跨越既有鐵路大跨連續(xù)梁橋轉體施工控制設計

鞏立青

(中鐵三局集團天津建設工程有限公司，天津 300350)

遷曹鐵路是我國西煤東運的主干鐵路線之一，是國家一級雙線電氣化鐵路，正線全長222.7 km。跨越段由西向東分別為遷曹鐵路下行線和遷曹鐵路上行線，線間距約為 4.0 m。遷曹鐵路上、下行線均為直線，路基填方高度約為2.3 m。交叉處軌頂高程為5.93 m。遷曹鐵路軌距為1.435 m，遷曹線既有路基寬度為13.19 m。

1 概述

1.1 工程概況

該處跨越遷曹鐵路采用(40+64+40)m連續(xù)梁橋跨越，連續(xù)梁采用支架現(xiàn)澆、墩頂轉體法施工。支撐中央跨的57號、58號墩均采用圓端形實體墩；承臺尺寸為13.6 m×10.6 m×3.2 m；57號墩采用10根樁徑1.6 m，樁長72 m鉆孔灌注樁基礎、58號墩采用10根樁徑1.6 m，樁長77 m鉆孔灌注樁基礎。既有線邊坡防護側采用直徑1 m，樁長為18 m混凝土灌注樁加拉森鋼板樁防護。墩柱高度分別為：57號墩高度8.5 m，58號墩8.5 m。采用圓端形實體墩，墩底尺寸8 m×4.2 m，墩頂尺寸9.6 m×7.2 m。

1.2 水文地質條件

橋址區(qū)內未見地表水，地下水主要為第四系孔隙潛水，主要由大氣降水、地表水補給，該處地下水埋深0 m～2.7 m(高程-1.33 m～1.8 m)，水位季節(jié)變化幅度1 m～3 m。橋址區(qū)地下水在氯鹽環(huán)境下對鐵路混凝土結構具L3等級作用；在化學環(huán)境下對混凝土具有硫酸鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級為H2。

2 轉體結構部分施工工藝

上越遷曹鐵路在57號、58號墩采用墩頂轉體施工工藝，需搭設支架澆筑62 m長梁段，形成自平衡轉動結構，57號墩、58號墩轉體梁段逆時針旋轉40°，平轉角度不大于0.02 rad/min，轉體最大總重量23 200 kN；結構平轉至最終橋位后，進行邊跨合龍及中跨合龍。

實施轉體部分的結構如圖1所示，結構由轉體下轉盤、球鉸、上轉盤、轉動牽引系統(tǒng)組成[5]。下轉盤主要包括下滑道及其骨架、中心定位軸、下球鉸及其骨架、千斤頂反力座；上轉盤主要包括上球鉸及其骨架和撐腳等；牽引力系統(tǒng)主要包括牽引力反力座和牽引索。

2.1 下球鉸及其骨架安裝

確定下球鉸固定位置，準確澆筑墩身混凝土至控制高度。下球鉸定位骨架拼裝完成，需吊置于下轉盤預留連接鋼筋上并固定，若轉盤內普通鋼筋與球鉸及其骨架產生沖突，可適當移動普通鋼筋位置。

將下球鉸吊裝于下球鉸支撐骨架上，通過鋼骨架上的調平螺栓進行定位，精確對位后鎖定。在混凝土灌注前將球鉸中心軸的預埋套管精確定位并固定，保證套管豎直。

2.2 滑道及其定位骨架安裝

在撐腳的下方設有0.8 m寬的滑道，滑道中心直徑為4.3 m，滑道鋼板在橋下分節(jié)段拼裝后整體吊裝，利用調整螺栓調整固定。整個滑道面在同一水平面上，任意3 m弧長內滑道的高差不大于1 mm、頂面局部平面度誤差0.5 mm。轉體時撐腳可在滑道內滑動，以保持轉體結構平穩(wěn)。

2.3 下轉盤與牽引索反力座混凝土的澆筑

精調固定完下球鉸及滑道后，根據設計要求進行混凝土澆筑。確保混凝土澆筑的密實度，尤其是下球鉸及滑道下部，需要加強振搗。

2.4 上球鉸及轉動銷軸的安裝

安裝鋼釘銷軸在下球鉸中心套筒內，確保下球鉸和滑板表面清理干凈，將黃油均勻涂抹在滑板表面。下轉盤預埋套管中放入涂滿黃油的銷軸。注意銷軸放入前需連接提拉繩索。

在上球鉸凸球面上涂黃油，確保銷軸提拉繩索能穿過鋼管通道，對準中心銷軸將上球鉸輕落至下球鉸上，微調上球鉸位置，使它與下球鉸外圈間隙一致并且保持水平，去除多余黃油，采用寬膠帶等進行邊縫密封，防止雜物進入中間。

