跨既有鐵路連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵技術(shù)研究

劉建新

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

新建鄭（鄭州）萬（萬州）鐵路北汝河特大橋跨孟平鐵路連續(xù)梁采用平面轉(zhuǎn)體施工。以球鉸承重進(jìn)行轉(zhuǎn)體為基本理念，轉(zhuǎn)動體系為平衡轉(zhuǎn)動體，采用鋼殼預(yù)埋法合龍施工。做到了安全快速轉(zhuǎn)體、高效經(jīng)濟(jì)合龍，降低了對橋下既有鐵路行車和設(shè)備的影響［1］。

2 工程概況

跨越孟平鐵路轉(zhuǎn)體連續(xù)梁位于北汝河特大橋DK157+083.405～DK157+305.205段，梁體中心里程為DK157+194.305，與既有孟平鐵路交叉中心里程為K93+385，交角129°，工點(diǎn)位于孟平鐵路平頂山西站—孟廟站區(qū)間。該連續(xù)梁為（60+100+60）m轉(zhuǎn)體連續(xù)梁，以中跨跨越形式上跨鐵路，其梁體位于曲線半徑R＝9 000 m的緩和曲線上，橋面寬度12.6 m，單T構(gòu)重量80 000 kN，轉(zhuǎn)體角度分別為39°和 48°。

施工中采用“平行于既有鐵路鋼支墩現(xiàn)澆+逆時針轉(zhuǎn)體合龍”的方案施工［2］，轉(zhuǎn)體后在孟平鐵路上方合龍，梁體就位后采用“先中跨再邊跨”的順序進(jìn)行合龍，合龍段距接觸網(wǎng)最小距離為2.3 m。該連續(xù)梁與既有鐵路位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 連續(xù)梁與既有鐵路立面位置關(guān)系（單位：mm）

圖2 連續(xù)梁與既有鐵路平面位置關(guān)系

3 轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)連續(xù)梁橋轉(zhuǎn)體過程中“牽引小、轉(zhuǎn)的穩(wěn)、剎得住、對的準(zhǔn)、合龍快、干擾少”的目標(biāo)，轉(zhuǎn)體橋梁在施工中需做好以下4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):

（1）球鉸的設(shè)計(jì)與安裝；（2）試轉(zhuǎn)工作的準(zhǔn)備；（3）轉(zhuǎn)體就位及精調(diào)；（4）合龍段施工技術(shù)。

3.1 球鉸的設(shè)計(jì)與安裝

3.1.1 球鉸的設(shè)計(jì)

球鉸是橋梁轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵，通常從形式上分為“鋼軸+環(huán)道”組合、“鋼管混凝土軸+鋼滾輪”組合、“混凝土球鉸+支撐腳”組合和“鋼管混凝土軸+混凝土球鉸”組合4種形式；從材料上分為混凝土球鉸和鋼制球鉸2種。從近年施工來看，鋼制球鉸具有強(qiáng)度高、摩擦力小、安裝快等優(yōu)點(diǎn)，但價格昂貴；混凝土球鉸價格低廉，但混凝土球面打磨施工周期長，易出現(xiàn)轉(zhuǎn)體過程不平穩(wěn)等缺點(diǎn)。本橋采用成品的鋼制球鉸進(jìn)行施工，主要由球鉸鋼支架、下盤、定位軸、軸套、聚四氟乙烯滑塊和上盤組成，其球鉸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 球鉸結(jié)構(gòu)示意（單位：cm）

球鉸安裝前，必須弄清“中心承重轉(zhuǎn)體”和“球鉸與滑道共同承重轉(zhuǎn)體”兩個概念。其中“中心承重轉(zhuǎn)體”即形成轉(zhuǎn)體體系后所有的T構(gòu)重量全部在球鉸上，不考慮撐腳的作用，滑道與撐腳僅作為冗余安全措施；“球鉸與滑道共同承重轉(zhuǎn)體”即形成轉(zhuǎn)體體系后所有的T構(gòu)重量在球鉸和滑道兩部分上。前者牽引力小，容易轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程對平衡要求高；后者牽引力相對大，增加了滑道處的支撐后，對滑道要求更高，對平衡要求降低，轉(zhuǎn)體就位后精調(diào)所需時間長。

3.1.2 球鉸的安裝

（1）安裝支架、下盤、滑道

球鉸安裝采取“分層定位、逐層精準(zhǔn)”的原則來控制。澆筑下承臺至支架底部標(biāo)高時，注意在混凝土頂面預(yù)埋支架四腳的定位角鋼或鋼板，按照支架四腳的設(shè)計(jì)標(biāo)高測量放樣，采用吊裝法安裝支架，支架的平面位置及高程符合設(shè)計(jì)要求即可。

下盤與支架采用螺栓連接，下盤安裝時采用四點(diǎn)吊裝。球鉸安裝成功的第一關(guān)鍵要素在于下盤安裝精度控制，其核心在于控制下盤的水平及平面的相對高差。因?yàn)檗D(zhuǎn)體過程上盤在下盤上轉(zhuǎn)動，若下盤平整度偏差超過±0.5 mm后，將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)體過程梁體不穩(wěn)、線形難以控制等問題。同時，滑道安裝時注意滑道與承臺頂層鋼筋間的沖突，且滑道整環(huán)平面高程按照±1 mm控制［3］。

