永臨結(jié)合的墩頂轉(zhuǎn)體法在鐵路連續(xù)梁橋施工中的應(yīng)用研究

李 輝,鄒永偉,徐升橋,高靜青,鮑 薇

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

1 國內(nèi)外橋梁轉(zhuǎn)體法施工的現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)體法施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線位置制作(澆筑或拼接)成形后，轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法。轉(zhuǎn)體法分為豎轉(zhuǎn)法、平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)與平轉(zhuǎn)結(jié)合法，其優(yōu)點(diǎn)是能較好地克服橋下障礙，減少對(duì)橋下交通的影響，施工速度快、造價(jià)低。豎轉(zhuǎn)法多應(yīng)用于拱橋[1]，平轉(zhuǎn)法主要應(yīng)用于斜拉橋、T構(gòu)橋、連續(xù)梁橋和拱橋。

平轉(zhuǎn)法于1976年首創(chuàng)于維也納多瑙河運(yùn)河橋的施工中，并因其要求的施工設(shè)備少、操作簡便且安全性較高，在我國公路橋梁建設(shè)中應(yīng)用較多。國內(nèi)首座采用轉(zhuǎn)體法施工的鐵路橋梁為大秦鐵路配套工程—大秦至京秦下行聯(lián)絡(luò)線大里營轉(zhuǎn)體斜拉橋[2]，主橋跨徑(50+40.75) m。近年來在高速鐵路建設(shè)中，轉(zhuǎn)體法在連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用也逐漸增多。部分平轉(zhuǎn)法施工橋梁見表1。

轉(zhuǎn)體橋梁大多采用墩底轉(zhuǎn)體法施工，轉(zhuǎn)體合龍前墩梁進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置于地面上，施工較為方便，例如北京市五環(huán)路(45+65+95+40) m轉(zhuǎn)體斜拉橋[6]。

圖1 北京市五環(huán)路斜拉橋(轉(zhuǎn)體前)

但當(dāng)橋墩較高、橋墩體量較大或基礎(chǔ)地下水位埋深較淺時(shí)，采用墩底轉(zhuǎn)體會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)體質(zhì)量、轉(zhuǎn)盤和上下球鉸體量以及基礎(chǔ)尺寸和防護(hù)工程數(shù)量等均大幅增加，最終通常會(huì)導(dǎo)致主跨跨徑也相應(yīng)增大。因此在近年來的工程中也先后出現(xiàn)了一些墩頂及墩中間轉(zhuǎn)體的施工實(shí)例。例如北京市西六環(huán)跨豐沙鐵路斜拉橋[7]，主橋全長263 m，橋面寬30.26 m，為減少轉(zhuǎn)體質(zhì)量，采用墩頂轉(zhuǎn)體法施工(圖2)?？灯罟酚蓝ê哟髽騕8]上跨豐沙鐵路、永定河及既有村道，橋梁布置為(58+93+97+58) m剛構(gòu)連續(xù)梁橋，轉(zhuǎn)體橋墩墩高56 m，為保證結(jié)構(gòu)安全，控制轉(zhuǎn)體質(zhì)量，降低施工難度，轉(zhuǎn)體球鉸安裝于橋墩中部(圖3)。

圖3 康祁公路永定河大橋(轉(zhuǎn)體后)

上述兩項(xiàng)轉(zhuǎn)體工程，雖然轉(zhuǎn)體部位與墩底轉(zhuǎn)體有所區(qū)別，但轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)的布置形式與墩底轉(zhuǎn)體完全相同，在橋梁轉(zhuǎn)體就位后，全部轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)作為施工臨時(shí)設(shè)備均被封閉于橋墩混凝土中，其本質(zhì)上與墩底轉(zhuǎn)體是一致的。并且為了放置及封閉全部轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)，局部結(jié)構(gòu)尺寸需要加大較多。見圖4、圖5。

