高速上跨鐵路立交主橋施工技術研究

李 燁

（中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710054）

1 概述

1.1 工程概況

該工程上跨包西鐵路處，包西鐵路為雙線，線間距為6.03 m，為路基形式；上跨西延高鐵（在建）處，西延高鐵為32 m簡支箱梁結構，橋墩高度約12.0 m，摩擦樁基礎，樁長20 m，線間距為5.0 m，公路采用上跨包西鐵路、西延高鐵（在建）的形式［1］。

1.2 工程地質條件

本工程地形、地貌及地層巖性條件：橋梁沿黃土溝壑布設，橫跨沖溝，屬于黃土溝壑工程區地貌。橋址段的地基土共包括6個工程地質面，自上而下分別為硬塑粉質黏土、軟塑（可塑）粉質黏土、圓礫土、強風化泥巖、中風化砂巖和中風化泥巖。

2 橋型方案確定

由于大橋跨鐵路股道，所以在方案設計時應該注意減少施工對橋軌道整體運行的干擾，盡可能實現無干擾、無障礙的速度設計。由于包西鐵路與西延高鐵二條鐵路線間隔較小，鐵道的設計紅線限制距離也小于90 m，而且該橋與軌道中心線的相交點包西鐵路、西延高鐵（在建）鐵路中心線交角很大（78.2°），因此如果選擇小跨徑橋型時，應在軌道設計紅線的限制距離內建造立墩，這使小跨徑橋的立墩界限達不到設計要求。所以，應當選擇大跨橋梁的設計方案，通過一孔跨一條鐵路股道的方式保證橋梁主墩柱基礎的落腳位置。最終對各因素進行考量，選取跨徑布置為2×70 m。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

大跨橋的主澆筑技術主要有懸臂澆筑法、頂推法和轉體法。如果使用懸臂澆筑技術進行施工，則需要向鐵路主管部門對施工天窗點進行咨詢，因此技術上比較復雜；如果通過頂推法進行安裝，需要在鐵路股道中央設置臨時橋墩，但在鐵路股道中央并不能實現臨時橋墩的安裝。所以，出于對施工期間鐵路的安全運營及后期維修的考慮，選用預應力混凝土變截面箱型T型鋼構梁，并選取轉體法進行施工［2-5］。先在包西鐵路西側平行包西鐵路、西延高鐵（在建）方向掛籃懸澆，后轉體施工就位。該施工方法周期短、方法簡單且對鐵路安全運營影響較小。

該橋位于半徑R=1 120 m的緩和曲線上，主橋橋式為2×70 m預應力混凝土變截面箱型T構，橋長140 m，整幅設置，整幅寬33.6 m，基礎采用樁徑28根1.8 m的端承樁，從包西鐵路K579+071.2處和西延高鐵DK292+345.86處（西延高鐵簡支箱梁段）上跨通過。

3 結構設計

3.1 主梁設計

主橋上部構件采用預應力混凝土變截面箱梁，為單箱四室斜腹梁橫截面，箱梁采用吊籃懸澆和支架混凝土現澆法施工。梁部設置縱坡，與右線坡率一致（-0.783%）。橋梁位于左右設計線分叉和曲線地段，采用整體截面形式包絡車行道、防撞墻和檢測電網。考慮梁端橋墩徑向布置，梁頂平面為梯形，梁縱向中心線為梁端截面的中心連線，與左右設計線有一定偏離。箱梁長度和樓板厚采用二次拋物線方式控制，中心支點橫隔板箱梁長度和樓板厚采用二次拋物線方式控制，中心支點橫隔板厚度為1.5 m，兩邊支點橫隔板厚度為1.5 m，橋端到支承中心的間距為0.7 m，箱梁均為三向預應力結構。