球鉸安裝完成后，綁扎鋼筋。澆筑混凝土?xí)r務(wù)必高度重視滑道和下盤底部混凝土的密實(shí)［4］。

（2）安裝上盤、撐腳

待混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，開始清理下盤表面。按照四氟乙烯滑塊的編號與下盤凹槽的編號，由內(nèi)到外一一對應(yīng)鑲嵌，鑲嵌過程中必須采用橡膠錘進(jìn)行敲擊，防止未鑲嵌牢固；采用潤滑油脂與聚四氟乙烯粉均勻拌和后涂抹下盤頂面，涂抹厚度10 mm為宜，確保上下盤之間潤滑填充物密實(shí)；在中心銷孔內(nèi)插上定位軸后覆蓋上盤；對上盤的平面位置進(jìn)行復(fù)測，無誤后用膠帶封住上下盤的邊緣。整個安裝過程要求球面保持清潔干凈，嚴(yán)禁將雜物帶至球面。

撐腳安裝是一道非常關(guān)鍵的工序，撐腳安裝將直接影響轉(zhuǎn)體的難易程度。本橋撐腳安裝是按照“中心承重轉(zhuǎn)體”的理念來設(shè)計(jì)。撐腳安裝時，首先在滑道上對撐腳設(shè)計(jì)位置放樣，然后在滑道上安裝不銹鋼板。T構(gòu)施工完成后，為保證順利拆除上、下承臺間的砂箱，且防止上下盤間的潤滑充填物擠出后出現(xiàn)撐腳與滑道密貼現(xiàn)象，建議在撐腳底部與滑道不銹鋼板間預(yù)留30 mm左右的間隙，即在砂箱拆除、梁體下沉后，撐腳與滑道仍有足夠的空隙方便轉(zhuǎn)體，同時也能保證轉(zhuǎn)體過程中撐腳起到儲備、備用的作用。

撐腳安裝前，首先用高度為30 mm的矩形管在不銹鋼板上點(diǎn)焊比撐腳底部四周大50 mm的封閉框體，然后在框體內(nèi)平鋪一層厚度為30 mm的標(biāo)準(zhǔn)砂后安放撐腳。試轉(zhuǎn)前，按照“對稱拆除”原理拆除砂箱，然后移除撐腳下方的標(biāo)準(zhǔn)砂。以上關(guān)鍵點(diǎn)的落實(shí)滿足了“中心承重轉(zhuǎn)體”的理念，同時也杜絕了轉(zhuǎn)體過程中撐腳攜帶部分梁體重量導(dǎo)致轉(zhuǎn)體阻力增加等缺點(diǎn)［5］。

圖4 試轉(zhuǎn)主要準(zhǔn)備工作流程

3.2 試轉(zhuǎn)工作準(zhǔn)備

試轉(zhuǎn)主要準(zhǔn)備工作如圖4所示。

3.2.1 拆除砂箱

梁體T構(gòu)完成后，立即對影響既有線安全的遮板、防護(hù)欄等結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，并在砂箱拆除前后對梁頂、上盤標(biāo)高測量判斷不平衡重［6］。以“橫縱對稱、先縱后橫、交叉拆對”的原則拆除砂箱，本橋以1#→8#的遞增順序進(jìn)行拆除，具體如圖5所示。

圖5 上承臺砂箱拆除順序示意

3.2.2 稱重

稱重的主要目的是實(shí)測單個轉(zhuǎn)體T構(gòu)兩側(cè)懸臂端在轉(zhuǎn)體過程中的不平衡重［7］，并測定轉(zhuǎn)動過程的靜、動摩阻系數(shù)，為轉(zhuǎn)體牽引力提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

該橋根據(jù)稱重結(jié)果基本與施工所用的混凝土、鋼筋材料重量不平衡相吻合，對于橫縱向偏心，均采用在梁頂面的偏心反向位置進(jìn)行配重［8］，距離墩身中心線-定距離的懸臂端位置設(shè)置預(yù)壓配重塊。

3.2.3 牽引設(shè)備、限位裝置安裝

對液壓及電氣設(shè)備提前進(jìn)行標(biāo)定，然后梳理鋼絞線、安裝調(diào)試連續(xù)千斤頂，同時在內(nèi)外反力座上對稱安裝2套備用助推千斤頂［9］；再清理滑道面板，撐腳底靴上設(shè)置降阻四氟板，涂抹黃油四氟粉于不銹鋼板上；最后安裝防過轉(zhuǎn)的限位裝置。

3.2.4 試轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)整理及轉(zhuǎn)區(qū)劃分

以試轉(zhuǎn)測試啟動牽引力T靜、正常牽引力T動、單位時間主橋轉(zhuǎn)動角速度及懸臂端轉(zhuǎn)動線速度和點(diǎn)動操作時慣性影響大小等，為正式轉(zhuǎn)動時提取各類參數(shù)和修正值。同時通過試轉(zhuǎn)，還可檢驗(yàn)轉(zhuǎn)體方案的可靠性、實(shí)用性，檢驗(yàn)操作人員的協(xié)同反應(yīng)力，提高天窗時間的認(rèn)識和把控，進(jìn)一步完善轉(zhuǎn)體方案。

