成贵铁路西溪河大桥水平转体扣背索施工技术

丁璐璐

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

新建成贵铁路跨越深切河谷西溪河，大桥的跨度大，施工难度高，施工影响因素多。鉴于其特殊的地质条件和工程特点，目前国内关于跨深谷桥梁施工的主要研究方向是挂篮悬臂浇筑施工。但本工程的施工现场范围有限，挂篮系统的安装、行走、合龙段施工等工序都无法顺利开展，难以满足水平转体桥梁工程项目施工建设的需求。扣背索施工技术对桥梁工程结构特点、地形地貌的要求比较低，具有很强的适应能力，可有效满足大跨度桥梁建设的要求。将扣背索施工技术应用到成贵铁路西溪河大桥水平转体，既能有效解决桥梁工程跨度大、施工空间有限的问题，又能很好地保证施工质量，从而获得更大的经济效益。

1 工程概述

新建成贵铁路跨越深切河谷西溪河，大桥的中心里程为DK417+141.0，起始里程为DK416+910.55，终止里程为DK417+404.15，全长493.6 m，桥面距河面高差255.7 m，主跨240 m，孔跨式样为3×32.7 m钢-混结合梁+240 m上承式钢管砼拱桥+4×32.7 m钢-混结合梁。主拱采用单铰平转法施工，整个转体系统由交界墩下盘球铰上转盘扣索和背索牵引系统竖向临时转动装置及半跨主拱圈等组成，上盘预应力钢束背索扣索均采用1 860 MPa级Φ15.24钢绞线，转体时半拱钢结构自重约为13 600 kN，设计转体施工总重为140 000 kN。

2 转体体系和扣背索系统简介

2.1 转体体系

本工程为水平转体体系，选择单铰平转法对主拱肋进行施工，两岸则按照不同地形条件搭建半拱。转体操作主要以半拱为转体单位完成桥梁工程的整体平转。水平转体主要由2个半跨主拱转体完成，各半拱转体的重量为140 000 kN，其中乐山岸逆时针转动角度为120°，贵阳岸顺时针转动角度为133°。转体体系由交界墩转体下盘球铰上转盘扣索、背索牵转系统竖向临时转动装置以及半跨主拱圈等结构组合而成。球铰为转体结构的转动中心，同时承受并传递转体结构的全部重量。转体球铰由上、下2个球面组成，球面半径为8.0 m，上球面位于转体上盘底部，为凸面，下球面位于转体下盘上，为凹面，球铰直径3.98 m。

转体的直径为9.2 m，球铰的平面半径为1.99 m。在转体施工全过程中，球铰是非常重要的部件，对制作精度、安装精度有极高的要求。在安装中必须做好测量放线，保证球面相对光滑，尺寸精准，以提升桥梁合拢的精度以及转体的安全性[1]。

下盘为转体结构的基础，当转体结构安装完成之后，需要和上盘连接形成主拱基础，并附设上保险腿滑道、牵引反力座等。下盘在球铰正下方，是一个横桥向30 m、顺桥向9 m、厚度为3 m的条形基础，上部1 m在顺桥向前端加大形成直径为18 m的圆盘。针对3#和4#拱座基坑溶洞、溶槽等，对两岸基坑底部和坑壁进行压浆处理，表层铺设一层钢筋网，以保证施工质量和施工的安全性。

2.2 背索系统

本工程施工中，背索为56根21-7Φ5的1 860 MPa级低松弛钢绞线，上端锚固于交界墩顶帽，纵向与交界墩中心夹角为5.693 4°。采用单端张拉，张拉端设在墩顶，背索设计工作应力为798 MPa，背索设计总拉力为141 340 kN。上盘纵向预应力钢束采用66束19Φ15.24预应力钢绞线，分2排布置于上盘底面，另外在上盘顶面布置18束19Φ15.24预应力钢绞线。预应力钢束张拉控制应力为1 302 MPa，采用两端张拉。上盘横向预应力钢束采用16束15Φ15.24预应力钢绞线，布置在球铰区上盘顶面。在背索锚固区附近，交界墩墩底的上盘顶面、底面及拱脚承压区斜面的横向拉应力较大区域布置100束4Φ15.24预应力钢绞线。预应力钢束张拉控制应力为1 302 MPa。在交界墩墩底施工中，为有效抵抗因背索张拉引起的弯矩作用和劈裂力，顶帽顶部在横桥向布置36束12Φ15.24钢绞线，张拉控制应力为1 302 MPa。横向预应力钢束张拉完成之后孔道先不压浆，转体施工完成之后，拆除横向预应力后再进行孔道灌浆封闭，如果横向预应力孔道和普通钢筋相互干扰，需要优先保证预应力管道的位置符合设计要求。