使用Midas Civil程序，對外部預應力混凝土變橫截面箱梁段進行結構估算，根據計算模型按照梁段分類、施工次序和工藝流程，對每個梁段均充分考慮了掛籃活動安裝就位、混凝土水泥施工、外預應力鋼束張拉施工等3個主要施工節點。計算荷載包括：自重、二期恒載、預應力荷載（縱向預應力荷載、豎向預應力荷載、橫向預應力荷載、掛籃自重、混凝土自重、支座沉降、溫度荷載、可變荷載），計算內容包括以下三點。一是對主橋上部結構作出了縱向計算，并分別作出了成橋狀況下恒載、內部活載、外部預應力、混凝土壓縮徐變、支座沉降、高溫變化等因素的估計。計算中根據承載能力的限制狀況與一般使用極限狀況下執行最大作用效果配合，以最不利效應組合控制設計。二是對箱梁及橫向橋面板按框架的設計方法，進行截面選擇。三是主橋上部結構施工階段計算，對全橋每個施工階段中的內力、應力、撓度進行計算和驗算。結果表明，在不同情況下的截面內力、應力比和抗拉強度都符合有關標準。主橋上部結構施工嚴格遵守相關規范要求執行。

3.2 主墩設計

主橋墩3#墩為空心墩，單箱雙室橫向截面，承臺頂部均為箱梁膠結結構，墩墻厚度為1.1 m，承臺頂部橫橋向墩頂寬19 m，墩底寬12 m，承臺頂部順橋向墩頂寬16.4 m，墩底寬8 m，轉體下橋墩墩底設置6.0 m實體段，墩高為54.5 m。由于在墩中設置轉體系統，轉體上橋墩高5 m，采用實心，轉體下橋墩設置6.0 m厚實體段。最后，利用Midas Civil程序對預應力混凝土單箱雙室主墩進行結構計算，其中計算荷載除了梁部所考慮的全部荷載之外，還有溫度荷載、風荷載和離心力。

設計時，根據最大承載能力的極限狀態與對正常性能極限狀態的作用綜合考慮，用最大影響因素進行設計。通過對主墩承載能力、主墩裂縫驗算和主墩承臺、樁基、轉體過程進行計算，計算結果表明主墩均滿足各個相關規范的設計要求。對于轉體過程中主墩的計算，采用Midas FEA對轉體過程中主墩應力進行實體分析。

3.3 轉體結構

該橋梁的轉換體制網絡系統主要由承載體系、旋轉牽引力體系和平衡體系構成。其中，承載體系主要由下轉盤和上轉盤構成，下轉盤安裝于下段橋墩上，以支承轉換體制網絡系統的整體載荷，上轉盤為轉體的主要支撐構件，該橋梁的上轉盤和該橋梁連為整體，在上、下轉盤之間均設有雙球鉸裝置，利用上、下轉盤的相對旋轉來實現轉體運動，使在整個轉換體制網絡系統中形成了一個多向、立體的整體承載網絡。旋轉牽引力體系主要由連續螺旋千斤頂、液壓泵車和主控臺等構成，為整個轉換體系施工過程提供了旋轉驅動力；均衡體系主要由梁本身和實現穩定轉體的配重構成，T構為完全自平衡體系，需要實現橫橋向和順橋向各轉盤重心的力矩均衡，在轉體前需要通過承重能力的檢驗，如不能均衡則可通過調整梁上配筋的方式改變均衡情況，轉體系統布置如圖2所示。

圖2 轉體系統布置圖（單位：cm）

該橋為墩中轉體，下轉盤設置在下段墩身上，上轉盤設置在上段墩身上，上段墩身又與梁部直接連接。由于轉體需要，墩身主筋將被截斷，但主筋在同一截面處截斷量不超過50%。轉體完成后，需用套筒將截斷的主筋連接起來，并采用自密實混凝土澆筑這部分墩身（封固轉體球鉸），待混凝土澆筑完成到達強度后，張拉預埋在墩身中的豎向預應力鋼束，最終形成完整橋墩和墩梁剛性連接結構。施工時，應注意上下段墩身預埋鋼筋和預應力鋼束及其管道的精確位置，保證轉體完成后上下墩身間預埋鋼筋能準確連接、預應力穿索順利張拉。

