上海長江大橋工程墩柱分節(jié)預(yù)制安裝施工技術(shù)

閆明吉，殷天軍，卞蜀陵，別社安

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072）

1 工程概況

上海長江隧橋工程南起上海市浦東新區(qū)的五號溝，經(jīng)長興島至崇明縣的陳家鎮(zhèn)，全長25.5 km。其中南港水域?qū)挾燃s6.871 km，長興島陸域?qū)挾燃s3.946 km，北港水域?qū)挾燃s8.451 km。

上海長江隧橋工程采用“南隧北橋”方案，北港長江大橋長約10.3 km，南港長江隧道長約8.9 km，長興島和崇明島接線道路共長約6.3 km，其平面位置如圖1所示。

長江大橋非通航孔深水區(qū)長3 710 m，由一航局一公司負(fù)責(zé)樁基、承臺和墩柱的施工。工程數(shù)量主要包括φ1 200 mm鋼管樁1 200根、承臺92座和墩柱92個(gè)。

墩柱為C40高性能混凝土空心薄壁墩結(jié)構(gòu)，截面采用單箱單室，隨橋墩跨度（70 m跨和105 m跨）的不同，墩柱的斷面尺寸及高度等有所不同。墩柱的規(guī)格尺寸及數(shù)量見表1。

圖1 上海長江隧橋工程平面位置圖

表1 墩柱規(guī)格尺寸及數(shù)量匯總

根據(jù)施工能力，將墩柱分成1～4節(jié)，共216節(jié)。其中單節(jié)最大高度為13.7 m，重量約400 t。墩柱分節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 工程特點(diǎn)

（1）墩柱單節(jié)段最高為13.7 m，采用立式預(yù)制一次澆注成型，模板支立及混凝土澆注、振搗難度大。

圖2 墩柱分節(jié)結(jié)構(gòu)圖（以70 m跨中墩為例）

（2）墩柱重心高，穩(wěn)性差，采用立式水平運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)突出。

（3） 105 m跨的墩柱分成3節(jié)或4節(jié)預(yù)制安裝，現(xiàn)澆濕接頭混凝土將墩柱連為整體，墩柱的垂直度、上下節(jié)錯(cuò)牙控制無施工經(jīng)驗(yàn)可借鑒，是一個(gè)技術(shù)難題。

3 施工總體部署

本工程預(yù)制場選在上海市橫沙島，原為長江口航道整治混凝土構(gòu)件預(yù)制基地，主要預(yù)制半圓體沉箱，具有混凝土拌合站、出運(yùn)碼頭、小臨等基礎(chǔ)設(shè)施。為預(yù)制墩柱，購置了400 t龍門吊。由于出運(yùn)碼頭引橋的承載力和結(jié)構(gòu)尺寸有限，龍門吊不能直接上碼頭，故設(shè)計(jì)制造了縱移平臺車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。墩柱運(yùn)至出運(yùn)碼頭后，用650 t起重船吊裝上5 000 t深艙自航駁，由深艙駁運(yùn)至施工現(xiàn)場，再用650 t起重船進(jìn)行安裝，現(xiàn)澆濕接頭混凝土形成整體。

4 主要工序施工工藝

4.1 墩柱預(yù)制

墩柱采用立式預(yù)制法。混凝土臺座布置在鋼筋混凝土板基礎(chǔ)上，其上設(shè)置鋼臺座。外模板由模板面板和桁架兩部分組成，模板面板采用冷軋鋼板，桁架采用型鋼結(jié)構(gòu)。內(nèi)模板采用分節(jié)傘形收縮整體拼裝內(nèi)模，通過調(diào)整頂絲來改變模板外形尺寸。鋼筋骨架由下至上一次綁扎成形。采用商品混凝土，由罐車運(yùn)送，泵車布料入倉，分層振搗一次澆筑完成。

墩柱預(yù)制施工流程如圖3所示。

圖3 墩柱預(yù)制施工流程圖

（1） 墩柱臺座

臺座基礎(chǔ)為8 m×6.5 m，厚30 cm的鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)。混凝土臺座高度為1.20 m，寬0.58 m。

墩柱底端有1.10 m或1.35 m長的多根外伸鋼筋，為此在混凝土臺座上安裝可移動(dòng)式的鋼臺座。鋼臺座高度與外伸筋長度相同。鋼臺座用鋼板及型鋼加工而成，底模與臺座連成一整體。底模采用δ10 mm鋼板加工而成，按設(shè)計(jì)鋼筋位置留70 mm×70 mm方孔，在方孔下補(bǔ)焊100 mm×100 mm鋼板，并根據(jù)鋼筋直徑不同開φ50 mm和φ40 mm圓孔。為保證墩柱鋼筋正確就位及鋼臺座拆除方便，在底模上設(shè)置定位卡，堵塞底模空洞。鋼筋就位后，用海綿填充鋼筋與模板間孔隙。

