跨丰沙铁路小曲线半径转体桥设计

周志亮 袁 娜 常学力

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

跨丰沙铁路小曲线半径转体桥设计

周志亮 袁 娜 常学力

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

北京地铁14号线跨丰沙铁路节点桥位于右线曲线半径为470 m的曲线上，桥梁主体结构为84+84 m的T构。桥梁转体跨度71+71 m，转体重量7 130 t，转体时球铰中心相对下盘中心向曲线内侧预设偏心1.152 m，转体角度33.46°，桥梁的转体半径和转体跨度在轨道交通转体桥梁的设计和施工领域均为国内首创。比选桥梁方案，从针对桥梁上部结构的非对称主体结构设计、下部结构预偏心设置、施工合拢段位置的选择、施工时对既有铁路线的防护等多方面进行论述和详细介绍。结果表明，通过上部结构非对称设计和转体结构预设偏心，有效地保证了小曲线半径大跨度桥梁转体施工时的平衡和稳定性，大大降低了施工风险。

城市轨道交通；小半径桥曲线；非对称设计；转体施工；预设偏心；平衡

1 工程概况

1.1 桥位处线路概况

北京地铁14号线在右线里程K3+917处上跨丰沙铁路，线路右线平面曲线半径为470 m，纵坡为0，与铁路斜交角度38.64°，线间距为4.5 m。全线桥梁宽度为10.8 m，节点桥两端为跨径30 m的预应力混凝土现浇箱梁。

1.2 丰沙铁路现状

北京地铁14号线上跨既有铁路位置为丰沙下行线里程FSK2+494处，位于北京枢纽石景山南站的 西 咽 喉区(6线咽喉区)，东侧为石景山南站(一级二场的区段站)，西侧衔接丰沙大铁和京原线。现状铁路为六股道，属电气化铁路。整个铁路路肩宽36 m，丰沙下行线轨顶标高约63.3 m，地铁14号线轨顶标高为82.235～82.927 m。铁路两侧有2 m高的斜边坡。远期规划的京原上行线位于既有铁路的西侧，与既有铁路101线的线间距为6.5 m且并行等高布置。铁路采用接触网供电，接触网悬挂方式为横向软横跨。丰沙铁路的限界要求新建地铁桥墩边缘至既有铁路和规划铁路距离不小于3.5 m，桥下净空不小于7.96 m，同时还应预留桥梁沉降及一定安全储备高度，还要求施工时尽量减少对铁路的影响。

1.3 周边管线

在丰沙铁路东侧14 号线k3+990.462处有直径为1 800 mm的市政中压燃气管，在k4+23.739处有直径为700 mm的陕京燃气管。在k3+922.754处下穿220 kV高压线。铁路27号接触网铁塔最高点高程为77.80 m，与设计桥梁高程冲突，需要升塔和改造。

丰沙铁路节点桥梁范围内由上而下地面45 m内依次为人工填土层、粉砂细砂层、卵石圆砾⑤层、卵石⑦层、砾岩层。

地面下约30 m 深度范围内的第四纪松散沉积层中主要分布有1 层地下水，地下水类型为潜水。潜水主要赋存于标高47.38～50.80 m 以下的砂、卵石层(相应于工程地质剖面图中的⑦层)中。

2 桥梁方案比选

在桥梁设计确定整体方案时主要考虑的因素有：桥梁结构安全可靠，运营养护方便，满足铁路限界要求，周边管线改移量少，桥梁施工和运营对既有铁路的影响最小，与全线桥梁景观一致和协调等。综合以上因素，主要比选了以下3个方案。

2.1 (84+84)m预应力混凝土T构(单转体施工)

桥梁主体结构为(84+84)m的预应力混凝土连续T构(T型刚构)，采用单转体施工工法。为了同时跨越铁路和燃气管线并保证一定安全距离，桥梁主体跨度为84 m，以铁路东侧中支点为转轴(见图1)。合龙段一方面需避开繁忙的丰沙正线，选择在铁路西侧运输密度不大的101线上方合龙，另一方面两边现浇段施工时需满足铁路运营限界要求，最后确定最大转体跨度为71+71(m)，东西两侧各现浇10 m，转体就位后通过3 m现浇段合龙的施工方法。

图1 主体结构单转体

全桥施工工期大约为13～15个月，只有转体时需向铁路运输管理部门要点1次(转体30～45 min)，能保证铁路运输的安全性。

此方案施工方法成熟，对铁路运营影响小，但小半径曲线大跨度桥梁由于转体结构的悬臂过长导致墩底横桥向弯矩过大，在转体过程中对梁体受力性能和施工稳定性要求较高，采用临时施工荷载控制设计，结构方案不尽合理。另外，在铁路一侧为预制梁，桥梁离铁路限界只有2.45 m，施工支架需要特殊设计，而且转体时影响铁路接触网立柱，需要改造。

