黔東南州沙坡大橋建造關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

蘇迎瑞,李金恒,李 剛

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410004)

我國西南地區(qū)高山峽谷綿延、場地狹小、河深水急、地形地質(zhì)條件復(fù)雜，春夏季常有大風(fēng)，在這樣的地區(qū)建橋有一定的困難。連續(xù)剛構(gòu)橋具有跨越能力大、行車舒適、無需大型支座、橫橋向抗扭剛度大、順橋向抗推剛度小、后期維護(hù)工作量小等特點(diǎn)，在西南地區(qū)越來越多的被采用。因其橋型特點(diǎn)，施工中往往伴隨跨線、高墩、大跨徑、線型控制等系列難題，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目概況

貴龍縱線二期工程是貴陽市貴龍城市經(jīng)濟(jì)帶路網(wǎng)規(guī)劃縱向干道，位于貴州省黔東南州龍里縣西區(qū)，其控制性工程沙坡大橋全長700 m，跨徑組合為(2×40 m)連續(xù)T梁+(50 m+3×85 m+50 m)連續(xù)剛構(gòu)+(40 m+65 m+40 m)連續(xù)剛構(gòu)+(3×40 m)連續(xù)T梁，橋梁全寬32 m，分左右幅，兩聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋采用雙肢薄壁墩(圖1)。結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境和橋型特點(diǎn)，綜合分析其施工重難點(diǎn)如下。

圖1 沙坡大橋橋型(單位：m)

(1)一橋跨四線、環(huán)境復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高。橋梁位于溝谷之中，從北向南依次跨越貴廣高鐵、滬昆鐵路、龍南鐵路和廈蓉高速4條東西走向的重要交通線路，建設(shè)期間不能中斷交通。既有線施工必須采取可靠措施，確保施工安全和鐵路、公路順利通行。

(2)柔性高墩、連續(xù)大跨度、施工難度大。主橋4#橋墩高達(dá)78.2 m，兩聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)橋首尾相接，柔性高墩、大跨連續(xù)梁在跨越多線的環(huán)境中技術(shù)措施要求更可靠，質(zhì)量控制難度更大，環(huán)境保護(hù)要求更高。

(3)設(shè)備眾多、交叉作業(yè)、組織管控難度大。現(xiàn)場布置10臺塔吊、4臺電梯、16套爬模、16套托架、24只掛籃、3套防護(hù)棚架等大型設(shè)備和臨時(shí)設(shè)施，如何實(shí)現(xiàn)資源有序組織、實(shí)施過程有效管控也是本項(xiàng)目的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2 總體施工方案

經(jīng)過充分研究設(shè)計(jì)文件和多次實(shí)地勘察，結(jié)合周邊資源情況，擬定總體施工方案如下：下部結(jié)構(gòu)采用多工作面分段、“大平行小流水”的施工方法，平行施工，重點(diǎn)投入，樁基礎(chǔ)采用沖擊鉆、旋挖鉆、人工水磨鉆相結(jié)合；高墩采用泵送混凝土液壓爬模分段澆注；0#塊采用型鋼斜撐懸臂式托架一次澆筑成型，懸臂段采用菱形掛籃懸臂澆筑，邊跨現(xiàn)澆直線段采用懸臂式三角托架施工，合龍段施工采用臨時(shí)鋼支撐鎖定，吊架法施工，從邊跨向中跨依次對稱合龍(圖2、表1)。

圖2 施工總平面

3 鄰近既有線高墩施工關(guān)鍵技術(shù)

沙坡大橋3#、4#墩鄰近滬昆鐵路，5#、6#墩鄰近龍南鐵路，8#墩鄰近貴都高速公路，經(jīng)比選分析，均采用半封閉式防墜落液壓爬模進(jìn)行墩身施工，并在既有線上設(shè)置防護(hù)棚。

表1 主要施工機(jī)械設(shè)備

3.1 半封閉式防墜落液壓爬模

該爬模系統(tǒng)基本組成分為預(yù)埋件系統(tǒng)、爬升系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、操作平臺系統(tǒng)。自爬模的頂升運(yùn)動通過液壓油缸對無縫鋼管導(dǎo)軌和爬架交替頂升來實(shí)現(xiàn)，無縫鋼管導(dǎo)軌從爬架下架體立桿中穿過，二者之間通過液壓千斤頂相互作用(圖3)。

