客运专线预制梁运、架主要设备技术选型

蔡维栋（中铁十三局集团第一工程有限公司，辽宁大连，1160

关键词：预制；箱梁；主要设备；技术；选型

1、概述

客运专线后张法预应力混凝土箱梁按跨度其基本梁型可分为双线32m、24m和20m梁,各梁型设计重量(含防水层和保护层重量)分别为32m梁899t,24m梁(3m梁高)699t,24m梁(2.4m梁高)657t,20m梁562t。在客运专线施工混凝土箱梁运、架设备选型方面,从经济角度出发,尽可能覆盖以上梁型,既适应32m梁各梁型,同时又满足24m及20m各梁型生产及运输的要求。本文针对混凝土箱梁运、架主要设备技术选型谈谈心得。

2、搬移设备

预制箱梁搬移设备主要有提梁机、移梁台车、运梁车及运架一体机。

2.1提梁机提梁机功能主要有:①辅助安装运梁车和架桥机;②将预制好的箱梁在初张拉后吊运到存粱台座上自然养护;③将存梁台位上养护达到设计强度的箱梁吊运到运梁车上。

2.1.1形式有轮轨式及轮胎式两种。轮轨式分450t级和900t级两种,采用2台一组横跨箱梁提升的方式,运行受铺设轨道的限制,适用于纵列布置的梁场。轮胎式为900t级,采用单台纵跨箱梁提升的方式,适用于纵列式及横列式布置的梁场,使用时不受轨道的限制,更方便,但其运动需预留平面位置,占用场地面积大,同时其价格高。

2.1.2主要参数有额定起重量、跨度、净高、运行速度、工作级别等。净高的确定需考虑其所跨越物体的最大高度及箱梁存放的方案,如梁体叠放。设备运行速度主要为大车行走速度选择方面,速度过慢将会是影响作业效率的瓶颈因素。目前大车走行速度一般设计为重载0～5m/min、轻载0～16m/min,根据实际作业情况,此两种设计速度较低,运送一片箱梁往返200m左右耗时2个多小时,这是纵列式梁场制约工效的要害因素。考虑到重载时设备运行的稳定性,确定大车走行速度为重载0～10m/min、轻载0～30m/min左右为宜。

2.1.3选型注意事项

①提梁机的设计从性能及结构上来看目前渐趋成熟,在选型时注意考察生产厂家在产品升级改造方面改进的地方,同时可多了解几家厂家,综合各自在产品设计、制造工艺及设备性能方面的优缺点选择。

②满足“四点起吊,三点平衡”的技术要求。

③整机动力提供。对轮轨式提梁机,有两种方式:一是电缆卷筒外部供电,采用中继法,由于受电缆卷筒容量的限制,对于纵列式布置梁场,可能沿提梁机运行轨道方向沿线设置多处中继接点,此时需考虑更换中继点的容易程度,另外还需考虑电缆的磨损;二是整机自带柴油机动力。对于采用哪一种动力,一方面可根据整机与梁场平面布置的空间关系确定,另一方面可对以上两种方式作经济分析包括后续维护保养难易程度比较,选择经济的动力提供方式。

④目前客运专线预制梁型有整孔及组合梁、单箱单室及单箱双室梁32m与24m梁等,其吊点设计的尺寸均不相同,在提梁机选型时必须考虑吊具的通用性,即一副吊具尽可能适应各种梁形吊装要求。

2.2横移台车主要为横列式梁场使用。

预制箱梁在制梁台座预制完成后利用横移台车将其从制梁台位上移至存梁场或提梁机下,具有设备简单、承载能力大、工作平稳、运行阻力小、运行成本低、较易满足工地使用环境等优点。

2.2.1主要技术要求

①载运箱梁横移必须满足“四点支承、三点平衡”。

②两侧台车必须同步,不跑偏,确保箱梁移运安全。

③具有升降调节功能,以实现对位承载及卸载支承。

2.2.2主要型式及特点

①步履式。主要形式为液压顶推式,由于受液压油缸行程的限制,运行过程中依靠抓钩拖拉间歇前进。底盘主要是轮辊型式,如果轮辊结构设计不尽合理,容易造成在运行中跑偏。

②拖拉式。在滑移轨道的两端各设置卷扬机拖拉。由于不容易控制两侧卷扬机拖拉的同步,此种方式容易造成跑偏,而一旦跑偏,不容易实现纠偏。

③自行轮轨式。此种方式运行比较平稳,关键在于控制其两侧的同步。不论采用何种形式,都必须铺设横移轨道。

2.3运梁车

运梁车的主要功能是:将预制好的箱梁运送到架桥机并负责将预制箱梁喂入架桥机内;在架桥机长距离转场时可以托运架桥机转场。

2.3.1结构对运梁车性能的要求

①梁体运输支点的位置及支承面积应满足设计要求。运梁时应保证车体平稳,减少对结构的冲击,应保持四支点均匀受力且为同一平面,误差范围应满足设计要求。另外支点的设置必须考虑运输不同梁形的适应性。

