京石客運專線滹沱河特大橋跨京廣鐵路連續梁橋轉體施工技術

董國亮

(中鐵十二局集團第三工程有限公司,太原 030024)

1 工程概況

京石鐵路客運專線滹沱河特大橋中心里程為DK271+424.83,全長10 012.9 m,采用80.6 m+128 m+80.6 m連續梁跨越京廣鐵路柳辛莊車站,交角為28°17′。橋下有京廣上下行客車線、到發線、石太聯絡線共計5條股道,均為電氣化鐵路。京廣線在車站內最高行車速度130 km/h,行車密度3～5 min/趟,每天有170對列車行駛。為保證施工安全和減小對既有線的行車影響,減少掛籃施工的封鎖要點次數和難度,降低工程安全風險,同時加快橋梁建設速度,經研究,決定該主橋采用轉體施工法施工。即分別在京廣鐵路的南北兩側現澆完成63 m+63 m的懸臂結構,然后采用橋墩下承臺中設置的轉動裝置分別將2個T構轉動至設計軸線上,再在跨中部位預留的現澆處澆筑成形,完成全橋施工。

轉體長度126 m,轉體重120 000 kN,小里程側轉角25°(京廣線北側),大里程側轉角18°(京廣線南側)。連續梁梁底與既有線更新的接觸網硬橫梁最低距離僅有10 cm。施工安全風險大,工期要求緊,質量要求高,被列為京石客運專線的頭號重點控制工程。于2009年9月開工,2010年10月竣工。

橋梁與京廣鐵路位置關系見圖1。

圖1 橋梁與京廣鐵路相交平面布置(單位：m)

轉動體立面如圖2所示。

2 轉體關鍵技術及施工工藝流程

2.1 轉體施工關鍵技術研究

目前我國客運專線橋梁連續箱梁轉體施工跨度均在120 m以下。主跨128 m的連續箱梁的轉體在京石客運專線為首次采用。本次施工存在如下特點：跨越多股道(5道)；行車密度大,橋梁下方接觸網線密布,接觸網硬橫梁與梁體距離小；工期緊,安全風險高。

圖2 T構轉動體立面(單位：cm)

(1)轉體系統的施工質量和安裝精度

轉體系統主要由上、下轉盤，核心球鉸，滑道以及牽引系統組成。本橋球鉸平面直徑4.1 m,由上下球鉸、滑塊、鋼銷軸及定位鋼骨架組成,單個鋼球鉸質量13.6 t。采用高精度全站儀和電子水準儀測控、千斤頂和微調螺栓精調實現球鉸的精確安裝。采用C50微膨脹混凝土并利用球鉸面預開振搗孔的措施,保證了混凝土的密實。847塊聚四氟乙烯滑塊進行一一對號安裝,滑塊間填充黃油四氟乙烯粉,保證了球鉸的滑動質量。采用縱、橫、豎三向預應力技術保證了上轉盤在應力復雜工況下的結構安全。鋼撐腳下設置單級配石英砂墊層和砂箱先壓后安的措施，保證了落架后的撐腳與環道間7 mm的最小間隙,保障了轉動系統的靈活性。

(2)自平衡混凝土T構的施工控制及施工過程監控

通過加強模板支撐和混凝土的合理澆筑實現結構尺寸的合理性,從而保障了T構本身的平衡性。

(3)轉體轉動控制和轉體結構精確定位施工技術

轉體的轉動平穩是轉體施工安全的前提,轉體精確就位是轉體施工質量最終體現。選用先進的施工機具是轉體施工安全關鍵,研發的“頂舉對中,點動牽引”施工工法確保了轉體精確就位安全和質量。

(4)球鉸封固混凝土施工

球鉸封固的密實性影響橋梁使用壽命,施工中研發了分部施工和C50微膨脹混凝土+重力灌漿+真空輔助壓漿的施工控制技術,很好地保證了封固混凝土飽滿密實。

(5)中跨合龍段施工

本橋合龍段位于既有2道和3道的上方,橋梁梁體下方有4道接觸網硬橫梁,無法采用以往的普通掛籃施工。施工中采用研發的可空中肢解底模的特制掛籃,安全成功完成了中跨合龍段施工。