此方案施工能保证铁路运输的安全性，但球铰偏心大，转体跨度大，施工不确定因素多，有一定风险。

2.2 (43+84+43)m预应力混凝土连续梁(双转体施工)

全桥采用主跨为84 m的预应力混凝土连续梁，边跨为43 m，保证陕京燃气和市政燃气管线的安全距离，最终桥跨布置为(43+84+43)m，桥梁全长170 m。为保证转体施工的安全，并减小施工对铁路运营的影响，桥梁采用两侧同时转体的施工方法，在石景山南与丰西上联线(货车线)和丰沙下行线(客车线)上合龙。桥梁分别在铁路东侧现浇(41+41)m、西侧(41+41)m梁后同时逆时针转体，在石景山南与丰西下联线和丰沙下行线合龙，中跨合龙后再现浇左侧边跨及右侧边跨剩余的2 m。

以铁路两侧两个中支点为转轴，两侧结构同时转体，两侧转体重量均为3 400 t。转体就位后挂篮现浇2 m合龙段，挂篮底模采用钢板，转体前先安装在梁体两侧，合龙后钢板横移就位与另一侧梁体连接，形成与铁路封闭的空间，后续施工均在此空间内作业，减小对铁路的干扰。最后，中跨合龙后再现浇左右两侧边跨剩余的2 m，至此，全桥结构施工完成(见图2)。

图2 主体结构对称双转体

全桥施工工期大约10～15个月，在正线上合龙，转体和挂篮现浇合龙段时需向铁路运输管理部门要点1次(转体51 min，绑扎钢筋、现浇合龙段混凝土3 h)，能保证铁路运输的安全性。

此方案结构简单，施工风险小，转体跨度和重量小，转体时结构自重偏心和扭转效应较容易控制，但在铁路运营正线上方合龙，对铁路运营有一定影响，施工需要铁路部门审批。

2.3 (44+82+44)m连续钢梁(顶推施工)

全桥采用主跨为82 m的连续钢梁，桥梁全长为170 m，桥梁主体结构为(44+82+44)m主梁连续钢箱梁。考虑跨越铁路并保证一定的安全距离，采用单侧顶推的施工方法。全桥钢梁分成9段，跨中节段为28 m，其他每节长18 m，主梁前设30 m的导梁。

全桥顶推钢箱梁长100 m，钢导梁长30 m，加上梁底补齐杆件重量，顶推总重为810 t，最大顶推力为121.5 t，顶推距离35 m。使用2台200 t连续千斤顶顶推施工，由于顶推过程位于圆曲线上，为了防止梁体横向偏移，在顶推过程中需随时注意纠偏[4](见图3)。

图3 桥梁顶推

在桥梁顶推时钢导梁及梁体处于悬臂状态，为保证铁路运输安全，在施工过程中需临时中断铁路运营，一次顶推就位。每个顶推时间段包括向铁路要点时间以及列车运行间隔，该过程共需约7 h。最后,顶落梁和拆除梁底补齐杆件的过程还需中断铁路运输4 h，共计18 h。

此方案顶推施工时间长，占用铁路要点时间多，小半径曲线桥梁顶推需要随时纠偏，施工难度较大。

3 方案比较

通过上述各方案论述，综合比较表1所示。

表1 桥型方案优缺点比较

4 桥梁结构设计

图4 丰沙铁路节点桥成桥后实景

4.1 上部结构设计

上部结构箱梁采用全预应力结构，为应对施工过程及营运过程中可能发生的意外情况，考虑了预备钢束的设置(见图5)。

图5 上部结构平面和横剖面

施工步骤：沿铁路东侧支架现浇(71+71)m转体结构，并张拉部分预应力束，安装防护屏；搭设边跨现浇段支架浇筑边跨现浇段；转体就位后，浇筑合龙段，张拉部分预应力束。待混凝土达到设计要求时拆除支架，最后施加桥面二期荷载。

4.2 下部结构设计

4.2.1 墩柱设计

桥梁转体中墩采用5.6 m×4 m的矩形实体独柱墩，墩高7.5 m，墩顶与梁体固结。边墩采用和区间标准桥墩外形一致的Y形桥墩，墩底尺寸为3.2 m×2.4 m。

考虑本桥为大跨度曲线刚构桥，北京地区地震烈度为8度，为保证结构受力和施工安全，桥梁中墩除按各项受力要求配置普通钢筋外，还要在墩梁固结处设置竖向预应力JL32精轧螺纹钢筋。

4.2.2 基础设计

转体中墩设12根直径1.8 m、长36 m的钻孔灌注桩；承台尺寸为16.95 m×12.3 m×3.5 m，转体完成后与上转盘后浇成一整体，总厚度为7.2 m。为了满足铁路限界要求并尽可能减少承台施工对铁路的影响，使承台边线与丰沙线平行，承台轴线与墩轴线夹角为33.46°。两边墩分别设6根直径1.5 m的钻孔灌注桩，桩长26m，承台尺寸为10.5 m×6.5 m×3 m。其中,为躲避中压管线和保护铁路边坡，西侧边墩承台轴线与墩轴线夹角为43.89°，使承台边线与丰沙线平行，另外，考虑承担规划京原上行线的部分荷载作用，该墩桩基承载力设计需预留一定富余量。

