跨越既有繁忙鐵路連續梁轉體施工關鍵技術*

戶東陽，周 昆，陳玉峰，保 亮

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，云南 昆明 650200)

0 引言

隨著我國交通事業的飛速發展，越來越多的橋梁需跨越既有公路與鐵路運輸線，轉體施工技術使大型橋梁能夠在不影響既有線路運營的條件下完成安全施工，提高了施工效率，保障了施工安全，在我國橋梁施工中的應用越來越廣泛[1]。

1 工程概況

渝昆高鐵八家村2號特大橋為雙線高速鐵路橋，線路全長5 098.785m，里程范圍為DK692+284.403—DK697+383.188，線路于DK693+293.7處上跨既有沾昆鐵路及部隊進庫專用線，故采用(70+128+70)m連續梁轉體施工方案。該橋轉體梁段為預應力混凝土連續箱梁，21，22號橋墩分別位于沾昆鐵路兩側路塹，采用“平行既有鐵路現澆墩身及梁段”與“連續梁順時針轉體合龍”雙幅施工方案，連續梁轉體后于沾昆鐵路上方進行“先邊跨、再中跨”的形式合龍，單幅轉體梁長126m，轉體角度38°。八家村2號特大橋轉體梁段總體布置如圖1，2所示。

圖1 八家村2號特大橋轉體施工梁段立面(單位：m)

圖2 八家村2號特大橋轉體施工梁段平面(單位：m)

2 施工方案與難點

2.1 施工方案

八家村2號特大橋21，22號墩位T構采用墩底水平轉體方法施工，流程如下。

1)在平行于既有沾昆鐵路線方向進行施工，首先澆筑21，22號墩位球鉸系統的先澆部分下盤混凝土，然后安裝轉體下球鉸，最后澆筑后澆部分下盤混凝土，并制作用于牽引千斤頂拉索的滑道。

2)下球鉸體系安裝完成后，首先安裝轉體上球鉸，并開展轉動試驗，隨后澆筑球鉸上盤，并埋設撐腳和千斤頂牽引索。

3)臨時鎖定上、下盤，完成球鉸系統臨時封固，然后制作墩身澆筑模板，并采用現澆法對21，22號墩體進行施工。

4)采用輕型掛籃懸灌法對連續梁各節段進行施工，并對梁上附屬設施進行安裝，完成轉體T構主體結構施工。

5)釋放上、下盤臨時鎖定，根據T構平衡需要，在梁上加相應配重，使T構兩側質量相等，安裝牽引反力座和連續張拉千斤頂，做好轉動準備。

6)清理球鉸、施工場地及施工障礙物，然后啟動連續張拉千斤頂，實施轉體。

7)調整連續梁線形，優先滿足梁端合龍口高程，合龍邊跨梁體，連接上、下盤間的鋼筋，封固上、下盤。

8)拆除預先設置在球鉸系統的臨時支承，合龍中跨連續梁，完成全橋施工。

轉體系統布置如圖 3，4所示。

圖3 轉體系統立面(單位：m)

圖4 轉體系統平面(單位：m)

2.2 施工難點

1)T構轉體系統位于下承臺和墩底之間，其間距不足1m，同時需設置轉體球鉸、臨時固結支座、撐腳及預埋鋼筋等結構，空間狹小，工序復雜，施工難度大。

2)球鉸結構受力需有一定的安全儲備，轉體過程中需嚴格控制摩擦力矩及牽引力，同時設置制動距離，以防梁體超轉，施工精度要求高。

3 施工關鍵技術

3.1 撐腳設計與施工

為降低T構在轉體時因兩端懸臂梁體不平衡受力而產生的傾覆可能性，在上盤底面沿距離銷軸中心3.95m位置處的圓周上等間距布置8個半徑為35cm的撐腳，同時為增加撐腳結構穩定性，采用鋼管混凝土進行撐腳施工，鋼管材質為Q345D，其內部填充C50微膨脹混凝土。此外，為降低撐腳底面與滑道之間摩擦力的影響，施工時需在鋼管混凝土下方鋪設鋼走板，同時在走板下方布置四氟乙烯板，增加轉體穩定性[2]。

3.2 滑道設計與施工

滑道為球鉸系統帶動T構轉動提供摩擦面，根據設計取滑道外徑為4.8m、內徑為3.95m，在下承臺施工時需精確定位并預埋滑道骨架[3]，將2.4cm厚環形鋼板通過螺栓與骨架連接，并調整高度至設計位置，同時保持撐腳與滑道間的縫隙長度為6～8mm。