圖3 半封閉式防墜落液壓爬模

施工流程：安裝埋件→澆筑混凝土→拔出錐銷拆模→安裝掛板并插入錐銷錨固→安裝爬架→安裝短邊安全橫梁及保險(xiǎn)楔、安裝圍圈端頭拉桿并加固→支模安裝埋件澆筑混凝土→拔出錐銷拆模→安裝掛板并插入錐銷錨固→安裝受力吊桿→爬升→循環(huán)作業(yè)。

半封閉式防墜落液壓爬模有如下顯著特點(diǎn)

(1)施工裝拆快捷，可有效縮短工期。

(2)模板強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好，脫模后混凝土表面平整度高、精度高。

(3)以液壓千斤頂為動力的新型提升設(shè)備,具有重量輕，體積小，操作簡便，使用靈活，起重量大，提升高度高等特點(diǎn)。

(4)采用自鎖系統(tǒng)，內(nèi)置卸壓閥防止過載，在除去油壓時(shí)仍可支持重物，使負(fù)載更安全，模板四邊安裝防墜保險(xiǎn)楔緊貼墩身墻面，依靠保險(xiǎn)楔與墩身墻面之間產(chǎn)生的摩擦力起到安全防護(hù)作用。

(5)液壓爬模施工安全可靠，特別是鄰近既有線、旁邊鄰近建筑物施工，避免高空吊、拼模板，安全施工進(jìn)一步保障。

3.1.1 爬模計(jì)算

爬模計(jì)算的主要內(nèi)容包括以下5點(diǎn)：

(1)計(jì)算模板自重及施工活載作用在架體上，架體各部件的強(qiáng)度、剛度，預(yù)埋件的強(qiáng)度是否足夠。

(2)主平臺架穩(wěn)定性驗(yàn)算。

(3)主三角架穩(wěn)定性驗(yàn)算。

(4)圍圈桁架計(jì)算。

(5)模板受力計(jì)算。

計(jì)算采用MIDAS Civil有限元計(jì)算軟件，分施工、爬升、停工三種工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型和部分計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 施工工況應(yīng)力(單位：N/mm2)

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，爬模的爬架、鋼模板(面板、豎肋、背肋)、拉錨桿、爬錐等構(gòu)件均能滿足規(guī)范要求，爬模結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.1.2 既有線防護(hù)

3#～6#、8#墩鄰近鐵路、高速既有線，采取設(shè)置硬性隔離網(wǎng)、搭設(shè)防護(hù)棚架、交通組織分流的防護(hù)方案，施工中充分做好組織協(xié)調(diào)工作，使之與相關(guān)鐵路、公路間的干擾降至最低(圖5)。

圖5 跨龍南鐵路防護(hù)棚

3.1.3 墩間系梁異步施工

沙坡大橋3#～6#主墩采用雙肢墩，在墩柱半腰處由一道中系梁連接，中系梁截面尺寸6.5 m×5 m×1.8 m。采用墩身、系梁同步施工需對爬模進(jìn)行改造，投入大、耗時(shí)長，異步施工采用在墩柱上預(yù)留鋼箱孔，爬模模板拆除后搭設(shè)支撐平臺施工系梁。墩肢爬模不受系梁影響可以一次性爬升到位，減少了拼裝及模板周轉(zhuǎn)，保障高墩施工的外觀質(zhì)量，同時(shí)又加快了高墩施工的速度，有良好的經(jīng)濟(jì)效益(圖6)。

圖6 墩間系梁異步施工

3.2 鄰近既有線0#塊施工技術(shù)

沙坡大橋3#～6#、8#、9#墩均為臨近既有線高墩，3#～6#墩0#塊混凝土量357 m3，8#、9#墩0#塊混凝土量233 m3，均采用托架法一次澆筑成形。

3.2.1 托架設(shè)計(jì)

托架采用2I36b作主梁，與墩柱內(nèi)預(yù)埋鋼板焊接，下加斜撐形成三角托架體系，兩側(cè)翼緣板采用鋼管支架支撐(圖7)。

圖7 0#托架結(jié)構(gòu)

