跨越既有繁忙鐵路連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵技術(shù)*

戶東陽(yáng)，周 昆，陳玉峰，保 亮

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，云南 昆明 650200)

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的橋梁需跨越既有公路與鐵路運(yùn)輸線，轉(zhuǎn)體施工技術(shù)使大型橋梁能夠在不影響既有線路運(yùn)營(yíng)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(guó)橋梁施工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。

1 工程概況

渝昆高鐵八家村2號(hào)特大橋?yàn)殡p線高速鐵路橋，線路全長(zhǎng)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(duì)進(jìn)庫(kù)專用線，故采用(70+128+70)m連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工方案。該橋轉(zhuǎn)體梁段為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，21，22號(hào)橋墩分別位于沾昆鐵路兩側(cè)路塹，采用“平行既有鐵路現(xiàn)澆墩身及梁段”與“連續(xù)梁順時(shí)針轉(zhuǎn)體合龍”雙幅施工方案，連續(xù)梁轉(zhuǎn)體后于沾昆鐵路上方進(jìn)行“先邊跨、再中跨”的形式合龍，單幅轉(zhuǎn)體梁長(zhǎng)126m，轉(zhuǎn)體角度38°。八家村2號(hào)特大橋轉(zhuǎn)體梁段總體布置如圖1，2所示。

圖1 八家村2號(hào)特大橋轉(zhuǎn)體施工梁段立面(單位：m)

圖2 八家村2號(hào)特大橋轉(zhuǎn)體施工梁段平面(單位：m)

2 施工方案與難點(diǎn)

2.1 施工方案

八家村2號(hào)特大橋21，22號(hào)墩位T構(gòu)采用墩底水平轉(zhuǎn)體方法施工，流程如下。

1)在平行于既有沾昆鐵路線方向進(jìn)行施工，首先澆筑21，22號(hào)墩位球鉸系統(tǒng)的先澆部分下盤混凝土，然后安裝轉(zhuǎn)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(zhuǎn)體上球鉸，并開展轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)，隨后澆筑球鉸上盤，并埋設(shè)撐腳和千斤頂牽引索。

3)臨時(shí)鎖定上、下盤，完成球鉸系統(tǒng)臨時(shí)封固，然后制作墩身澆筑模板，并采用現(xiàn)澆法對(duì)21，22號(hào)墩體進(jìn)行施工。

4)采用輕型掛籃懸灌法對(duì)連續(xù)梁各節(jié)段進(jìn)行施工，并對(duì)梁上附屬設(shè)施進(jìn)行安裝，完成轉(zhuǎn)體T構(gòu)主體結(jié)構(gòu)施工。

5)釋放上、下盤臨時(shí)鎖定，根據(jù)T構(gòu)平衡需要，在梁上加相應(yīng)配重，使T構(gòu)兩側(cè)質(zhì)量相等，安裝牽引反力座和連續(xù)張拉千斤頂，做好轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)備。

6)清理球鉸、施工場(chǎng)地及施工障礙物，然后啟動(dòng)連續(xù)張拉千斤頂，實(shí)施轉(zhuǎn)體。

7)調(diào)整連續(xù)梁線形，優(yōu)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(yù)先設(shè)置在球鉸系統(tǒng)的臨時(shí)支承，合龍中跨連續(xù)梁，完成全橋施工。

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置如圖 3，4所示。

圖3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面(單位：m)

圖4 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面(單位：m)

2.2 施工難點(diǎn)

1)T構(gòu)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)位于下承臺(tái)和墩底之間，其間距不足1m，同時(shí)需設(shè)置轉(zhuǎn)體球鉸、臨時(shí)固結(jié)支座、撐腳及預(yù)埋鋼筋等結(jié)構(gòu)，空間狹小，工序復(fù)雜，施工難度大。

2)球鉸結(jié)構(gòu)受力需有一定的安全儲(chǔ)備，轉(zhuǎn)體過(guò)程中需嚴(yán)格控制摩擦力矩及牽引力，同時(shí)設(shè)置制動(dòng)距離，以防梁體超轉(zhuǎn)，施工精度要求高。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 撐腳設(shè)計(jì)與施工