2.2 轉體施工工藝流程

施工工藝流程如圖3所示。

圖3 轉體施工工藝流程

3 轉動體系施工

3.1 轉體系統組成

轉體系統主要由下轉盤、球鉸、上轉盤以及轉體動力系統組成。轉體系統構造見圖4。

圖4 轉體系統構造

下轉盤采用C50混凝土,為支承轉體結構全部重力的基礎,轉體完成后,與上轉盤共同形成基礎。下轉盤上設置轉體系統的下球鉸、撐腳的環形滑道及轉體拽拉千斤頂反力座等。

上轉盤是轉體的重要結構,在整個轉體過程中形成多向、立體的受力狀態,上盤布有縱、橫、豎三向預應力鋼筋。

轉臺是球鉸、撐腳與上轉盤相連接的部分,又是轉體牽引力直接施加的部分。轉臺內預埋轉體牽引索,牽引索的預埋端采用P型錨具,同一對索的錨固端在同一直徑線上并對稱于圓心。每根索埋入轉盤長度大于2.5 m,每根索的出口點對稱于轉盤中心。

球鉸由上下球鉸、球鉸間四氟乙烯板、固定上下球鉸的鋼銷、下球鉸鋼骨架組成,球鉸是平轉過程中的承重受力構件,設計豎向承載力120 000 kN,球鉸直徑8.0 m,鋼板厚度40 mm,上球鉸平面直徑4.1 m,下球鉸平面直徑3.8 m。球鉸摩擦采用847片填充聚四氟乙烯復合夾層的φ60 mm滑片,聚四氟乙烯滑動片容許應力不小于100 MPa。

3.2 轉體系統安裝3.2.1 鋼球鉸的加工與安裝

轉體結構施工質量控制的好與壞直接影響到轉體施工的成敗,球鉸作為轉體結構的核心部分,為了提高球鉸的加工質量,保證加工精度,經過考察對比,最后選擇有著豐富制作經驗的中國船舶重工集團公司下屬的七二五研究所進行球鉸的加工。派專人進場監造并嚴格進行出廠驗收,加工精度完全滿足設計要求(表1)。

表1 球鉸加工精度

3.2.2 下球鉸鋼骨架安裝

在下轉盤第一層混凝土澆筑(高程以下距球鉸鋼支架根部1 cm控制)完成后,待混凝土終凝后進行表面鑿毛處理,用吊車將下球鉸骨架吊入,并進行粗調,然后采用千斤頂、撬棍進行人工精確調整,調整時先用線繩拉出骨架準確位置和高程。待骨架調整完成后將下承臺架立角鋼(或預埋的鋼板)與骨架立柱焊接牢固。固定好球鉸定位底座后,利用全站儀和電子水準儀監控。

3.2.3 安裝下球鉸

下球鉸安裝主要是利用吊車將下球鉸調入已固定好的鋼架上,通過粗定位→精調定位→固定→綁扎下部鋼筋網→澆筑球鉸下微膨脹混凝土封固下球鉸。

施工中通過加強球鉸鋼骨架和預留球鉸振搗孔、排氣孔等措施,實現下球鉸混凝土一次現澆成形。

下轉盤球鉸的中心、高程進行復查；中心位置利用全站儀檢查,高程采用精度0.01 mm的精密水準儀及鋼銦尺多點復測。

3.2.4 安裝上球鉸

上球鉸的安裝程序為：清理下球鉸面→安裝鋼轉軸→對號安裝四氟滑塊→球鉸面及中心套筒內涂抹黃油四氟粉→上球鉸面清理→安裝上球鉸→上球鉸試轉檢查→上球鉸精調定位。

利用全站儀和電子水準儀檢查上球鉸頂面中心位置和高程,并人工轉動上球鉸,檢查上球鉸轉動過程中頂面點位高程的相對變化和中心偏移情況,并用倒鏈進行糾偏,至中心及高程滿足設計要求。

