张呼高速铁路是内蒙古自治区第1条高速铁路, 西起呼和浩特市, 途经乌兰察布市, 东至河北省张家口市, 线路全长268.8km。作为张呼铁路的控制性工程之一, 蒙古营印河特大桥于DK183+960 (8, 9号墩) , DK184+953.5 (38, 39号墩) 处分别跨越京包铁路和集包铁路线, 两处均采用 (40+56+40) m连续梁, 跨越影响长度1 410.15m, 共有桥孔41跨。新建线路与既有线交叉角度为45°, 在跨越集包线时, 梁底与接触网净空为1.94m。每个转体重2 000t。桥梁与铁路位置关系如图1所示。

墩顶转体的总体方案是在临近铁路两侧采用支架现浇方法完成连续梁浇筑, 然后采用桥墩顶部设置转动装置, 分别在既有线上空旋转45°, 将2个梁体转动至设计轴线上, 再在跨中预留现浇处浇筑成型, 完成全桥贯通。连续梁分为转体施工段、边跨现浇段及中跨合龙段, 其中转体施工段长54m, 边跨现浇段长13.6m, 中跨合龙段长2.0m。现浇梁完成后形成2个长54m的转体梁。

墩顶转体的基本原理是箱梁自重传递于上球铰, 上球铰通过球铰间的四氟乙烯滑片传递至下球铰和墩身。待连续梁主体施工完毕后, 脱空砂箱将梁体的全部自重转移于球铰, 然后进行称重和配重, 利用埋设在上转盘的牵引索、转体连续作业千斤顶, 克服上、下球铰之间及撑脚与下滑道之间的动摩擦力矩, 使梁体转动到位。转体就位后调整线形, 施工边跨现浇段, 千斤顶落梁, 完成体系转换, 最后施工中跨合龙段, 全桥贯通。

主墩墩身设计为圆端形截面, 截面尺寸为8m×4.2m, 为布置墩顶转体系统, 顶帽采用9.6m×7.2m矩形截面。墩顶以下3.5m采用C50混凝土, 其余采用C35混凝土。墩身模板采用大块钢模, 在墩身外侧搭设双排脚手架并在脚手架外侧沿既有线方向挂设防护网进行防护。每个主墩混凝土分3次进行浇筑。第1次浇筑C35混凝土, 第2次浇筑距墩顶1.3m以下的C50混凝土, 待下球铰及滑道安装完成后, 浇筑第3次混凝土, 即下转盘混凝土及牵引反力座混凝土。如图3所示。

转体结构主要由上、下转盘及转动球铰等组成。下转盘为支承转体结构全部自重的基础, 主要通过固定支架及预留钢筋与C50混凝土固定在墩身顶端。上转盘是转体时的重要结构, 主要通过焊接在上转盘的钢套筒、预留钢筋、浇筑上转盘混凝土与转体结构连接。转体主要通过以球铰为中心且对称布置的2台千斤顶产生的力偶, 克服球铰摩阻力产生的力偶, 通过上转盘相对于下转盘的转动, 实现转体结构梁转动至设计位置, 主要由牵引设备、牵引索、牵引反力支座等组成。为保证转体过程中的稳定和安全, 防止转体过程中发生结构倾斜, 分别在转盘周围设置脚撑、砂箱和滑道。在滑道下部浇筑混凝土的同时, 完成反力支座的钢筋绑扎及混凝土浇筑, 转体体系结构如图4所示。以先后施工顺序为例, 各部分施工方法如下。

蒙古营印河特大桥墩顶转体中心转盘球面半径为2 740mm, 定位中心转轴的直径为130mm。球铰由上、下2块钢质球面板及钢护筒组成, 上面板为凸面, 直径1.8m, 通过外径1.8m的钢护筒与上部的牵引转盘连接;下面板为凹面, 嵌固于下转盘顶面。上、下面板均为40mm厚的钢板压制而成的球面, 背部设置肋条, 防止在加工、运输过程中变形, 并方便球铰的定位、加强与周围混凝土的连接。钢球铰是转体施工转动系统的核心, 是转体施工的关键结构, 设备由工厂加工, 检验合格后运至施工现场, 厂家负责现场技术培训和安装技术指导。其制造精度控制如表1所示。

墩身第2次浇筑距墩顶1.3m以下的C50混凝土时, 预埋球铰定位架的定位钢筋。定位架安装前, 用全站仪将定位架的中心和轴线放出, 在定位架底部对应位置设置调平垫板, 各垫板顶面高差控制在1mm以内, 定位架安装时用汽车式起重机吊入, 然后调整其顶面高程并精确对中, 同时安装定位型钢、定位钢筋并焊接牢固, 最后对定位架中心和高程复测, 直至满足设计要求。

