跨豐沙鐵路小曲線半徑轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)

周志亮 袁 娜 常學(xué)力

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

跨豐沙鐵路小曲線半徑轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)

周志亮 袁 娜 常學(xué)力

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

北京地鐵14號(hào)線跨豐沙鐵路節(jié)點(diǎn)橋位于右線曲線半徑為470 m的曲線上，橋梁主體結(jié)構(gòu)為84+84 m的T構(gòu)。橋梁轉(zhuǎn)體跨度71+71 m，轉(zhuǎn)體重量7 130 t，轉(zhuǎn)體時(shí)球鉸中心相對(duì)下盤中心向曲線內(nèi)側(cè)預(yù)設(shè)偏心1.152 m，轉(zhuǎn)體角度33.46°，橋梁的轉(zhuǎn)體半徑和轉(zhuǎn)體跨度在軌道交通轉(zhuǎn)體橋梁的設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域均為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。比選橋梁方案，從針對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、下部結(jié)構(gòu)預(yù)偏心設(shè)置、施工合攏段位置的選擇、施工時(shí)對(duì)既有鐵路線的防護(hù)等多方面進(jìn)行論述和詳細(xì)介紹。結(jié)果表明，通過上部結(jié)構(gòu)非對(duì)稱設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)偏心，有效地保證了小曲線半徑大跨度橋梁轉(zhuǎn)體施工時(shí)的平衡和穩(wěn)定性，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

城市軌道交通；小半徑橋曲線；非對(duì)稱設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)體施工；預(yù)設(shè)偏心；平衡

1 工程概況

1.1 橋位處線路概況

北京地鐵14號(hào)線在右線里程K3+917處上跨豐沙鐵路，線路右線平面曲線半徑為470 m，縱坡為0，與鐵路斜交角度38.64°，線間距為4.5 m。全線橋梁寬度為10.8 m，節(jié)點(diǎn)橋兩端為跨徑30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。

1.2 豐沙鐵路現(xiàn)狀

北京地鐵14號(hào)線上跨既有鐵路位置為豐沙下行線里程FSK2+494處，位于北京樞紐石景山南站的 西 咽 喉區(qū)(6線咽喉區(qū))，東側(cè)為石景山南站(一級(jí)二場(chǎng)的區(qū)段站)，西側(cè)銜接豐沙大鐵和京原線。現(xiàn)狀鐵路為六股道，屬電氣化鐵路。整個(gè)鐵路路肩寬36 m，豐沙下行線軌頂標(biāo)高約63.3 m，地鐵14號(hào)線軌頂標(biāo)高為82.235～82.927 m。鐵路兩側(cè)有2 m高的斜邊坡。遠(yuǎn)期規(guī)劃的京原上行線位于既有鐵路的西側(cè)，與既有鐵路101線的線間距為6.5 m且并行等高布置。鐵路采用接觸網(wǎng)供電，接觸網(wǎng)懸掛方式為橫向軟橫跨。豐沙鐵路的限界要求新建地鐵橋墩邊緣至既有鐵路和規(guī)劃鐵路距離不小于3.5 m，橋下凈空不小于7.96 m，同時(shí)還應(yīng)預(yù)留橋梁沉降及一定安全儲(chǔ)備高度，還要求施工時(shí)盡量減少對(duì)鐵路的影響。

1.3 周邊管線

在豐沙鐵路東側(cè)14 號(hào)線k3+990.462處有直徑為1 800 mm的市政中壓燃?xì)夤埽趉4+23.739處有直徑為700 mm的陜京燃?xì)夤堋Ｔ趉3+922.754處下穿220 kV高壓線。鐵路27號(hào)接觸網(wǎng)鐵塔最高點(diǎn)高程為77.80 m，與設(shè)計(jì)橋梁高程沖突，需要升塔和改造。

豐沙鐵路節(jié)點(diǎn)橋梁范圍內(nèi)由上而下地面45 m內(nèi)依次為人工填土層、粉砂細(xì)砂層、卵石圓礫⑤層、卵石⑦層、礫巖層。

地面下約30 m 深度范圍內(nèi)的第四紀(jì)松散沉積層中主要分布有1 層地下水，地下水類型為潛水。潛水主要賦存于標(biāo)高47.38～50.80 m 以下的砂、卵石層(相應(yīng)于工程地質(zhì)剖面圖中的⑦層)中。

2 橋梁方案比選

在橋梁設(shè)計(jì)確定整體方案時(shí)主要考慮的因素有：橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠，運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)方便，滿足鐵路限界要求，周邊管線改移量少，橋梁施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)既有鐵路的影響最小，與全線橋梁景觀一致和協(xié)調(diào)等。綜合以上因素，主要比選了以下3個(gè)方案。

2.1 (84+84)m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)(單轉(zhuǎn)體施工)