2.3 扣索系统

通过张拉扣索来完成拱圈的脱架安装，转体时拱肋通过扣索悬吊于交界墩上，拱肋转体到预定位置后在合拢前也可利用扣索来调整拱肋标高。扣索前端用P锚锚固在拱肋下弦节点预设的锚梁上，接着利用上弦节点处的转向块拉锚至交界墩顶帽上。在转向块处，扣索分散成一排，禁止相互打绞[2]。扣索采用8束15-7Φ5的1 860 MPa级低松弛钢绞线，设计扣索总拉力为12 772 kN，工作应力为760 MPa，在交界墩墩顶帽端单端张拉，将主拱上的扣点设为固定端。扣点结构示意图如图1所示。

图1 扣点结构示意图

2.4 牵引系统

牵引系统由牵引索、连续张拉千斤顶和反力座3部分构成。牵引索优化合为2束，每个转体上转盘埋设2束索引索，每束由24根(左右旋各半)强度等级为1 860 MPa的24-7φ5Φ15.24 mm钢绞线组成。采用QDCLT3500-300型连续转体千斤顶，2个牵引反力座都布设在下盘之上。

在拱脚竖向布设临时转动装置以及时调整支架拼装时拱脚钢管内力，弦管嵌补段在转体前临时锁定，确保转体过程安全。当交界墩墩身施工完毕、半跨钢管拱拱肋拼装调整完，并经检查合格以及转体前的各项准备工作完成后，即可进行钢管拱的转体工作。钢管拱转体分2步进行，第1步为钢管拱脱架，第2步为钢拱转体及微调。

3 扣背索施工技术在本项目中的应用

扣索、背索施工工艺流程如图2所示。扣索、背索施工工序较多，每个环节都应把控到位，确保后序工序顺利进行。

图2 扣索、背索施工工艺流程

3.1 搭设墩顶平台，安装张拉端锚具

本工程施工中交界墩墩顶空间有限，为避免影响扣索和背索张拉施工质量，需要在墩顶搭设平台，采用工字钢和墩顶预埋件相互焊接的方法形成悬挑平台，其宽度不能小于1.2 m，且三面的护栏高度不能超过1.2 m，并在地面铺设厚度不小于5 mm的防滑钢板。扣索固定端需要锚固在拱肋下弦杆位置，按照锚固空间的实际情况，可在拱肋支架上搭设临时施工平台[3]。而背索固定端要布设在上盘底部，结合实际情况，选择用钢管搭设临时施工平台。

张拉端锚具在安装时需要通过缆索吊吊装到指定位置后再进行安装。为保证安装精度，在安装之前需要对齐锚固板和后密封板孔位，并对准锚具和预埋管锚垫板，焊接对中挡块，拱肋端锚索完成节段拼装之后再进行锚具安装；此外，还要充分考虑扣背索在合龙口中的标高。本工程施工中锚具选择了可调增的防松型锚具，型号为OVM250K-21，而扣索锚具则采用OVM250K-15。

3.2 钢绞线下料和放线

为保证扣背索施工质量能满足水平转体施工的需求，在进行钢绞线下料时，需要严格按照公式(1)来精确计算扣索和背索的下料长度。

L=L0+A1+A2+L1+L2+L3+L4

(1)

式(1)中，L表示钢绞线的下料总长度，m；L0表示张拉端、固定端锚垫板之间距离；L1表示固定端工作长度；L2表示张拉端工作长度；L3表示垂度影响长度,根据牵引力计算可得；L4表示牵引工作长度；A1表示固定端锚具外露长度；A2表示张拉端锚具外露长度。根据计算，扣索下料长度为140 m，背索下料长度为70 m。

为便于挂索，需要对穿索顺序进行明确的标号，钢绞线的两端需要用铁丝来编束，保证两端的编号能够相互对应。钢绞线固定端采用1.5 t的卷扬机进行牵引，并在拱顶前沿位布置一个导向，钢绞线和卷扬机钢丝绳连接之后，牵引到拱顶扣点锚梁位置，并用穿索器将钢绞线穿入到锚具中，把钢绞线前端的牵引中心丝切除后再挤压P锚，并安装上夹片，将夹片和P锚同时推进到锚孔中，完成拱肋扣索固定端的安装操作[4]。