下球铰的现场安装主要是通过调整定位架上的调节螺栓对下球铰进行精调标高与对中。下球铰安装的主要步骤如下。

1) 通过下球铰面板设置有4个直径10cm的吊装孔, 用汽车式起重机将下球铰吊入并安装在定位骨架上, 然后通过定位骨架上的调平螺栓 (8个) 进行定位。

2) 球铰安装时其顶面任意两点高差≤1mm, 球铰中心与转动轴重合, 误差≤1mm。

3) 精确调整后锁定调平螺栓, 利用球铰定位骨架及调节螺栓将下球铰悬吊, 通过千斤顶调整中心位置, 然后依靠千斤顶和调节螺栓调整标高, 反复调整直至下球铰的中心和标高满足误差要求。

滑道骨架采取分节段拼装, 整体吊装, 安装在定位钢筋架上, 准确调整标高与中心位置后焊接在定位架上, 安装完成后, 利用调平螺栓对滑道进行调平固定。为保证转体时撑脚在滑道内滑动的结构平稳, 要求滑道顶面高出下转盘混凝土顶面1cm, 且整个滑道面在同一水平面上, 滑道钢板高程控制误差为任意3m弧长内的高差≤1mm, 平整度≤0.5mm/m。

下球铰及滑道安装完成后, 绑扎下转盘钢筋和滑道钢筋, 然后绑扎牵引反力座钢筋, 安装牵引反力座模板。下球铰底混凝土的浇筑顺序由中心向四周进行, 利用下球铰上设有的混凝土振捣孔及冒浆孔分块浇筑各肋板区, 确保球铰下及滑道下混凝土密实无空洞。

上转盘直径7.2m, 高度为1.0m。4个撑脚对称分布于纵轴线两侧, 以保持转体结构平稳。上转盘施工工序为:安放撑脚砂箱→安放永久支座预埋钢板→安装上转盘模板→焊接上转盘预埋钢套筒→绑扎上转盘钢筋→安装钢绞线牵引索→浇筑上转盘混凝土。

MGB滑动片安装前, 先将下球铰顶面清理干净, 球铰表面及安装MGB滑动片的孔内不得有任何杂物, 并将球面吹干。根据MGB滑动片的编号将其安放在相应的镶嵌孔内。每个铰布置182片φ7cm及4片φ15cm MGB滑动片。

先将直径150mm圆柱钢碇放入下转盘预埋套筒中, 再将直径130mm、长1.14m的转动中心销轴表面涂满黄油吊装放入下转盘预埋套筒内。转动销轴吊装孔栓接1根钢丝绳, 以便转体后抽出转动销轴。

在下节钢护筒内浇筑自密实补偿收缩混凝土 (要求18个月内收缩率为0) , 混凝土浇筑时通过下节钢护筒上的注浆孔浇筑自密实混凝土, 直到冒浆孔充分冒浆停止注入, 保证混凝土密实无空洞。浇筑完成后, 将两节钢护筒与夹层钢板用高强螺栓锁紧。然后整体吊装入位。球铰安装完成后试转10~20圈。精确定位后临时锁定限位。上、下球铰吻合面外周用胶带缠绕密封, 严禁泥砂或杂物进入球铰摩擦面。

上转盘共设有4组撑脚, 每组撑脚由2个φ500×24钢管组成, 下设30mm厚钢板。撑脚与下滑道的间隙为30mm, 撑脚中心线的直径为4.3m。撑脚在工厂整体制造后运进工地, 在下转盘混凝土灌注完成、上球铰安装就位时即安装撑脚和临时支撑, 临时支撑采用石英砂固定位置, 施工时应充分考虑支架变形等因素, 确保转体前撤去砂箱后撑脚与下滑道的间隙为18mm。转体前在滑道面内镀铬钢板上方铺设10mm厚MGE板。

每个上转盘预埋2束牵引索, 牵引索上、下分2个平面进行布置, 高差30cm。每束牵引索由19根φ^s15.2钢绞线组成, 预埋端采用P型锚。牵引索锚固端应埋入转盘3.5m以上, 并圆顺地缠绕在转盘上, 施工时应特别注意牵引索牵引方向。

本桥现浇梁采用碗扣支架和贝雷片相结合的形式进行施工, 梁体共分0号块、1号及2号块3个浇筑节段和1个合龙段。其中, 每个转体施工段为54m, 0号块长21m, 1号块长16.5m, 边跨现浇段 (2号块) 长13.6m, 中跨合龙段长2m。如图5所示。

支架拆除由两端向中间进行, 首先调松顶托, 将底模板的木方和竹胶板从梁底抽出, 然后整体拆除碗口脚手架。卸架过程中, 测量砂箱及梁体变形, 如果出现较大变形, 停止卸架进行配重, 然后继续卸架。拆架原则:首先拆除翼缘板下部分, 再对称拆除底腹板部分。为减少支架对T构悬臂线形影响, 在称重前至少保证1节已张拉节段处有支架。

