武漢楊泗港雙層鋼桁梁懸索橋施工技術(shù)

何加江

(中國(guó)中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430050)

1 工程概況

武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋[1]主航道橋?yàn)橹骺? 700 m的單跨懸吊鋼桁梁懸索橋，主桁為帶豎桿的華倫式桁架。主纜跨度布置為465 m+1 700 m+465 m，邊主跨比0.274，主跨矢跨比1/9。主跨跨度位于國(guó)內(nèi)第一、世界第二，是世界上跨度最大、功能最齊全的雙層公路懸索橋。主橋立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 楊泗港長(zhǎng)江大橋立面布置圖(單位：cm)

主塔1、2號(hào)墩均采用沉井基礎(chǔ)，平面尺寸為77.2 m×40.0 m。1號(hào)塔沉井位于漢陽(yáng)江灘邊坡上，距離大堤僅50 m左右，沉井高38 m，其中底部8 m為鋼殼混凝土、上部30 m為鋼筋混凝土，下沉需穿過(guò)厚度0.5～6.2 m的硬塑黏土層；2號(hào)塔沉井位于武昌側(cè)水域，洪水期水深近25 m，沉井高50 m，其中底部28 m為鋼殼混凝土，上部22 m為鋼筋混凝土，下沉需穿過(guò)1.8～10.8 m的硬塑黏土層。主塔采用C60高強(qiáng)混凝土，1號(hào)塔塔高231.9 m，2號(hào)塔塔高243.9 m。

錨碇基礎(chǔ)采用外徑98 m、壁厚1.5 m的圓形地下連續(xù)墻加環(huán)形鋼筋混凝土內(nèi)襯支護(hù)結(jié)構(gòu)，北錨地連墻深59 m，南錨地連墻深66 m，開(kāi)挖深度均為39 m。

主橋共2根主纜，每根主纜由271根索股組成，每根索股由91絲直徑為6.2 mm、抗拉強(qiáng)度1 960 MPa的鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲組成。吊索與索夾為騎跨式連接，與加勁梁為銷(xiāo)接式連接，索夾采用左右兩半的結(jié)構(gòu)形式，用M52高強(qiáng)螺桿連接緊固。加勁梁采用全焊鋼桁梁，桁高為10 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)36 m，總質(zhì)量約1 000 t。

2 主橋總體施工方案

本項(xiàng)目總體施工方案見(jiàn)表1。

表1 主要施工方案簡(jiǎn)述

3 主橋施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 沉井與大堤間“C”形防護(hù)技術(shù)

1號(hào)墩沉井施工過(guò)程中為了保障漢陽(yáng)岸大堤的安全，在大堤與沉井之間設(shè)防護(hù)樁結(jié)構(gòu)，防護(hù)結(jié)構(gòu)平面呈“C”字形，包括長(zhǎng)邊防護(hù)樁及2排短邊防護(hù)樁，2排短邊防護(hù)樁呈圓弧狀結(jié)構(gòu)。 “C”形防護(hù)有效增強(qiáng)各防護(hù)樁的整體剛度，減小其變形量，短邊防樁均不設(shè)置內(nèi)支撐或者錨拉結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有臨邊施工時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)不易設(shè)置內(nèi)支撐的問(wèn)題，從而降低了防護(hù)施工難度；對(duì)于2個(gè)短邊防護(hù)部圓弧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的徑向力，則可以通過(guò)各咬合樁承受。“C”形防護(hù)見(jiàn)圖2。

圖2 “C”形防護(hù)圖

3.2 大型沉井多角度移動(dòng)氣囊法下河技術(shù)

2號(hào)墩沉井鋼殼采用氣囊法整體下水[2]，2號(hào)墩23 m底節(jié)鋼沉井質(zhì)量約6 200 t，平面尺寸為77.2 m×40 m，若不考慮助浮措施，沉井吃水約6 m，而沉井加工場(chǎng)地至墩位浮運(yùn)線(xiàn)路，航道保證水深僅3.5 m，沉井自重吃水深度大于航道保證水深，沉井浮運(yùn)時(shí)需采取助浮措施。且既有加工場(chǎng)地不正對(duì)河口，在鋼殼沉井下河過(guò)程中，需要對(duì)沉井進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向。為解決以上問(wèn)題，創(chuàng)新使用底托架結(jié)構(gòu)，通過(guò)縱梁、橫梁、底托板及止水系統(tǒng)構(gòu)成封閉底托架結(jié)構(gòu)，一體化設(shè)計(jì)下河滑道和助浮措施。通過(guò)沉井下河地壟、后拉纜系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向氣囊布置對(duì)底節(jié)沉井進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向；對(duì)沉井下河過(guò)程進(jìn)行連續(xù)化理論推導(dǎo)，得出沉井下河過(guò)程中最大氣囊受力、最大吃水深度及其范圍、最大滑行距離等關(guān)鍵參數(shù)，形成大型沉井氣囊法多角度平面轉(zhuǎn)向下河施工技術(shù)，有效解決了沉井氣囊法主動(dòng)轉(zhuǎn)向下水和浮運(yùn)航道水深不足的問(wèn)題。鋼沉井下水前平轉(zhuǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 鋼沉井下水前平轉(zhuǎn)圖

3.3 深厚硬塑黏土層條件下沉井下沉技術(shù)

