三塔懸索橋中間塔施工關(guān)鍵技術(shù)

田 唯，劉建波，游新鵬

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，武漢 430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040)

1 前言

隨著國家進(jìn)入“十二五”規(guī)劃時(shí)期，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必將進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。過去十多年里，我國陸續(xù)建成了潤揚(yáng)長江大橋、杭州灣跨海大橋、蘇通大橋、舟山跨海大橋等重大建設(shè)項(xiàng)目，目前舉世矚目的港珠澳跨海工程亦正式啟動。根據(jù)我國公路交通網(wǎng)的規(guī)劃，越來越多的跨海峽通道將進(jìn)入人們的視野。在已建成、建設(shè)中或規(guī)劃中的越江跨海工程中，下部結(jié)構(gòu)的施工始終是橋梁工程建設(shè)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)［1］，是橋梁建設(shè)者應(yīng)該首要解決的難題。文章以已建成的工程為實(shí)例對塔和基礎(chǔ)的施工進(jìn)行簡短的介紹。

2 工程概況

泰州大橋是國內(nèi)首座三塔連跨懸索橋，其跨徑為390 m、1 080 m、1 080 m、390 m，主橋橋?qū)挒?3 m，設(shè)計(jì)車速為100 km/h，采用六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。

大橋中間塔采用縱向“人”字形、橫向門式結(jié)構(gòu)的鋼塔，塔高為 191.5 m，其橫橋向的斜率為39∶1 920。全塔沿豎向分為21個(gè)節(jié)段，依次為D0～D20，其中 D1、D4、D6和 D16節(jié)段為調(diào)整節(jié)段，用來調(diào)整橋塔的整體線性。中塔基礎(chǔ)采用方形圓倒角沉井基礎(chǔ)，高度為76 m，其中鋼結(jié)構(gòu)部分和混凝土部分高度均為38 m，其總重量達(dá)16萬t。沉井的標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為58 m×44 m，倒角半徑為9.8 m，終沉設(shè)計(jì)標(biāo)高為－70.0 m。

中塔施工區(qū)域水深超過15 m，最大流速為2.81 m/s，且屬于雙向感潮河段，給施工帶來了很大的困難。沉井基礎(chǔ)于2008年9月1日下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，鋼塔于2010年3月31日全部吊裝完成。

3 基礎(chǔ)施工

3.1 沉井定位著床

目前，深水沉井定位的施工方法主要分為錨墩定位法、錨錠定位法和導(dǎo)向墩定位法三大類。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料［2，3］，對各種施工方法從施工工藝、施工風(fēng)險(xiǎn)、可操作性、工期控制和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行綜合對比分析，并結(jié)合泰州大橋施工特點(diǎn)，該工程采用“鋼錨墩+錨系”的半剛性定位系統(tǒng) (見圖1)［4］。相比于其他定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:

1)系統(tǒng)剛度大，施工操控性強(qiáng)，同時(shí)有效抑制沉井在定位過程中的擺動現(xiàn)象;

2)減少錨墩對沉井著床區(qū)域河床局部沖刷的影響;

3)施工水域面積小，減少施工對航道的影響;

4)上下游錨墩還兼顧防撞功能。

圖1 “鋼錨墩+錨系”半剛性定位系統(tǒng)Fig.1 Semi-rigid positioning system of“steel anchor-piers and anchor-cables”

沉井定位系統(tǒng)由上下游錨墩和24根拉纜組成，通過改變纜繩受力來調(diào)整沉井平面位置和垂直度。沉井定位的施工流程如下:沉井浮運(yùn)至墩位處，拋錨→通過纜繩將錨錠、沉井和錨墩連接→沉井初定位→腔內(nèi)注水下沉至刃腳距河床2 m→利用定位系統(tǒng)對沉井進(jìn)行精確調(diào)位→擇機(jī)(枯水期、高平潮位)注水下沉，使沉井著床。

由于河床面局部遭沖刷，造成沉井下沉前呈前沖后淤的“S”形地勢，嚴(yán)重影響沉井著床后的精度。針對此特點(diǎn)，項(xiàng)目在施工前進(jìn)行了河工模型試驗(yàn)［5］，掌握了施工期間河床沖刷形態(tài)規(guī)律，并以此確定了沉井著床時(shí)的預(yù)偏量(設(shè)計(jì)值為向下游偏20 cm)。穩(wěn)定著床后，通過反復(fù)測量，沉井的平面位置向下游偏18 cm，定位精度為2 cm，實(shí)現(xiàn)了深水沉井準(zhǔn)確定位與精確著床，解決了水深流急作用下深水基礎(chǔ)定位誤差大的難題。