通過鋼護筒連接鋼板預留的孔灌注微膨脹混凝土，灌注時應需保證混凝土密實且鋼板出漿口出漿。調整上下球鉸位置與銷軸間縫隙，水平誤差不應大于1.0 mm，然后吊裝上球鉸的上節(jié)鋼護筒，并用高強螺栓連接上下節(jié)鋼護筒。

安裝鋼筋，并于上轉盤一同澆筑混凝土。

2.5 吊裝撐腳與砂箱就位

滑道一圈沿縱軸線對稱布置4組(每組2個)撐腳，確保撐腳與下滑道的間隙符合設計要求，保障球體整體結構穩(wěn)定。

轉體前，采用標準干燥的石英砂填的8組(每組2個)砂箱作為臨時支撐，確保懸臂梁轉體前的結構穩(wěn)定。消除砂箱的非彈性變形需提前對砂箱進行不低于200 kN的預壓，并依照轉盤間距精準控制填砂量。

2.6 施工上轉盤

撐腳與砂箱安裝完成，搭設上轉盤支撐體系，上轉盤是轉體的重要結構，又是轉體牽引時直接施加牽引力的部位。在上轉盤底板，按照設計位置預埋撐腳預埋鋼板、支座預埋鋼板及轉體用牽引索等，安裝好上轉盤鋼筋，澆筑上轉盤混凝土。

2.7 轉體系統(tǒng)安裝精度控制

嚴格控制轉體系統(tǒng)的安裝精度，用全站儀檢查轉體中心坐標，用精度0.01 mm的電子水平儀對高度進行檢查。

3 轉體施工過程控制

3.1 轉體結構組成及布置要求

1)牽引動力系統(tǒng)的組成。 單聯(lián)連續(xù)梁轉體系統(tǒng)由兩套自動聯(lián)系牽引系統(tǒng)組成。單墩設備配置具體如表1所示。

2)牽引索的連接與安裝。牽引索需沿著既定索道逐根纏繞。以預埋入上轉盤混凝土體內的牽引索作為固定端，另一端作為移動端。即將露出的牽引索沿著上轉盤后穿過千斤頂，注意牽引索穿過千斤頂有順序要求，兩側應對稱穿入千斤頂。用千斤頂?shù)膴A緊裝置夾持，通過頂推千斤頂對鋼絞線逐根和整體預緊，牽引索索道與千斤頂軸心線應在同一平面上，確保兩束牽引索各鋼絞線持力基本一致。

表1 轉體設備配置表

3.2 轉體梁平衡稱重試驗

1)稱重前準備工作。清除梁頂附加荷載，安裝下滑板，安放千斤頂、大量程百分表；解除上下轉盤之間的臨時支撐；觀察轉體結構是否傾斜及傾斜方向以確定其狀態(tài)。

2)稱重布置。橋梁轉體前進行2°的試轉。試轉前，需進行平衡稱重試驗，測試轉體部分的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力矩及摩擦系數(shù)等參數(shù)[4]，確保橋梁轉體滿足各項配重要求。稱重試驗所用設備及性能：千斤頂(4臺，施加頂力)、應變式位移傳感器(測試球鉸微小轉動產生的撐腳豎向位移，精度0.01 mm)、應變綜合參數(shù)測試儀(采集應變式位移傳感器的信號)、大噸位應變式壓力傳感器(測試千斤頂?shù)膭討B(tài)壓力)。

3)稱重試驗方法。通過球鉸轉動測試不平衡力矩，考慮剛體作用，不涉及撓度等影響因素較多的參數(shù)，運用測試剛體位移突變進行測試。砂箱放完砂后，梁體不發(fā)生繞球鉸的剛體轉動，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和轉動體不平衡力矩所保持。