鋼臺座就位后用水準(zhǔn)儀檢測其頂面四個(gè)角的高差，當(dāng)平整度不滿足規(guī)范要求則采用薄鋼板將臺座墊平。墩柱預(yù)制臺座系統(tǒng)如圖4所示。

（2） 內(nèi)模設(shè)計(jì)與安裝

圖4 墩柱預(yù)制臺座系統(tǒng)

墩柱內(nèi)模采用分節(jié)傘形收縮整體拼裝，分節(jié)高度根據(jù)組合鋼模板的規(guī)格尺寸定為90 cm；面板采用組合鋼模板，橫向圍囹采用φ50腳手架鋼管，豎向圍囹采用10號槽鋼；內(nèi)撐為傘狀骨架，傘軸桿采用φ90鋼管，支桿采用φ50腳手架鋼管。內(nèi)模結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 墩柱內(nèi)模結(jié)構(gòu)

內(nèi)模安裝采用吊機(jī)由下至上順序逐層進(jìn)行，分節(jié)模板之間使用螺栓連接固定。為防止模板間出現(xiàn)不吻合現(xiàn)象，每套模板分層進(jìn)行編號，以防弄混。

（3）墩柱外模設(shè)計(jì)與安裝

外模板由4片模板板面和桁架兩部分組成。模板板面采用δ8冷軋鋼板，加勁板采用δ8鋼板及10號槽鋼組成網(wǎng)格，網(wǎng)格間距按350 mm設(shè)計(jì)。模板桁架采用14號槽鋼作為上下弦桿，使用63 mm×6 mm角鋼連接上下弦桿形成桁架。

外模板安裝采用吊機(jī)和龍門吊配合進(jìn)行，安裝順序?yàn)橄乳L邊后短邊，模板就位時(shí)用定位插釬協(xié)助就位后及時(shí)打好定位銷，模板間墊2 mm厚的橡膠止水板，并上好模板間及模板桁架間的連接螺栓。

（4） 澆注墩柱混凝土

墩柱混凝土由商品混凝土站采用強(qiáng)制式拌合機(jī)拌和，罐車運(yùn)送，泵車布料入倉，每節(jié)墩柱一次澆注完成。

混凝土澆注前，墩柱內(nèi)部沿周邊安放8根串筒，避免混凝土落下時(shí)離散；布料時(shí)每層澆注厚度不大于30 cm；布料后使用加長變頻式插入振搗器進(jìn)行振搗，振搗手根據(jù)振搗棒上的刻度標(biāo)示和內(nèi)部照明設(shè)備對振搗進(jìn)行觀察和控制；澆注過程中分層減水，澆注至頂部時(shí)，清除浮漿，二次振搗、壓面。

4.2 墩柱出運(yùn)

墩柱出運(yùn)包括陸上和水上運(yùn)輸兩部分。陸上運(yùn)輸是指墩柱在預(yù)制場內(nèi)及從預(yù)制場經(jīng)過290 m長的引橋至碼頭的運(yùn)輸；水上運(yùn)輸是墩柱從碼頭裝上駁船，運(yùn)至大橋現(xiàn)場。墩柱的預(yù)制和運(yùn)輸均采取立式。墩柱混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，從臺座上出槽以及在預(yù)制場內(nèi)的運(yùn)輸均由400 t龍門吊來完成，墩柱從預(yù)制場至碼頭的運(yùn)輸由縱移臺車完成，墩柱水上運(yùn)輸由5 000 t深艙駁運(yùn)輸。

4.2.1 墩柱陸上運(yùn)輸

用龍門吊起吊運(yùn)輸?shù)碾y度和風(fēng)險(xiǎn)相對較小，而采取臺車立式長距離運(yùn)輸則存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)尚無先例。其主要問題是墩柱高度大，斷面尺寸相對較小，而且頂部尺寸大于底部尺寸，重心高；臺車運(yùn)距達(dá)290 m；受碼頭引橋結(jié)構(gòu)限制，臺車軌距僅6 m，軌頂不是絕對平整，臺車運(yùn)動(dòng)難以達(dá)到勻速。因此，如何保證墩柱運(yùn)輸中的安全穩(wěn)定，必須認(rèn)真地分析和計(jì)算。