圖4 北京市西六環(huán)跨豐沙鐵路斜拉橋墩頂局部加大

圖5 康祁公路永定河大橋轉(zhuǎn)體橋墩局部加大

2012年10月湘桂鐵路擴(kuò)能改造工程下行聯(lián)絡(luò)線跨東外環(huán)特大橋，采用墩頂轉(zhuǎn)體跨越武廣高速鐵路，該橋?yàn)閱尉€鐵路橋，橋跨布置為(40+64+40) m，轉(zhuǎn)體質(zhì)量1 900 t。該橋原設(shè)計(jì)為在武廣高速鐵路接觸網(wǎng)送電之前采用懸臂澆筑法完成連續(xù)梁施工，后來因?yàn)楦哞F提前送電并開通運(yùn)營，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)無法實(shí)施。此時(shí)連續(xù)梁中墩墩身已經(jīng)施工了8 m。為減少對(duì)高速鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_，保證運(yùn)營安全、減少工程浪費(fèi)，故將連續(xù)梁變更設(shè)計(jì)為墩頂轉(zhuǎn)體法施工。該工程用鋼結(jié)構(gòu)搭制了轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)體橋梁合龍后，進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，拆除下轉(zhuǎn)盤及施工支架。與墩底轉(zhuǎn)體相比，此種施工工法減少了轉(zhuǎn)體質(zhì)量，降低了施工難度，但臨時(shí)工程費(fèi)用較高，工程代價(jià)較大。見圖6。

圖6 湘桂鐵路下行聯(lián)絡(luò)線特大橋墩頂臨時(shí)轉(zhuǎn)盤

2 墩頂轉(zhuǎn)體法研究的必要性

與墩底轉(zhuǎn)體相比，墩頂轉(zhuǎn)體法減少了轉(zhuǎn)體質(zhì)量，降低了球鉸的制造、運(yùn)輸及安裝的難度和費(fèi)用[7]；轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)布置于墩頂，承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸較小，有利于減小主跨跨徑和轉(zhuǎn)體長度，承臺(tái)基坑的防護(hù)工程數(shù)量也相應(yīng)減少；轉(zhuǎn)體重心降低，提高了轉(zhuǎn)體的穩(wěn)定性；同時(shí)無需等待梁體轉(zhuǎn)體就位后再封閉基坑，大大縮短了承臺(tái)基坑敞口時(shí)間，對(duì)于跨越線路的安全性有較大提高。因此墩頂轉(zhuǎn)體法將會(huì)成為鐵路連續(xù)梁橋轉(zhuǎn)體施工新的發(fā)展方向，應(yīng)用前景廣泛。

目前制約墩頂轉(zhuǎn)體法大規(guī)模應(yīng)用的主要原因有以下兩點(diǎn)：(1)墩頂位置有限，常規(guī)轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)的布設(shè)和橋梁支點(diǎn)處結(jié)構(gòu)形式及支座位置等相互沖突；(2)如何使轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)適應(yīng)橋梁在使用過程中的要求。

綜上所述，針對(duì)轉(zhuǎn)體球鉸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合永久支座布置及橋梁的抗震要求，提出既能滿足轉(zhuǎn)體施工需要，又能滿足橋梁結(jié)構(gòu)正常使用功能的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)及配套施工工藝，是目前迫切需要解決的問題。

3 永臨結(jié)合的墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)研究

常規(guī)鐵路連續(xù)梁橋，墩頂空間較小，中支點(diǎn)位置梁底至墩頂高度一般為0.6～0.8 m，墩頂平面尺寸根據(jù)墊石布置、頂梁需要及墩身尺寸確定。常規(guī)鐵路連續(xù)梁橋立面布置見圖7。

圖7 常規(guī)鐵路連續(xù)梁橋立面布置示意(單位：cm)

為布置墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，需對(duì)橋梁中支點(diǎn)處的墩頂和梁體結(jié)構(gòu)做如下改變：墩頂設(shè)置下轉(zhuǎn)盤，梁底設(shè)置圓形上轉(zhuǎn)盤；上下轉(zhuǎn)盤間設(shè)置圓形轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)布置于兩永久支座中間，圓形轉(zhuǎn)臺(tái)與墩頂接觸位置設(shè)置球鉸；轉(zhuǎn)體就位后，圓形轉(zhuǎn)臺(tái)作為防落梁設(shè)施永久保留。墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面布置見圖8，墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面布置見圖9。

圖8 墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面布置(單位：cm)

圖9 墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面布置(單位：cm)

為適應(yīng)墩頂轉(zhuǎn)體的要求，在對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)體施工方法深入研究的基礎(chǔ)上，提出了如下優(yōu)化與改進(jìn)措施。

