台灣首座鐵路橋 創新側推工法-以南迴鐵路雙軌化北勢溪橋工程為例

王玉璋 土木技師/世曦高辦處計畫經理

羅逸建 交通部鐵道局南工處工一段段長

劉雲生 土木技師/交通部鐵道局南工處處長

一、前言

國內橋梁工程施工,配合嚴苛環境要求、維持營運需求、及施工空間受限等因素,工法也不斷推陳出新。如國道1號五楊高架林口跨越橋,採用水平旋轉工法;國1五楊拓寬工程泰山林口段雙層高架段,鋼橋吊裝採用工作車逐跨架設工法;台北市社子大橋斜張橋的斜橋塔,採用垂直旋轉工法等。這些工法,都是因應所處環境及侷限空間需求下,由國人設計及施工完成。本文要介紹的是國內首創鐵路橋梁,配合維持營運下,利用一個夜間斷電,將舊橋拆除,將新橋側推定位後,鋪設軌道,讓鐵路營運無縫接軌的創舉,希望藉由本工法的分享,讓橋梁工藝技術,精益求精,更上一層樓。

二、工程案例介紹

位於臺鐵屏東線枋寮站北端之北勢溪舊橋,長度約50公尺(詳圖1),有3座橋墩及4跨鋼橋。因橋梁老舊橋齡高、通洪斷面不足、河床沖刷嚴重、承載能力及耐久性不足且補強困難,配合屏東縣河川治理計畫-計畫河寬60公尺,納入臺鐵南迴鐵路電氣化工程建設計畫,進行改建。自108年6月開始,橋梁基樁施作,新橋的跨距為76公尺,河中無落墩,鋼橋長度增為77.5公尺,採下路式雙面桁架,內含2股軌道(詳圖2),鋼橋自重約1,259公噸,含混凝土、道碴、軌枕、鋼軌及防振橡膠墊之總重,約2,100公噸,於110年4月24日(六)跨4月25日,側推切換,完成啟用。以下將該橋之工法特性、施工流程、施工關鍵重點、科技應用及創新作為,分別概要說明。

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圖1北勢溪舊鋼橋(下路式鋼板梁橋)

 

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圖2北勢溪新鋼橋(下路式鋼桁架橋)

三、工法特性

1.首次鋼橋側推工法:北勢溪橋所在之腹地範圍,主要受用地範圍及枋寮站進站道岔之線形限制,若採以往在舊橋旁新建臨時軌的方式,還得要徵收土地及拆遷補償,為撙節臨時軌工法約3.6億元費用,爰決定新鋼橋採側推工法。

2.施工期間維持橋梁單軌通行:配合新建橋梁抬高、及枋寮站場分次切換改建,需維持鐵路營運、避免影響旅客,施工期間屬高風險作業。

3.橋梁基樁分2階段施作:為配合維持橋梁單軌通行,施工機具配合動員,分2次(山側、海側)進場施作基樁,臨軌施工增加挑戰及困難度。

4.單跨不落墩下路式鋼桁架橋:河中不落墩,可增加通洪斷面及避免橋墩基礎沖刷,亦可避免河中下構作業影響水流及施工風險。

5.鋼橋內含2股軌道,1次側推定位:與傳統鋼橋直接吊裝定位不同;場址緊鄰電化鐵路,先於營運軌道旁的北勢溪河床上,架設臨時施工構台及暫撐架,施工構台主要做為運輸動線及材料堆置,再將鋼構件吊裝於暫撐架上組裝,鋼桁架橋組裝完成,再澆置橋面板及鋪設軌道,利用千斤頂側推定位。

6.考量多方因素,決定側推時間:因機具需下至河床,進行舊橋墩上之RC基座敲除作業,而本橋位置距出海口僅約1.3公里,需參考潮汐表,選擇退潮時段辦理。配合臺鐵局環島營運班次及車輛調度,經臺鐵局重大工程審查後,利用夜間時段,搭配減班公路替運措施,且為避免影響通勤旅客及學生,側推時間選在週六晚上跨週日辦理。

7.同步拆除舊橋並側推新橋:整個作業流程,包含拆除電力及號誌系統、拆除舊鋼橋、側推新橋、定位後軌道銜接及砸道、電力及號誌系統復原測試等作業,總計花了12小時作業時間(創單次鐵路切換時間最長紀錄)。

四、施工流程

1.配合枋寮站場抬高,山側舊橋墩上新增RC基座,抬升(50~60cm)至設計高程。

2.新建橋台山側基樁施工(南、北各4支,樁徑150cm、樁長64公尺)。

3.於山側橋台範圍,設置托軌工程梁,支撐軌道,俾利後續開挖施作橋台基礎。

4.配合枋寮站山側之第二月台、及臨時第三月台啟用,切換至山側軌道營運。

5.拆除海側舊鋼橋,新建橋台海側基樁施工(南、北各4支,樁徑150cm、樁長64公尺),採鋼板樁及二階水平支撐之擋土設施,開挖施作橋台基礎與牆身(含橋台擴座),並接續於海側施作臨時橋台(新鋼桁架橋組立時支撐)。