為降低T構(gòu)在轉(zhuǎn)體時(shí)因兩端懸臂梁體不平衡受力而產(chǎn)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(gè)半徑為35cm的撐腳，同時(shí)為增加撐腳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用鋼管混凝土進(jìn)行撐腳施工，鋼管材質(zhì)為Q345D，其內(nèi)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(shí)需在鋼管混凝土下方鋪設(shè)鋼走板，同時(shí)在走板下方布置四氟乙烯板，增加轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性[2]。

3.2 滑道設(shè)計(jì)與施工

滑道為球鉸系統(tǒng)帶動(dòng)T構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)提供摩擦面，根據(jù)設(shè)計(jì)取滑道外徑為4.8m、內(nèi)徑為3.95m，在下承臺(tái)施工時(shí)需精確定位并預(yù)埋滑道骨架[3]，將2.4cm厚環(huán)形鋼板通過(guò)螺栓與骨架連接，并調(diào)整高度至設(shè)計(jì)位置，同時(shí)保持撐腳與滑道間的縫隙長(zhǎng)度為6～8mm。

3.3 球鉸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工

球鉸系統(tǒng)是T構(gòu)轉(zhuǎn)體的核心，在實(shí)際轉(zhuǎn)體時(shí)作為中心承重結(jié)構(gòu)，承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)重力，并在牽引力作用下完成轉(zhuǎn)動(dòng)，故其強(qiáng)度須滿足轉(zhuǎn)動(dòng)體系承載要求。T構(gòu)在轉(zhuǎn)體時(shí)會(huì)受天氣及施工工藝等因素影響，進(jìn)而增加傾覆概率。為降低施工時(shí)外部因素的影響，應(yīng)在設(shè)計(jì)球鉸時(shí)使其具有一定的安全儲(chǔ)備。

21，22號(hào)墩轉(zhuǎn)體T構(gòu)凈重均為95 256kN，按20%安全儲(chǔ)備考慮，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)球鉸設(shè)計(jì)豎向承載力采用120 000kN(凈重)，球鉸轉(zhuǎn)盤半徑計(jì)算公式為：

(1)

式中：R為球鉸轉(zhuǎn)盤半徑；G為球鉸設(shè)計(jì)豎向承載力；k為球鉸接觸面折減系數(shù)，取0.65；σ為球鉸轉(zhuǎn)軸軸心抗壓強(qiáng)度。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度為23.1MPa，計(jì)算得球鉸半徑為1.6m。

綜合安全儲(chǔ)備及使用安裝等因素，采用LQJ130000型球鉸進(jìn)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(shè)定為8，1.7m。球鉸球面板采用Q345鋼板，為減小球鉸在轉(zhuǎn)體過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力，需在上、下球鉸之間填充LR516型聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑片。為保證施工精度，需嚴(yán)格按照滑片編號(hào)進(jìn)行布設(shè)。此外，為在上球鉸不銹鋼板與聚四氟乙烯滑片間形成滑動(dòng)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(tǒng)在施工過(guò)程中受其他因素影響，需設(shè)置Q235鋼板加強(qiáng)肋，同時(shí)設(shè)置45號(hào)鍛鋼銷軸。

3.4 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)受力分析

1)啟動(dòng)牽引力計(jì)算

T構(gòu)正式轉(zhuǎn)體前將啟動(dòng)牽引千斤頂，此時(shí)球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)阻力主要通過(guò)滑動(dòng)面之間的靜摩擦力產(chǎn)生[5]，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)啟動(dòng)牽引力矩及對(duì)應(yīng)的牽引力為：

M1=T1D1=2FμR/3

(2)

T1=2FμR/(3D1)

(3)

式中：M1為設(shè)計(jì)啟動(dòng)牽引力矩；T1為設(shè)計(jì)啟動(dòng)牽引力；F為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)總重力，此處取球鉸設(shè)計(jì)豎向承載力；μ為靜摩擦系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[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(jì)算得M1=13 600kN·m，T1=1 416.7kN。

2)正式轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力計(jì)算

T構(gòu)在正式轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，球鉸滑動(dòng)面間的阻力主要由動(dòng)摩擦力產(chǎn)生[7]，根據(jù)設(shè)計(jì)取動(dòng)摩擦系數(shù)為0.06，牽引力力偶臂不變，計(jì)算得正式轉(zhuǎn)體牽引力矩M2=8 160kN·m，對(duì)應(yīng)的牽引力T2=850kN。