②轴重、轴距、轮距不得超过运梁时所通过结构物的容许承载能力。

③接地比压不得超过路基的容许承载能力。

④横向轴距则受结构桥面板承载力的制约,轮胎应尽量靠近箱梁腹板,运梁车如需采用千斤顶调整提梁时运梁车的轴重时,千斤顶的位置应作用于腹板附近。

⑤构造尺寸和相应机构应与架桥机相配合。

⑥必须保证箱梁运输过程中的正常的支承状态,保证箱梁结构安全。

⑦必须满足配套架桥机的架梁方法、使用条件、技术性能、相关配合尺寸等要求,因此必须与架桥机配套考虑。

⑧必须满足铁道部高速办颁发的《京沪高速铁路运架设备研制技术条件》的要求。

2.3.2运梁车走行方式运梁车走行方式有轮轨式和轮胎式两种。轮胎式运梁车有门架式和台车式两种。门架式运梁车(或称跨式搬运机)多用于断面较小的T梁,走行速度低、用于短距离梁的运输。相比之下,近年台车式轮胎运梁车发展较快,它更适用于大型断面、大吨位、长距离整孔箱梁的运输。

在轮胎式运梁车有大、小轮胎之分,它们之间没有本质区别,大规格轮胎可在满足运梁条件下减少承载轴数量、便于保养,小规格轮胎由于单胎承载力小,而需增加轴数,这给维修保养带来一定困难。利用单元模块进行组合方式的运梁车,需加装均载梁方能满足运送箱梁的技术条件。如投入2套运梁车同时运梁时,必须考虑运梁车在运输送中途的交会问题。解决交会问题有二种方案,一是在某一种扩宽路基,设置交会场所,二是设置交会站。

运梁车作业任务之一就是驮运架桥机调头,以实现两方向架梁。架桥机调头时,首先考虑在近端的桥头低矮路基段设置Y型折返线供架桥机调头,没有条件时在提梁站拆除架桥机桁车,将大臂拆成两段,用提梁机调头重新组装桁车,架设另一端箱梁。

2.4运架一体机

运架一体机具有提梁、运梁及架梁的功能,目前在国内生产制造比较少,大都依靠进口。

3、架桥机

架桥机的主要作用是架设预制箱梁。

3.1架桥机的性能要求架桥机的性能要求如下:

①架桥机的净空应满足客运专线所架梁体的构造尺寸要求。

②架桥机支腿应作用于箱梁腹板上。

③支腿的构造及其作用力的大小与客运专线梁体及墩台尺寸和承载力相适应。

④支腿作用于梁体及墩台的承压面积应满足局部承压要求。

⑤吊梁及落梁过程中,吊点位置应满足设计要求,并满足四点支承、三点平衡要求。

⑥架桥机应能适应千斤顶落梁工艺。

⑦架梁时产生的支承反力不得超过设计规定的施工荷载作用下容许竖向承载力。

⑧架桥机设计审查应通过设计院相应的检算,送检材料中应有各种工况下对相关结构的明确受力简图。对设计的新型产品,还应注意架桥机型式试验细则及其有关事项,为验收工作打下基础。检测内容除型式试验外,还有各关键点的应力测试,只有在上述两个单位出具合格证书后,架桥机才能投入使用。

3.2主要几种型式的900t级架梁设备

3.2.1无导梁架桥机

①一跨式架桥机。以郑州大方桥梁机械有限公司的DF900型为代表,其结构型式如图2所示。该型架桥机采用无导梁结构体系及一跨支撑架设技术,单吊点拖拉取梁,架梁工序简捷,结构简单,受力明确,整机重量较轻,后支腿和辅助支腿与机臂固定,前支腿可在机臂上移动,满足变跨和过孔作业。过孔时,前支腿支承在已架梁端位置,后支腿驱动走行,推动主梁向前滑移、到位,辅助支腿在墩顶支立后再将前支腿沿主梁向前滑移到位、并支承在前方桥墩上,完成过孔作业。能方便地进行变跨及首末跨桥和一跨桥的架设,适应桥梁纵坡及曲线架梁。