4)分析球鉸靜摩擦系數(shù)。試驗過程中，摩阻力矩為摩擦面所有微面積上的摩擦力對球鉸中心豎轉法線的力矩之和。

5)計算偏心距。轉動體的偏心距計算公式：

其中，N為轉體重量。

6)梁體配重方案設計。轉體過程轉體梁應在梁軸線方向略傾斜，即橋墩一側撐腳落下接觸滑道，另一側撐腳抬起離開滑道。

3.3 牽引索保護即標注刻度安裝

牽引索從安裝至牽引過程需加強保護，防潮防淋避免銹蝕，防止機械電焊損傷。

根據弧度和角度關系，依照轉體角度，制作轉盤刻度，在轉動的上轉盤黏貼標注刻度盤，在下轉盤固定端埋設刻度指針。

3.4 測試牽引設備及其他準備工作

1)轉體所用液壓及電器設備需進行測試和標定。設備進場后按設備平面布置圖安全就位，連接主控臺、泵站、千斤頂之間信號線，接通泵站和千斤頂間的油線，連通主控臺、泵站電源，檢查設備運轉是否正常。

2)依照千斤頂施力值反算各泵站油壓值，并調整泵站最大允許油壓，空載試運行，并檢查設備運行正常。

3)技術和安全交底，對各觀測點進行人員分工，現(xiàn)場安裝其他監(jiān)控標志，確保各點位信息暢通。

4)全面復查各點位及受力構件，確保無裂痕。

5)試轉和轉體選擇不超過4級風的天氣進行，盡量不在陰雨天氣進行。

6)橋面附加荷載清理。

轉體前對橋面雜物和其他附加荷載進行清理，防止轉體過程出現(xiàn)不安全因素。

3.5 試轉體

1)試轉體前準備工作。在轉體前1 d～2 d進行試轉，在轉體實施前，撐腳與下滑道之間支墊1 cm滑板，上下轉盤間防水、防塵設施拆除，拆除臨時支撐裝置。對滑道再進行一次潤滑，確保滑道上的阻力處于最小狀態(tài)。試轉時應對轉體結構各部位進行全面檢測，試轉角度為5°，確保梁體不侵入鐵路限界內，確定牽引設備、轉體系統(tǒng)安全運轉以及各項運行參數(shù)滿足要求。

試轉體5°角后，57號墩梁端左側距離回流線水平距離為7.9 m，58號墩梁端左側距離回流線水平距離為8 m。

2)試轉體過程。用千斤頂將鋼絞線逐根以5 kN～10 kN的力多次對稱預緊，以保證各根鋼絞線受力均勻。依照交底統(tǒng)一組織，接通電源，啟動泵站，用主控臺控制兩千斤頂同時施力試轉。轉動困難時，可采用備用輔助頂推千斤頂共同轉體。靜摩擦力：即轉體從靜止到開始運動時候力的大小；根據類似工程經驗啟動時摩擦力較計算值偏小，加載可按計算啟動牽引力20%，30%，40%，50%分級加載，直到啟動前按10%逐級加載。動摩擦力：即牽引系統(tǒng)停止加載時轉體最大的滑動距離。點動方式進行轉體測試：為了精準控制懸臂端線轉體弧度，以便對合龍段進行精準線性控制，采取測量點動一次(1 s～5 s)懸臂端轉動的距離。在試轉體過程中，若出現(xiàn)異常，如結構不平穩(wěn)、關鍵部位出現(xiàn)裂隙等，應立即停止轉體。并認真檢查采取相應措施后，方能繼續(xù)轉體，試轉各項參數(shù)為正式轉體提供依據，若各項參數(shù)與理論計算值有差距，應進行二次配重。

3.6 轉體實施過程控制

3.6.1轉體時間的確定

根據設計規(guī)定，轉體過程中角速度不大于0.02 rad/min，懸臂端線速度不大于0.62 m/min。本工程轉體角度40°，轉體懸臂31 m，轉臺直徑D=7.2 m。牽引索允許最大線速度(按允許懸臂端線速度計)V1=0.62÷31×(7.2/2)=0.072 m/min。每臺100 t連續(xù)頂最大流量需求Q1=V1×A=0.072×3.141 6×10-2×1 000=2.262 L/min；每臺泵站驅動2臺100 t連續(xù)頂最大流量需求Q0=2Q1= 4.53 L/min；轉體最低時間要求H=0.786÷0.02=35 min。

3.6.2兩點等力同步頂推保障

兩點等力頂推是轉體安全施工的保障。牽引兩點鋼絞線位移同步控制在轉體施工中的重要性，應當絕對讓位于牽引兩點等力同步頂推控制。

在每個轉盤分別獨立的液壓系統(tǒng)，采用計算機程序控制，實時比對，用電腦程序準確控制至設定的壓力差范圍內，實時比例控制每個轉盤分別獨立的液壓系統(tǒng)電磁閥平衡工作。這一關鍵控制技術經過數(shù)十項同類工程施工中總結完善后，將其集成智能液壓ZLD自動連續(xù)頂推系統(tǒng)的產品制造中，充分保證轉體工程的安全施工。