（1）臺車運(yùn)輸時(shí)的穩(wěn)定性分析

墩柱在臺車上運(yùn)輸時(shí)，水平慣性力使墩柱失穩(wěn)分3種情況：

一是墩柱和鋼臺座沒有足夠強(qiáng)度的連接，墩柱相對于鋼臺座傾倒；二是墩柱和鋼臺座與臺車沒有足夠強(qiáng)度的連接，墩柱和鋼臺座相對于臺車傾倒；三是墩柱、鋼臺座和臺車整體傾倒。

墩柱用臺車運(yùn)輸時(shí)在墩柱上所產(chǎn)生的水平慣性力主要有以下3種：

①牽引啟動(dòng)和制動(dòng)加速度

絞車牽引臺車運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)，會(huì)使墩柱沿運(yùn)行方向產(chǎn)生水平加速度。經(jīng)計(jì)算選用25 t絞車，牽引啟動(dòng)產(chǎn)生的水平加速度小于墩柱沿牽引運(yùn)動(dòng)方向的臨界失穩(wěn)加速度。制動(dòng)選用15 t絞車，制動(dòng)產(chǎn)生的水平加速度也遠(yuǎn)小于墩柱沿運(yùn)動(dòng)方向的臨界失穩(wěn)加速度。

②軌道面不平整引起的加速度

當(dāng)軌道面不平整，臺車運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞軌道軸線的偏轉(zhuǎn)加速度，使墩柱產(chǎn)生垂直于軌道軸線的水平加速度。計(jì)算表明，當(dāng)軌道面不平整時(shí)，臺車運(yùn)行在墩柱上產(chǎn)生的垂直于軌道軸線的水平加速度均很小。

③軌道接頭有間距和高差引起的加速度

若將軌道接頭處的高差控制在5 mm內(nèi)，接頭縫寬5 mm，臺車經(jīng)過該接頭縫時(shí)會(huì)產(chǎn)生高差變化，使臺車產(chǎn)生豎向加速度，同時(shí)臺車輪受到?jīng)_擊，使臺車沿軌道軸線方向產(chǎn)生水平加速度。通過計(jì)算可知，當(dāng)軌道接頭處有間距和高差時(shí)，臺車運(yùn)行在墩柱上產(chǎn)生的垂直于軌道軸線的水平加速度較大，它會(huì)使底寬3.2 m及以下的墩柱失穩(wěn)。

從上述分析可知，墩柱的失穩(wěn)主要是側(cè)向傾倒，需對墩柱采取必要的扶穩(wěn)加固措施。

（2）墩柱扶穩(wěn)方案措施

經(jīng)分析計(jì)算采取3方面的扶穩(wěn)措施：

①在墩柱底部的四角，各預(yù)埋4根直徑32 mm的螺紋鋼筋，將其同鋼臺座焊接，使鋼臺座和墩柱連接成整體。

②在鋼臺座底面的四角，各用2根直徑30 mm的螺栓將鋼臺座與臺車連接。

③在臺車的兩側(cè)，各設(shè)2個(gè)支架，在每個(gè)支架距臺車頂面2.0 m和5.5 m處設(shè)置頂撐絲杠，以提供維持墩柱穩(wěn)定的水平支撐力和力矩。

墩柱的受力簡圖如圖6所示。

圖6 墩柱的受力簡圖

（3） 支架設(shè)計(jì)

在臺車頂面設(shè)4個(gè)支架，用于固定頂撐絲杠。支架高5.75 m，每個(gè)支架在臺車頂面上的尺度為1.3 m×1.9 m，用鋼板焊接而成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。經(jīng)有限元計(jì)算分析，支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

4.2.2 墩柱水上運(yùn)輸

（1） 船舶選型

通過對施工進(jìn)度及船機(jī)性能綜合比選，選用了1條長91.5 m，寬15.3 m，深6.7 m，載重量5 000 t的自航式運(yùn)輸駁進(jìn)行墩柱水上運(yùn)輸，一次最多可以裝6節(jié)墩柱。

（2） 墩柱裝船

起重船和運(yùn)輸駁停泊在橫沙預(yù)制場碼頭，墩柱由臺車運(yùn)至碼頭上，起重船起吊墩柱，吊放到運(yùn)輸駁加固支架預(yù)留的位置上，焊接固定，逐一檢查合格后，運(yùn)輸駁船即可起錨解纜，將墩柱運(yùn)往大橋施工現(xiàn)場。

圖7 支架結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m）

圖8 承臺上及墩柱節(jié)段頂面短柱布置圖

4.3 墩柱安裝

起重船和運(yùn)輸駁駐好位后，即可進(jìn)行安裝施工。墩柱起吊前，先將墩柱底部四角的8根φ32加固鋼筋切斷，解除鋼臺座和墩柱間的連接；起重船從駁船上緩慢吊起墩柱，同時(shí)用大錘敲打鋼臺座使其與墩柱底部脫離。