②双向架桥机。以中铁五局集团公司与开封宏达路桥设备厂研制的HD900型双向架桥机为例,其结构示意如图3所示。HD900型双向架桥机采用两跨连续式结构,中支腿设计为O形结构与主梁联接,主梁采用纵向对称布置,调换前、后支腿位置即可实现架桥机快速调头,达到双向架梁的目的。本机型采用双吊点提升取梁方式,降低及减轻了架梁技术对运梁车的依赖程度。

③自进式架桥机。中铁一局集团有限公司与中铁武汉工程机械研究设计院、中铁二局集团有限公司与中铁武汉工程机械研究设计院设计的自进式架桥机Q900A,后支腿、中支腿采用轮胎式走行机构,从而使架桥机的纵向移动更灵活、方便。

其架完一跨梁后纵移过孔工序是:2台起重小车纵移至主梁尾部、锚定安全钢绳、提起前支腿、收缩折叠前支腿下半段、前支腿向后纵移至中支腿附近、松开锚定钢绳、驱动中支腿走行轮和后支腿上利用梁体上的临时轨道向前纵移至下一个工位、锚定后部安全绳、将前支腿纵移到位支承、松开后锚定钢绳、移动起重小车至前、中支腿中间、收起后支腿,准备喂梁进入下一跨梁吊装。国外由意大利尼古拉公司研制的自进式架桥机,其喂梁在主梁尾部,采用拖拉取梁方式。中支腿设计成O形与主梁联接,箱梁可方便从O形腿内通过,从而简化了移梁过程;主梁尾部较长,目的是满足架桥机过孔中的平衡和稳定;它仍保留后支腿,需来回打开、支撑,特别是架桥机过孔时,通过后支腿的支立,作为前移中的一个支撑点。

3.2.2导梁架桥机

导梁架桥机主要有以下几种型式:

①JQ900型。为下导梁架桥机,其架梁方法为运梁机驮运箱梁直接走行到架桥机下导梁指定位置,箱梁两端的吊点与吊具连接好后,启动桁车上的起升卷扬机提梁,箱梁先提升100～200mm后检查各项设备是否工作正常,确认后提升箱梁至需要高度,运梁机退出,同时下导梁前移空出待架孔跨位置,落梁安装。此型架桥机由中铁大桥局集团公司研制。其可以实现梁体在主梁下的定点起落,主梁受力明确,结构简单、受力弯矩小、自重轻、具有较好的安全性能。起升系统采用四点定点起吊,使吊梁作业效率高。导梁下置,重心低,稳定性好,移过孔操作简单,安全可靠,更适宜于长桥施工。

②意大利尼古拉公司915t/35m架桥机。主要由主梁、前支腿、后支腿、辅助支腿、前鼻梁、辅助吊、下导梁、卷扬和吊梁行车、电气控制系统、液压系统和动力系统等组成。主梁尾部很短,在喂梁、提梁、拖梁、纵移梁到位、吊梁、落梁等工序上与自进式架桥机相同,它后支腿设计为O型并与主梁联接,既方便梁体纵移到位,又解决了来回打开、支撑后支腿问题,它的过孔是由后支腿在已架梁上、辅助支腿在前导梁上的纵移共同完成。运梁车将箱梁运至下导梁上,吊梁天车定点起吊桥梁,运梁车退出后前移导梁,桥梁落放就位。该机为定点起吊、简支过孔,作业相对较为安全。不足之处在于首末跨架设难度较大。

③TLJ900。中铁三局集团有限公司,中铁六局集团有限公司,中铁七局集团有限公司与华中建筑机械有限公司,铁道建筑研究设计院与北戴河通联路桥机械有限公司设计的导梁式架桥机,相对于台湾高铁使用的尼古拉导梁式架桥机有了不同程度的改进和优化。

3.2.3SPJ900型架桥机

中铁十七局集团公司与石家庄铁道学院设计的SPJ900型架桥机,以铁路既有器材“八七型铁路抢修钢梁”做主梁,它的特点是可重复使用,设备投资小,拼组比较繁琐、结构变化灵活,器材便于筹措,生产周期短,缺点是双主梁侧置,使整机全长宽度加大(达18.2m)。

