津秦客運專線跨京山鐵路113 m系桿拱橋施工

曲江峰

（中鐵大橋局設(shè)計分公司 武漢 430050）

隨著我國鐵路網(wǎng)的迅速完善，跨越既有線的橋梁將越來越多，跨既有線橋梁施工成為鐵路建設(shè)中普遍關(guān)注的問題。對于跨既有線橋梁施工，既有線的存在大大增加了橋梁施工的難度，為保證既有線的安全和施工的順利進行，一般采取的技術(shù)措施有2種：①對既有線采取防護措施，如在既有鐵路的一側(cè)設(shè)防護樁，或在既有線上方設(shè)防護棚等；②采用異位施工方法，即在既有線外臨時橋位處完成橋梁主體施工，再采用平轉(zhuǎn)、平移、頂推等方法將梁體移至設(shè)計橋位。津秦客運專線113 m系桿拱橋在施工中綜合采取了上述2種技術(shù)措施。本文以該橋為例，對路基防護樁的設(shè)計和施工、以及系桿拱橋平轉(zhuǎn)系統(tǒng)的組成和特點進行介紹。

1 工程概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)

津秦客運專線113 m系桿拱橋跨越京山下行線與豐胥聯(lián)絡(luò)線2條既有鐵路線，橋軸線與既有線夾角為19°。該橋采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，每墩共有20根直徑1.5 m鉆孔樁，承臺平面尺寸為18.6 m×14.6 m，厚4 m，橋墩為鋼筋混凝土門形實心墩。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用剛性系梁柔性拱，包括系桿梁、拱肋、橫撐和吊桿。系桿梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單箱三室截面，梁截面高3.05 m，寬17.6 m。拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱肋橫截面采用啞鈴形，斷面高3 m，鋼管外徑1.2 m。兩拱肋間共設(shè)7處鋼結(jié)構(gòu)橫撐，其中拱頂及兩側(cè)共3道為一字形橫撐，其余4道為K形橫撐。吊桿采用121根直徑7 mm高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束，吊桿間距5 m。

1.2 總體施工方案

該橋下部結(jié)構(gòu)施工采用常規(guī)施工方案，即先施工基礎(chǔ)鉆孔樁，再開挖基坑施工承臺，最后搭設(shè)支架施工墩身。

系桿拱施工順序為先梁后拱，即先在支架上分段澆注系桿梁，然后在系梁頂面搭設(shè)支架安裝鋼管拱肋，壓注鋼管內(nèi)混凝土，最后安裝并張拉吊桿，完成系桿拱施工。

2 施工中考慮的既有線因素

津秦客運專線113 m系桿拱橋跨越繁忙的鐵路干線，確保既有鐵路的安全運營是該橋施工需考慮的首要因素。

2.1 系桿拱橋與既有線的關(guān)系

系桿拱橋與既有鐵路之間相互位置關(guān)系有以下特點：①橋梁基礎(chǔ)離既有鐵路近。系桿拱橋兩主墩基礎(chǔ)緊鄰既有線路基，其中771號墩位于既有京山下行線左側(cè)，承臺邊緣距既有鐵路中心線最近為6 m，772號墩位于京山上行線與豐胥聯(lián)絡(luò)線之間，承臺邊緣距既有鐵路中心線最近為4 m；②橋梁與既有鐵路相交范圍大。由于系桿拱橋與既有線斜交角度小，使系桿拱橋大部分位于既有線上方，系桿拱全長116 m，與既有鐵路相交長度達到75 m；③梁下凈空高度小。梁底到既有線軌頂高度為9 m，與線路上方回流線之間距離為4 m。

系桿拱橋與既有線相互位置關(guān)系見圖1

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

2.2 施工防護措施

（1）由于該橋基礎(chǔ)離既有線較近，為減小基礎(chǔ)施工對既有線路基的擾動，采用了防護樁對既有線路基進行防護。

（2）由于該橋與既有線相交范圍大，且橋下凈空高度小，在橋位處不宜設(shè)置現(xiàn)澆支架，該橋系桿拱采用在既有線外施工，再平轉(zhuǎn)到位的方法，最大程度減小既有線與橋梁施工之間的相互影響。

3 既有線路基防護方案

3.1 防護樁布置

該橋基礎(chǔ)侵入既有線路基近12 m，基礎(chǔ)施工需將此部分路基挖除，為保證剩余部分路基的穩(wěn)定，開挖前先沿基礎(chǔ)邊緣按一定間距設(shè)置一排防護樁形成樁墻，將防護樁一側(cè)的土挖除后，依靠樁身的強度與剛度抵抗另一側(cè)的土壓力，以維持路基的穩(wěn)定，保證鐵路行車安全。