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圖3 北勢溪新鋼橋側推前橫斷面示意圖

6.於海側搭設施工構台及河中暫撐架、地組及吊裝鋼桁架橋、澆置橋面板及鋪設軌道(詳圖3),山側橋台後方回填,並完成RC引進板,俾利側推後鋪軌銜接。

7.千斤頂、滑軌及滑靴設備安裝,鋼桁架橋先行試推1m作業(由距離軌道中心8.12公尺推進至7.12公尺),以確定千斤頂能量(180t×2),滑軌及滑靴設備是否符合需求。

8.新建鋼桁架橋側推切換後,山側舊鋼橋及托軌工程梁吊離,新舊橋台間之障礙物清除、及舊橋墩上之RC基座敲除,鋼橋側推7.12公尺(詳圖4),定位後調整至設計高程(以滑靴內250t千斤頂與375t頂升千斤頂搭配型鋼墊塊),盤式支承組模、及澆置早強無收縮水泥砂漿,新鋼橋軌道銜接及砸道,恢復山側軌道營運。

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圖4 鋼橋側推作業

9.北勢溪橋,海側南、北端鋪軌,配合枋寮站第一月台啟用及切換,由鋼橋海側進枋寮站(預計110年9月初辦理)。

五、施工關鍵重點

1.解決側推設備空間:原有橋台座寬度僅170cm,盤式支承即已占據大部分空間,考量側推系統設備置放及橋梁承載所需,沿橋台前方之基礎邊緣,施作188cm寬度RC擴座與橋台座齊平,以解決側推設備空間問題。

2.鋼梁內部加勁補強:考量千斤頂及滑軌支撐處之鋼梁需承載橋重,於鋼橋製造時,即於下弦鋼梁內側增設加勁板補強,避免應力集中造成鋼板變形。

3.鋼桁架支承穩定性:為組裝鋼桁架橋支承所需,於永久橋台之海側施作臨時橋台,兩者間以植筋連結,另考量直接基礎及樁基礎之承載差異,於臨時橋台底部灌漿補強,避免差異沉陷,確保側推過程順利。

4.山側舊有鋼橋吊離:因新鋼橋試推後距離舊橋僅1m,舊橋單跨重量約22t,舊橋吊離屬側推前關鍵作業,為使當晚吊裝順利,先行請大型吊車廠商現地勘查吊車站位及動線,最終採2台400t吊車及1台300t吊車,順利吊離舊橋。

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6.鋼梁側推設備精進:如採傳統式之千斤頂反力座(詳圖5),需使用人力拆裝及鎖固,時程不易掌控,每一衝程所需時間約15分鐘;經創新改採滑軌(含鯊魚齒U形溝槽)及反力座桿(詳圖6),不需使用人力拆裝及鎖固,由千斤頂自身伸縮作動,時程大幅減少,每一衝程所需時間約9.3分鐘;鋼橋側推距離7.12公尺,以每次衝程45cm計算共需16次衝程,側推所需時間由原來240分鐘縮短為 150分鐘。

7.採早強無收縮水泥砂漿澆置:盤式支承底部採用早強無收縮水泥砂漿,考量於側推定位軌道銜接後,當天即恢復列車通行,為避免列車經過之振動影響結構強度之生成,經試拌抗壓結果於3小時,即可達350kgf/cm2之設計強度需求。

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圖5 傳統之千斤頂反力座

 

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圖6 創新之千斤頂反力座

六、科技應用及創新作為

1.北勢溪鋼橋屬立體建物,適合以空拍機定期紀錄施工歷程。利用空拍機攝影(詳圖7),除可作為工作紀錄外,亦可作為檢視工區鐵路沿線是否有異常狀況,藉由高空3D立體檢視,發現平面檢視盲點,以適時派員至現場檢視、及通知相關單位共同研商後續處理方式。

2.利用縮時攝影,記錄北勢溪橋側推工法,包含鋼橋組立及側推過程等,做一系統性整理,可作為教育訓練及爾後相關工程參考。另利用模擬動畫(詳圖8),細部分解施工步驟,並發現界面動線衝突,可先行檢討解決方案。藉由針對現場施工人員進行側推前教育訓練,可增加施工團隊默契及熟悉度,使側推當晚工作順利完成。

3.鋼橋於營運軌道旁吊裝組立,為預防物料、機具及人員侵入軌道淨空,現場除瞭望員及指揮人員外,更於鄰軌側輔助設置紅外線感知器(詳圖9),如有侵入情形,則會發出預警聲響,確保行車安全。

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圖7 北勢溪鋼橋空拍截圖

 

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圖8 北勢溪鋼橋側推之模擬動畫2.95m

 

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圖9 山側營運軌旁設置紅外線感知器

 


【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】


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