性等特性。

软土地区开挖基坑的时候容易使支护结构产生过度的位移，从而导致紧临建筑物发生不均匀沉降、地下管道开裂等不良影响和后果。

正是由于上述原因本工程在软土中的基坑工程成为重点处理对象，处理措施的优劣很有可能影响整个工程的成败。

（2）跨既有桥梁支架体系方案研究本工程桥梁作为全国首座三线铁路矮塔斜拉桥，以最大孔跨84米，净空24米的现浇箱梁横跨天津市外环线公路桥梁，支架搭设工程对保证现浇箱梁施工安全、保证下部外环线公路桥梁的结构和运营安全起到决定性作用。

（3）非对称矮塔铁路斜拉桥塔梁施工控制研究本工程桥梁为三线曲线铁路非对称矮塔斜拉桥，在我国尚无先例，所以设计和施工可参考的依据较少，因此更加重了不确定因素对工程的影响。

当结构在施工过程中出现施工状态偏离理想的设计状态时，分析原因可知，一方面由于设计构件截面尺寸、预应力筋张拉力、材料弹性模量、容重、收缩系数和徐变系数等计算参数往往与施工中实际情况有一定的差距，此外环境温度、临时荷载、施工误差等等也常常影响结构实际变位偏离设计理想状态，另一方面，结构施工立模超高、构件超重和预应力筋张拉力误差等也是导致结构出现偏差的重要因素，如不加以控制调整，就会造成结构偏离设计成桥状态，甚至危及安全。

因此大跨度预应力混凝土桥梁的施工控制难度相对较大，对其施工过程进行检测和控制是十分必要的。

二、国内外现状及发展趋势（不少于300字）1、软土地区临近桥墩深基坑支护研究基坑工程是基础、地下工程中比较全面和复杂的问题，除了涉及到土力学古典强度理论和稳定理论，还涉及到变形问题和土的支护及相互作用问题。

二十一世纪初张尚根提出弹性地基梁有限元法，在分析支护结构内力及变形动态分析中比传统的计算方法更符合工程实际。

吴文等考虑桩锚土的相互作用，结合实例研究深基坑桩锚支护结构受力和变形特性。

蓝日彦总结之前的成果，建造了一个室内深基坑排桩支护模型，模拟开挖和均布加载对三种不同支护方式进行位移，土压力，应力和变形对比和结构稳定性研究。

裴颖洁通过实验对比，用ANSYS进行数值模拟，探讨了墙体内力及变形。

王先登等研究了基坑工程中的桩锚支护形式的协调变形理论，分析了桩的刚度和锚杆预应力对变形的影响。

许军平运用有限元软件ABAQUS，建立了一个可模拟开挖过程，可改变竖向加固高度，可改变不同加固高度的基坑模型，分析了宽度对该加固形式的影响，并且对比不同加固宽度对基坑隆起和支护结构的影响。

近几十年深基坑工程理论的研究得到了很大的发展。

但是，随着开挖深度越来越深，开挖面积越来越大，而且平面形状也越来越复杂，深基坑工程设计与施工技术不断受到挑战，深基坑工程设计理论也面临许多新的，亟待解决的问题。

还需要人们进行继续深入研究。

2、跨既有桥梁支架体系方案研究迄今为止，虽然国内的桥梁支架技术经历了较长的发展时期，其应用范围也不断扩展。

但对其计算模型及杆件的内力分析和整体稳定性问题的研究却为数不多，对于支架的受力性能的试验和探讨更少。

咎其原因是由于钢管支架支撑系统的杆件和节点众多，处理比较复杂。

在90年代以前,施工人员大多凭经验或局部验算支撑强度来搭设支架，其搭设强度非大即小，不是造成材料的浪费，就是钢管支架的承载力不足。

并且由此而引发了不少的支架失稳倒塌事件，造成了严重的后果。

90年代以来人们开始重视对桥梁支架的试验研究和理论分析。

就计算模型而言，经历了从简单的刚接铰接到最近刚刚提出的半刚性连接，以至逐渐逼近实际情况；就模型试验而言，随着计算模型、荷载模型、力学模型的不断提出以及支架不断发展的要求，模型试验也随之产生。

总之，国内在桥梁支架研究方面取得了不少成果。

总之，研究资料表明，国外存在的钢管支架的失稳、倒塌等施工事故同样较多，但国外科技刊物上对这方面的研究并不多见，国外的专家学者主要是在施工管理上做了一系列的研究。

随着各项试验及理论研究工作的不断进行，对于减少支架倒塌、以及进一步完善桥梁支架的有限元模型建立都有着非常重要的意义。

3、非对称矮塔铁路斜拉桥塔梁施工控制研究最早开始实施的桥梁施工监控可以追溯到20世纪50年代，但一直到80年代，人们才算真正的开始认识到桥梁施工监控的重要性，才开始真正的成为一个系统的理论。

日本是首先实施桥梁施工监控的国家，并取得了良好的效果。

20世纪80年代以后，计算机应用的普及和桥梁工程相关软件开发的深入，计算机开始被应用于辅助桥梁工程的施工。

与国外相比，我国在大跨度桥梁施工监控技术领域还存在差距，主要表现在对桥梁施工控制的理论研究与实践总结还不够、监测技术水平不高、测量仪器精度低、结构影响参数因素研究不透、预测和调整精度不高、还未建立起一套完善的施工组织管理系统。

因此对桥梁施工控制理论的深入研究，研制更加合理、实用的控制软件以及更加方便、精确的监测设备，建立完善的桥梁施工控制技术系统和组织管理系统是迫切需要进行的工作。

桥梁施工控制技术的应用最先起于跨度稍大斜拉桥的建设,在随后的诸多实践总结和研究中，理论指导着实践，实践验证着理论，新的施工监控理论和方法逐渐被应用于桥梁建设中，理论与实践逐步完善提高。

