高速上跨铁路立交主桥施工技术研究

李 烨

（中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054）

1 概述

1.1 工程概况

该工程上跨包西铁路处，包西铁路为双线，线间距为6.03 m，为路基形式；上跨西延高铁（在建）处，西延高铁为32 m简支箱梁结构，桥墩高度约12.0 m，摩擦桩基础，桩长20 m，线间距为5.0 m，公路采用上跨包西铁路、西延高铁（在建）的形式［1］。

1.2 工程地质条件

本工程地形、地貌及地层岩性条件：桥梁沿黄土沟壑布设，横跨冲沟，属于黄土沟壑工程区地貌。桥址段的地基土共包括6个工程地质面，自上而下分别为硬塑粉质黏土、软塑（可塑）粉质黏土、圆砾土、强风化泥岩、中风化砂岩和中风化泥岩。

2 桥型方案确定

由于大桥跨铁路股道，所以在方案设计时应该注意减少施工对桥轨道整体运行的干扰，尽可能实现无干扰、无障碍的速度设计。由于包西铁路与西延高铁二条铁路线间隔较小，铁道的设计红线限制距离也小于90 m，而且该桥与轨道中心线的相交点包西铁路、西延高铁（在建）铁路中心线交角很大（78.2°），因此如果选择小跨径桥型时，应在轨道设计红线的限制距离内建造立墩，这使小跨径桥的立墩界限达不到设计要求。所以，应当选择大跨桥梁的设计方案，通过一孔跨一条铁路股道的方式保证桥梁主墩柱基础的落脚位置。最终对各因素进行考量，选取跨径布置为2×70 m。桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置图（单位：cm）

大跨桥的主浇筑技术主要有悬臂浇筑法、顶推法和转体法。如果使用悬臂浇筑技术进行施工，则需要向铁路主管部门对施工天窗点进行咨询，因此技术上比较复杂；如果通过顶推法进行安装，需要在铁路股道中央设置临时桥墩，但在铁路股道中央并不能实现临时桥墩的安装。所以，出于对施工期间铁路的安全运营及后期维修的考虑，选用预应力混凝土变截面箱型T型钢构梁，并选取转体法进行施工［2-5］。先在包西铁路西侧平行包西铁路、西延高铁（在建）方向挂篮悬浇，后转体施工就位。该施工方法周期短、方法简单且对铁路安全运营影响较小。

该桥位于半径R=1 120 m的缓和曲线上，主桥桥式为2×70 m预应力混凝土变截面箱型T构，桥长140 m，整幅设置，整幅宽33.6 m，基础采用桩径28根1.8 m的端承桩，从包西铁路K579+071.2处和西延高铁DK292+345.86处（西延高铁简支箱梁段）上跨通过。

3 结构设计

3.1 主梁设计

主桥上部构件采用预应力混凝土变截面箱梁，为单箱四室斜腹梁横截面，箱梁采用吊篮悬浇和支架混凝土现浇法施工。梁部设置纵坡，与右线坡率一致（-0.783%）。桥梁位于左右设计线分叉和曲线地段，采用整体截面形式包络车行道、防撞墙和检测电网。考虑梁端桥墩径向布置，梁顶平面为梯形，梁纵向中心线为梁端截面的中心连线，与左右设计线有一定偏离。箱梁长度和楼板厚采用二次抛物线方式控制，中心支点横隔板箱梁长度和楼板厚采用二次抛物线方式控制，中心支点横隔板厚度为1.5 m，两边支点横隔板厚度为1.5 m，桥端到支承中心的间距为0.7 m，箱梁均为三向预应力结构。

使用Midas Civil程序，对外部预应力混凝土变横截面箱梁段进行结构估算，根据计算模型按照梁段分类、施工次序和工艺流程，对每个梁段均充分考虑了挂篮活动安装就位、混凝土水泥施工、外预应力钢束张拉施工等3个主要施工节点。计算荷载包括：自重、二期恒载、预应力荷载（纵向预应力荷载、竖向预应力荷载、横向预应力荷载、挂篮自重、混凝土自重、支座沉降、温度荷载、可变荷载），计算内容包括以下三点。一是对主桥上部结构作出了纵向计算，并分别作出了成桥状况下恒载、内部活载、外部预应力、混凝土压缩徐变、支座沉降、高温变化等因素的估计。计算中根据承载能力的限制状况与一般使用极限状况下执行最大作用效果配合，以最不利效应组合控制设计。二是对箱梁及横向桥面板按框架的设计方法，进行截面选择。三是主桥上部结构施工阶段计算，对全桥每个施工阶段中的内力、应力、挠度进行计算和验算。结果表明，在不同情况下的截面内力、应力比和抗拉强度都符合有关标准。主桥上部结构施工严格遵守相关规范要求执行。

3.2 主墩设计

主桥墩3#墩为空心墩，单箱双室横向截面，承台顶部均为箱梁胶结结构，墩墙厚度为1.1 m，承台顶部横桥向墩顶宽19 m，墩底宽12 m，承台顶部顺桥向墩顶宽16.4 m，墩底宽8 m，转体下桥墩墩底设置6.0 m实体段，墩高为54.5 m。由于在墩中设置转体系统，转体上桥墩高5 m，采用实心，转体下桥墩设置6.0 m厚实体段。最后，利用Midas Civil程序对预应力混凝土单箱双室主墩进行结构计算，其中计算荷载除了梁部所考虑的全部荷载之外，还有温度荷载、风荷载和离心力。

设计时，根据最大承载能力的极限状态与对正常性能极限状态的作用综合考虑，用最大影响因素进行设计。通过对主墩承载能力、主墩裂缝验算和主墩承台、桩基、转体过程进行计算，计算结果表明主墩均满足各个相关规范的设计要求。对于转体过程中主墩的计算，采用Midas FEA对转体过程中主墩应力进行实体分析。

