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1、1铁路特大桥水中大临设施冬季防凌方法介绍铁路特大桥水中大临设施冬季防凌方法介绍提要新建妫水河铁路特大桥位于塞北官厅水库中，常年冬季结冰厚4060cm。本文介绍建桥过程中，栈桥和钻机平台桩基、钢护筒、双壁钢围堰等大临设施采用压缩空气吹气泡形成活水圈消除静冰压力、利用破冰船和爆破冰消除动冰撞击力等方法。关键词 严寒水库 建桥设施 冬季防凌1、概况京包线既有单线妫水河铁路特大桥建于 1955 年，桥跨为 20 孔 32m 简支钢桁梁，随后修建了北京市备用水源官厅水库。水库形似葫芦，呈南北方向，桥址位于库区上大下小的颈缩处，故桥位处是一天然风口，一年四季刮风，当地形容是：“一年刮两次风，一次刮半年。
2、”在冬季风力一般为 46 级，最大 9 级，最低气温一般为-27，极端为-31，从头年 11 月中旬至第二年 3 月中旬，库区水面结冰厚约 4060cm，冰凌期长达 4 个月，流冰期长约半个多月。既有铁路桥的桥墩在冬季冰冻期，有日照侧冰凌松软，挤压力减弱，无日照侧受强大冰凌挤压，两侧压力差将 11 个桥墩剪断，造成桥面线路扭曲位移。北京铁路局对断墩进行多次加固，多次重新拨正行车线路，并购置了破冰船，但隐患犹存。虽限制列车行驶速度，而塌桥危险性随时可能发生，故铁道部决定在既有桥的下游 30m 处建造新桥，尽量多利用原有线路以降低造价。新建妫水河铁路特大桥仍为单线，主桥为 5 孔 128m 简支钢
3、桁梁，在北京端和包头端各设 5 孔和 4 孔 24m 低高度预应力混凝土简支梁。下部均为钻孔灌注桩，圆形承台和圆形墩身。铁道部於 1995 年 10 月批复桥式方案。北京铁路局建桥指挥部与大桥一处於同年签订合同。合同中有两条较2为严格施工过程中新老桥虽中线距离 30m，但实际净距不足 12m，正因如此，施工单位必须保证老桥正常运营，否则，赔偿一切损失；因破冰船已近退役年限，故新桥必须于 1997 年 11 月 30 日通车（现已按期竣工通车） 。承包单位根据库区桥位处水深 1618m，经常风大浪大，冬季冰凌期长等自然条件，为安全和工期计，在新桥下游 17m 处设置钢栈桥，担负运输、移动吊机和在
4、栈桥面上拼装及横移钢桁梁等任务。栈桥上部为钢桁梁，高 2m、宽 10m、跨度 16m。滩地上 176m，水中 560m。全长 736m。桥面设桅杆吊机走道和双线运输道。下部为 1500mm 钢管桩，每墩两根，单排。栈桥上游侧搭设施工平台，用于钻孔桩和拼接起吊下沉双壁钢围堰。平台上部为万能杆件构架，下部辅助部分为 500mm 钢管桩，主要承重为插打的钢护筒。于 1996 年 5 月开工，随着栈桥的搭设前进，施工平台随着完成，下部基础工程桩亦随之开工，至当年 11 月 9 号墩 17 根钻孔桩完成且双壁钢围堰已下沉到位，68 号墩全部钢护筒插打完毕且都在进行钻孔桩施工。2、大临设施冬季防凌方法19
5、96 年 8 月开始大临设施消除静冰压力和动冰撞击力方案的选择、设计、制造、安装和实施措施的准备工作。现将方法介绍如后。2.1 消除静冰压力的方法位于水中的钢管桩、钢护筒、双壁钢围堰均为薄壁结构，在静冰压力作用下破坏情况有两种：一种是作用在外部将薄壁挤压变形破坏，另一种是结构物内冰冻膨胀将薄壁挤破。对第一种消除外部静冰压力可供选择较好方法是结构物周围没有冻冰。据此，调研当地一些防冰冻的成功经验、破冰方法和既有桥的破冰设备，选择了活水圈、人工破冰和破冰船破冰等三位一体的综合破冰方法。211 活水圈就是依据静水易冻、活水不易冻冰的原理，利用工地已有的 43m3/min 空压机、以每个栈桥墩和主桥墩
6、为一个独立破冰体，在栈桥3桥面设置主风管道，在各独立破冰体周围安装环形风管，靠高压风在水中吹泡翻浪，使其周围形成活水圈，隔离结构物与冻冰，从而消静冰压力。详细布置见破冰管道布置图 。活水圈的设计要求及机械安装调试的主要措施：1、 栈桥墩环形风管长 28m，管上布孔 18 个，孔径 4mm；9 号墩双壁钢围堰环形风管长 67m，管上布孔 44 个，孔径 4mm。在施工的多个钢护筒周围环形风管长 55m，布孔 37 个，孔径 4mm。所有 4mm 的孔径，全部将毛刺打磨光滑。 。2、 环形风管在水中设置深度。风管设置深浅是关键。过浅则冻；过深则吹风翻不起浪。根据空压机的压力、风量、管路的沿程损失等