但是随着预应力施工技术的进步，混凝土桥梁向着大跨度长联方向发展，使得在大跨度预应力混凝土的施工控制技术得刹重视，并且在众多的建设中的得到发展完善。

三、主要技术方案（不少于1400字）1、研究目标（不少于300字）津保铁路引入天津西站工程在主墩承台基坑开挖施工时面临着河床范围地下水位高、河底淤泥地质软弱并且基坑临近既有外环线公路立交桥梁等复杂环境。

天津市外环线属于天津地区最重要的环城主干道，其车流量每天可达10万辆以上，对于上跨外环线现浇梁施工的膺架体系搭设提出了很高的要求，在保证上部现浇箱梁浇筑、张拉等施工稳步进行的同时，又要保证下部外环线公路桥梁结构和运营安全，是本工程项目的重中之重。

三线铁路曲线矮塔斜拉桥在我国尚无先例，本桥在结构方面存在诸多创新，如多线变线间距铁路桥面系布置；塔墩梁固结区、斜拉索锚固区等局部受力复杂；跨度不对称引起不平衡索力较大等等。

并且本桥选用分丝管索鞍、横向限位装置、环氧涂层钢绞线、低回缩锚具等新材料和新工艺，具有较先进的技术水平。

因此在施工中可借鉴参考的类似工程案很少，施工中存在的不确定因素较多，所以上部梁体施工及斜拉索安装施工时，全过程的施工监控尤为重要。

因此需要通过研究优化基坑围护结构的支护体系，将地下水、淤泥等不利因素施工干扰程度减小到最低，保证施工结构以及相邻的公路桥梁结构的稳定和安全。

对于上跨外环线施工，从保证公路结构和行车安全等角度出发，并结合公路管理部门净空要求，对膺架体系设计做出了系统计算和分析，通过优化得到最佳方案。

通过在上部梁体施工的各个阶段均全程进行施工监控，保证第一时间采集精确数据，为下一步骤工序提供实施依据，并进行相应调整，最大限度的修正了各种不确定因素的影响。

2、研究内容（不少于500字）（1）软土地区临近桥墩深基坑支护研究①在考虑基坑土体环境、周边建筑物及相关要求的基础上，桥墩基坑支护设计了两种支护方案。

对各支护方案进行了相应的设计计算，确保了方案的可行性与实际工程量的正确计算，根据基坑开挖深度、土层特点以及周边环境限制等最终选取两种支护方案，钻孔灌注桩和拉森钢板桩支护，方案投入实践提供了参考。

②利用有限元软件进行计算结果，对选取的支护方案进行合理化验证。

③现场监测，获得的基坑与桥墩位移数据，通过分析对比有限元模拟结果与实测结果，验证准确性。

（2）跨既有桥梁支架体系方案研究①根据施工要求，经研究制定出了三种可行的支架方案，考虑到本工程跨越外环公路桥、河流、地下水位高、地基范围内分布有较厚的软弱土层等施工不利因素，综合分析施工安全、成本、进度、质量控制要求，对这三种方案进行比选研究，选定了钻孔灌注桩+冠梁+钢管柱+贝雷梁+满堂红脚手架膺架体系方案。

②在支架设计过程中，经计算分析发现贝雷梁横向整体刚度较差，我们发明了具有交错排布结构的贝雷梁施工方法，此工法不降低贝雷梁系统纵向强度、不增加其施工工期及其预算成本的同时增强了贝雷梁之间的横向连接，增大其横向强度。

③根据设计文件，结合施工现场情况和施工劳机时配备输出能力，细化设计支架施工方案，检算支架体系的承载能力、稳定性、变形，确保支架体系的安全性。

④建立钢管柱+贝雷梁+满堂红脚手架膺架体系变形监控系统，对桥梁施工全过程中支架变形进行实时监测，结合监测数据及施工要求，对支架体系进行实时调整，对支架体系的安全、成桥后梁体线性和质量提供技术保障。

（3）非对称矮塔铁路斜拉桥塔梁施工控制研究①首先对津保桥进行了理论分析，对该桥的整体和施工过程中各个阶段的力学性能有个深刻的认识，对桥梁施工过程中可能出现的状况有个预测。

②结合设计和施工方案对津保桥进行施工监测方案设计和监控系统的建立，对该桥整体施工过程进行详细监测以保证该桥施工安全和施工质量。

③详细研究津保桥施工过程，对部分施工过程中的难点进行详细研究，使施工顺利进行。

3、项目采用的关键技术（不少于300字）（1）研究位于河道且邻近既有桥梁的铁路客运专线桥梁深基坑施工方法，该方法将深基坑支护与桥梁的防护结合在一起，保证了既有结构和基坑的安全，提高了社会效益。

（2）研发一种交错排布结构的贝雷梁施工方法，该结构具有不降低整体纵向强度、横向强度高、稳定性好的优点。

整体膺架体系在保证现浇箱梁支撑安全的条件下，保证了下部外环线立交桥车辆的安全通行，提高社会效益和经济效益。

（3）将施工监控应用于软土地区跨既有桥梁非对称矮塔铁路斜拉桥全过程施工，建立基坑及既有桥墩变形监测系统、支架体系变形监测系统、主体施工监测系统，确保了施工安全及工程质量。

4、技术特点及创新点（不少于300字）技术特点：（1）既有桥梁的客运专线桥梁深基坑施工方法将深基坑支护与桥梁的防护结合在一起。