球鉸安裝完畢對周邊進行防護,上下球鉸之間用膠帶纏繞包裹嚴密,確保雜質不進入到摩擦面內。

3.2.5 滑道和撐腳安裝

3.2.5.1 滑道安裝

環形滑道中心的直徑為9 m,環道由專業廠家生產,現場采取分節段拼裝,在盤下利用調整螺栓調整固定。

轉體時保證撐腳可在滑道內滑動,以保持轉體結構平穩。要求整個滑道面在同一水平面上,其相對高差不大于2 mm。

3.2.5.2 撐腳安裝

上轉盤共設有6組撐腳,鋼管內灌注C50微膨脹混凝土。撐腳中心線的直徑為9 m。撐腳在工廠整體制造后運進現場,在下轉盤混凝土澆筑完成。

3.2.6 傳力砂箱安裝

為保證上轉盤及墩身混凝土澆筑期間球鉸均勻受力和撐腳不受較大壓力,以及轉體系統在梁體落架前穩定,采用在上轉盤下部設置6組臨時支座。臨時支座均位于撐腳之間,采用直徑550 mm壁厚12 mm的圓形鋼砂箱,每組4個,共計24個。砂箱內填充單級配石英砂,安裝前用5 000 kN千斤頂進行逐個頂壓到3 000 kN,確保落架后的撐腳與環道間7 mm的最小間隙,保障了轉動系統的靈活性。砂箱的安裝見圖5。

圖5 砂箱安裝

3.3 轉體系統安裝精度的控制

3.3.1確保轉體系統球鉸和滑道的安裝精度采取的措施

挑選性能和精度優良的全站儀,使中心點的定位精度達到±2 mm以內；普通水準儀的讀數不能達到要求,采用精密自動安平水準儀,每千米往返測中誤差為0.4 mm,讀數可達到0.01 mm；組織人員熟練掌握精密水準儀的測量方法、實測過程中的注意事項,從技術上為其精度提供保證；按照預定的施工組織設計,組織現場工程技術人員、機械設備到場,吊裝球鉸和滑道安裝；根據技術人員的現場定位測量,安放在其準確的平面位置上；待其吊裝就位以后,首先對其初平,采取“邊測邊調,先松后緊,對角抄平,步步緊跟”的原則和方法來操作,直至達到規范的要求。這種測量方法在以往安裝中證明了其合理性,所用調平時間和效果都比較理想。

3.3.2 球鉸滑道安裝精度的控制

球鉸及其骨架均采用吊車吊裝就位,人工調平對中安裝。

首先安裝下球鉸骨架,設計要求球鉸骨架頂面相對高差≯5 mm,施工時采用提高安裝球鉸定位骨架精度的方法,以減少下球鉸安裝時的調整工作量,施工中提高至≯2 mm,中心偏差≯1 mm。骨架與預埋定位鋼筋和角鋼焊接牢固,防止球鉸安裝時發生位移,滑道骨架中心和球鉸中心重合,與理論中心偏差不大于1 mm。

3.3.3 下球鉸安裝精度控制(表2)

下球餃的安裝精度是整個轉體球鉸安裝的關鍵步驟。球鉸骨架加固后,吊裝下球鉸使其放在骨架上,人工對其進行對中和調平,安裝精度：順橋向±1 mm,橫橋向±1.5 mm,下球鉸正面相對高差≯1 mm。施工中在可調精度內提高了下球鉸正面相對高差安裝精度≯0.5 mm。檢查合格后,固定調整螺栓,然后再檢查一次,防止因備緊螺栓時影響下球鉸正面高程。然后澆筑混凝土。

表2 下球鉸及環道安裝精度 mm

3.3.4 上球鉸精度控制

(1)澆筑完成千斤頂反力座和牽引反力座混凝土后,把下球鉸表面和安裝孔內清理干凈,在下球鉸上安裝聚四氟乙烯滑塊,聚四氟乙烯滑塊在工廠內進行安裝調試后編好號碼,現場對號入座,安裝后要求頂面在同一球面上，其誤差不大于0.2 mm；

(2)在下球鉸上和定位銷軸上及套筒內涂黃油聚四氟乙烯粉，使其均勻的充滿定位銷軸上和套筒、滑動片之間的空隙,并略高于聚四氟乙烯片頂面,嚴禁雜物侵入。

4 自平衡T構的施工

4.1 臨時支墩施工

為保證轉體梁段的自平衡,減小縱橫向不平衡力矩,在主墩兩側各設置3根φ1 000 mm×20 mm鋼管混凝土臨時支墩。支墩鋼管內灌注C50無收縮混凝土,頂部通過24根φ32 mm精軋螺紋鋼筋與箱梁底板錨固,底部與上轉盤頂面預埋鋼板焊接,支墩與主墩間采用型鋼連接。具體見圖6。

