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全国市政工程行业科技成果展示:基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换关键技术研究与应用

    “基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换关键技术研究与应用”研究项目于2009年9月立项,2017年9月完成,2018年3月通过中国市政工程协会市政科技专业委员会组织的项目成果鉴定。该项目研究由北京市市政工程设计研究总院有限公司、北京市交通委员会路政局、北京市政路桥管理养护集团有限公司、江阴大桥(北京)工程有限公司、北京正远监理咨询有限公司等单位联合承担。该项目成果获中国市政工程协会2017年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖,其成果适用于城市道路桥梁快速整体置换维修工程施工。

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西关环岛桥修复工程驮运架一体机驮梁运输场景

    项目技术研究概况

    在役桥梁受交通荷载和自然环境等多重因素影响,会出现不同程度的结构劣化,严重时需要更换上部结构。同时,交通拥堵已经成为各地城市面临的重要难题。常规方法进行桥梁更换需要断行交通长达数月时间,造成严重社会影响。因此,迫切需要研究新型桥梁快速更换技术,降低对社会交通的影响。

    “基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换关键技术研究与应用”项目研究的总体思路为:采用计算机辅助设计、仿真试验与物理试验相结合的方法,研制一套集起重、运输、架设功能于一体的桥梁快速置换装备(驮运架一体机),并对与驮运架一体机相匹配的桥梁结构、旧桥快速拆除技术、驮运架一体机走行控制技术、驮运架一体机就位技术和主梁驮运置换施工监控技术进行研究,形成基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换成套技术,研究成果在北京市昌平西关环岛桥和北京三元立交京顺路桥进行工程应用,形成《基于驮运架一体机的桥梁上部结构整体置换施工工法》和《驮运架一体机进行桥梁整体置换施工技术指南》。

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北京昌平西关环岛桥梁快速整体置换施工场景

    项目关键技术及创新点

    该项目经科技查新与技术鉴定,鉴定专家组认为项目针对城市桥梁更新对社会、交通影响的难题,研究形成一整套基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换技术;项目成果成功应用于西关环岛桥梁改造工程及三元立交(跨京顺路)桥梁大修工程,实现了桥梁的快速整体置换施工,保证了质量安全,经济、社会综合效益显著。项目成果总体达到国际领先水平,项目技术的主要创新点如下。

    1)研发和制造了千吨级桥梁快速整体置换用驮运架一体机,属国际首台套。

    在SPMT(自行式液压模块运输车)基础上,该项目研发并制造了一套可以进行桥梁结构起重、运输和安装的大型施工设备。该设备不但具有SPMT大型构件运输功能,而且具有与SPMT设备集成为一体的大吨位、大行程的同步顶升系统,实现了桥梁置换起重、运输和安装一体化作业,可用于桥梁上部结构快速整体置换。该设备突破了以往国内外桥梁置换设备顶升系统与SPMT车辆分离的方式,使得施工更加连续、快捷,且可靠性增强。

    2)对适用于整体置换的桥梁上部结构形式开展研究,实现了采用双台驮运架一体机对两跨连续梁、三跨连续梁进行整体置换。

    国外采用SPMT进行桥梁整体置换,驮运时采用多台设备完成,不改变桥梁支承体系,如两跨连续梁采用4台设备。该项目针对城市桥梁桥下空间受限的条件,开展了适用于整体置换的桥梁上部结构形式的研究,成功实现了采用双台设备对两跨和三跨连续梁的整体置换。其中西关环岛桥采用双台设备完成了对两跨连续梁的整体置换,用时112小时,三元立交京顺路桥采用两台设备对三跨连续梁进行了整体置换,用时43小时。

    3)研发驮运架一体机走行控制激光循迹系统及精确就位装置,整体置换主梁轴线偏差精度达到毫米级。

    美国犹他州交通部(UDOT)《桥梁快速施工手册》规定采用SPMT进行桥梁整体置换,桥梁安装轴线偏差不大于1.5 in(3.81 cm)。该项目自主研发驮运架一体机走行控制“激光循迹”技术,同时结合北斗和GPS双模卫星定位系统,实现车辆按照设定线路精确行走;桥梁整体置换就位时,以自主研发的精确定位方法及系统实现桥梁架设精确就位,桥梁安装轴线偏差达到毫米级。

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北京三元桥立交桥桥梁快速整体置换施工场景

    与国内外同类技术的比较

    国外21世纪开始采用SPMT(自行模块运输车)设备进行桥梁整体置换,大大提高桥梁施工速度。但国外采用此工法存在以下问题:1)SPMT设备与桥梁架设整备分离,SPMT设备以驮运运输为主,需要辅以其他设备或者借助外界条件实现桥梁架设,造成临时机械多,整体工作效率低;2)对于多跨连续梁结构需要采用多台SPMT设备,对场地条件要求高,多台设备的采用提高了工程造价;3)桥梁就位偏差较大,偏差为厘米级。

