節(jié)段式預(yù)制沉管頂推系統(tǒng)比選與優(yōu)化

戴書學，游川

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121）

1 工程概況

自1959年前聯(lián)邦德國的萊昂哈特博士和包爾教授首次將頂推技術(shù)用于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的架設(shè)以來，頂推技術(shù)在世界各國得到了廣泛運用和迅速發(fā)展。我國于1974年首次在狄家河鐵路橋采用頂推法施工，此后采用頂推法成功施工了多座公路、鐵路橋梁[1]。頂推施工具有對通航和交通干擾小、占用場地小、使用較小設(shè)備即可完成重型構(gòu)件的移動和安裝等優(yōu)點。近年來，隨著外海工程項目的增多，大型化、裝配化施工成為一種新的趨勢，在推動我國大型裝備快速發(fā)展的同時，也為頂推技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊空間。

港珠澳大橋島隧工程海底沉管隧道全長5 664 m，由33個管節(jié)組成，其中28個直線管節(jié)，5個曲線管節(jié)（平曲線半徑5 000 m），標準管節(jié)長180 m，分成8個節(jié)段。沉管采用工廠法預(yù)制工藝，鋼筋分區(qū)綁扎并頂推入模，每條生產(chǎn)線設(shè)置1套全液壓模板在預(yù)制臺座上澆筑節(jié)段混凝土，達頂推強度要求后向前頂推22.5 m，匹配預(yù)制下一節(jié)段。如此逐段預(yù)制、逐段頂推，完成全部8個節(jié)段澆筑后，整體向前頂推至淺塢進行一次舾裝，整體頂推距離約132 m。工廠法預(yù)制施工工藝見圖1。

與橋梁工程頂推施工相比，沉管預(yù)制頂推具有以下特點：

圖1 工廠法管節(jié)預(yù)制工藝圖Fig.1 Flow chartof prefabricated factory pipe joint

1）與橋梁構(gòu)件頂推前均連成一個整體不同，沉管標準管節(jié)分成8個節(jié)段，節(jié)段與節(jié)段之間除中埋式止水帶之外無任何縱向鋼筋連接，頂推過程中要避免中埋式止水帶承受拉力，避免損傷節(jié)段間混凝土剪力鍵，采用多點頂推同步性要求高。

2） 標準管節(jié)長180 m、寬37.95 m、高11.4 m，重達73 000 t，體形大，重量重，如發(fā)生頂推偏位調(diào)整難度極大，因此頂推精度要求高。

3）沉管支撐千斤頂數(shù)量多，頂推距離長，S8節(jié)段頂推距離長達300 m，頂推軌道誤差對沉管受力狀態(tài)和頂推影響較大，要求支撐千斤頂具有較強適應(yīng)和補償能力。

4）沉管預(yù)制與部分一次舾裝作業(yè)同步進行，中廊道上隔板澆筑、鋼端封門和壓載水箱安裝等施工造成相應(yīng)節(jié)段重量變化，對支撐千斤頂受力狀態(tài)、頂推同步性帶來一定影響。

2 頂推系統(tǒng)比選

2.1 頂推方法比選

頂推施工方法按頂推動力裝置的位置分為單點頂推和多點頂推，按頂推動力裝置的類別分為步距式頂推（也稱間斷頂推）和連續(xù)頂推[1-2]，目前各種頂推方法都已很成熟，在橋梁工程中也有眾多成功應(yīng)用案例。港珠澳大橋島隧工程預(yù)制沉管頂推方案對幾種頂推方法均進行了調(diào)研論證，方案對比見表1，方案工藝示意見圖2，綜合分析對比后選擇了多點步距式頂推方法。

表1 頂推方法綜合對比表Table 1 Com prehensive comparison pushermethods

圖2 頂推方法工藝示意圖Fig.2 Processdiagram of pushermethods

2.2 頂推設(shè)備比選

結(jié)合沉管頂推的特點和要求，頂推設(shè)備主要技術(shù)要求如下[3]。

1）頂推及控制系統(tǒng)。頂推系統(tǒng)沿著滑移軌道梁自動連續(xù)向前頂推，節(jié)段頂推時間不超過6 h，包括設(shè)備安裝和拆除時間。頂推裝置應(yīng)具有自動和手動控制兩種模式，并具有力與位移雙控功能。

2）支撐及控制系統(tǒng)。頂推滑移軌道高程誤差為±10 mm，支撐千斤頂在滑移過程中應(yīng)能適應(yīng)滑移軌道的不平整度。支撐系統(tǒng)應(yīng)確保管節(jié)受力均衡，混凝土不產(chǎn)生開裂。