下轉盤設置于下段墩之上，承載了轉體結構的全部重量，在墩空心頂部附近設置了縱橫向預應力鋼束。下轉盤上設有回轉系統的下球鉸、保險撐腳環式滑道，以及回轉體的牽引千斤頂反作用力座、豎向連接鋼筋和預應力鋼束等。球鉸由上下二個鋼質球板構成，上板呈凸型，并透過圓錐臺和上面的誘導轉盤相連，上轉盤則設在誘導轉盤旁；下表面均為凹面，并嵌固在下轉盤頂墊石上，中心轉盤直徑均為5.28 m。上、下表面均是由40 mm厚度鋼管擠壓而成的結構球面。旋轉體的基礎為旋轉球鉸，這是旋轉體施工的基礎構件，其生產和施工質量要求較高，需要精心制作，細心施工。鋼珠鉸面由工廠生產，在下球鉸表面按規定方向銑鉆聚四氟乙烯鋼板鑲嵌鉆孔，并在下球鉸表面設置適當的鋼筋振搗口，以便于球鉸表面下鋼筋的澆筑。

上轉盤布有縱、橫向預應力鋼筋。轉臺直徑為1 180 cm，高度為100 cm。轉臺是球鉸、撐腳與上轉盤相連接的部分，又是轉體牽引力直接施加的部位。上轉盤平臺內設置轉動系統牽拉索，預埋施工端為P型錨具。同一對索的錨固定在同一直徑線上并對稱于圓心，注意各對索的預埋施工標高與牽引位置要一致。每對索的轉盤直徑超過300 cm時，每對索的出口點對稱于轉盤中心。牽引索外露部分圓順地纏繞在轉盤周圍，互不干擾地擱置于預埋鋼筋上，并做好保護，避免在安裝過程中鋼筋絞路損壞和嚴重銹蝕。待上盤鋼筋滿足設計承載力后，完成整個轉動系統與支承構件的轉換。抽去的擠壓板使旋轉平臺支撐在球鉸上，從而增加旋轉扭矩，使旋轉平臺繞球鉸的中心軸線旋轉。同時檢測球鉸的工作方向是否正確，計算其摩擦系數，為回轉體施工奠定基礎。

從上述工程概況中不難看出，該橋的轉體重量（W=245 000 kN）及角度（77.5°）較大。在該橋施工過程中，轉體施工是施工的關鍵步驟，關系到整個施工質量的好壞。轉換啟動時的靜摩擦系數μ=0.1，而轉動過程中的動摩擦系數μ=0.06，由式F=W×μ可得靜摩擦力約為24 500 kN；動摩擦力是14 700 kN。可以通過式（1）對轉體的拽拉力進行計算。

式中：R為球鉸平面半徑，R=264 cm；D為轉臺直徑，D=1 180 cm。

計算后得出，轉體啟動時所需最大驅動力T=3 654 kN，轉體轉動過程中所需牽引力T=2 193 kN。

限制實際轉體結構沿不均勻的體系運動，或通過人為限制實際轉體結構傾向后側運動，使一支持腿更靠近滑道，使該支持腿的最大反作用力不大于2 000 kN。在上述規定的轉動情況下，計算牽引力公式如式（2）。

式中：N為轉體時支撐腿主要的支撐力，N=2 000 kN；R撐為支撐腿半徑，R=5 m。最后經過運算確定起步和轉彎時所需要的最大驅動力T＇1=3 739.0 kN，T＇2=2 243.3 kN。故該橋通過牽引錨固且纏繞于直徑為1 180 cm的轉臺周圍上的38-Φs15.2 mm鋼絞線，使得轉動體系轉動。

4 結語

延安東繞城高速公路上跨包西鐵路、西延高鐵立交工程主橋采用預應力混凝土變截面箱型T構，采用轉體施工法進行施工，合計工期550 d。通過對主橋梁結構，主墩和轉體結構進行方案設計、計算、驗算，得到了合理、經濟的工程施工方案。該方案最大程度地保證了施工期間鐵路運輸的運營安全，可為其他工程提供經驗及借鑒。