3.3 球鉸系統設計與施工

球鉸系統是T構轉體的核心，在實際轉體時作為中心承重結構，承擔上部結構重力，并在牽引力作用下完成轉動，故其強度須滿足轉動體系承載要求。T構在轉體時會受天氣及施工工藝等因素影響，進而增加傾覆概率。為降低施工時外部因素的影響，應在設計球鉸時使其具有一定的安全儲備。

21，22號墩轉體T構凈重均為95 256kN，按20%安全儲備考慮，轉體結構球鉸設計豎向承載力采用120 000kN(凈重)，球鉸轉盤半徑計算公式為：

(1)

式中：R為球鉸轉盤半徑；G為球鉸設計豎向承載力；k為球鉸接觸面折減系數，取0.65；σ為球鉸轉軸軸心抗壓強度。

轉體結構上盤采用C50混凝土澆筑，下盤采用C35，C50混凝土分層澆筑。與球鉸接觸面相接部分均為C50混凝土，其軸心抗壓強度為23.1MPa，計算得球鉸半徑為1.6m。

綜合安全儲備及使用安裝等因素，采用LQJ130000型球鉸進行施工，球鉸豎向承載力為130 000kN，將其球面半徑與平面半徑分別設定為8，1.7m。球鉸球面板采用Q345鋼板，為減小球鉸在轉體過程中產生的摩擦力，需在上、下球鉸之間填充LR516型聚四氟乙烯復合夾層滑片。為保證施工精度，需嚴格按照滑片編號進行布設。此外，為在上球鉸不銹鋼板與聚四氟乙烯滑片間形成滑動面，需將黃油四氟粉填充至下球鉸凹球面聚四氟乙烯滑片之間，使上、下球鉸接觸面保持密貼[4]。為防止球鉸系統在施工過程中受其他因素影響，需設置Q235鋼板加強肋，同時設置45號鍛鋼銷軸。

3.4 轉體結構受力分析

1)啟動牽引力計算

T構正式轉體前將啟動牽引千斤頂，此時球鉸轉動阻力主要通過滑動面之間的靜摩擦力產生[5]，轉體結構設計啟動牽引力矩及對應的牽引力為：

M1=T1D1=2FμR/3

(2)

T1=2FμR/(3D1)

(3)

式中：M1為設計啟動牽引力矩；T1為設計啟動牽引力；F為轉體結構總重力，此處取球鉸設計豎向承載力；μ為靜摩擦系數，根據文獻[6]取為0.1；R為球鉸平面半徑；D1為牽引力力偶臂。

本研究D1=9.6m，計算得M1=13 600kN·m，T1=1 416.7kN。

2)正式轉動牽引力計算

T構在正式轉動過程中，球鉸滑動面間的阻力主要由動摩擦力產生[7]，根據設計取動摩擦系數為0.06，牽引力力偶臂不變，計算得正式轉體牽引力矩M2=8 160kN·m，對應的牽引力T2=850kN。

3.5 牽引設備選擇與布置

在球鉸系統上盤預埋2根12φs15.24鋼絞線，標準強度為1 860MPa，單束面積約為140mm2，錨下控制應力為1 395MPa，計算得單根鋼絞線容許拉力為2 343.6kN，動力儲備系數約為1.7。

在轉體過程中，需將2根鋼絞線在分離索道后沿上盤纏繞2圈。其與千斤頂相接后，需按照由內至外的原則將鋼絞線逐根拉緊，然后控制預緊力逐步下降。當預緊力穩定后，通過千斤頂對鋼絞線進行整體拉緊，從而保證同一束牽引索上的每根鋼絞線均保持相同的受力狀態。

3.6 慣性制動距離分析

為防止梁體超轉，需在轉體梁的端部達到設計位置一定距離前停止牽引系統，此時轉體梁將在慣性力作用下繼續轉動，球鉸系統滑動面的動摩擦力將產生阻力，使梁體逐漸停止轉動。故在牽引系統停止時，應規定限制距離，以防梁體超轉[8]。將轉體時的T構視為沿著2/3倍球鉸半徑做圓周運動的剛體(凈重120 000kN)，根據能量守恒定理，當T構由動變靜時，球鉸接觸面上摩擦力做的功應與轉體動能相同。轉體梁跨徑為126m，則轉動半徑為63m，梁端設計線速度為1.5m/min，計算得球鉸2/3倍半徑位置處的線速度為0.018m/min，動能為19.4kJ，動摩擦力矩作用下轉動角為0.002 4rad，梁端中心線與線路中線距離為0.151m。