3.2 沉井振動分析

南京長江大橋在施工建設(shè)中，其五號橋墩沉井基礎(chǔ)由于水流作用，導(dǎo)致其在定位過程中發(fā)生劇烈擺動，從而使錨錠系統(tǒng)中邊錨錨纜遭到破壞。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，深水基礎(chǔ)在定位過程中，由水流作用易引起渦激振動(VIM運(yùn)動)，給施工帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。針對此特點(diǎn)，利用大型流體軟件采用計(jì)算流體力學(xué)(creep fluent design，CFD)方法對沉井在施工期間的各種工況進(jìn)行仿真分析［6］，其有限元模型見圖2。

圖2 沉井定位系統(tǒng)模型Fig.2 Model of caisson positioning system

通過計(jì)算分析，當(dāng)流速小于0.8 m/s時(shí)，沉井?dāng)[振的軌跡呈“C”形，是因?yàn)檠貋砹鞣较虻目v向力振動幅值很小，此時(shí)對運(yùn)動起主導(dǎo)作用的是橫向力。當(dāng)流速處于0.8～0.9 m/s之間時(shí)，擺振運(yùn)動開始逐漸呈現(xiàn)模糊的“8”形。此時(shí)，縱向振蕩力的作用開始逐漸顯現(xiàn)，沿流方形的運(yùn)動漸漸從小幅漂移變成小幅漂移基礎(chǔ)上的微幅振蕩。當(dāng)流速大于0.9 m/s時(shí)，擺振運(yùn)動開始出現(xiàn)非常明顯的“8”形。

為了解決沉井在定位過程中擺動過大的現(xiàn)象，在施工過程中應(yīng)采取相應(yīng)的抑振措施，對抑振措施的效果進(jìn)行計(jì)算分析。通過加大纜繩拉力來增加定位系統(tǒng)剛度是有效抑制沉井?dāng)[動的方法之一，通過改變錨鏈長度來實(shí)現(xiàn)加大纜繩拉力。模型對錨鏈不折減、折減1 m、折減2 m和折減3 m四種工況進(jìn)行分析，其計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1可以看出，錨鏈長度折減得越多，預(yù)緊力越大，平衡位置向下游的縱漂越少。這是由于預(yù)緊力越大，錨泊系統(tǒng)對風(fēng)、流定常作用的反力就越大。同時(shí)，橫蕩和縱蕩的幅值也隨著錨鏈長度的折減而減小，而橫蕩和縱蕩的周期則隨著折減長度的增加先增后減。

表1 錨鏈不同張緊力作用下沉井運(yùn)動特征參數(shù)比較Table 1 Comparison of characteristic parameters of caisson movement under different tensioning of mooring cables

3.3 沉井吸泥下沉及終沉控制

中塔基礎(chǔ)地質(zhì)主要以砂層為主，沉井下沉過程中主要以沖吸法空氣吸泥工藝為主，遇到特殊情況，采用潛水鉆機(jī)加以輔助。沖洗法吸泥工藝流程見圖3。

圖3 沖洗法吸泥工藝流程圖Fig.3 The process chart of irrigation mud suction construction

沉井高出河床面長度為21 m，且總重量達(dá)16萬t，在終沉階段容易發(fā)生突沉、超沉現(xiàn)象。針對此難點(diǎn)，在深入研究極限摩阻力和承載力的基礎(chǔ)上，采取“小鍋底”取土下沉方式和“分孔清基、分艙封底”的控制措施。沉井格艙分艙見圖4。沉井清基和封底的原則為對稱施工，其施工順序?yàn)棰駞^(qū)→Ⅱ區(qū)→Ⅲ區(qū)→Ⅳ區(qū)→Ⅴ區(qū)→Ⅵ區(qū)。沉井終沉到位時(shí)的刃腳標(biāo)高為－70.108 m，僅比設(shè)計(jì)位置低0.108 m，有效防止了沉井超沉現(xiàn)象。

圖4 沉井格艙分艙Fig.4 Sketch of“Base clearing-off and base sealing for each bulkhead”of caisson

3.4 沉井施工監(jiān)控系統(tǒng)

沉井在施工下沉過程中，其空間幾何姿態(tài)受外界因素(水流、波浪和基礎(chǔ)沖刷等)影響不斷地發(fā)生變化，采用傳統(tǒng)的人工測量方式不能滿足施工要求。利用全球定位實(shí)時(shí)差分技術(shù)(global positioning system-real time kinematic，GPS-RTK)，研發(fā)相關(guān)配套軟件，集自動采集、分析和預(yù)測于一體的信息化監(jiān)測系統(tǒng)，對沉井著床和下沉節(jié)段結(jié)構(gòu)中心偏位、整體垂直度、下沉量和扭轉(zhuǎn)角等幾何姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