(1)引入鋼管混凝土[9-10]轉(zhuǎn)臺(tái)，大大減小了上轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)尺寸。

(2)在轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中引入夾層鋼板，通過抽取夾層鋼板，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體球鉸到防落梁擋塊的功能轉(zhuǎn)換。

(3)在轉(zhuǎn)體系統(tǒng)中取消助推千斤頂反力座，并通過增大牽引索及牽引索反力座安全儲(chǔ)備的方法，達(dá)到既優(yōu)化了轉(zhuǎn)體系統(tǒng)尺寸，簡化了結(jié)構(gòu)構(gòu)造，又能保證施工安全的雙重效果。

(4)結(jié)合轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置于墩頂?shù)奶攸c(diǎn)，對(duì)支撐體系進(jìn)行優(yōu)化，將轉(zhuǎn)體系統(tǒng)臨時(shí)撐腳數(shù)量減少為4組。

(5)提出了與墩頂轉(zhuǎn)體相配套的永久支座設(shè)計(jì)及安裝方法。

(6)提出了與墩頂轉(zhuǎn)體相適應(yīng)的橋墩及梁體構(gòu)造，梁部圖紙仍采用懸澆施工的通用參考圖，僅對(duì)0號(hào)塊進(jìn)行局部調(diào)整，可以更好地適應(yīng)工法變更。

(7)提出了橋梁墩頂轉(zhuǎn)體、永久支座安裝、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換等全套的施工工藝。

4 推廣應(yīng)用前景

轉(zhuǎn)體橋梁具有不影響相交道路或鐵路運(yùn)營的優(yōu)點(diǎn)，是跨線橋梁的首選方案。墩頂轉(zhuǎn)體法施工的鐵路連續(xù)梁橋，減輕了轉(zhuǎn)體質(zhì)量，降低了施工難度，減少了跨線施工對(duì)既有線路運(yùn)營安全的影響，大大降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著。

以張呼高速鐵路懷安站特大橋?yàn)槔摌蚩缭骄┌F路橋跨布置為(60+100+60) m連續(xù)梁，采用墩頂轉(zhuǎn)體法，轉(zhuǎn)體質(zhì)量減小3 800 t，減少了基坑防護(hù)和止水費(fèi)用，與墩底施工方法相比，全橋可節(jié)省投資1 000萬元左右。

墩頂轉(zhuǎn)體施工的鐵路連續(xù)梁，梁部圖紙仍主要采用懸澆施工的部通用參考圖，僅對(duì)橋墩頂帽及連續(xù)梁0號(hào)塊進(jìn)行局部構(gòu)造調(diào)整，下部基礎(chǔ)及墩身與懸澆施工橋梁完全一致，對(duì)于施工方法變更具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。例如，京張高速鐵路新保安高架特大橋跨沙西貨場的(69+112+69) m連續(xù)梁，原設(shè)計(jì)采用掛籃懸臂澆筑法施工，主墩32號(hào)墩墩頂梁段已經(jīng)懸臂澆筑至9號(hào)塊，31號(hào)主墩因受制于改移進(jìn)度滯后的高壓線安全距離影響，墩帽及墩頂梁段一直無法開展施工。為避免橋梁梁部進(jìn)入冬施，后將31號(hào)墩一側(cè)的梁體施工方法變更為現(xiàn)澆施工+墩頂轉(zhuǎn)體，順利保證了橋梁施工的工期要求。

目前，已有張呼高鐵、京張高鐵、廣清城際鐵路等多條線路共計(jì)10余處工點(diǎn)，相繼完成了永臨結(jié)合的墩頂轉(zhuǎn)體鐵路連續(xù)梁施工，具體見表2。

表2 代表性永臨結(jié)合的墩頂轉(zhuǎn)體鐵路連續(xù)梁

作為中國中鐵股份有限公司重點(diǎn)科研課題(墩頂轉(zhuǎn)體法施工的鐵路連續(xù)梁橋技術(shù)研究)[16]，本項(xiàng)技術(shù)獲得發(fā)明專利2項(xiàng)，并獲2015～2016年度鐵路建設(shè)工程部級(jí)工法。永臨結(jié)合的墩頂轉(zhuǎn)體法施工鐵路連續(xù)梁，豐富了我國轉(zhuǎn)體橋梁的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)，應(yīng)用前景廣闊。