橋梁主體結(jié)構(gòu)為(84+84)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T構(gòu)(T型剛構(gòu))，采用單轉(zhuǎn)體施工工法。為了同時(shí)跨越鐵路和燃?xì)夤芫€并保證一定安全距離，橋梁主體跨度為84 m，以鐵路東側(cè)中支點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸(見圖1)。合龍段一方面需避開繁忙的豐沙正線，選擇在鐵路西側(cè)運(yùn)輸密度不大的101線上方合龍，另一方面兩邊現(xiàn)澆段施工時(shí)需滿足鐵路運(yùn)營(yíng)限界要求，最后確定最大轉(zhuǎn)體跨度為71+71(m)，東西兩側(cè)各現(xiàn)澆10 m，轉(zhuǎn)體就位后通過3 m現(xiàn)澆段合龍的施工方法。

圖1 主體結(jié)構(gòu)單轉(zhuǎn)體

全橋施工工期大約為13～15個(gè)月，只有轉(zhuǎn)體時(shí)需向鐵路運(yùn)輸管理部門要點(diǎn)1次(轉(zhuǎn)體30～45 min)，能保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

此方案施工方法成熟，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)影響小，但小半徑曲線大跨度橋梁由于轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的懸臂過長(zhǎng)導(dǎo)致墩底橫橋向彎矩過大，在轉(zhuǎn)體過程中對(duì)梁體受力性能和施工穩(wěn)定性要求較高，采用臨時(shí)施工荷載控制設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)方案不盡合理。另外，在鐵路一側(cè)為預(yù)制梁，橋梁離鐵路限界只有2.45 m，施工支架需要特殊設(shè)計(jì)，而且轉(zhuǎn)體時(shí)影響鐵路接觸網(wǎng)立柱，需要改造。

此方案施工能保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩裕蜚q偏心大，轉(zhuǎn)體跨度大，施工不確定因素多，有一定風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 (43+84+43)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁(雙轉(zhuǎn)體施工)

全橋采用主跨為84 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，邊跨為43 m，保證陜京燃?xì)夂褪姓細(xì)夤芫€的安全距離，最終橋跨布置為(43+84+43)m，橋梁全長(zhǎng)170 m。為保證轉(zhuǎn)體施工的安全，并減小施工對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，橋梁采用兩側(cè)同時(shí)轉(zhuǎn)體的施工方法，在石景山南與豐西上聯(lián)線(貨車線)和豐沙下行線(客車線)上合龍。橋梁分別在鐵路東側(cè)現(xiàn)澆(41+41)m、西側(cè)(41+41)m梁后同時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)體，在石景山南與豐西下聯(lián)線和豐沙下行線合龍，中跨合龍后再現(xiàn)澆左側(cè)邊跨及右側(cè)邊跨剩余的2 m。

以鐵路兩側(cè)兩個(gè)中支點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸，兩側(cè)結(jié)構(gòu)同時(shí)轉(zhuǎn)體，兩側(cè)轉(zhuǎn)體重量均為3 400 t。轉(zhuǎn)體就位后掛籃現(xiàn)澆2 m合龍段，掛籃底模采用鋼板，轉(zhuǎn)體前先安裝在梁體兩側(cè)，合龍后鋼板橫移就位與另一側(cè)梁體連接，形成與鐵路封閉的空間，后續(xù)施工均在此空間內(nèi)作業(yè)，減小對(duì)鐵路的干擾。最后，中跨合龍后再現(xiàn)澆左右兩側(cè)邊跨剩余的2 m，至此，全橋結(jié)構(gòu)施工完成(見圖2)。

圖2 主體結(jié)構(gòu)對(duì)稱雙轉(zhuǎn)體

全橋施工工期大約10～15個(gè)月，在正線上合龍，轉(zhuǎn)體和掛籃現(xiàn)澆合龍段時(shí)需向鐵路運(yùn)輸管理部門要點(diǎn)1次(轉(zhuǎn)體51 min，綁扎鋼筋、現(xiàn)澆合龍段混凝土3 h)，能保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工風(fēng)險(xiǎn)小，轉(zhuǎn)體跨度和重量小，轉(zhuǎn)體時(shí)結(jié)構(gòu)自重偏心和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較容易控制，但在鐵路運(yùn)營(yíng)正線上方合龍，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)有一定影響，施工需要鐵路部門審批。

2.3 (44+82+44)m連續(xù)鋼梁(頂推施工)

全橋采用主跨為82 m的連續(xù)鋼梁，橋梁全長(zhǎng)為170 m，橋梁主體結(jié)構(gòu)為(44+82+44)m主梁連續(xù)鋼箱梁。考慮跨越鐵路并保證一定的安全距離，采用單側(cè)頂推的施工方法。全橋鋼梁分成9段，跨中節(jié)段為28 m，其他每節(jié)長(zhǎng)18 m，主梁前設(shè)30 m的導(dǎo)梁。