支架拆除后, 检测梁体变形, 符合设计要求时, 对砂箱进行放砂落梁, 8个砂箱分批放砂, 砂箱统一下落≥5cm, 砂箱放砂顺序为1, 5, 3, 7, 2, 6, 4, 8。使箱梁缓慢落梁, 直至使上、下球铰吻合受力。

对于转体施工, 转动体的自平衡或配重平衡对施工过程的安全性起着至关重要的作用, 为确保转体的顺利实施, 需对其结构进行称重, 通过测试转动体部分的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距及摩擦系数等参数完成配重。

称重试验:通过千斤顶施力, 用位移计测出球铰由静摩擦状态到动摩擦状态的临界值, 经过反复称重, 按照数理统计的方法求得球铰由静摩擦状态到动摩擦状态的实际临界值, 经过计算求出转体结构的不平衡重。

根据称重结果, 对梁体进行配重, 配重的大小应保证转体结构的重心偏移量在5cm以内且不平衡弯矩小于球铰静摩阻力矩。配重可根据实际情况选择配重材料, 砂袋、水箱、钢绞线即可。

在各项准备工作完成后, 正式转动之前, 进行试转, 全面检查转体的指挥组织系统、牵引动力系统, 检验操作手是否明确自己的岗位职责和协同反应能力, 检测整个系统的安全可靠性。控制采取点动方式操作, 分3, 5, 10s点动, 测量组应测量每点动一次悬臂端所转动水平弦线距离的数据, 以供转体初步到位后进行精确定位提供操作依据。本次试转为5°试转后跨京包线梁体与铁路上下行线路外侧接触网回流线最小距离分别为5.02, 3.50m, 跨集包线梁体与铁路上下行线路外侧接触网回流线最小距离分别为3.14, 5.49m。试转结束后用钢楔临时锁死4个撑脚。转体的主要设备如表2所示。

1) 试转结束, 分析采集各项数据, 对转体实施方案进行修正, 方可进行正式转体。转体前需对铁路线路进行临时封锁, 两端同步转体, 转体角速度≤0.02rad/min, 转体约用时40min。

2) 转体结构转体前要做好人员分工, 根据各关键部位、施工环节, 对现场人员做好周密部署, 各司其职, 分工协作, 由现场总指挥统一安排。

3) 启动转体设备, 并使其在“自动”状态下运行。两墩监控员每转过5°向指挥长汇报1次, 最后1°时结束千斤顶的自动连续状态, 改为点动状态。点动操作分为10, 5, 3s。

4) 精确就位及线形调整轴线偏差主要采用连续千斤顶点动控制来调整, 根据试转结果, 确定每次点动千斤顶行程, 换算梁端行程。每点动操作1次, 测量人员测报轴线行走现状数据1次, 反复循环, 直至转体轴线精确就位, 转体就位后采用全站仪中线校正。

5) 转体实施效果:38号墩高程最大高差19mm, 最大左右偏差-42mm;39号墩高程最大高差-184mm, 最大左右偏差-51mm, 需要精调。38号墩轴线小桩号侧左偏差42mm, 超转, 大桩号侧左偏15mm, 欠转, 基本满足要求, 无须调整。39号墩轴线小桩号侧左偏62mm, 超转, 大桩号侧右偏38mm, 超转, 偏差数据较大, 需调整。

6) 对于转体到位后存在的横向倾斜或高程偏差, 采用千斤顶在上、下盘之间适当顶起, 进行调整。每个系统独立运转, 每点动操作1次, 测量人员测报轴线走行数据1次, 反复循环, 直至结构轴线精确就位, 然后调整梁体高程至设计要求。

7) 转体超转或转体轴线控制改进措施, 在临时支墩处将梁体中轴线精确放样, 并将现浇梁纵轴线在梁端放样, 并用墨线弹好, 当梁端纵轴线与临时支墩纵轴线重合时转体基本就位。

边跨现浇梁采用碗扣支架和贝雷片相结合的形式进行施工, 边跨现浇段 (2号块) 长13.6m, 在转体就位后一次立模浇筑, 实现边跨合龙。

体系转换完成后, 按照设计要求进行中跨合龙段施工。中跨合龙段采用吊篮法。吊篮由既有线外滑移至跨中。

1) 跨既有线墩顶转体施工是张呼铁路首个工程, 且同时跨越京包线、集包线, 技术难度大, 安全风险高。该工程从2014年8月1开始至2015年6月15日完成跨中合龙, 仅用10个多月的时间, 缩短工期约3个月。

2) 普通挂篮法连续梁跨越铁路施工需对铁路封锁60多次, 同时还需搭设防护门架, 而采用墩顶转体法, 将连续梁施工从既有线施工变成临近既有线施工, 对铁路封锁只需3次, 大大降低了对既有线行车的干扰, 安全快速优势明显。

3) 墩顶转体施工与承台转体施工相比, 具有转体质量小、转体重心低、牵引力小、施工更安全、造价低等优势。