3.2.2 托架預(yù)壓

0#塊托架預(yù)壓模擬箱梁荷載分布情況分區(qū)進(jìn)行加載，直腹板部分采用在承臺內(nèi)埋設(shè)JL32精軋螺紋鋼筋，用φs15.2鋼絞線與設(shè)置在托架腹板位置的千斤頂連接，通過張拉反壓來模擬加載，頂?shù)装寮耙砭壊糠植捎娩摻畹榷演d預(yù)壓，按結(jié)構(gòu)總重的1.2倍分級加載(表3)。

3.2.3 托架計(jì)算

根據(jù)0#塊荷載分析，采用Midas civil建立托架計(jì)算模型，分別對托架各構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算分析(圖8、表4)。

表3 0#塊預(yù)壓部分分解

圖8 0#托架計(jì)算模型

表4 托架主要構(gòu)件計(jì)算應(yīng)力

并對托架各構(gòu)件撓度、穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，綜合模板和鋼管支架計(jì)算結(jié)果，托架各構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

4 跨既有線掛籃懸澆施工關(guān)鍵技術(shù)研究

沙坡大橋箱梁采用菱形掛籃懸澆施工，3#～6#每個(gè)墩上懸澆箱梁分10個(gè)節(jié)段施工，8#、9#墩分7個(gè)節(jié)段施工，全橋計(jì)劃投入12套掛籃施工，左右幅的掛籃懸澆錯(cuò)開2～3個(gè)節(jié)段。

4.1 掛籃

掛籃采用專業(yè)制造單位研制加工的先進(jìn)成套掛籃，包括主桁系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)和行走系統(tǒng)。桁架是掛籃的主要受力結(jié)構(gòu)，由2榀菱形主桁架、橫向聯(lián)結(jié)系組成。2榀主桁架中心間距為7.2 m，中心高4.0 m，每榀桁架前后節(jié)點(diǎn)間距均為5.0 m，總長10.3 m。其由底模板、縱梁和前后橫梁組成，底模板采用大塊鋼模板。底模前后橫梁各設(shè)8個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)均采用Φ32 mm精軋螺紋鋼筋。錨固系統(tǒng)設(shè)在2榀主桁架的后節(jié)點(diǎn)上，共2組，每組錨固系統(tǒng)包括2根后錨上扁擔(dān)梁、4根預(yù)埋精軋螺紋鋼筋。走行系統(tǒng)包括墊梁、軌道、前支座、后支座、內(nèi)外走行梁、滾輪架、牽引設(shè)備(圖9)。

圖9 菱形掛籃施工1#節(jié)段

4.2 掛籃安全防護(hù)

為確保掛籃懸澆施工和鐵路、公路行車安全，結(jié)合菱形掛籃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對掛籃采用全封閉防護(hù)。將掛籃底面、前面、兩側(cè)面全部封閉，對已澆筑節(jié)段掛籃后錨范圍內(nèi)進(jìn)行全封閉，防止節(jié)段施工及掛籃走行期間雜物或構(gòu)件掉落到路面，對既有線路造成行車安全(圖10)。

圖10 掛籃側(cè)面全封閉防護(hù)示意

4.3 掛籃預(yù)壓

通過模擬掛籃在懸臂施工時(shí)的加載過程來分析、驗(yàn)證掛籃主桁片及其附屬結(jié)構(gòu)的彈性變形，消除其非彈性變形，通過其規(guī)律來指導(dǎo)掛籃施工中模板的預(yù)拱度值及其混凝土分層澆注的順序。

采用千斤頂反張拉方式進(jìn)行掛籃預(yù)壓，模擬掛籃前吊桿合力值達(dá)到各澆筑節(jié)段工況下吊桿出現(xiàn)的最大合力值。預(yù)壓過程按理論計(jì)算反拉力的10 %、50 %、100 %、120 %分級張拉，按100 %、50 %、10 %、空載分級卸載，并同步測量掛籃各測點(diǎn)變形情況。掛籃測點(diǎn)布置于主桁后錨、主桁前支點(diǎn)、主桁前上橫梁位置、掛籃底籃前托梁等位置。