全橋頂推鋼箱梁長(zhǎng)100 m，鋼導(dǎo)梁長(zhǎng)30 m，加上梁底補(bǔ)齊桿件重量，頂推總重為810 t，最大頂推力為121.5 t，頂推距離35 m。使用2臺(tái)200 t連續(xù)千斤頂頂推施工，由于頂推過程位于圓曲線上，為了防止梁體橫向偏移，在頂推過程中需隨時(shí)注意糾偏[4](見圖3)。

圖3 橋梁頂推

在橋梁頂推時(shí)鋼導(dǎo)梁及梁體處于懸臂狀態(tài)，為保證鐵路運(yùn)輸安全，在施工過程中需臨時(shí)中斷鐵路運(yùn)營(yíng)，一次頂推就位。每個(gè)頂推時(shí)間段包括向鐵路要點(diǎn)時(shí)間以及列車運(yùn)行間隔，該過程共需約7 h。最后,頂落梁和拆除梁底補(bǔ)齊桿件的過程還需中斷鐵路運(yùn)輸4 h，共計(jì)18 h。

此方案頂推施工時(shí)間長(zhǎng)，占用鐵路要點(diǎn)時(shí)間多，小半徑曲線橋梁頂推需要隨時(shí)糾偏，施工難度較大。

3 方案比較

通過上述各方案論述，綜合比較表1所示。

表1 橋型方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 豐沙鐵路節(jié)點(diǎn)橋成橋后實(shí)景

4.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)箱梁采用全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，為應(yīng)對(duì)施工過程及營(yíng)運(yùn)過程中可能發(fā)生的意外情況，考慮了預(yù)備鋼束的設(shè)置(見圖5)。

圖5 上部結(jié)構(gòu)平面和橫剖面

施工步驟：沿鐵路東側(cè)支架現(xiàn)澆(71+71)m轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，并張拉部分預(yù)應(yīng)力束，安裝防護(hù)屏；搭設(shè)邊跨現(xiàn)澆段支架澆筑邊跨現(xiàn)澆段；轉(zhuǎn)體就位后，澆筑合龍段，張拉部分預(yù)應(yīng)力束。待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)拆除支架，最后施加橋面二期荷載。

4.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 墩柱設(shè)計(jì)

橋梁轉(zhuǎn)體中墩采用5.6 m×4 m的矩形實(shí)體獨(dú)柱墩，墩高7.5 m，墩頂與梁體固結(jié)。邊墩采用和區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)橋墩外形一致的Y形橋墩，墩底尺寸為3.2 m×2.4 m。

考慮本橋?yàn)榇罂缍惹€剛構(gòu)橋，北京地區(qū)地震烈度為8度，為保證結(jié)構(gòu)受力和施工安全，橋梁中墩除按各項(xiàng)受力要求配置普通鋼筋外，還要在墩梁固結(jié)處設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力JL32精軋螺紋鋼筋。

4.2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)體中墩設(shè)12根直徑1.8 m、長(zhǎng)36 m的鉆孔灌注樁；承臺(tái)尺寸為16.95 m×12.3 m×3.5 m，轉(zhuǎn)體完成后與上轉(zhuǎn)盤后澆成一整體，總厚度為7.2 m。為了滿足鐵路限界要求并盡可能減少承臺(tái)施工對(duì)鐵路的影響，使承臺(tái)邊線與豐沙線平行，承臺(tái)軸線與墩軸線夾角為33.46°。兩邊墩分別設(shè)6根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)26m，承臺(tái)尺寸為10.5 m×6.5 m×3 m。其中,為躲避中壓管線和保護(hù)鐵路邊坡，西側(cè)邊墩承臺(tái)軸線與墩軸線夾角為43.89°，使承臺(tái)邊線與豐沙線平行，另外，考慮承擔(dān)規(guī)劃京原上行線的部分荷載作用，該墩樁基承載力設(shè)計(jì)需預(yù)留一定富余量。

4.2.3 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)組成。由于本橋橋面寬10.8 m，結(jié)構(gòu)橫橋向配重的空間和配重力臂較小，為了平衡由于曲線引起的結(jié)構(gòu)自重偏心和扭轉(zhuǎn)，球鉸中心相對(duì)下盤中心向曲線內(nèi)側(cè)偏移1 153 mm[9]。下盤為16.95 m×12.3 m×3.5 m的承臺(tái)，轉(zhuǎn)體完成后與上轉(zhuǎn)盤共同形成橋梁基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的下球鉸、撐腳滑道、千斤頂反力座等(見圖6)。

圖6 墩柱、轉(zhuǎn)盤、球鉸現(xiàn)場(chǎng)