3.3 P锚制作

扣背索固定端采用P锚和夹片群锚方式，钢绞线挂索安装时先进行固定端的穿索和挤压P锚。张拉端与固定端锚孔水平排列每排孔，两端锚孔须相对应，不得错位[5]。

由于固定端P锚承受动载，而且使用过程中临时防腐存在弱点，所以安装时质量控制尤为重要，挤压按25～35 MPa控制，外露钢绞线为1～2 cm。以往工程试验中，P锚每年暴露于空气中且承受着约13 t的应力及±0.5 t的风振动载的情况下均未发生任何质量问题，拆索后该P锚内未发现锈蚀，并通过现场的千斤顶静载试验，破断>26 t，非P锚滑脱。

为保证转体结构的安全性，需要保证转体结构向交界墩后倾斜，转动前用千斤顶测定后支腿反力，其两后保险腿反力之和要控制在600～800 t之间，否则需要采取压载的方法进行调整，整个转体系统总重按照1 400 t进行控制设计。扣索系统采取单扣点方案，扣索设计可按照水平考虑，要求其能够承受的拉力不小于12 800 kN，背索为平衡墩顶水平力而设，背索设计张拉力不能小于135 000 kN。

3.4 扣索和背索安装

在扣索安装时，需要提前将钢绞线安装到拱肋固定端之上，然后再进行张拉端牵引安装，在交界墩底部设置1.5 t卷扬机，用直径为15 mm的夹头将钢绞线索和循环钢丝绳夹持到一起，启动卷扬机逐步将钢绞线牵引到墩顶平台位置[6]。在墩顶安装一个电动葫芦，便于穿索器和钢绞线相互连接，提升钢绞线牵引安装效率。每个转体上转盘埋设有2束索引索，每束由24根(左右旋各半)，强度等级为1 860 MPa的Φ15.24 mm钢绞线组成。牵引索经清洁各根钢绞线表面的锈迹油污后，逐根顺次沿着既定索道排列缠绕后，穿过QDCLT5000-300型连续转体千斤顶。先逐根对钢绞线预紧，再用牵引千斤顶在1～2 MPa油压下对该束钢绞线整体预紧，使同一束牵引索各钢绞线持力基本一致。

在安装背索时，要分阶段、分结构安装，先用缆索吊机进行背索墩顶安装，再用5 t卷扬机进行背索下端安装。在安装质量监测中，采用2部全站仪，并配备2根360°棱镜对中杆，2根水准尺。两岸各配备一个测量小组，各自负责测量半跨钢管拱的位移。在两岸地面较高处设立一个三角点及水准点，以观测跨中拱顶部位。

在转体开始前，先在预拼好的钢管拱前端固定好360°棱镜对中杆，并在测站置镜，在水准点置水准尺直接读出标高并输入，同时输入置镜点平面坐标、棱镜高、后视方位角、环境温度、大气压。在转体开始时全站仪跟踪360°棱镜，可不断测出拱肋前端的三维坐标，即随时看到钢管拱转体前端的位移及标高的变化。

3.5 扣索和背索的张拉

当扣索和背索安装完成之后，及时全面检查系统，确认达标之后，用型号为YDCS160-150型千斤顶进行单根张拉，保证单根拉索在张拉时应力能够满足设计要求，控制索力的均匀度误差在2%以内。为保证张拉效果，在张拉之前需要切实做好以下几点：①由现场工程监理单位，通过联系单形式的方法，来提供整索控制应力；②立足整索控制应力，精确计算出锚点的相对位移量和变形量；③确定好受控结构截面相关的物理参数以及索体几何和物理参数，为计算单根张拉力提供真实的数据支持[7]。

斜拉索首次张拉采用单根张拉索力累积达到整束设计索力，实际操作时遵循以下原则。

1)第1根张拉力由结构变形量离散后得到张拉力(含超张拉)。

2)第2根利用主梁及索塔的变形量对整束拉索索力平均值进行修正，使安装后单根索力累计值接近于设计值，避免在单根挂索后索力大调整。索力大小按公式(2)确定。

(2)

