鄭萬鐵路跨南水北調干渠鋼管拱全自動豎轉技術

李惠民

（中鐵十八局集團第二工程有限公司 河北唐山 064000）

1 工程概況

鄭萬鐵路河南段張良鎮跨南水北調干渠特大橋主橋采用（74+160+74）m預應力混凝土連續梁與鋼管混凝土加勁拱肋組合結構體系，主梁采用預應力混凝土連續梁，立面位于6‰縱坡上，吊桿與梁面垂直，吊桿順橋向間距為9 m，兩道拱肋共設置15對雙吊桿 （見圖1）。

圖1 橋型布置

鋼管拱軸線采用二次拋物線，計算跨徑L＝160 m，計算矢高f＝32 m，矢跨比1／5。橫橋向設置兩道拱肋，拱肋中心距為11.8 m。施工矢高f＝32.12 m，拱肋采用外徑φ1 000 mm、壁厚16 mm的鋼管混凝土啞鈴型截面，上下兩鋼管中心距為2.0 m，拱肋截面全高3.0 m。拱肋上下鋼管之間連接綴板為厚度16 mm鋼板，拱肋之間共設9道空間桁架式橫撐，橫撐采用4根φ450×12 mm主鋼管和32根φ250×10 mm鋼管（見圖2）。

圖2 拱肋、橫撐截面（單位：mm）

2 鋼管拱肋施工方案選擇

傳統的鋼管拱橋主拱的施工方法歸納為纜索吊裝法、水平轉體施工法、滿堂支架法、豎向轉體施工法四種。

2.1 纜索吊裝法

采用纜索吊裝的方法為原擬采用的方法，原設計將主跨分5節段吊裝合龍，每段吊裝重約65 t。由工廠預制水運到位，天線起吊，塔機定位。該方法的施工工藝比較成熟，但需要大跨度、大噸位的纜機，造價較高，且受橋尾場地所限。

2.2 水平轉體施工法

水平轉體法施工與該橋結構形式不相適應，且施工采用先梁后拱順序；如鋼管拱采用水平轉體，無平衡重墩，無法實施。

2.3 滿堂支架法

滿堂支架法施工需要大量的支架材料，造價高，現場拼焊易受外界因素的影響，主拱的質量無法得到保證，且工期長；南水北調干渠是國家重點輸水干渠，對水質的要求非常高，干渠采取封閉式管理，任何在干渠空間范圍內的施工作業都極易污染干渠水源，后果不堪設想。最終放棄此施工方法。

2.4 豎向轉體施工法

通過專家論證，豎向轉體施工可以克服上述方法的不足，是一種可行的方法。目前，國內采用豎向轉體施工的拱橋有三峽、蓮沱等大橋。鄭萬鐵路跨南水北調干渠鋼管拱主拱的噸位大（半拱275 t），預制的鋼管拱肋在內場加工并預拼完成后，解體由汽車運輸至工地現場，在已完成的主橋預應力混凝土連續梁梁面進行拼裝，拼裝完成后再進行豎向轉體施工。本次豎向轉體施工采用了目前國內最先進的全自動同步豎轉提升液壓設備及主塔架實時應力監測技術，目前在國內尚屬首次。

3 鋼管拱豎轉施工方案

3.1 鋼管拱豎向轉體方案設計

豎轉系統由豎轉主塔、起重索、平衡索（用于平衡起重索塔頂水平力）、起重動力系統、纜風繩組成。豎轉起重動力設置于邊跨箱梁底板下。在大小里程主墩連續梁0#塊上安裝豎轉塔架，塔頂設索鞍［1］，如圖 3。

圖3 豎轉施工示意

豎轉主塔立柱標準節采用 ?530×10+底節?630×10鋼管，平聯采用?329鋼管焊接。豎轉主塔位于拱座內側，塔高48 m，截面為3.2 m×2.5 m。每個塔柱由4節組成，節間用法蘭連結。起重索采用?15.24＼1 860級高強度低松弛預應力鋼絞線［2］。根據起重索計算索力豎轉起重索19根／束，平衡索5根／束。

