永臨結合的墩頂轉體法在鐵路連續(xù)梁橋施工中的應用研究

李 輝,鄒永偉,徐升橋,高靜青,鮑 薇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 國內外橋梁轉體法施工的現(xiàn)狀

轉體法施工是指將橋梁結構在非設計軸線位置制作(澆筑或拼接)成形后，轉體就位的一種施工方法。轉體法分為豎轉法、平轉法、豎轉與平轉結合法，其優(yōu)點是能較好地克服橋下障礙，減少對橋下交通的影響，施工速度快、造價低。豎轉法多應用于拱橋[1]，平轉法主要應用于斜拉橋、T構橋、連續(xù)梁橋和拱橋。

平轉法于1976年首創(chuàng)于維也納多瑙河運河橋的施工中，并因其要求的施工設備少、操作簡便且安全性較高，在我國公路橋梁建設中應用較多。國內首座采用轉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)絡線大里營轉體斜拉橋[2]，主橋跨徑(50+40.75) m。近年來在高速鐵路建設中，轉體法在連續(xù)梁橋設計施工中的應用也逐漸增多。部分平轉法施工橋梁見表1。

轉體橋梁大多采用墩底轉體法施工，轉體合龍前墩梁進行臨時固結，轉體系統(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轉體斜拉橋[6]。

圖1 北京市五環(huán)路斜拉橋(轉體前)

但當橋墩較高、橋墩體量較大或基礎地下水位埋深較淺時，采用墩底轉體會導致轉體質量、轉盤和上下球鉸體量以及基礎尺寸和防護工程數(shù)量等均大幅增加，最終通常會導致主跨跨徑也相應增大。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體的施工實例。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，為減少轉體質量，采用墩頂轉體法施工(圖2)。康祁公路永定河大橋[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剛構連續(xù)梁橋，轉體橋墩墩高56 m，為保證結構安全，控制轉體質量，降低施工難度，轉體球鉸安裝于橋墩中部(圖3)。

圖3 康祁公路永定河大橋(轉體后)

上述兩項轉體工程，雖然轉體部位與墩底轉體有所區(qū)別，但轉體機構的布置形式與墩底轉體完全相同，在橋梁轉體就位后，全部轉體機構作為施工臨時設備均被封閉于橋墩混凝土中，其本質上與墩底轉體是一致的。并且為了放置及封閉全部轉體機構，局部結構尺寸需要加大較多。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體橋墩局部加大

2012年10月湘桂鐵路擴能改造工程下行聯(lián)絡線跨東外環(huán)特大橋，采用墩頂轉體跨越武廣高速鐵路，該橋為單線鐵路橋，橋跨布置為(40+64+40) m，轉體質量1 900 t。該橋原設計為在武廣高速鐵路接觸網送電之前采用懸臂澆筑法完成連續(xù)梁施工，后來因為高鐵提前送電并開通運營，導致原設計無法實施。此時連續(xù)梁中墩墩身已經施工了8 m。為減少對高速鐵路運輸?shù)母蓴_，保證運營安全、減少工程浪費，故將連續(xù)梁變更設計為墩頂轉體法施工。該工程用鋼結構搭制了轉體下轉盤，在轉體橋梁合龍后，進行體系轉換，拆除下轉盤及施工支架。與墩底轉體相比，此種施工工法減少了轉體質量，降低了施工難度，但臨時工程費用較高，工程代價較大。見圖6。

圖6 湘桂鐵路下行聯(lián)絡線特大橋墩頂臨時轉盤

2 墩頂轉體法研究的必要性

與墩底轉體相比，墩頂轉體法減少了轉體質量，降低了球鉸的制造、運輸及安裝的難度和費用[7]；轉體結構布置于墩頂，承臺結構尺寸較小，有利于減小主跨跨徑和轉體長度，承臺基坑的防護工程數(shù)量也相應減少；轉體重心降低，提高了轉體的穩(wěn)定性；同時無需等待梁體轉體就位后再封閉基坑，大大縮短了承臺基坑敞口時間，對于跨越線路的安全性有較大提高。因此墩頂轉體法將會成為鐵路連續(xù)梁橋轉體施工新的發(fā)展方向，應用前景廣泛。