式(2)中，K表示超张拉系数；N表示拉索控制应力，kPa；N1表示第1根钢绞线控制力，kPa；n表示拉索孔个数；δ表示拉索安装时锚点相对变形理论值；l表示拉索索长，m；EC表示钢绞线弹模；A表示截面面积，m2；α表示纵向与交界墩中心夹角。

3)第i根：Ti=Ti+1-Δi，Δi为第i根安装时传感器变化值。

4)第1根补拉时按Ti=Ti+1-Δi控制方法确定。

在进行单根张拉过程中，为保证张拉效果，施工中采用振弦式传感器来控制张拉力，在具体应用时，用单孔锚具临时锚固在第1根钢绞线之上，待张拉完成之后可随时拆除，而且还能通过导线和显示器相互连接，可将压力数值及时反馈在显示器上，便于张拉人员能够实时掌握张拉压力。为确保张拉效果要把控好以下环节。

1)单根钢绞线采用YDCS160～150张拉，选择0.4级并配套标定油压表进行全面控制。

2)在整个张拉过程中，如果张拉段钢绞线通过张拉一个行程之后，依然无法满足张拉要求，此时就需要采取临时工具夹片，临时锚固于千斤顶的连续张拉部件内，不能直接锚固在工作锚板上[8]。

3)当张拉加载至单根钢绞线20%控制应力时，及时进行初始伸长量测量。

4)张拉到设计应力100%时，及时进行手工安装工作夹片，同时采取专用工具打紧，但需要保证打紧的均匀性和跟进的同步性，同时还要详细记录传感器的显示值，以指导后续钢绞线张拉[9]。

5)因采用一端张拉，所以在张拉时需确保固定端夹片锚固质量，轻轻地敲打夹片并均匀跟进。

为保证张拉效果，本工程施工中采取了如下管控措施：利用YDCS160型千斤顶进行对称的同时调索，并量测每一级的伸长值。因为扣背索较长，一个行程不能张拉到位，需多次张拉锚固，需要反复张拉和防止扣背索锚具松脱。在张拉到位后，旋紧专用限位板的螺母，压紧夹片，随后千斤顶回油放张，使工作夹片锚固钢绞线。

转体施工中背索、扣索张拉以张拉力控制，实际张拉值与理论张拉值的差值需控制在±10%，且实时监测交接墩墩顶位移，若发现数据异常，则停止施工待问题解决再继续施工。

在背索、扣索张拉完毕且钢管拱脱架后应再一次复测整体线型，并与设计计算值比较。且在静置的时间内不断进行间断性测量。

3.6 扣背索拆除

1)放松单根临时扣背索，采用YDCS160-150千斤顶分批分级放松。在整个放松过程中，需要卷扬机和循环牵引系统充分配合。

2)卷扬机牵引拆索。单根临时扣背索放松之后，可用夹持器和牵引器配合的方法，按照挂索的反工序进行拆索[10]。

3)钢绞线切断成盘。当钢绞线全部放松之后，在比较平整的场地，设计一套钢绞线卷盘设备，将钢绞线收集成盘，便于搬运。

4)拆除上下端锚具。将拆除下来的所有锚具，装入到木箱中，完成全部拆除回收工作。

3.7 施工效果分析

因成贵铁路西溪河大桥工程跨度大、地形地貌复杂，扣背索施工技术的适应性很强，可有效满足大跨度桥梁建设的要求，保证了成贵铁路西溪河大桥水平转体施工的顺利完成。

4 结论

1)在扣背索施工中，为保证施工质量，实行岗位质量责任制。

2)转体上盘厚度为6.5 m，浇筑混凝土时需要采取必要的措施，以降低水化热对施工质量造成的不良影响，控制混凝土内部温差不超过25 ℃，上盘张拉纵向预应力后，纵向呈筒支状态，前端为球铰支承，上盘后端下方需要设置硬支承，以便能够承受更大的荷载，在具体施工中，必须高度重视。

3)在整个转体过程中应密切监测转体结构的标高轴线位置及平衡情况。千斤顶的安装位置应精确定位，确保千斤顶的中心线与上转盘外圆相切，高度与预埋钢绞线中心线相平，并且两对称千斤顶的中心线要相互平行。

4)本案例工程采取扣背索施工技术，为后续桥梁工程的水平转体营造了良好的条件，确保水平转体工作高效、安全、有序地开展。桥梁水平转体完成之后，扣背索作为临时性结构可及时拆除，还可连续使用，节约成本，应用效果优良，值得大范围推广应用。