為便于對轉體梁實現精確控制，當轉體梁端部與設計位置的距離為1m時采用點動操作，通過與施工現場測量人員配合，對轉體梁實現精確控制，確保梁體轉動至設計線位置。

3.7 平衡控制措施

為防止超轉，在進行T構轉體前應開展稱重試驗，測定結構平衡情況，同時在兩側梁端設置水箱，根據實際轉體需要對水箱設置配重，進而確保轉體T構整體平衡。

4 水平轉體施工

4.1 下球鉸體系施工

1)進行鉆孔灌注樁施工，靠近既有線側采用鋼軌樁防護開挖，并做好施工安全防護，避免對既有鐵路正常運營產生影響。

2)澆筑下承臺，同時安裝球鉸骨架。為降低水化熱的影響，同時保證下承臺基礎體系具有可靠的抗壓強度，對下承臺由上至下分別采用C50，C35混凝土澆筑，使下承臺裂縫及變形得到有效控制。此外，為使T構在轉體過程中保持穩定及良好的線形，澆筑下承臺時應按設計要求對下球鉸骨架進行精確預埋，施工過程中應將下球鉸骨架頂面與球鉸平面的相對高差分別控制在5，0.5mm以內。

3)澆筑下承臺剩余混凝土，安裝滑道。在滑道上鋪設聚四氟乙烯復合滑片，控制其標高及平整度達到設計要求。

4.2 上球鉸體系施工

1)安裝球鉸摩擦副，精確吊裝定位上球鉸。在安裝時根據設計轉體角度對撐腳位置進行精準定位，現場監測人員對撐腳與球鉸應力測試設備預埋情況進行核對。撐腳安裝完成后，對上球鉸與下球鉸體系進行定位，使兩部分的形心軸均與轉動軸心重合，并將誤差控制在1mm以內[9]。

2)澆筑上盤部分混凝土，并對牽引索錨固端進行預埋。上盤在轉體過程中受T構壓力與千斤頂牽引力作用，通過整體澆筑C50混凝土，使其具有可靠的強度。上盤施工時，應避開上套筒部分對鉸盤布設鋼筋，并以撐腳安裝范圍作為縱、橫向鋼筋布設范圍。

3)臨時封固，沿四周臨時鎖定上、下盤，可用沙箱在撐腳間設置臨時支撐，使其滿足梁體澆筑抗傾覆、抗轉動要求。

4.3 墩身與梁體施工

1)澆筑墩體混凝土，澆筑完成后加強養護，保證墩體具有足夠強度。

2)沿既有鐵路側面在梁長范圍內設置防護排架，并在上面掛設密目防護網，防止梁體施工時雜物飛入既有鐵路范圍，影響行車安全，對連續梁沿既有鐵路側面進行懸臂灌注施工，養護至強度滿足要求。

3)拆除掛籃及橋面臨時荷載，調整配重，以保證待轉體T構兩端懸臂平衡。

4.4 轉體施工

1)調試牽引系統，為保證轉體過程順利進行，需做好防傾覆相關措施，并解鎖上、下盤之間的臨時錨固，同時對滑道進行清理，確保現場無影響平轉的相關障礙物，保證球鉸順利工作。

2)啟動牽引系統，使T構在牽引力作用下進行轉體，現場測量人員對轉體過程進行全程監測，保證轉體過程能夠平穩、安全地進行。

3)當梁端中心位置距離設計線路中心1m時，采用點動操作，通過測量剩余轉體弧線長度實現精確轉體[10]。當轉體基本到位時，應對轉體梁端部位置進行微調，使整個梁段線形達到設計要求，并對上盤結構進行錨固。

4.5 合龍

1)澆筑邊跨現澆段，鎖定邊跨合龍段，清理轉盤表面，澆筑轉盤封固混凝土，進行邊跨合龍。

2)安裝跨中合龍支架，合龍中跨，完成梁體施工。

3)橋面鋪裝，完成全橋施工。

4.6 轉體系統封固

1)對上、下盤進行封固，防止因風荷載或其他外部因素導致梁體結構發生位移。

2)在牽引盤四周布置鋼筋，并接長下盤預留鋼筋，從而構造縱、橫向立體鋼筋網格體系，完成連接鋼筋焊接后進行后澆混凝土施工，使上、下盤成為整體，保證T構穩定性。

5 結語

1)對球鉸直徑、牽引系統受力及制動距離等參數進行計算，使轉體系統具有一定安全儲備，防止施工過程中因超出承載范圍導致轉體受阻。

2)進行水平轉體施工前，應根據各構件實際安裝需求制定完善詳細的施工方案，保證球鉸體系安裝精度達到要求，保證梁體平衡措施準備到位，保證轉體過程平穩進行。

3)在既有繁忙鐵路上進行連續梁轉體施工，可提高施工效率，降低施工風險，節約施工成本，降低對既有繁忙鐵路的影響，具有經濟、社會效益。