3.5 牽引設(shè)備選擇與布置

在球鉸系統(tǒng)上盤預(yù)埋2根12φs15.24鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860MPa，單束面積約為140mm2，錨下控制應(yīng)力為1 395MPa，計(jì)算得單根鋼絞線容許拉力為2 343.6kN，動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)約為1.7。

在轉(zhuǎn)體過(guò)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(nèi)至外的原則將鋼絞線逐根拉緊，然后控制預(yù)緊力逐步下降。當(dāng)預(yù)緊力穩(wěn)定后，通過(guò)千斤頂對(duì)鋼絞線進(jìn)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(tài)。

3.6 慣性制動(dòng)距離分析

為防止梁體超轉(zhuǎn)，需在轉(zhuǎn)體梁的端部達(dá)到設(shè)計(jì)位置一定距離前停止?fàn)恳到y(tǒng)，此時(shí)轉(zhuǎn)體梁將在慣性力作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，球鉸系統(tǒng)滑動(dòng)面的動(dòng)摩擦力將產(chǎn)生阻力，使梁體逐漸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。故在牽引系統(tǒng)停止時(shí)，應(yīng)規(guī)定限制距離，以防梁體超轉(zhuǎn)[8]。將轉(zhuǎn)體時(shí)的T構(gòu)視為沿著2/3倍球鉸半徑做圓周運(yùn)動(dòng)的剛體(凈重120 000kN)，根據(jù)能量守恒定理，當(dāng)T構(gòu)由動(dòng)變靜時(shí)，球鉸接觸面上摩擦力做的功應(yīng)與轉(zhuǎn)體動(dòng)能相同。轉(zhuǎn)體梁跨徑為126m，則轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為63m，梁端設(shè)計(jì)線速度為1.5m/min，計(jì)算得球鉸2/3倍半徑位置處的線速度為0.018m/min，動(dòng)能為19.4kJ，動(dòng)摩擦力矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)角為0.002 4rad，梁端中心線與線路中線距離為0.151m。

為便于對(duì)轉(zhuǎn)體梁實(shí)現(xiàn)精確控制，當(dāng)轉(zhuǎn)體梁端部與設(shè)計(jì)位置的距離為1m時(shí)采用點(diǎn)動(dòng)操作，通過(guò)與施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員配合，對(duì)轉(zhuǎn)體梁實(shí)現(xiàn)精確控制，確保梁體轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)計(jì)線位置。

3.7 平衡控制措施

為防止超轉(zhuǎn)，在進(jìn)行T構(gòu)轉(zhuǎn)體前應(yīng)開展稱重試驗(yàn)，測(cè)定結(jié)構(gòu)平衡情況，同時(shí)在兩側(cè)梁端設(shè)置水箱，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)體需要對(duì)水箱設(shè)置配重，進(jìn)而確保轉(zhuǎn)體T構(gòu)整體平衡。

4 水平轉(zhuǎn)體施工

4.1 下球鉸體系施工

1)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，靠近既有線側(cè)采用鋼軌樁防護(hù)開挖，并做好施工安全防護(hù)，避免對(duì)既有鐵路正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響。

2)澆筑下承臺(tái)，同時(shí)安裝球鉸骨架。為降低水化熱的影響，同時(shí)保證下承臺(tái)基礎(chǔ)體系具有可靠的抗壓強(qiáng)度，對(duì)下承臺(tái)由上至下分別采用C50，C35混凝土澆筑，使下承臺(tái)裂縫及變形得到有效控制。此外，為使T構(gòu)在轉(zhuǎn)體過(guò)程中保持穩(wěn)定及良好的線形，澆筑下承臺(tái)時(shí)應(yīng)按設(shè)計(jì)要求對(duì)下球鉸骨架進(jìn)行精確預(yù)埋，施工過(guò)程中應(yīng)將下球鉸骨架頂面與球鉸平面的相對(duì)高差分別控制在5，0.5mm以內(nèi)。

3)澆筑下承臺(tái)剩余混凝土，安裝滑道。在滑道上鋪設(shè)聚四氟乙烯復(fù)合滑片，控制其標(biāo)高及平整度達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)體角度對(duì)撐腳位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員對(duì)撐腳與球鉸應(yīng)力測(cè)試設(shè)備預(yù)埋情況進(jìn)行核對(duì)。撐腳安裝完成后，對(duì)上球鉸與下球鉸體系進(jìn)行定位，使兩部分的形心軸均與轉(zhuǎn)動(dòng)軸心重合，并將誤差控制在1mm以內(nèi)[9]。