目前制約墩頂轉體法大規(guī)模應用的主要原因有以下兩點：(1)墩頂位置有限，常規(guī)轉體機構的布設和橋梁支點處結構形式及支座位置等相互沖突；(2)如何使轉體機構適應橋梁在使用過程中的要求。

綜上所述，針對轉體球鉸的結構特點，結合永久支座布置及橋梁的抗震要求，提出既能滿足轉體施工需要，又能滿足橋梁結構正常使用功能的安全可靠、經濟合理的墩頂轉體系統(tǒng)及配套施工工藝，是目前迫切需要解決的問題。

3 永臨結合的墩頂轉體系統(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)

為布置墩頂轉體系統(tǒng)，需對橋梁中支點處的墩頂和梁體結構做如下改變：墩頂設置下轉盤，梁底設置圓形上轉盤；上下轉盤間設置圓形轉臺，轉臺布置于兩永久支座中間，圓形轉臺與墩頂接觸位置設置球鉸；轉體就位后，圓形轉臺作為防落梁設施永久保留。墩頂轉體系統(tǒng)立面布置見圖8，墩頂轉體系統(tǒng)平面布置見圖9。

圖8 墩頂轉體系統(tǒng)立面布置(單位：cm)

圖9 墩頂轉體系統(tǒng)平面布置(單位：cm)

為適應墩頂轉體的要求，在對傳統(tǒng)轉體施工方法深入研究的基礎上，提出了如下優(yōu)化與改進措施。

(1)引入鋼管混凝土[9-10]轉臺，大大減小了上轉盤結構尺寸。

(2)在轉臺設計中引入夾層鋼板，通過抽取夾層鋼板，實現(xiàn)轉體球鉸到防落梁擋塊的功能轉換。

(3)在轉體系統(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備的方法，達到既優(yōu)化了轉體系統(tǒng)尺寸，簡化了結構構造，又能保證施工安全的雙重效果。

(4)結合轉體系統(tǒng)布置于墩頂?shù)奶攸c，對支撐體系進行優(yōu)化，將轉體系統(tǒng)臨時撐腳數(shù)量減少為4組。

(5)提出了與墩頂轉體相配套的永久支座設計及安裝方法。

(6)提出了與墩頂轉體相適應的橋墩及梁體構造，梁部圖紙仍采用懸澆施工的通用參考圖，僅對0號塊進行局部調整，可以更好地適應工法變更。

(7)提出了橋梁墩頂轉體、永久支座安裝、結構體系轉換等全套的施工工藝。

4 推廣應用前景

轉體橋梁具有不影響相交道路或鐵路運營的優(yōu)點，是跨線橋梁的首選方案。墩頂轉體法施工的鐵路連續(xù)梁橋，減輕了轉體質量，降低了施工難度，減少了跨線施工對既有線路運營安全的影響，大大降低了施工安全風險，經濟效應顯著。

以張呼高速鐵路懷安站特大橋為例，該橋跨越京包鐵路橋跨布置為(60+100+60) m連續(xù)梁，采用墩頂轉體法，轉體質量減小3 800 t，減少了基坑防護和止水費用，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，僅對橋墩頂帽及連續(xù)梁0號塊進行局部構造調整，下部基礎及墩身與懸澆施工橋梁完全一致，對于施工方法變更具有較強的適應性。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，原設計采用掛籃懸臂澆筑法施工，主墩32號墩墩頂梁段已經懸臂澆筑至9號塊，31號主墩因受制于改移進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。為避免橋梁梁部進入冬施，后將31號墩一側的梁體施工方法變更為現(xiàn)澆施工+墩頂轉體，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10余處工點，相繼完成了永臨結合的墩頂轉體鐵路連續(xù)梁施工，具體見表2。

表2 代表性永臨結合的墩頂轉體鐵路連續(xù)梁

作為中國中鐵股份有限公司重點科研課題(墩頂轉體法施工的鐵路連續(xù)梁橋技術研究)[16]，本項技術獲得發(fā)明專利2項，并獲2015～2016年度鐵路建設工程部級工法。永臨結合的墩頂轉體法施工鐵路連續(xù)梁，豐富了我國轉體橋梁的設計和建造技術，取得了較好的經濟效益和社會效應，應用前景廣闊。