3.2.4运架一体机

运架一体机是铁路客运专线架梁机械的一大类,目前主要由国外生产制造,主要制造商为意大利PaoladeNicola(尼古拉)和Comtec公司。

运架梁机采用轮胎型式,彻底摆脱了以往铁路架桥设备只能行走在钢轨上的约束,而可以自行走在制梁场、未铺道碴的路基和桥面、施工便道,甚至公路上,实行先架桥后铺轨的方法,从而扩大了施工的灵活性,加快了施工速度。一体机可实现预制梁场提梁及倒梁、预制场至架设现场的运梁、架梁功能,代替了吊梁机、运梁机与架梁机三套机械设备,从一定程度上节约了设备投资。其轮胎式台车转向灵活,可在预制梁场实现预制箱梁的纵移及横移,由于其必须预留相应的运行道路,所以对预制场平面规划要求比较大。另外,虽然其主梁比较低,整机工作时重心低,但不能实现制梁场箱梁的叠放。再者,提梁、运梁与架梁只能顺序作业,不能平行作业,作业循环时间长,工效降低,这也是其缺点之一。

3.3注意事项

因架桥机型式的需要,要求运梁车能穿过架桥机中、后支腿。由于架桥机支腿和运梁车轮载均需作用在箱梁腹板上方,因此,在箱梁翼缘板和顶板强度允许的条件下,架桥机中、后支腿横向开档应尽量加大,给运梁车轮组设计布置留出更大的尺寸余地,而运梁车车宽同时也应尽量缩小,留出与架桥机支腿更大的安全距离。在进行运架设备的选型时,同时必须注意,运架设备的最佳工作范围半径为10km左右(约300孔箱梁),在20km桥长范围内,投入一套运架设备先后向左右两方向运架。超出此范围时,必须进行投入与效益对比分析,不可盲目断定。选型时必须考虑架桥机施工架设的顺序,考虑架桥机的调头问题。调头方案有2种:①运梁车驮运架桥机,通过预留的调头场所转向调头;②由特制转盘,通过顶升架桥机及运梁车旋转而实现调头。

4、结语

客运专线对施工企业而言既是机遇,也是挑战。所谓机遇是因客运专线的建设给施工企业创造了自身发展、人才技术储备的空间,将来还可以参与国际性的高标准铁路建设竞争;所谓挑战是因客运专线对施工企业的技术装备的投资与管理、人才的配备以及项目管理都提出了更高的要求。技术装备的投资与管理是核心问题之一。按照原来的投资模式,大型专用设备的投入,必将成为企业资产的潜在负担;关键设备存在购置瓶颈,不能够按照正常的采购模式如期获取;企业有限的投资能力不能够满足施工所需装备投资的需要。施工企业在做前期市场调查及立项时,应遵从如下原则。

4.1重视设备投资的配套

客运专线投资需要做大量的前期工作,即调查研究和选型配套。遵循的原则应该依次是:安全、稳定、经济、先进。根据工程设计方案,对设备相关的工程造价、施工方法、施工要求、施工工期和施工现场条件等进行深入的调查研究,通过比选论证,确定最优化的设备配套方案。考虑经济性等因素,可以考虑在保证施工安全和工程质量的前提下,通过变更设计等方法,通过优化设计方案使设备配套趋于经济、合理。

4.2投资模式应多元化

施工企业原有的折旧模式已经不能适应市场经济的需要,更不能适应客运专线设备投资的需要。常规设备投资可以购、租结合,大型专用设备有的需要研发,有的需要引进与合作。

4.2.1常规设备的投资采购

常规设备的大量使用,使得施工企业为适应市场竞争和内部改革的深化,设备投资已经呈现多元化的趋势:一是企业的投资;二是企业内部员工的小额集资投资;三是市场租赁等。客运专线所需的专用设备需要企业投入大量的资本,因此,客运专线施工常规设备的投资形式必将更多采用市场租赁或者其他的灵活方式。

4.2.2大型专用设备的投资采购

大型专用设备的供应商相对有限,这就需要施工企业在投资采购时采用新的模式:一是参与设备的研发,先入为主,取得优先采购和风险效益共担的先机;二是参与设备的加工或配套,与供应商形成利益共同体;三是提前参与专用设备的引进,与国际高速铁路的承包商合作。客运专线施工中谁能解放思想,果断介入研发制造和提前进行技术引进,谁就能够在装备能力上取得先机,就能够在施工中获得优势。

4.3设备选型必须考虑重复使用的相关问题

目前大多数从事客专梁场施工的单位因为投资的问题,都“被逼”走专业化预制梁施工道路,通过提高梁场施工数量化实现设备投资的效益化,因此就产生了一个梁场设备转入另一个梁场使用的运输、安装等问题,所以从前期设备选型方面必须考虑设备空间转移时的运输、安装、报验等问题。