3）導向系統(tǒng)。具有檢查和主動修正功能。

頂推與駐停時管節(jié)空間姿態(tài)允許偏差見表2。

表2 頂推與駐停時管節(jié)空間姿態(tài)允許偏差表Table 2 Pipe jointspace attitude allow deviation in pushing and stopping time

經(jīng)綜合對比各方案可靠性、設(shè)備成熟度、控制系統(tǒng)精度、調(diào)整或更換便利性、與模板系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、設(shè)備購置與維護成本、工程業(yè)績等因素，最終選定的系統(tǒng)主要設(shè)備配置見表3，布置見圖3。

表3 支撐與同步頂推系統(tǒng)主要設(shè)備配置表Table 3 M ain equipment configuration of supportand synchronouspusher system

圖3 支撐和同步頂推千斤頂布置圖Fig.3 Jack arrangementof supportand synchronous pusher

3 頂推系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 支撐體系優(yōu)化

1）軌道高差適應(yīng)能力問題

原方案為每2臺支撐千斤頂設(shè)置1臺蓄能器以適應(yīng)頂推軌道高差，實際使用中效果不太理想，出現(xiàn)補償能力不足導致支撐千斤頂受力不均、節(jié)段接頭剪力鍵受力偏大等問題。經(jīng)討論優(yōu)化為每臺支撐千斤頂均配置蓄能器，在軌道出現(xiàn)高程變化時能通過蓄能器調(diào)節(jié)支撐千斤頂油缸行程，保證各支撐千斤頂受力均勻，解決了該問題。

2） 三點支撐問題

沉管按三點方式由液壓千斤頂支撐，原方案為1、2號軌道分為前后兩組（分組位于節(jié)段接頭處），3、4號軌道1組的方式串聯(lián)支撐千斤頂油路。施工中發(fā)現(xiàn)因設(shè)備控制誤差、一次舾裝作業(yè)等因素影響，存在頂推過程中沉管高程和軸線偏差較大，造成節(jié)段接頭剪力鍵受力偏大等問題。優(yōu)化方案調(diào)整為在2號、3號支撐千斤頂之間分組，避免在節(jié)段接頭處出現(xiàn)千斤頂壓力不同導致接頭剪力鍵直接受剪。三點支撐體系根據(jù)舾裝施工進度進行調(diào)整，優(yōu)化后的三點支撐體系見表4。

表4 三點支撐體系優(yōu)化表Table 4 Optim ization of three-pointsupportsystem

通過支撐體系優(yōu)化，增強了支撐體系對軌道高差適應(yīng)能力，解決了節(jié)段接頭混凝土剪力鍵受力偏大、沉管空間姿態(tài)偏差較大問題，效果明顯。

3.2 滑動體系優(yōu)化

1）滑板。沉管頂推滑板采用PTFE板，具有摩擦系數(shù)小的優(yōu)點，但硬度相對較軟，在施工過程中滑板易出現(xiàn)的問題主要有：潤滑油無法進入滑板與不銹鋼板之間造成摩擦系數(shù)增大，隨頂推發(fā)生與支撐千斤頂相對移動，因長期承壓、摩擦發(fā)熱、軌道不光滑導致滑板損壞[1]。因此，采取了在滑板底部增加貯油凹點和進油凹槽，支撐千斤頂?shù)装迳贤ㄟ^點焊增加粗糙度，增加PTFE板厚度至17 mm，采購硬度稍高的PTFE板等措施，同時在頂推摩阻過大時按支撐千斤頂置換方法對部分滑板底部人工涂刷潤滑脂[4]，經(jīng)優(yōu)化后最大靜摩擦系數(shù)控制在7%以內(nèi)，滑板損壞和滑脫情況也極大改善。

2）軌道。沉管頂推軌道為鋼混組合結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)間灌注環(huán)氧高強材料。頂推軌道長約320m，鋼結(jié)構(gòu)部分按12m長度劃分單元。軌道承受反復(fù)荷載后灌漿層在軌道接頭處容易發(fā)生破壞或與軌道鋼板脫開，導致軌道接頭處高差超標，支撐千斤頂經(jīng)過接頭時滑板受損嚴重。為解決該問題，除對受損的灌漿層重新灌漿處理外，經(jīng)設(shè)計驗算和工藝試驗，將頂推軌道接頭焊接連接成3段：澆筑區(qū)至淺塢門為1段，淺塢區(qū)分為兩段。淺塢門段為活動塊，安裝時嚴格控制軌道面高程，其與固定軌道梁的接頭控制為后高前低狀態(tài)以避免造成滑板受損。