受現(xiàn)場施工條件限制，防護樁采用人工挖孔樁，樁直徑1 m，樁間距1.3～1.4 m，771號墩防護樁長20 m，自基坑底面算起，樁墻垂直高度為9 m，772號墩防護樁長12 m，樁墻垂直高度為7.6 m。防護樁樁頂設(shè)系梁將各根樁連成整體，相對兩排樁之間采用鋼管支撐以減小樁的懸臂長度。

3.2 防護樁計算

防護樁主要承受水平力作用，計算內(nèi)容包括樁身內(nèi)力計算和配筋計算2部分。樁身內(nèi)力采用m法計算，計算簡圖見圖2。

圖2 防護樁計算簡圖

圖中p1，p2分別為基坑頂部和底部的土壓力，p為支撐反力，計算時先假定支撐力p為一確定的數(shù)值，并將其與土壓力一起作為荷載施加在樁身上，計算樁身基底截面水平剪力Q0和彎矩M0，然后求算樁在基底的位移和轉(zhuǎn)角x0和φ0，進而求出支撐力p作用處的樁身位移xp，同時建立防護樁內(nèi)支撐計算模型，求出支撐架變形δP，并與樁身位移xp進行比較，若相差較大，則繼續(xù)試取支撐力p重新計算，直到δp與xp接近為止［1］。

以上試算過程可用計算機進行，如采用《橋梁博士基礎(chǔ)計算軟件》進行計算，需輸入樁懸臂長度、入土深度、荷載、地基系數(shù)、樁變形系數(shù)和樁截面彎曲剛度等數(shù)據(jù)，該軟件計算結(jié)果可提供樁身各截面的位移、彎矩、剪力和樁側(cè)土抗力。

防護樁是主要承受彎矩作用的彎剪構(gòu)件，從施工方便考慮，防護樁縱向主筋一般沿樁截面周邊均勻布置，求出樁身截面最大彎矩后，即可按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［2］中相關(guān)公式進行配筋設(shè)計。

3.3 方案實施

基礎(chǔ)施工應(yīng)按照先防護、后開挖的原則安排先后順序，確保施工過程中既有線路基的穩(wěn)定。主要施工步驟如下：

（1）防護樁施工。由于緊鄰既有鐵路，施工場地狹小，防護樁采用人工開挖方法成孔，同時由于樁間距較小，為防止孔壁坍塌，相鄰2根樁應(yīng)錯開、分批施工。

（2）防護樁施工完成后，挖除路基邊坡，平整場地，進行基礎(chǔ)鉆孔樁施工。

（3）樁基施工完成后，安裝鋼管支撐，開挖基坑，進行承臺施工。

4 系桿拱平轉(zhuǎn)施工方案

4.1 施工總體布置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將系桿拱施工主場地設(shè)置在既有鐵路左側(cè)，施工起重設(shè)備采用汽車吊或履帶吊，為減小施工對既有線的影響，將設(shè)計橋位按逆時針方向旋轉(zhuǎn)17°至既有線外，作為臨時橋位，在臨時橋位處設(shè)置現(xiàn)澆支架和臨時墩進行系桿拱施工。

系桿拱施工完成后，需將系桿拱按順時針方向旋轉(zhuǎn)17°至設(shè)計橋位，因此在771號墩頂設(shè)旋轉(zhuǎn)支座，在臨時墩和772號墩頂設(shè)滑道梁，與系桿拱共同組成鐘擺式平轉(zhuǎn)系統(tǒng)，通過千斤頂橫向頂推系桿拱滑動端，將系桿拱移至設(shè)計橋位。

最后再分別拆除771號和772號墩頂?shù)男D(zhuǎn)支座和滑道梁，用千斤頂將系桿拱落在正式支座上。

系桿拱施工平面布置見圖3。

圖3 系桿拱施工平面布置圖

4.2 平轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計

系桿拱施工過程分為既有線外臨時橋位處施工、平轉(zhuǎn)施工和落梁施工3個階段，其中系桿拱平轉(zhuǎn)施工為跨既有線施工，轉(zhuǎn)體重量大，滑動距離長，是系桿拱施工的重點和難點。