7、进行计算，并经过反复试验，确定设置最佳深度为水下 1.5m。且管上的吹风孔一律朝上。用吊卡悬挂，并加配重防止上浮。3、 各独立破冰体的竖向风管是环形风管与主风管的连通风路。在该管上设止回阀，防止停风后水倒流入风管结冰，阻塞风道，从而影响吹泡的正常进行。这个止回阀设在环形风管与竖向风管的接头处。止回阀一定特别仔细研磨，达到不渗漏的要求。竖向风管是较硬的胶管，悬吊时留有 45m 余量，随着水位的变化而调整。4、 在主风管上方安装球阀，用倒 U 形管与竖向风管相连通，主要是方便操作和防止水流入分风管内冻结。5、 送风时间。当气温为-31时，每隔 2 小时送风一次。测试过，超过 2小时，即会结冰，当冰
8、厚超过 10mm 则送风不易吹开。鉴于如此频繁吹风，工地又备用了 1 台 20m3/min 压风机。6、 根据总耗风量及循环时间要求，并经模拟实验，确定栈桥墩每次同开三个阀门，送风三分钟；对主桥墩每次单开一个阀门，送风三分钟。 活水圈的效果，使结构物周围形成一池春水，见照片。2.1.2 人工破冰是作为活水圈一种备用措施。是在机械故障和库区水面突然4无自然风结冰的紧急状态下，活水圈吹泡又翻不起浪时，动用人工破冰。现场组织了破冰队，备用了冰铲、冰镐、冰钩等工具。如有一次，连续几天大风，桥位处水面无冰，突然一夜无风，水面封冻，结冰厚达 30cm，活水圈失效。破冰队立即按分工投入各独立破冰体，在结构物
9、周围凿开0.61.0m 宽活水圈范围，并将碎冰捞出，接着送风吹泡翻浪，扩大活水范围，隔离了冰与结构物的接触。2.1.3 破冰船破冰。为了扩大活水圈范围，防止流冰的突然袭击，租用既有桥用的一艘破冰船在既有桥的上游和栈桥的下游进行破冰。每两小时出动一次，使范围扩到两桥上下游各 200m 大范围，加之，大风大浪的助兴，使无冰冻范围进一步扩大。以活水圈为主人工破冰补救，破冰船破冰扩大范围，在整个冰冻期消除了静冰压力的破坏作用，使水中大临设施安全过冬。2.1.4 消除结构物内冰冻胀力的方法。以上介绍的是消除结构物外围静冰压力的方法。关于结构物内冰冻胀力消除方法，经研究可供选择的有两种：一种是在结构物内撒
10、食盐，并吊一盐包，保持一定的浓度，降低水的冰点，但氯离子对结构物和钻孔灌注桩有影响，被否定。另一种是在结构物内吊挂可压缩的软物体吸收冰胀力。其做法是用塑料布包裹海绵加配重之后吊挂在结构物之内，侵入水面下约 0.40.8m，要经常检查，包不能破，若海绵吸水结冰，则起不到吸收冻胀力的效用。吊挂软物体使用效果较好，且可观察到冰冻沿悬吊物体上爬，基本消除了冻胀力。还可观察到，由于外部活水圈的作用，双壁围堰的隔舱内的板壁处无冰冻。我们分析认为可能是外圈吹泡翻浪，一是不同水温交换；二是翻浪使水磨擦管壁，所以未结冰。2.2 消除流冰撞击力的方法施工栈桥水中部分长 560m，16m 一跨。既有桥跨为 32m。
11、栈桥墩基本与既有桥墩匹配，但还是有栈桥墩正对既有桥的跨中。加之新建桥的钻5孔桩的施工平台桩和护筒又位于一部净宽，双壁钢围堰侵占流冰孔径更大。根据流冰通过的安全孔径和结构物能安全承受 3m/s 流冰的撞击力，必须确保使流冰的冰块最大边尺寸必须小于 6m，最大面积必须小于 20m2。我们选择了用爆破将冰炸碎的方法。具体作法是：1、 炸冰时间。根据当地历年开冻时间和炸冰的经验，到而月下旬，开始注意观察冰面颜色变化。当冰面由黑青色转为灰白色，且表面出现蜂窝时开始炸冰。这段时间炸碎效果最好的原因是：过早炸冰，因气温较低又会将炸冰的冰冻结在一起；过晚炸冰，因冰体开始软化，人工无法在冰上作业。2、 炸冰药包
12、的布置。从冰边开始，行距和排距均为 50m，人工凿一个冰窟窿，冰窟窿呈梅花状布置。在冰窟窿的冰面下 1.52.0m 处吊挂带电雷管的防水型药包，用引炸器起爆。炸碎的冰块都比我们预计的尺寸还小，均顺利地通过栈桥最窄孔径处。3、 结语 用压缩空气在结构物周围布置风管吹泡翻浪形成活水圈办法，成功地消 除了外部静冰压力的破坏作用，还意想不到地消除结构物内的冰冻胀力。这个方法简单易行，可供借鉴，撰文介绍。2消除流冰的炸冰方法。炸冰的时间选择重要，布置药包的间距和药包入水深度这个组合也很重要，否则炸不碎冰块或耗费人工和炸药过多，达不到理想效果。作者：欧阳克武 教授级高工 铁道部大桥局一处孙俊启 工程师 铁道部大桥局一处郑州市南阳路 93 号 邮政编码 450053崔红梅 工程师 北京铁路局张家口公务段