3.6.3轉體施工前主要準備工作

轉體施工應得到跨越線單位的許可。

施工方案及過程應得到線下單位、業(yè)主、監(jiān)理以及地方的批準，并根據相關要求進行登記。

轉體施工當天，提前1 h向線下單位車站派駐聯(lián)絡員，跟線下單位進行積極對接，并向轉體施工負責人報告相關情況。

轉體完成后，由轉體負責人向駐站聯(lián)絡員發(fā)送通知，恢復列車正常通行。

轉體施工為本工程的重點控制性工序，項目部成立以下幾個組并明確組織機構及崗位職責，在轉體施工的各個工序貫徹落實，確保轉體順利成功。

3.6.4轉體施工技術控制

1)根據試轉過程中各項數(shù)據，編制詳細的轉體過程交底，指導轉體施工過程。轉體過程應根據轉體前制定的人員分工，對整個施工過程進行安排和部署。

2)接通轉體設備各項線路，輔助千斤頂優(yōu)先達到預定噸位，再啟動其他動力系統(tǒng)設備，使其在“自動”狀態(tài)下運行。轉體過程中，確保兩組對稱千斤頂作用力大小相等，保證上轉盤僅承受動力偶基本平衡。各崗位人員認真觀察，若動力系統(tǒng)或其他設備出現(xiàn)異常，應立即停機處理，消除隱患后方可繼續(xù)轉體施工。

3)在內環(huán)平衡腳與墩頂預埋鋼板行走環(huán)道間，預留10 mm間 隙內鋪墊3 mm四氟板作為平衡行走軌道，走板頂面與上環(huán)道間隙為5 mm左右。轉體過程中，內環(huán)平衡腳與行走軌道間間距發(fā)生變化時，在偏心處墊入四氟板以糾正偏心問題。

4)轉體結構在要到達設計位置時，系統(tǒng)“暫停”。為防止結構超轉，動力系統(tǒng)改由點動操作。每點動操作一次，測量人員測報軸線走行現(xiàn)狀數(shù)據一次，直至結構軸線精確就位。當由于轉動慣性或測量誤差，在復測發(fā)現(xiàn)已經過轉時，可用2臺100 t千斤頂反向頂撐腳，使轉動體回轉至設計位置。

5)利用微調千斤頂精確地調整梁體T構的線型和端部標高，標高及線性調整要在封鎖點內實施。轉體結構按設計要求精準定位后，即在撐腳與滑道之間打入鋼楔，在砂箱頂與上轉盤底之間打入鋼楔對轉體結構進行約束固定。

3.6.5轉體的質量控制

使用兩臺2 000 kN連續(xù)千斤頂，保證足夠的轉體動力儲備系數(shù)。千斤頂?shù)陌惭b應注意和鋼絞線軸向保持一致，牽引同步。

轉體牽引力索選用低松弛、高強度Φ15.24 mm鋼絞線，左捻和右捻根數(shù)相同，確保轉動過程中力偶平衡，轉動平穩(wěn)。

4 合龍段施工控制措施

中跨合龍段采用預埋封閉鋼模法進行施工。

4.1 合龍施工流程

中跨合龍段吊裝段鋼模板安裝→鋼模板焊接安裝就位→加合龍段配重→復核高差及中線位置→綁扎鋼筋→安裝預應力管道→焊接勁性骨架、合龍鎖定→張拉臨時索→澆筑混凝土→混凝土強度及彈模達到設計強度100%后，且混凝土齡期不小于7 d時，拆除活動中墩的臨時縱向鎖定，均轉換成永久支座→張拉底板縱向及合龍段豎向、橫向預應力筋、壓漿。

4.2 外鋼模安裝

轉體前預埋段鋼模板隨主梁現(xiàn)澆成型，轉體就位后，利用既有線檢修“天窗”點吊裝段鋼殼整體吊裝就位。吊裝時在57號墩處采用150 t吊車遠離既有線站位，吊裝段鋼殼總重量4.1 t，臨近既有線施工安全系數(shù)按2考慮，故吊車與作業(yè)半徑為34 m，現(xiàn)場條件滿足吊車作業(yè)條件。吊裝段鋼殼吊裝就位后與預埋段鋼模板先進行底板焊接，再完成連接板與肋板間的焊接，使合龍段鋼模板形成整體，進行跨中合龍段的施工。