系桿拱平轉(zhuǎn)時其一端為轉(zhuǎn)動端，另一端為滑動端。轉(zhuǎn)動端平轉(zhuǎn)系統(tǒng)位于771號墩墩頂，由2個梁底墊塊、1個扁擔(dān)梁和1個5 000 t平轉(zhuǎn)鉸支座共3部分組成。其中梁底墊塊為12根I20a焊接成的工字鋼組，系梁通過鋼墊塊支承在扁擔(dān)梁上。扁擔(dān)梁為焊接鋼箱梁，梁高3.2 m，寬3 m，平轉(zhuǎn)時隨系桿拱一起轉(zhuǎn)動。平轉(zhuǎn)絞支座采用球形鑄鋼支座，豎向承載力5 000 t，轉(zhuǎn)體施工時用螺栓將支座與扁擔(dān)梁連接，作為系桿拱轉(zhuǎn)動端的支撐點和轉(zhuǎn)動中心。

滑動端平轉(zhuǎn)系統(tǒng)由滑道梁、臨時墩、臨時支座、頂推滑移系統(tǒng)共4部分組成。其中滑道梁采用焊接鋼箱梁結(jié)構(gòu)［3－4］，平面是由3段折線組成的彎梁，立面為3跨變截面連續(xù)梁，跨度布置為12.9 m＋20.7 m＋12.9 m，其中邊跨梁高3 m，中跨梁高3.8 m，梁寬3 m，系桿拱滑動端通過梁底滑塊支承在鋼箱梁頂面，并以箱梁頂板為滑道，沿曲線滑移33.59 m至772號墩墩頂。臨時墩和臨時支座為滑道梁的支撐結(jié)構(gòu)，臨時墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，承臺和墩身均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。頂推滑移系統(tǒng)為系桿拱的平轉(zhuǎn)提供動力，由梁底滑塊、反力座、分配梁和頂推千斤頂組成。

4.3 施工步驟

（1）在既有線左側(cè)臨時橋位處設(shè)置系梁現(xiàn)澆支架和臨時墩，采用支架現(xiàn)澆法施工系桿梁。

（2）系桿梁達到設(shè)計強度后，在系梁頂面搭設(shè)支架安裝鋼管拱，壓注鋼管內(nèi)混凝土，然后拆除支架安裝吊桿。

（3）卸落系梁現(xiàn)澆支架，使系桿拱兩端分別支承在771號墩頂平轉(zhuǎn)鉸支座和臨時墩頂滑道梁上。

（4）利用平轉(zhuǎn)系統(tǒng)將系桿拱整體旋轉(zhuǎn)至設(shè)計橋位。

（5）分別拆除771號墩頂?shù)钠睫D(zhuǎn)鉸支座和772號墩頂?shù)幕懒?，利用頂落梁系統(tǒng)將系桿拱落在正式支座上。

以上步驟中，除平轉(zhuǎn)為跨線施工，其余步驟施工作業(yè)面均位于既有線外，施工不影響既有線的正常運營。在本項目中，系桿拱平轉(zhuǎn)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、受力明確，具有較高的安全性和可靠性，平轉(zhuǎn)時只要在滑道梁兩側(cè)和下方設(shè)置簡易的安全防護設(shè)施，施工即可不間斷進行。

該系桿拱橋轉(zhuǎn)體重量達1萬t，平轉(zhuǎn)角度17°，系桿拱滑動端滑移距離33.6 m。該橋自2011年4月10日開始平轉(zhuǎn)施工，4月25日平轉(zhuǎn)到位，5月6日至20日進行落梁施工。目前該橋已順利竣工并即將投入使用。

5 結(jié)語

（1）防護樁主要承受水平力作用，與主要受豎向力作用的樁不同，其截面和配筋應(yīng)按承受彎剪作用的梁構(gòu)件進行設(shè)計，樁入土深度主要由樁側(cè)土體水平抗力確定。

（2）與拱橋、斜拉橋、T型鋼構(gòu)橋等懸臂體系橋梁平轉(zhuǎn)系統(tǒng)不同，系桿拱橋平轉(zhuǎn)系統(tǒng)適用于簡支體系橋梁，該平轉(zhuǎn)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)心、滑道梁和呈簡支狀態(tài)的橋梁主體結(jié)構(gòu)組成，在平轉(zhuǎn)過程中橋梁主體結(jié)構(gòu)為三點支撐體系，具有較高的平穩(wěn)性與可靠性。

［1］ 凌治平，易經(jīng)武，洪毓康.基礎(chǔ)工程［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］ GB50010－2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［4］ GB50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.