    “基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换关键技术研究与应用”研究项目研发了用于桥梁整体置换的驮运架一体机装备,形成基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换成套技术。该技术将SPMT设备与结构顶升设备集成,形成集桥梁运输、架设一体化作用的驮运架一体机,提高施工效率和安全性;采用双台SPMT设备实现了三跨连续梁的整体置换,减少工程机械,降低工程造价;采用卫星定位、激光循迹及精确就位装置提高桥梁架设就位精度,就位偏差控制在毫米级,以上指标均超过了国外同类工程,总体达到了国际领先水平。在该项目研究和工程应用之前,国内还没有类似研究的先例。

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驮运架一体机走行控制采用“激光循迹”技术

    项目应用成果与效益

    成果应用 “基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换关键技术研究与应用”研究项目技术成果已在北京市城市桥梁改造工程施工中得到了成功应用。

    2011年12月,北京市昌平区西关环岛桥梁改造工程施工过程中,应用该项目研究技术成果及装备,在112小时内成功完成了北京昌平西关环岛1、2号桥的整体置换工作,这是该项目研究技术成果在国内的首次实际工程应用。

    2015年11月,在北京市三元桥大修工程中,应用该项目研究技术成果及装备,在 43小时内成功完成了三元立交桥梁快速整体置换,刷新了桥梁拆旧架新的时间纪录,受到世界广泛关注,被誉为“中国速度”。

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北京三元桥立交桥桥梁快速整体置换施工场景鸟瞰图

    项目效益 该项目成果的工程应用产生了巨大的经济和社会综合效益。

    以北京市三元桥大修工程施工为例。三元桥始建于1984年,北三环路、机场路及京顺路等3条道路在此立体交叉,是城区重要交通节点。该桥梁由于长期超荷载运行及外部环境影响,主梁及桥面板损坏严重。为确保桥梁设施运行安全,北京市交通主管部门决定对该桥进行大修,以消除桥梁存在的安全隐患。根据桥梁损坏情况,经专家论证,最终确定大修方案为:上部结构采用更换钢箱梁、下部结构采用钢板加固V型墩,彻底消除桥梁各种病害,全面提升桥梁承载能力,同时解决超负荷运行状况,抗震等级也将达到现行规范要求,适应新的5上5下道路通行需求。三元桥大修工程桥梁维修总面积2 433 m2,长度54.9 m。

    北京市交通主管部门决定将“基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换关键技术研究与应用”研究项目技术成果应用于三元桥大修工程,对桥梁进行快速整体置换维修施工,以取代传统断路拆桥的施工工艺,将桥梁维修改造工程施工对社会交通的影响尽可能降低到最小程度。

    三元桥大修工程由北京市政路桥管理养护集团承建,项目施工方案借鉴了西关环岛桥梁改造工程的成功经验,利用驮运架一体机进行旧桥切割运离和新桥整体架设,实现三元桥上部结构主梁的整体置换。工程自2015年9月29日进场开始,完成了方案论证、驮运架一体机改造、钢梁预制拼装、道路改造、V 墩加固、新旧桥临时支墩等准备工作,于2015年11月13日晚23时,正式开始三元桥大修工程整体置换,历时43小时,完成了旧桥(中跨约1 600 t)切割运弃、新梁(约1 300 t)整体驮运架设、桥面铺装等工序,11月16日晚恢复通车。采用桥梁快速整体置换技术,能够极大限度的降低对交通的影响,全部施工仅利用一个周末,共计断路43小时,将对城市交通和居民出行造成的影响降至最低,引起国内外极大反响,彻底解决了特大城市交通节点处桥梁改造难题,高效环保的快速施工工艺也有效降低了施工噪音,减少了扬尘和尾气排放,经济和社会综合效益极为显著。

    应用前景 我国城市道路桥梁大规模建设高峰期已过,大量运营多年的城市桥梁开始出现各种结构病害,构成交通安全隐患,亟需进行维修改造。“基于驮运架一体机的桥梁快速整体置换关键技术研究与应用”研究项目成果的推广应用,可有效解决特大城市交通枢纽桥梁工程改造快速安全施工的难题。就北京市而言,经初步筛查,三环路以内未来可应用桥梁整体置换技术进行维修改造的老旧立交桥梁为数不少,推广应用前景广阔。北京市三元桥快速整体置换施工的成功案例,在全国具有示范作用,可推动该先进的桥梁快速维修施工技术在全国各大中城市的推广应用,市场前景十分广阔。

    (北京市市政工程设计研究总院有限公司 供稿

    注:本文刊载于《市政技术》2019年第2期,第1、2、3页。