2)澆筑上盤部分混凝土，并對(duì)牽引索錨固端進(jìn)行預(yù)埋。上盤在轉(zhuǎn)體過(guò)程中受T構(gòu)壓力與千斤頂牽引力作用，通過(guò)整體澆筑C50混凝土，使其具有可靠的強(qiáng)度。上盤施工時(shí)，應(yīng)避開上套筒部分對(duì)鉸盤布設(shè)鋼筋，并以撐腳安裝范圍作為縱、橫向鋼筋布設(shè)范圍。

3)臨時(shí)封固，沿四周臨時(shí)鎖定上、下盤，可用沙箱在撐腳間設(shè)置臨時(shí)支撐，使其滿足梁體澆筑抗傾覆、抗轉(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)養(yǎng)護(hù)，保證墩體具有足夠強(qiáng)度。

2)沿既有鐵路側(cè)面在梁長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)置防護(hù)排架，并在上面掛設(shè)密目防護(hù)網(wǎng)，防止梁體施工時(shí)雜物飛入既有鐵路范圍，影響行車安全，對(duì)連續(xù)梁沿既有鐵路側(cè)面進(jìn)行懸臂灌注施工，養(yǎng)護(hù)至強(qiáng)度滿足要求。

3)拆除掛籃及橋面臨時(shí)荷載，調(diào)整配重，以保證待轉(zhuǎn)體T構(gòu)兩端懸臂平衡。

4.4 轉(zhuǎn)體施工

1)調(diào)試牽引系統(tǒng)，為保證轉(zhuǎn)體過(guò)程順利進(jìn)行，需做好防傾覆相關(guān)措施，并解鎖上、下盤之間的臨時(shí)錨固，同時(shí)對(duì)滑道進(jìn)行清理，確?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)影響平轉(zhuǎn)的相關(guān)障礙物，保證球鉸順利工作。

2)啟動(dòng)牽引系統(tǒng)，使T構(gòu)在牽引力作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)體，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員對(duì)轉(zhuǎn)體過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，保證轉(zhuǎn)體過(guò)程能夠平穩(wěn)、安全地進(jìn)行。

3)當(dāng)梁端中心位置距離設(shè)計(jì)線路中心1m時(shí)，采用點(diǎn)動(dòng)操作，通過(guò)測(cè)量剩余轉(zhuǎn)體弧線長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)體[10]。當(dāng)轉(zhuǎn)體基本到位時(shí)，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)體梁端部位置進(jìn)行微調(diào)，使整個(gè)梁段線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并對(duì)上盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨固。

4.5 合龍

1)澆筑邊跨現(xiàn)澆段，鎖定邊跨合龍段，清理轉(zhuǎn)盤表面，澆筑轉(zhuǎn)盤封固混凝土，進(jìn)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(zhuǎn)體系統(tǒng)封固

1)對(duì)上、下盤進(jìn)行封固，防止因風(fēng)荷載或其他外部因素導(dǎo)致梁體結(jié)構(gòu)發(fā)生位移。

2)在牽引盤四周布置鋼筋，并接長(zhǎng)下盤預(yù)留鋼筋，從而構(gòu)造縱、橫向立體鋼筋網(wǎng)格體系，完成連接鋼筋焊接后進(jìn)行后澆混凝土施工，使上、下盤成為整體，保證T構(gòu)穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)球鉸直徑、牽引系統(tǒng)受力及制動(dòng)距離等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，使轉(zhuǎn)體系統(tǒng)具有一定安全儲(chǔ)備，防止施工過(guò)程中因超出承載范圍導(dǎo)致轉(zhuǎn)體受阻。

2)進(jìn)行水平轉(zhuǎn)體施工前，應(yīng)根據(jù)各構(gòu)件實(shí)際安裝需求制定完善詳細(xì)的施工方案，保證球鉸體系安裝精度達(dá)到要求，保證梁體平衡措施準(zhǔn)備到位，保證轉(zhuǎn)體過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。

3)在既有繁忙鐵路上進(jìn)行連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工，可提高施工效率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約施工成本，降低對(duì)既有繁忙鐵路的影響，具有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。