沉井從2007年12月1日著床至2008年8月31日下沉到設(shè)計(jì)位置，歷時(shí)9個(gè)月，比計(jì)劃提前了3個(gè)月。沉井終沉到位時(shí)，各項(xiàng)控制指標(biāo)均小于設(shè)計(jì)允許值(見表2)。

表2 沉井終沉精度指標(biāo)Table 2 Error of final sinking and positioning of caisson

4 中塔施工

4.1 首節(jié)段吊裝

塔底鋼塔柱與混凝土承臺采用螺栓錨固法的連接方式［7］，即將塔柱底節(jié)通過塔柱底板(承壓板)和預(yù)埋在基礎(chǔ)的混凝土中的大型錨固螺栓連接在一起。鋼塔首節(jié)段在兩個(gè)方向均具有一定的傾斜度，縱橋向和橫橋向的斜率分別為1∶4和39∶1 920，這給施工帶來了一定的難度。為確保吊裝的成功率，施工現(xiàn)場在吊裝前設(shè)置了定位導(dǎo)向支架進(jìn)行輔助施工。

鋼塔首節(jié)段采用1 200 t起重船進(jìn)行吊裝，見圖5。吊裝完成后，利用調(diào)位系統(tǒng)，通過全站儀精確定位，對各首節(jié)段絕對及相對坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。首節(jié)段安裝工藝流程如下:定位導(dǎo)向支架安裝→首節(jié)段運(yùn)輸至墩位處→起重船就位、拋錨→起重船起鉤，并對首節(jié)段空中姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整(與設(shè)計(jì)傾斜率相近)→起重船落鉤，利用導(dǎo)向架將首節(jié)段緩慢下放→臨時(shí)固結(jié)→通過調(diào)位系統(tǒng)對全部安裝完成的首節(jié)段進(jìn)行精確調(diào)位→永久固結(jié)，并進(jìn)行承壓板底壓漿。

圖5 鋼塔首節(jié)段安裝Fig.5 Installation of the first segment

4.2 調(diào)整節(jié)段安裝

鋼塔調(diào)整節(jié)段設(shè)置的主要目的是及時(shí)調(diào)整鋼塔整體安裝線性，以滿足工程設(shè)計(jì)的要求。節(jié)段調(diào)整的方法是通過在已安裝節(jié)段的頂面設(shè)置合適的墊片以改變傾角誤差，從而調(diào)整后續(xù)節(jié)段的平面誤差。該調(diào)整方法僅能改變當(dāng)前節(jié)段端面傾角，而不能改變其平面誤差。通常情況下，鋼塔的線性主要取決于節(jié)段的制造誤差。但架設(shè)現(xiàn)場的安裝環(huán)境也是影響其整體線性的重要因素。在鋼塔的施工過程中，采用全過程的幾何控制方法［8］，將節(jié)段制造誤差、預(yù)拼裝線性和現(xiàn)場架設(shè)誤差進(jìn)行統(tǒng)一分析，建立精度管理系統(tǒng)，有利地控制了誤差的發(fā)展。

基于以上原因，在調(diào)整節(jié)段安裝前須對已安裝完成節(jié)段的平面誤差和傾角誤差進(jìn)行綜合評估，在設(shè)置合適的墊片后方可進(jìn)行節(jié)段吊裝。調(diào)整節(jié)段安裝的施工順序大致如下:利用全站儀和精密水準(zhǔn)儀(精度高)對已安裝完成節(jié)段進(jìn)行測量，并確定最終誤差值→在已安裝節(jié)段頂面設(shè)置合理的墊片→節(jié)段吊裝，并進(jìn)行臨時(shí)連接→對調(diào)整節(jié)段平面位置進(jìn)行評估，滿足設(shè)計(jì)要求→永久拼接板現(xiàn)場匹配投孔→永久連接。在施工中，由于采用了墊片來進(jìn)行后續(xù)節(jié)段平面位置及傾角的調(diào)整，該接縫處沒有金屬接觸率的要求，其荷載傳遞主要通過高強(qiáng)螺栓來實(shí)現(xiàn)。

4.3 一般節(jié)段安裝

為了加快鋼塔架設(shè)速度，全塔除了D1、D4、D6和D16節(jié)段外，其余均為一般節(jié)段。相對于調(diào)整節(jié)段，一般節(jié)段在吊裝前不需要設(shè)置墊片，但兩相鄰節(jié)段間必須滿足金屬接觸率大于50%的設(shè)計(jì)要求。施工中，往往用厚度為0.04 mm的塞尺進(jìn)行檢測。