主拱豎轉施工采用液壓同步起重技術［3］。計算機控制液壓同步起重系統由控制系統、承重系統、動力系統等組成。為了提高構件的安全性，在每臺起重頂的進油油路都布置了油壓傳感器，實時監測每臺起重頂的載荷變化情況。在起重過程中，計算機通過監測每臺頂的載荷變化情況，準確地協調整個起重系統的載荷分配。如果起重頂的載荷有異常突變，則計算機會自動停機，并報警示意。

3.2 鋼管拱豎轉施工工藝

橋上拼裝完成的兩個半拱，豎轉角度為20.2°（鄭州半拱）和15.0°（萬州半拱）。豎轉施工順序:先豎轉萬州端再豎轉鄭州端，內設導向裝置導向合龍，留龍口不設合龍段［4］，龍口為20 mm寬焊縫。為保證豎轉過程中對已完成的連續梁不產生影響，連續梁梁端加配重（3 450 kN）。

3.2.1 豎轉主塔搭設

豎轉主塔搭設采用橋上50 t吊車配合塔吊起吊，人工連接節間法蘭螺栓，用扭力扳手緊固螺栓達到額定扭力。

為確保拼裝過程豎轉主塔的穩定，在塔架立柱二級橫撐位置設置臨時纜風繩。塔頂設永久纜風繩，大小里程側主塔之間設壓塔索。纜風繩采用φ22 mm鋼絲繩，壓塔索采用鋼絞線。

3.2.2 吊索具連接安裝

安裝順序:前纜風繩安裝—壓塔索—平衡索安裝—起重索安裝。

起重索鋼絞線在連續梁梁面進行下料和編號，先將起重索的前端與扣點吊具連接，塔吊配合用卷揚機牽引起重索逐根放入塔頂鞍座中［5］，然后將起重索末端穿入同步千斤頂中。牽引過程中應防止鋼絞線束扭轉，索鞍處鋼絞線單層擺放，鋼絞線必須有序穿入千斤頂內，并對鋼絞線束進行疏導，確保鋼絞線順直。

3.2.3 起重索預緊

為使整束起重索各鋼絞線受力均衡，用YDC240Q單根千斤頂對扣索鋼絞線逐根進行預緊，確保豎轉時各根鋼絞線受力均勻。平衡索、起重索的預緊應同步進行，以保證前后鋼索對鋼塔提供基本對等的張拉力。

在豎轉塔上設置傾斜觀測表，并標明刻度，利用經緯儀觀測控制表，然后利用千斤頂對鋼絞線進行預緊，觀測鋼塔頂部位移，利用平衡索千斤頂預緊鋼絞線，調整鋼塔側傾狀態。

3.2.4 豎轉測量與應力控制

（1）測量控制網布設

鋼管拱豎轉共布置4個觀測站組成控制網［6］。分別位于小里程墩位、大里程墩位左右側約200 m處。

塔頂及鋼管拱前端共布置8個控制點，主要監控鋼管拱豎轉階段、合龍階段合龍口處拱的標高、拱軸線偏差及塔架位移和扭轉情況，為及時調整平衡索確保塔架豎直度提供數據支持［7］。各觀測站所有數據報指揮室數據分析師，分析師對數據進行整理分析，并將分析結果及時反饋總指揮。

（2）應力監測控制

主塔立柱的底部、中部及頂部安裝了外貼式應變片［8］，每個塔架上安裝了48個應變片；在起重索收緊之前，將所有應變片位置所受荷載情況進行檢測，并在豎轉過程中實時檢測塔架立柱的荷載變化情況，確保豎轉過程塔架結構受力安全。