圖6 主墩鋼管支架

4.2 轉體梁段施工

本橋轉體結構為126 m長的對稱懸臂結構,梁高5.65～9.65 m,采用支架法對稱分段施工,分段長度28 m+24 m+22 m+24 m+28 m,三階段施加預應力。施工過程中對支架按照設計荷載1.2倍進行預壓,確保支架穩定；嚴格控制模板尺寸、混凝土澆筑速度和混凝土澆筑方量，確保對稱懸臂梁段的自平衡；進行管道摩阻損失測試有效施加預應力,采用真空輔助壓漿工藝確保壓漿質量；制定和實施線性控制和內力監控，確保梁段線性和主要截面的內力滿足設計要求。

5 轉體施工

轉體分試轉、正式轉體和精調對位3個過程。

轉體動力系統采用了目前國內先進的自動連續牽引系統,由2臺QDCL2000型連續張拉千斤頂、2臺YTB液壓泵站和1臺LSDKC(A)-8主控臺通過高壓油管和電纜線連接組成轉體動力系統。牽引速度0.5～5 m/h,連續牽引和點動牽引控制靈活。

對安裝掛籃后的不平衡轉體結構進行合理配重,實現了中心承重的轉體構想。2010年8月17日試轉結果表明：實際啟動牽引力分別為480 kN和320 kN,實際自動牽引力分別為320 kN和240 kN,均小于設計提供的1462 kN和877 kN；自動連續轉動速度達0.01～0.015 rad/min，轉動平穩。同時按照精調對中方案要求,進行了1、2、5 s不同時段點動梁端慣性位移測定。2010年8月19日凌晨,在鐵路封鎖點內安全、平穩地完成了正式轉體施工。研究開發出頂舉對中點動牽引轉體精調就位施工技術,8月21日～22日順利完成轉體精調工作,合龍口軸線偏差和高程偏差均控制在10 mm之內,滿足規范要求。見圖7。

圖7 轉體平轉到位

6 球鉸封固

轉盤固結施工質量的關鍵在于保證上轉盤下方、球鉸四周、撐腳內側、千斤頂反力座內側混凝土的密實,避免產生空腔和縫隙。為此,研發了分部施工和C50無收縮混凝土+重力灌漿+真空輔助壓漿的施工控制技術,很好地保證了封固混凝土飽滿密實。首先進行轉臺下反力座內側的圓臺部分施工,在混凝土澆筑完成后,利用在轉臺下靠近撐腳的位置徑向設置8根φ70 mm的金屬波紋管灌注支座灌漿料填充澆筑過程中形成的空腔,對由于混凝土收縮和灌漿不飽滿產生的縫隙,在灌漿完成24 h后利用在球缺周圍設置的帶三通φ30 mm塑料壓漿管(均勻設置12個朝上的三通管)進行真空輔助壓漿。最后進行剩余部位施工,同樣利用在上轉臺下方設置的灌漿管和壓漿管進行混凝土澆筑后的空腔灌漿和壓漿施工。兩個球鉸灌壓量分別為2.25 t和3.05 t。施工完成后經超聲波檢測,混凝土飽滿密實,完全達到了預期效果。

球鉸封固示意見圖8。

圖8 球鉸封固示意(單位：cm)

7 合龍段施工

中跨合龍段位于既有線上方,梁下有4道電氣化接觸網,梁底與硬橫梁最小距離僅有10 cm,常規掛籃在此環境下無法進行就地解除或全身后退。為此開發了一種新型掛籃：掛籃長5 m,寬16 m,重300 kN,由上橫梁框架、底模、側模、吊掛系統和行走系統組成。底模架可空中肢解后實現掛籃無障礙后退。掛籃提前安裝固定在梁端并隨轉體轉到位后,沿合龍口軌道行走到位錨固。中跨合龍完成后,拆除底模架和部分側模防護平臺,剩余構件整體跨越障礙物后退至既有線外拆除。

掛籃結構見圖9,掛籃推移拆除見圖10,合龍段施工見圖11。

圖9 掛籃結構(單位：mm)

圖10 掛籃拆除

圖11 合龍段施工完成

8 結語

滹沱河特大橋跨京廣鐵路轉體橋于2010年8月19日完成正式轉體,2010年9月16日完成中跨合龍,2010年9月22日完成掛籃拆除,工程質量和施工安全得到了北京鐵路局、建設單位、設計院、監理等單位的好評。創造了國內外高速鐵路轉體橋跨鐵路既有線主跨128 m的預應力混凝土連續梁轉體橋施工紀錄。成功破解了臨近既有鐵路的安全防護等10多項技術難題。獲得了良好的社會和經濟效益,具有廣泛的推廣價值。

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