3.3 转体结构

该桥梁的转换体制网络系统主要由承载体系、旋转牵引力体系和平衡体系构成。其中，承载体系主要由下转盘和上转盘构成，下转盘安装于下段桥墩上，以支承转换体制网络系统的整体载荷，上转盘为转体的主要支撑构件，该桥梁的上转盘和该桥梁连为整体，在上、下转盘之间均设有双球铰装置，利用上、下转盘的相对旋转来实现转体运动，使在整个转换体制网络系统中形成了一个多向、立体的整体承载网络。旋转牵引力体系主要由连续螺旋千斤顶、液压泵车和主控台等构成，为整个转换体系施工过程提供了旋转驱动力；均衡体系主要由梁本身和实现稳定转体的配重构成，T构为完全自平衡体系，需要实现横桥向和顺桥向各转盘重心的力矩均衡，在转体前需要通过承重能力的检验，如不能均衡则可通过调整梁上配筋的方式改变均衡情况，转体系统布置如图2所示。

图2 转体系统布置图（单位：cm）

该桥为墩中转体，下转盘设置在下段墩身上，上转盘设置在上段墩身上，上段墩身又与梁部直接连接。由于转体需要，墩身主筋将被截断，但主筋在同一截面处截断量不超过50%。转体完成后，需用套筒将截断的主筋连接起来，并采用自密实混凝土浇筑这部分墩身（封固转体球铰），待混凝土浇筑完成到达强度后，张拉预埋在墩身中的竖向预应力钢束，最终形成完整桥墩和墩梁刚性连接结构。施工时，应注意上下段墩身预埋钢筋和预应力钢束及其管道的精确位置，保证转体完成后上下墩身间预埋钢筋能准确连接、预应力穿索顺利张拉。

下转盘设置于下段墩之上，承载了转体结构的全部重量，在墩空心顶部附近设置了纵横向预应力钢束。下转盘上设有回转系统的下球铰、保险撑脚环式滑道，以及回转体的牵引千斤顶反作用力座、竖向连接钢筋和预应力钢束等。球铰由上下二个钢质球板构成，上板呈凸型，并透过圆锥台和上面的诱导转盘相连，上转盘则设在诱导转盘旁；下表面均为凹面，并嵌固在下转盘顶垫石上，中心转盘直径均为5.28 m。上、下表面均是由40 mm厚度钢管挤压而成的结构球面。旋转体的基础为旋转球铰，这是旋转体施工的基础构件，其生产和施工质量要求较高，需要精心制作，细心施工。钢珠铰面由工厂生产，在下球铰表面按规定方向铣钻聚四氟乙烯钢板镶嵌钻孔，并在下球铰表面设置适当的钢筋振捣口，以便于球铰表面下钢筋的浇筑。

上转盘布有纵、横向预应力钢筋。转台直径为1 180 cm，高度为100 cm。转台是球铰、撑脚与上转盘相连接的部分，又是转体牵引力直接施加的部位。上转盘平台内设置转动系统牵拉索，预埋施工端为P型锚具。同一对索的锚固定在同一直径线上并对称于圆心，注意各对索的预埋施工标高与牵引位置要一致。每对索的转盘直径超过300 cm时，每对索的出口点对称于转盘中心。牵引索外露部分圆顺地缠绕在转盘周围，互不干扰地搁置于预埋钢筋上，并做好保护，避免在安装过程中钢筋绞路损坏和严重锈蚀。待上盘钢筋满足设计承载力后，完成整个转动系统与支承构件的转换。抽去的挤压板使旋转平台支撑在球铰上，从而增加旋转扭矩，使旋转平台绕球铰的中心轴线旋转。同时检测球铰的工作方向是否正确，计算其摩擦系数，为回转体施工奠定基础。

从上述工程概况中不难看出，该桥的转体重量（W=245 000 kN）及角度（77.5°）较大。在该桥施工过程中，转体施工是施工的关键步骤，关系到整个施工质量的好坏。转换启动时的静摩擦系数μ=0.1，而转动过程中的动摩擦系数μ=0.06，由式F=W×μ可得静摩擦力约为24 500 kN；动摩擦力是14 700 kN。可以通过式（1）对转体的拽拉力进行计算。

式中：R为球铰平面半径，R=264 cm；D为转台直径，D=1 180 cm。

计算后得出，转体启动时所需最大驱动力T=3 654 kN，转体转动过程中所需牵引力T=2 193 kN。

限制实际转体结构沿不均匀的体系运动，或通过人为限制实际转体结构倾向后侧运动，使一支持腿更靠近滑道，使该支持腿的最大反作用力不大于2 000 kN。在上述规定的转动情况下，计算牵引力公式如式（2）。

式中：N为转体时支撑腿主要的支撑力，N=2 000 kN；R撑为支撑腿半径，R=5 m。最后经过运算确定起步和转弯时所需要的最大驱动力T＇1=3 739.0 kN，T＇2=2 243.3 kN。故该桥通过牵引锚固且缠绕于直径为1 180 cm的转台周围上的38-Φs15.2 mm钢绞线，使得转动体系转动。

4 结语

延安东绕城高速公路上跨包西铁路、西延高铁立交工程主桥采用预应力混凝土变截面箱型T构，采用转体施工法进行施工，合计工期550 d。通过对主桥梁结构，主墩和转体结构进行方案设计、计算、验算，得到了合理、经济的工程施工方案。该方案最大程度地保证了施工期间铁路运输的运营安全，可为其他工程提供经验及借鉴。