球鉸在工廠制造，轉(zhuǎn)體重量為7 130 t，為保證施工穩(wěn)定性，球鉸中心相對(duì)下盤中心向曲線內(nèi)側(cè)偏移1 153 mm，球鉸噸位最終采用8 500 t，球鉸直徑3 900 mm。

上盤撐腳采用直徑Φ800 mm的鋼管混凝土柱，下設(shè)30 mm厚鋼板，2個(gè)一對(duì)，沿直徑Φ7 300 mm圓周均布8對(duì)，且保證在墩柱橫、順軸線上各設(shè)1對(duì)。在撐腳下方(即上盤頂)設(shè)110 cm寬的滑道，轉(zhuǎn)體前在滑道和上轉(zhuǎn)盤之間設(shè)砂箱作為臨時(shí)支撐。

4.3 對(duì)鐵路的防護(hù)設(shè)計(jì)

1) 為保證施工時(shí)鐵路邊坡的穩(wěn)定，在鐵路東西兩側(cè)采用300 mm厚的漿砌片石護(hù)坡，護(hù)坡長(zhǎng)度為50 m，沿鐵路方向以承臺(tái)中心線對(duì)稱布置。

2) 承臺(tái)基坑開挖時(shí)，靠近鐵路一側(cè)采用直徑1 000 mm，間隔1 200 mm的鉆孔灌注樁做圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)15 m。

3) 上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆時(shí)，主梁兩側(cè)設(shè)現(xiàn)澆混凝土擋板和防護(hù)屏，轉(zhuǎn)體到位后能減少其橋面施工和地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

4) 為了減少西側(cè)合龍段施工對(duì)鐵路101線的影響，橋梁西側(cè)71 m主梁帶掛籃轉(zhuǎn)體，合龍段在掛籃內(nèi)施工(見圖7)。

圖7 帶掛籃轉(zhuǎn)體

5) 為了確保施工過程中的安全及成橋運(yùn)營(yíng)的安全，設(shè)計(jì)要求甲方委托有資質(zhì)的檢測(cè)單位對(duì)主梁的應(yīng)力、線形、變形、轉(zhuǎn)體T構(gòu)的稱重及支架不均 勻 沉 降 等

施工全過程進(jìn)行專門的施工監(jiān)控。

5 結(jié)語

跨豐沙鐵路節(jié)點(diǎn)橋通過上部結(jié)構(gòu)非對(duì)稱設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)偏心，有效地解決了小曲線半徑大跨度橋梁轉(zhuǎn)體施工時(shí)的平衡和穩(wěn)定性問題，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，在2012年11月1日歷時(shí)30 min成功轉(zhuǎn)體到位。在設(shè)計(jì)過程中，總結(jié)了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)供參考：

1) 對(duì)于曲線跨越鐵路、地鐵等既有構(gòu)筑物的軌道交通橋梁，可以采用大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體橋梁方案。

2) 當(dāng)橋梁必須在鐵路線上合龍，可選擇在運(yùn)營(yíng)密度低的鐵路線上合龍的方案。

3) 如果轉(zhuǎn)體跨度受限制必須在鐵路線上合龍，帶掛籃轉(zhuǎn)體方案能有效減少合龍時(shí)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響。

4) 對(duì)于小半徑曲線大跨度轉(zhuǎn)體的軌道交通橋梁，采用上部結(jié)構(gòu)非對(duì)稱設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)偏心能有效地平衡結(jié)構(gòu)自重偏心和扭轉(zhuǎn)，可以保證施工的穩(wěn)定性。

[1] 張聯(lián)燕.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7] JTG/T F50—2011 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

(編輯：郝京紅)

Design of the Small Curvature Swivel Bridge Straddling Fengtai-Shacheng Railway

Zhou Zhiliang Yuan Na Chang Xueli

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

The bridge of Beijing subway line 14 straddling the Fengtai-Shacheng railway is in the right curve with 470 m radius. The main structure is 84+84 m T-structure one, the bridge swivel span is 71 m, the total swivel weight is 7 130 t, the default pre-set eccentric is 1.152 m and the swivel angle is 33.46° towards the inside of the curve between swivel ball hinge center to lower plate center. The bridge’s swivel radius and span are domestic initiative in the field of urban rail transit design and construction. Bridge schemes are compared in detail from asymmetric main body structure design for bridge upper-structure, pre-set eccentric design for bridge sub-structure, location of folded construction and protection on existing railway etc. The results show that, through the asymmetric design for upper-structure and the pre-set eccentric for swivel structure, the balance and stability for long-span bridge swivel construction with small curve radius can be effectively ensured and the construction risk can be reduced greatly.

urban rail transit; small radius curve; infrastructure eccentric design; swivel construction; pre-set eccentric; balance

周志亮，女，教授級(jí)高級(jí)工程師，橋梁所所長(zhǎng)，從事軌道交通和市政橋梁的設(shè)計(jì)與研究，294287572@qq.com

U231.3

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