調(diào)整起重船船位及扒桿的角度，將墩柱吊至對應(yīng)的承臺上方，緩緩落鉤，當(dāng)其降低至距支撐短柱和導(dǎo)向短柱頂面45 cm時(shí)停止落鉤，調(diào)整起重船扒桿和連接在墩柱上的纜繩，使墩柱對準(zhǔn)導(dǎo)向裝置緩慢下落，依靠導(dǎo)向裝置使墩柱基本就位后停止落鉤，測量人員進(jìn)行偏位及垂直度觀測。記錄偏差，推算支撐點(diǎn)及導(dǎo)向點(diǎn)墊片厚度，將墩柱重新起吊少許，在相應(yīng)導(dǎo)向短柱的支撐面上焊接同偏差數(shù)值厚度相等的鋼板，再次將墩柱放下。垂直度使用安放在4個(gè)角的4個(gè)液壓千斤頂進(jìn)行調(diào)整，測量密切配合。垂直度滿足設(shè)計(jì)要求后起重船落鉤使墩柱完全落在支撐短柱上，同時(shí)臨時(shí)焊接部分鋼筋加固，每個(gè)角點(diǎn)各焊接4根φ32鋼筋，安排起重人員卸鉤進(jìn)行下1節(jié)墩柱安裝。

（1） 支撐 （導(dǎo)向） 短柱

為準(zhǔn)確定位安裝墩柱節(jié)段，本工程采用在承臺上和每節(jié)墩柱頂面長邊設(shè)置4個(gè)支撐短柱，短邊設(shè)置2個(gè)導(dǎo)向短柱。支撐短柱兼有導(dǎo)向作用，短柱采用預(yù)制場內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場安裝的方法。承臺上及墩柱節(jié)段頂面短柱布置見圖8。

（2） 操作平臺及樓梯

利用墩柱的4個(gè)矩形吊孔和兩個(gè)透氣孔支撐墩柱分節(jié)安裝和濕接頭混凝土澆注操作平臺。操作平臺不僅供操作人員施工，還要承載鋼筋及接頭外模板的重量。操作平臺采用平面桁架結(jié)構(gòu)，由4片組成，片間用螺栓連接，外側(cè)面設(shè)護(hù)欄。

施工人員上下墩柱使用安裝在墩柱側(cè)面的樓梯，樓梯分節(jié)加工，每2 m設(shè)轉(zhuǎn)接平臺。搭設(shè)高度同操作平臺，從下至上依次安裝，采用法蘭盤及螺栓連接，底部固定在承臺上，中間部位利用墩柱透氣孔，頂部使用型鋼將樓梯與結(jié)構(gòu)物連接。樓梯安裝前先在承臺上鋪設(shè)膠皮板，防止樓梯磕碰承臺及樓梯上銹蝕水污染承臺表面。操作平臺及樓梯如圖9所示。

圖9 操作平臺及樓梯

4.4 墩柱濕接頭施工

墩柱濕接頭指墩柱與承臺以及墩柱不同節(jié)段之間的連接接頭，濕接頭混凝土采用現(xiàn)澆施工工藝。墩柱節(jié)段之間的濕接頭斷面如圖10所示。

為保證墩柱濕接頭的工程質(zhì)量，施工中采取了多項(xiàng)措施。

（1）調(diào)整濕接頭斷面尺寸

圖10 墩柱濕接頭斷面

墩柱的壁厚為60 cm，濕接頭部位墩柱內(nèi)壁側(cè)加寬使混凝土厚度增加至100 cm，以便施工人員到內(nèi)部振搗。濕接頭內(nèi)側(cè)高度由原設(shè)計(jì)的170 cm加高至205 cm，即濕接頭混凝土的頂面比上節(jié)墩柱的底面高出50 cm，濕接頭混凝土的底面比下節(jié)墩柱的頂面低15 cm，并與墩柱空腔內(nèi)的水平隔板混凝土澆注成一體，起到很好的加強(qiáng)作用。

（2）采用科學(xué)合理的模板工藝

為了保證濕接頭混凝土的內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量，根據(jù)墩柱的結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)制安裝后的外形特點(diǎn)，外模板采用了3種模板形式組合使用：平面部位采用薄鋼板與豎向方木相結(jié)合的鋼木模板；四角圓弧處采用特制鋼模板；墩柱中間豎向凹槽處采用木模板。為適應(yīng)墩柱表面及上下節(jié)墩柱間的高差變化，特采用外部支撐桁架與面板及豎肋不焊接為一體的頂絲結(jié)構(gòu)，以其最終承受混凝土的側(cè)壓力。內(nèi)模板采用組合鋼模板拼裝而成，內(nèi)模板頂口高出上節(jié)墩柱底面50 cm便于增加混凝土壓力。