鋼塔下塔柱由于重量較大，采用起重船進(jìn)行安裝。上塔柱節(jié)段采用MD3600起重設(shè)備進(jìn)行吊裝，同時(shí)為了滿足起重要求，上塔柱D6～D17節(jié)段均沿縱橋向劃分為兩個(gè)節(jié)段，其余節(jié)段均采用一次性吊裝。

4.4 橫梁安裝

該橋塔共設(shè)置有上下兩道橫梁，其中下橫梁與D4節(jié)段連接，上橫梁與D18、D19和D20節(jié)段連接。

下橫梁施工采用起重船進(jìn)行一次性整體安裝(見圖6)。由重力引起的鋼塔內(nèi)傾和安裝累計(jì)誤差等造成鋼塔實(shí)際線性偏離設(shè)計(jì)線性，為實(shí)現(xiàn)下橫梁的順利安裝，需利用頂推系統(tǒng)對鋼塔的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合現(xiàn)場施工特點(diǎn)，將頂推系統(tǒng)設(shè)置在下橫梁支架上。在安裝下橫梁前，通過頂推系統(tǒng)將鋼塔調(diào)整至理想狀態(tài)(計(jì)算分析得出)，然后進(jìn)行吊裝。下橫梁安裝的施工順序大致如下:對D4節(jié)段平面位置進(jìn)行評估→利用頂推設(shè)備將鋼塔調(diào)整至理想狀態(tài)→起重船進(jìn)行吊裝→下橫梁接近預(yù)定安裝位置→利用調(diào)整裝置對下橫梁位置進(jìn)行微調(diào)，與D4節(jié)段側(cè)面端口進(jìn)行匹配→臨時(shí)連接→拼接板現(xiàn)場匹配投孔→永久連接。

圖6 下橫梁整體安裝Fig.6 Overall installation of under-crossbeam

上橫梁節(jié)段長26 m，整體重量達(dá)490 t，MD3600起重設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)一次性安裝。設(shè)計(jì)方將上橫梁劃分為4個(gè)節(jié)段進(jìn)行逐段安裝(見圖7)，節(jié)段重量為97～108 t。上橫梁安裝前，同樣需要利用頂推系統(tǒng)將上塔肢調(diào)整至理想狀態(tài)(計(jì)算分析得出)。相對于下橫梁安裝，上橫梁安裝時(shí)保證4節(jié)段軸線處于同一直線上是安裝的主要控制因素。施工中采用后視法進(jìn)行控制，即以上下游塔肢D20節(jié)段頂面中心為控制點(diǎn)，將全站儀架設(shè)于其中一控制點(diǎn)，后視另外一控制點(diǎn)，吊裝中每個(gè)節(jié)段頂面中心控制點(diǎn)位于由該兩控制點(diǎn)(D20節(jié)段頂面中心控制點(diǎn))連成的直線上即滿足要求。

圖7 橫梁分節(jié)段安裝Fig.7 Overall installation of upper－crossbeam

5 結(jié)語

泰州大橋作為國內(nèi)首座三塔連跨懸索結(jié)構(gòu)，截止目前已完成索的安裝，下階段的工作將是鋼箱梁的安裝。中間塔施工是大橋建設(shè)的重難點(diǎn)，也開辟了國內(nèi)深水大型沉井基礎(chǔ)施工的先例，其成功的施工經(jīng)驗(yàn)可歸納為以下幾點(diǎn):

1)研發(fā)的“鋼錨墩+錨系”的半剛性定位系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的操控性，使沉井準(zhǔn)確定位、精確著床，同時(shí)該系統(tǒng)也有效抑制了沉井在施工中的擺動現(xiàn)象，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，為沉井的順利下沉提供了有力的保障;

2)深水大型沉井終沉控制技術(shù)防止了終沉階段沉井易發(fā)生突沉、超沉等現(xiàn)象，成功地將沉井刃腳標(biāo)高控制在－70.108 m，滿足設(shè)計(jì)要求;

3)研發(fā)沉井施工信息化監(jiān)控系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)沉井施工過程中空間幾何姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保了沉井定位的準(zhǔn)度和下沉的精度。

4)在鋼塔安裝過程中采用全過程幾何控制方法，將制造誤差、預(yù)拼裝線性和安裝誤差進(jìn)行統(tǒng)一分析，最終將成塔后的垂直度誤差控制在1/15 000以下。

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