根據(jù)試轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，把轉(zhuǎn)動分為三個過程區(qū):啟動區(qū)、轉(zhuǎn)動區(qū)、點(diǎn)動區(qū)。

3.3 轉(zhuǎn)體就位及精調(diào)

轉(zhuǎn)體就位精度高低會直接影響合龍精度。就位后應(yīng)立即精調(diào)梁體軸線、梁體橫向坡度和中邊跨合龍口高程。具體操作如下:

采用250 kN千斤頂對撐腳進(jìn)行驅(qū)動調(diào)整梁體的線形；同時在上下承臺間縱、橫橋向安放4臺4 000 kN千斤頂對梁體高程進(jìn)行調(diào)整；對梁體前后的結(jié)構(gòu)物中線貫通。在高程、縱軸線精調(diào)完成符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，在撐腳下填塞楔形鋼板鎖定，然后灌填支座砂漿對撐腳底部與滑道間縫隙進(jìn)行填塞。

3.4 合龍段施工

轉(zhuǎn)體施工完成后，由于中跨合龍段位于鐵路上方，其施工模板的安拆是兩道風(fēng)險(xiǎn)性較大的工序，同時需多次使用天窗。為減少拆除模板帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，該橋中跨合龍段采用了鋼殼預(yù)埋法施工。合龍前在最后一個節(jié)段預(yù)埋一段鋼殼，梁體就位后安裝中間鋼殼，利用鋼殼作模板并兼起封閉防護(hù)作用。既能做到空間對線路封閉性好，施工完后又不拆除，操作簡單方便，消除了拆除安全隱患。

通過歸納比較，鋼殼預(yù)埋法與傳統(tǒng)的掛籃或吊架法施工相比具有以下特點(diǎn):

（1）結(jié)構(gòu)受力清晰，安裝方便；

（2）轉(zhuǎn)體完后，能立即進(jìn)行封口作業(yè)，減少安裝風(fēng)險(xiǎn)；

（3）不需拆除，大大降低了安全隱患；

（4）施工速度快，社會效益明顯；

（5）需檢測鋼殼內(nèi)混凝土的實(shí)體質(zhì)量及做好鋼殼的防銹工作。

4 施工效果及評價

由于該橋技術(shù)準(zhǔn)備充分，特別是球鉸安裝控制得當(dāng)，試轉(zhuǎn)目的達(dá)到，轉(zhuǎn)體過程一切順利。從試轉(zhuǎn)至成橋共使用3次天窗（正式轉(zhuǎn)體、鋼殼安裝、混凝土澆筑），每次110 min，特別是正式轉(zhuǎn)體時提前30 min就完成了其“華麗轉(zhuǎn)身”，對既有線鐵路運(yùn)營降低了影響，同時節(jié)約了時間，贏得了鐵路相關(guān)部門的好評，取得了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益（見表 1）。

表1 轉(zhuǎn)體數(shù)據(jù)理論與實(shí)際測量對比

5 展望

通過對轉(zhuǎn)體施工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，以及對國內(nèi)外橋梁轉(zhuǎn)體的發(fā)展、現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析［10］，轉(zhuǎn)體施工今后發(fā)展趨勢如下:

（1）近年來，平轉(zhuǎn)法施工的橋梁均采用鋼球鉸，而球鉸的附屬品（滑道、支架等）鋼材消耗量越來越大，且屬于專利產(chǎn)品，造價高，同時采用“撐腳+環(huán)道”等復(fù)雜保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)也增加了成本。隨著理論研究的深入、“中心承重轉(zhuǎn)體”理念的提升、投資模式的變化、球鉸材料的優(yōu)化，該橋型的經(jīng)濟(jì)造價將會逐漸降低［11］。

（2）小半徑平曲線橋梁因結(jié)構(gòu)偏心產(chǎn)生的不平衡彎矩，目前球鉸預(yù)設(shè)小偏心能滿足要求，但過大的預(yù)偏心需要進(jìn)一步深入研究。

（3）橋梁轉(zhuǎn)體法施工時，20 m以上墩高梁體采用懸臂澆筑法較為經(jīng)濟(jì)。但因結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)、工期緊迫或軟弱土地區(qū)若選擇支架現(xiàn)澆，今后需總結(jié)對比、慎重選擇，避免浪費(fèi)。

（4）既有鐵路轉(zhuǎn)體施工的目地是為了把既有線行車風(fēng)險(xiǎn)降到最低或無風(fēng)險(xiǎn)，目前多數(shù)梁體轉(zhuǎn)體后，中跨合龍?zhí)幦蕴幱诩扔芯€上方，對既有鐵路的運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)依然較大。因此采用單T構(gòu)轉(zhuǎn)體、半臂完全跨越既有鐵路將是發(fā)展所趨［12］，將會由降低既有線運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)逐漸變?yōu)橥耆珶o風(fēng)險(xiǎn)。