3.3 節(jié)段間約束優(yōu)化

受各節(jié)段自重、頂推千斤頂同步性、滑板磨損程度、頂推軌道誤差、軌道清理和潤滑脂涂刷等眾多差異以及一次舾裝作業(yè)影響，頂推同步性難以保證，節(jié)段間出現(xiàn)受拉情況難以避免，特別在管節(jié)長距離頂推階段，不僅嚴重影響頂推效率，還給沉管質(zhì)量控制帶來極大風險。頂推系統(tǒng)方案設(shè)計中在每組相鄰頂推千斤頂之間設(shè)有2根φ40 mm高強拉桿，限制頂推千斤頂同步性偏差程度，拉桿拉力值控制難度較大，節(jié)段接頭張開的風險始終存在。為確保節(jié)段接頭不出現(xiàn)受拉，在節(jié)段頂推前由專人負責檢查拉桿螺帽，并用加力桿復(fù)擰，經(jīng)VSL技術(shù)服務(wù)人員、項目部技術(shù)員、頂推設(shè)備管理員、作業(yè)班組長確認后才開始頂推作業(yè)。管節(jié)長距離頂推前對8個節(jié)段進行整體預(yù)張拉（8束，張拉力為設(shè)計值的50%），并在節(jié)段接頭處做好標記，頂推過程中定時檢測標記間距離的變化，如變化值超出設(shè)計允許值則停止頂推，對支撐系統(tǒng)、頂推系統(tǒng)進行全面檢查、調(diào)整后再恢復(fù)作業(yè)。

3.4 頂推系統(tǒng)優(yōu)化

每一個管節(jié)從第一節(jié)段開始施工，到完成長距離頂推，前后歷時近3個月時間，期間受滑板受壓變形、冬季潤滑脂停置時發(fā)生黏滯現(xiàn)象、滑道二次污染等因素影響，導致頂推第一個行程時靜摩阻力遠超正常頂推階段，而且可能發(fā)生突然滑動給沉管接頭質(zhì)量帶來較大風險。經(jīng)分析第一個行程靜摩阻力數(shù)據(jù)，將S4～S1節(jié)段的3號、4號支撐千斤頂變更組裝為具有頂推千斤頂?shù)男问?。在?個行程啟動后，新增的頂推千斤頂在正常頂推中不使用。

為最大限度保證節(jié)段間不出現(xiàn)受拉情況，通過調(diào)整前后節(jié)段的頂推供油速度，使后部節(jié)段的頂推速度大于前部節(jié)段頂推速度。同時，在可能的情況下，將S8最前端的4組頂推千斤頂（1～4號軌道5號、6號千斤頂）中的2組或4組頂推油缸油路斷開，使S8總頂推力小于其后節(jié)段的頂推力。

4 結(jié)語

港珠澳大橋島隧工程預(yù)制沉管頂推施工采用多點頂推方案，實現(xiàn)了頂推軌道輕型化，不僅節(jié)約成本，還加快了預(yù)制場建設(shè)的進度。預(yù)制沉管多點頂推的關(guān)鍵在于采取可靠的措施控制接頭受剪和受拉不超過允許值，避免節(jié)段接頭剪力鍵或中埋式止水帶受損。施工過程中結(jié)合發(fā)現(xiàn)的問題，及時制定相應(yīng)的優(yōu)化措施，保證了沉管頂推施工的安全。

[1] 張曉東.橋梁頂推施工技術(shù)[J].公路，2003（9）：45-51.ZHANG Xiao-dong.Bridge jacking construction technology[J].Highway,2003(9)：45-51.

[2] 楊勇.多點連續(xù)頂推橋梁設(shè)計與施工[J].交通科技，2008（2）：4-6.YANG Yong.Design and construction ofmulti-point continuous pusher bridge[J].Transportation Science&Technology,2008(2)：4-6.

[3]中交股份聯(lián)合體港珠澳大橋島隧工程項目總經(jīng)理部.預(yù)制管節(jié)支撐與同步頂推系統(tǒng)招標文件[R].2011.General Manager of Project Dept.of Island and Tunnel Project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge JointVenture of China CommunicationsConstruction Co.,Ltd.Biddingdocumentsofprefabricated pipe jointsupportand synchronouspusher system[R].2011.

[4]唐杰林.橋梁頂推施工時滑道與滑板的改進方案[J].湖南交通科技，2004（3）：86-88.TANG Jie-lin.Improvement scheme of slipway and slipboard in bridge jacking construction[J].Hunan Communication Science and Technology,2004(3):86-88.