掛籃拼裝完成后，在掛籃底籃上及承臺頂各設(shè)置一組橫向分配梁，對應(yīng)于掛籃左右主桁架位置分別設(shè)置一束鋼絞線，鋼絞線下端與承臺頂分配梁錨固，上端設(shè)置張拉千斤頂，形成反張拉結(jié)構(gòu)體系。通過鋼絞線張拉，張拉力由掛籃底籃上分配梁傳遞至掛籃底縱梁，再由掛籃底縱梁傳遞至掛籃底籃前托梁，最后傳遞至掛籃前吊桿系統(tǒng)及主桁系統(tǒng)(圖11)。

圖11 掛籃預(yù)壓布置

4.4 掛籃計(jì)算

根據(jù)掛籃構(gòu)件承載部位和箱梁截面特點(diǎn)，經(jīng)比較分析選取受力最不利節(jié)段1#、4#和7#塊為計(jì)算節(jié)段，分節(jié)段混凝土澆筑工況和掛籃走行工況，分別校核兩種工況下掛籃相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性(圖12、圖13)。

圖12 后橫梁加載及應(yīng)力

圖13 菱形桁片加載及應(yīng)力

經(jīng)計(jì)算分析得出結(jié)論如下：

(1)底籃縱梁、底籃橫梁、內(nèi)外導(dǎo)梁及前上橫梁在掛籃澆筑狀態(tài)下，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

(2)主桁及其后錨固系統(tǒng)在混凝土澆筑狀態(tài)受力滿足規(guī)范要求，后錨筋抗傾覆安全系數(shù)大于2。

(3)在掛籃走行工況下，底籃橫梁、內(nèi)外導(dǎo)梁、軌道及滿足受力均滿足規(guī)范要求，軌道后錨筋在走行狀態(tài)下抗傾覆安全系數(shù)大于2。

(4)掛籃吊桿在混凝土澆筑和走行工況下受力滿足規(guī)范要求，各部分銷軸抗剪滿足規(guī)范要求。

(5)掛籃前端總變形量(含吊桿)為20 mm，滿足規(guī)范要求。

5 BIM技術(shù)應(yīng)用

利用BIM技術(shù)建立包含沙坡大橋、三條鐵路、一條公路及橋位處地形地貌等綜合模型，對高墩施工、掛籃走行等過程進(jìn)行動態(tài)演練，進(jìn)行可視化交底和指導(dǎo)現(xiàn)場施工(圖14)。

圖14 沙坡大橋BIM模型

6 研究成效

通過對貴龍縱線沙坡大橋橋梁大型臨時(shí)設(shè)施布置方案優(yōu)化、鄰近鐵路、高速公路的高墩、0#塊施工，跨越鐵路、公路的掛籃懸澆施工及安全技術(shù)措施、安全應(yīng)急管理等關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了一系列現(xiàn)場復(fù)雜的技術(shù)和安全管理難題，經(jīng)濟(jì)效益顯著。半封閉式防墜落液壓爬模及防護(hù)棚綜合技術(shù)解決了鄰近既有線高墩施工難題，全部鄰近既有線橋梁提前一個(gè)月完成了全部既有線墩身施工，安全高效；0#塊采用組合式壓重技術(shù)解決了高墩壓重吊裝復(fù)雜、效率低、周期長等技術(shù)難點(diǎn)，單個(gè)橋墩較常規(guī)的砂袋壓重縮短一周時(shí)間，全橋12個(gè)0#塊合計(jì)節(jié)約時(shí)間84 d；采用全封閉式掛籃、防護(hù)棚組合式防護(hù)，掛籃走行選擇要點(diǎn)施工，既保障了鐵路、高速公路正常運(yùn)營，也為正常施工創(chuàng)造了條件，保證了懸澆施工安全、有序，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

7 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對交通建設(shè)的要求越來越高，尤其對西南地區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)而言，交通已成為制約這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，對該地區(qū)常用薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋型施工關(guān)鍵技術(shù)的深入研究有現(xiàn)實(shí)而深遠(yuǎn)的意義。沙坡大橋以其一橋跨四線的顯著特點(diǎn)，兼具環(huán)境復(fù)雜、柔性高墩、多跨長橋、跨線防護(hù)等諸多特點(diǎn)，是該類橋梁的典型代表。通過對沙坡大橋前述施工關(guān)鍵技術(shù)的研究及成功應(yīng)用，為后續(xù)類似橋梁在高墩大跨和既有線施工等方面提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒，具有很好的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。