4.3 合龍段配重

中跨合龍段配重計算公式：P=中跨合龍段重/2(約為67.818/2=33.909 t)；澆筑中跨合龍段混凝土前，要在57號、58號墩T構跨中合龍段端配備33.909 t水箱。每澆筑1 m3混凝土時進行卸載為1 m3/2×2.5 t=1.25 t的水，卸載水通過管道直接留置57號、58號墩底水車中。

4.4 合龍與鎖定

為防止合龍段混凝土出現(xiàn)裂縫，合龍前應保持懸臂端與邊跨現(xiàn)澆段臨時連接，臨時鎖定時間根據合龍段施工時間確定，臨時“鎖定”是合龍施工的關鍵，“鎖定”包括焊接勁性骨架和張拉臨時預應力束。

1)剛性支撐設置。邊跨現(xiàn)澆段和T構端部頂板、底板上共4處，預埋φ22預埋筋及540 mm×320 mm×15 mm鋼板，鋼板與上部支撐型鋼采用焊接連接。支撐型鋼用14號熱軋輕型工字鋼，通過鐵板焊接而成。

2)臨時張拉預應力筋。抵消溫度力對合龍段混凝土的影響，減小梁體撓度變形，臨時剛性結構安裝完畢后，對縱向預應力鋼束進行臨時張拉，待合龍段澆筑完畢后，再按設計要求對其進行終張拉。

4.5 合龍段鋼筋綁扎及混凝土施工

1)鋼筋綁扎及混凝土澆筑。模板、鋼筋施工：吊架正位后，進行底板鋼筋綁扎、封內模、頂板鋼筋綁扎及預應力安裝施工。混凝土澆筑：中跨合龍段混凝土共26.084 m3，采用兩臺地泵同時輸送至澆筑位置。中跨合龍時制定專人卸載懸臂兩端配重水箱，保證T構的平衡及合龍的穩(wěn)定。卸載重量需根據入模混凝土重量效應對稱同步地進行，采用電子水準儀對懸臂梁的標高實時進行測量，對兩側配置調整提供依據。

2)混凝土養(yǎng)護。及時對合龍段混凝土進行二次抹面處理，用一層棉被或土工布覆蓋灑水養(yǎng)護，防止出現(xiàn)干縮裂縫，澆水以棉被濕潤不滴漏為度，表面用一層10 cm×10 cm鋼筋網壓住，避免有雜物掉入既有線。

4.6 預應力施工

中跨合龍時張拉臨時張拉索，利用合龍吊架現(xiàn)澆9號塊，待梁段混凝土到達設計強度的100%，齡期不少于7 d時張拉其他預應力索。完成全梁梁體體系轉換，形成三跨連續(xù)梁。

合龍段預應力筋張拉時，先張拉底板縱向束，再張拉橫向預應力筋。底板束按照先長筋后短筋的順序對稱實施張拉。預應力鋼絞線和預應力鋼筋經檢查合格后方可使用，施加預應力前應對混凝土試驗構件做強度檢驗，要求其強度達到設計強度的100%以上方進行預應力張拉。預應力下料長度，根據計算確定，加工一律采用砂輪鋸或切割機，不得使用電弧焊，編束應梳理順直，綁扎牢固，防止互相纏絞。

張拉應對稱同步進行，在張拉正彎距筋(底板束)過程中，需要有專人觀察記錄齒板后端梁斷面的變化情況，檢查是否出現(xiàn)裂紋。

4.7 合龍段施工控制要點

注意溫度的控制和選擇，保證混凝土早期硬結過程中，處于升溫受壓狀態(tài)，合龍段施工的最佳溫度為(15±2)℃。

合龍段混凝土應采用早強微膨脹混凝土施工，且應滿足設計要求，對合龍段的預應力筋及時進行張拉，防止出現(xiàn)裂隙。

對稱地進行合龍段的鎖定。將剛性支撐一端與梁端部預埋鐵件固定，將另一端與梁連接，快速張拉臨時預應力束。

鎖定完成后，立即釋放固定約束，確保梁在合龍段鎖定的連接下，可以沿支座進行自由收縮。

5 結語

本文基于上跨遷曹鐵路既有線施工，采用墩頂轉體施工技術工藝，通過對轉體結構制作安裝要求介紹和分析，對轉體過程控制及注意事項介紹，和連續(xù)梁合龍段施工的工藝總結，為上跨既有線墩頂轉體提供了借鑒。

受到本施工規(guī)模的限制，對于超大跨度，特殊地質條件下，也可以采用墩底轉體或者連續(xù)梁頂推法進行施工。