3.2.5 試轉

啟動同步液壓起重系統收緊牽引索逐級增加牽引力，直至主拱脫離拼裝支墩30 cm。同時觀察豎轉主塔頂端位移，適時調整主塔平衡索，使豎轉主塔保持豎直。靜停12 h，安排專人對塔頂進行檢查，無異常后，進行正式豎轉施工［9-10］。試轉過程中密切觀察豎轉主塔頂端位移和豎轉主塔變形，如出現異常查清原因后處理；試轉過程中時刻監控鋼拱線形和內力變化。

3.2.6 豎轉、合龍

（1）豎轉作業

首先，大里程側鋼管拱起重索同步張拉至臨界最大豎轉索力1 667 kN，鋼管拱前端緩慢向上產生位移；然后，測量控制組對左右鋼管拱前端高差、塔架豎直度進行觀測，應力觀測組對豎轉的鋼管拱及塔架進行應力檢測。

各觀測站所有數據報指揮室數據分析師，分析師對數據進行整理分析，并將分析結果及時反饋總指揮，如無異常情況，繼續進行下一張拉行程的豎轉。豎轉完成后，重復測量及分析。如豎轉過程中鋼管拱前端左右兩側相對高差大于20 mm，及時調整相對標高較低的起重索的索力，使鋼管拱前端左右兩側相對高差滿足規范要求［11］。

重復上述操作，直至先將大里程側鋼管拱豎轉至設計標高+2200 mm，然后小里程側鋼拱提升至設計高度+500 mm處；回轉下放大里程側鋼拱，使大小里程的鋼管拱處于同一標高，過程中要隨時調整塔架豎直度。

（2）合龍施工

首先，大小里程兩拱肋下放前，測量控制組提供數據調整拱肋左右兩側的前端標高（拱肋左右兩側的前端標高誤差0～+20 mm；相對誤差不大于5 mm），調整拱軸線偏位（合龍對應兩弦管相對誤差20 mm）。

將4臺全自動液壓設備調整為同步控制，同步下放兩半拱，且下放速度為2 mm／s，每同步下放6 mm停頓一次，并安排專人在合龍口位置檢查和量測合龍口的變化、軸線的偏差及相互間的相對高差變化。無異常情況，重復操作至合龍口之間相距50 mm左右，停止同步控制系統，采用單側鋼管拱單束起重索點動對接，每次點動位移量不超過4 mm，嚴防回轉下放量過大，造成兩半拱相撞，釀成事故［12］。下放至設計高度，測量控制組檢查合龍標高、拱軸線偏位及拱圈的線形；各檢測數據符合要求后，在龍口焊接臨時碼板定位。另在溫度10℃～18℃依次焊接龍口焊縫及拱腳處鑲補段。

鋼管拱焊接完成后，按20%為一級，分級松放起重索，同時調整塔架頂位移，直至起重索拉力回零。拆除塔架、筑拱腳固結混凝土。

4 注意事項

（1）起重前要對起重裝置的液壓系統、電路系統、錨夾具系統、控制與顯示系統、鋼絞線、鋼塔轉軸及后備索系統進行全面細致檢查，并記錄于表。

（2）由于合龍觀測精度要求較高，為減小不同觀測站之間的觀測相對誤差，在能通視的情況下，盡可能用同一臺儀器觀測合龍口四個控制點。

（3）鋼絞線施工穿束時必須編束，按順序通過塔頂索鞍及千斤頂。

（4）由于轉體索需經過塔頂的轉向鞍座，塔頂必須安排專人對鞍座與鋼絞線接觸位置涂抹黃油潤滑，減小摩擦阻力及防止鋼絞線跳槽。

（5）豎轉到位后，回轉過程中，由于主塔塔架頂部受力平衡體系的方向會突然發生反向，必須采用點動回轉并實時觀測塔架偏移情況，及時調整塔架背索，使之保持豎直狀態。

5 結束語

鄭萬鐵路跨南水北調干渠鋼管拱豎轉施工采用了目前先進的全自動同步起重豎轉施工技術及主塔架應力實時監測技術。施工實踐證明，這是一項安全、高效、低成本的施工方法，本技術的成功應用可為今后國內類似的橋梁施工提供依據和參考。