4.2.3 转体结构设计

本桥的转体结构由下盘、球铰、上转盘、转动牵引系统组成。由于本桥桥面宽10.8 m，结构横桥向配重的空间和配重力臂较小，为了平衡由于曲线引起的结构自重偏心和扭转，球铰中心相对下盘中心向曲线内侧偏移1 153 mm[9]。下盘为16.95 m×12.3 m×3.5 m的承台，转体完成后与上转盘共同形成桥梁基础。下转盘设置转动系统的下球铰、撑脚滑道、千斤顶反力座等(见图6)。

图6 墩柱、转盘、球铰现场

球铰在工厂制造，转体重量为7 130 t，为保证施工稳定性，球铰中心相对下盘中心向曲线内侧偏移1 153 mm，球铰吨位最终采用8 500 t，球铰直径3 900 mm。

上盘撑脚采用直径Φ800 mm的钢管混凝土柱，下设30 mm厚钢板，2个一对，沿直径Φ7 300 mm圆周均布8对，且保证在墩柱横、顺轴线上各设1对。在撑脚下方(即上盘顶)设110 cm宽的滑道，转体前在滑道和上转盘之间设砂箱作为临时支撑。

4.3 对铁路的防护设计

1) 为保证施工时铁路边坡的稳定，在铁路东西两侧采用300 mm厚的浆砌片石护坡，护坡长度为50 m，沿铁路方向以承台中心线对称布置。

2) 承台基坑开挖时，靠近铁路一侧采用直径1 000 mm，间隔1 200 mm的钻孔灌注桩做围护结构，桩长15 m。

3) 上部结构现浇时，主梁两侧设现浇混凝土挡板和防护屏，转体到位后能减少其桥面施工和地铁运营对铁路运输的影响。

4) 为了减少西侧合龙段施工对铁路101线的影响，桥梁西侧71 m主梁带挂篮转体，合龙段在挂篮内施工(见图7)。

图7 带挂篮转体

5) 为了确保施工过程中的安全及成桥运营的安全，设计要求甲方委托有资质的检测单位对主梁的应力、线形、变形、转体T构的称重及支架不均 匀 沉 降 等

施工全过程进行专门的施工监控。

5 结语

跨丰沙铁路节点桥通过上部结构非对称设计和转体结构预设偏心，有效地解决了小曲线半径大跨度桥梁转体施工时的平衡和稳定性问题，大大降低了施工风险，在2012年11月1日历时30 min成功转体到位。在设计过程中，总结了以下几点经验供参考：

1) 对于曲线跨越铁路、地铁等既有构筑物的轨道交通桥梁，可以采用大跨度预应力混凝土转体桥梁方案。

2) 当桥梁必须在铁路线上合龙，可选择在运营密度低的铁路线上合龙的方案。

3) 如果转体跨度受限制必须在铁路线上合龙，带挂篮转体方案能有效减少合龙时对铁路运营的影响。

4) 对于小半径曲线大跨度转体的轨道交通桥梁，采用上部结构非对称设计和转体结构预设偏心能有效地平衡结构自重偏心和扭转，可以保证施工的稳定性。

[1] 张联燕.桥梁转体施工[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7] JTG/T F50—2011 公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

(编辑：郝京红)

Design of the Small Curvature Swivel Bridge Straddling Fengtai-Shacheng Railway

Zhou Zhiliang Yuan Na Chang Xueli

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

The bridge of Beijing subway line 14 straddling the Fengtai-Shacheng railway is in the right curve with 470 m radius. The main structure is 84+84 m T-structure one, the bridge swivel span is 71 m, the total swivel weight is 7 130 t, the default pre-set eccentric is 1.152 m and the swivel angle is 33.46° towards the inside of the curve between swivel ball hinge center to lower plate center. The bridge’s swivel radius and span are domestic initiative in the field of urban rail transit design and construction. Bridge schemes are compared in detail from asymmetric main body structure design for bridge upper-structure, pre-set eccentric design for bridge sub-structure, location of folded construction and protection on existing railway etc. The results show that, through the asymmetric design for upper-structure and the pre-set eccentric for swivel structure, the balance and stability for long-span bridge swivel construction with small curve radius can be effectively ensured and the construction risk can be reduced greatly.

urban rail transit; small radius curve; infrastructure eccentric design; swivel construction; pre-set eccentric; balance

周志亮，女，教授级高级工程师，桥梁所所长，从事轨道交通和市政桥梁的设计与研究，294287572@qq.com

U231.3

A