（3）優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)，摻加聚丙烯晴纖維

為保證濕接頭混凝土的強(qiáng)度及和易性，在其施工前進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)做了多組試驗(yàn)，通過分析比較，選出最優(yōu)化的混凝土配合比。為提高混凝土的抗裂性，特?fù)郊恿司郾┣缋w維，取得了良好的效果。

（4）嚴(yán)格控制濕接頭混凝土的澆注質(zhì)量

①對膠凝材料、砂石、外加劑等原材料加強(qiáng)檢驗(yàn)，不合格的材料堅(jiān)決不予使用；

②嚴(yán)格控制混凝土原材料的計(jì)量和拌和時(shí)間；

③控制好混凝土澆注下灰高度、分層厚度；

④對濕接頭的不同部位，采用不同規(guī)格的振搗棒進(jìn)行振搗，同時(shí)在混凝土終凝前由施工人員在表面鋪木板，使用手錘輕砸，確保混凝土振搗密實(shí)；

⑤濕接頭混凝土實(shí)施二次振搗，保證濕接頭混凝土與墩柱的粘接質(zhì)量。

（5）濕接頭混凝土養(yǎng)護(hù)

濕接頭內(nèi)側(cè)采用涂刷養(yǎng)生液方法養(yǎng)護(hù)；外側(cè)白天人工灑水養(yǎng)護(hù)，晚上采用滴水法養(yǎng)護(hù)，即模板拆除后施工人員將集水桶吊放在墩柱頂面，在濕接頭上方圍繞一圈帶孔的水管，通過閥門控制水的流量。

5 施工中出現(xiàn)的問題及采取的措施

早期施工的濕接頭混凝土發(fā)現(xiàn)在短柱和“凹槽”部位出現(xiàn)豎向裂紋，分布比較有規(guī)律，絕大多數(shù)裂紋寬度小于0.2 mm。經(jīng)過認(rèn)真分析，認(rèn)為是綜合原因所致：

（1）混凝土在初期水化熱反應(yīng)時(shí)，混凝土內(nèi)部溫度升高，而混凝土表面溫度較低，由于內(nèi)外溫差使混凝土產(chǎn)生脹縮變形，當(dāng)混凝土表面拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生裂縫。

（2）由于墩座及濕接頭混凝土均屬于“填充”性質(zhì)的混凝土，墩柱的上下端面及支撐短柱位置對混凝土均產(chǎn)生約束，混凝土在水化熱溫升的作用下，發(fā)生體積膨脹時(shí)受到了約束，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

（3）墩柱在“凹槽”部位形狀發(fā)生了突變，因水化熱溫升和內(nèi)外溫差，混凝土發(fā)生脹縮時(shí)在這個(gè)部位應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫。

采取的主要措施有：

（1） 水平箍筋由原設(shè)計(jì)的φ16間距150 mm調(diào)整為φ12間距75 mm。

（2）延長拆模時(shí)間至7 d，現(xiàn)場加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，冬季施工時(shí)在模板外噴涂保溫材料，加強(qiáng)混凝土保溫工作，拆除模板后立即用塑料布圍裹。

（3）混凝土中添加同濟(jì)大學(xué)技術(shù)合作企業(yè)生產(chǎn)的高彈性模量的“MPH-IB復(fù)合型工程防裂纖維”。

（4）濕接頭混凝土原材料中取消了膨脹劑。

采取以上措施后，濕接頭混凝土的裂縫數(shù)量明顯減少。

6 結(jié)語

上海長江大橋深水區(qū)非通航孔墩柱采用分節(jié)預(yù)制安裝施工工藝，安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成了整個(gè)工程。該施工工藝系國內(nèi)首創(chuàng)，為我國江、海上橋梁墩柱施工開辟了一條新的途徑。但在今后類似工程施工中對分節(jié)安裝與現(xiàn)澆濕接頭混凝土的細(xì)節(jié)還需不斷地深化、完善。

[1]朱治寶.杭州灣跨海大橋大型預(yù)制墩柱的施工技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2004，（5）：50-52.

[2]劉忠友.傘形內(nèi)模及翻板底模在杭州灣大橋墩柱預(yù)制中的應(yīng)用[J].交通工程建設(shè)，2006，（1）：51-53.