1號(hào)塔沉井位于漢陽(yáng)江灘邊坡上，沉井高38 m，入土深度38 m，下沉需穿過(guò)厚度0.5～6.2 m的硬塑黏土層；2號(hào)塔沉井位于武昌側(cè)水域，沉井高50 m，入土深度47 m，下沉需穿過(guò)1.8～10.8 m的硬塑黏土層。沉井在超厚黏土層中下沉施工困難，相關(guān)研究和工程實(shí)例較少，無(wú)現(xiàn)成設(shè)備可用，需要開(kāi)展專(zhuān)題研究。

針對(duì)本橋沉井下沉需穿過(guò)超厚硬塑黏土層的特點(diǎn)，通過(guò)新型潛水挖泥機(jī)研制，開(kāi)展多種取土工藝試驗(yàn)，爆破工法研究，以及創(chuàng)新空氣幕助沉措施，最終形成沉井硬塑黏土層井孔區(qū)域采用空氣吸泥機(jī)+潛水挖泥機(jī)+高壓射水取土；刃腳盲區(qū)采用水下爆破+彎頭吸泥，輔以空氣幕輔助下沉措施[3]，最終2個(gè)主塔墩沉井均安全平穩(wěn)下沉到位，且下沉精度高，其中1號(hào)塔沉井任意方向的偏位小于1/247，扭轉(zhuǎn)角0.09°；2號(hào)塔沉井任意方向的偏位小于1/248，扭轉(zhuǎn)角0.105°，均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)院偏差不大于1/150，扭轉(zhuǎn)角小于1°的要求，為超厚硬塑黏土層中沉井下沉提供了良好的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

3.4 超大規(guī)模地連墻錨碇施工技術(shù)

北錨碇位于中心城區(qū)，毗鄰長(zhǎng)江大堤和高層建筑群，環(huán)保要求高，安全風(fēng)險(xiǎn)大；南錨碇位于長(zhǎng)江防洪堤以?xún)?nèi)，且施工過(guò)程經(jīng)歷長(zhǎng)江汛期，豐水期承壓水位20.4～22.8 m。地連墻深度大，接頭質(zhì)量要求高，基坑開(kāi)挖水位高、土方量大，對(duì)基坑防滲、快速取土均有較高要求，需對(duì)錨碇地連墻接頭及止水施工工藝和大面積深基坑土方開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)鉆、挖、銑聯(lián)合成槽、預(yù)留導(dǎo)向槽等措施提高成槽效率；通過(guò)銑接頭、墻底壓漿、接縫旋噴形成三重止水措施，確保基坑不漏水。

北錨碇采用沖吸泥取土方式，減小了渣土外運(yùn)對(duì)中心城區(qū)的環(huán)境影響；南錨采用自制提升架+履帶吊機(jī)取土的方案，節(jié)約了成本、工期。

3.5 C60高強(qiáng)混凝土超高主塔施工技術(shù)

C60混凝土為目前國(guó)內(nèi)橋梁塔柱用最高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，通過(guò)對(duì)高塔柱施工的研究與方案優(yōu)化，采用優(yōu)化C60配合比、“一泵到頂”混凝土運(yùn)送技術(shù)，兼顧了工作泵送性能，控制原材質(zhì)量，通過(guò)采用備用泵管，減少高空泵管維護(hù)工作，減少了泵送設(shè)備投入，保證了施工連續(xù)性，具備較好的經(jīng)濟(jì)性。其中2號(hào)塔塔柱于2017年12月27日順利封頂，施工僅用時(shí)300 d，創(chuàng)造了0.8 m/d的塔柱施工新紀(jì)錄，對(duì)高塔柱快速施工極具推廣應(yīng)用價(jià)值。

將支架預(yù)壓放置在地面提高預(yù)壓效率，采用灌漿料完成牛腿縫隙灌注，支架采用桁片分片吊裝快速完成安裝，支架拆除采用卷?yè)P(yáng)機(jī)整體下放，提高拆除效率，降低高空風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 超大跨貓道快速安裝技術(shù)

該項(xiàng)目采用三跨連續(xù)式貓道，塔頂預(yù)埋件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。利用直徑26 mm貓道扶手索作為先導(dǎo)索，拖輪牽引過(guò)江施工實(shí)現(xiàn)下游側(cè)先導(dǎo)索架設(shè)，上游先導(dǎo)索依附于下游先導(dǎo)索牽引循環(huán)，采用吊繩法+塔頂橫移的施工方式進(jìn)行架設(shè)。貓道承重索、門(mén)架支撐索、牽引索的架設(shè)采用托架法進(jìn)行施工。先導(dǎo)索橫移現(xiàn)場(chǎng)施工見(jiàn)圖4，貓道架設(shè)現(xiàn)場(chǎng)施工見(jiàn)圖5。

圖4 吊繩+塔頂橫移架設(shè)上游先導(dǎo)索

圖5 托架法架設(shè)貓道索

中跨側(cè)貓道面網(wǎng)單元從塔頂向跨中方向鋪設(shè)，塔頂卷?yè)P(yáng)機(jī)反拉，底板構(gòu)件及配重沙袋配合面網(wǎng)單元同步下放提供下滑力。邊跨側(cè)貓道面網(wǎng)單元和底板構(gòu)件從錨碇向塔頂鋪設(shè)，利用塔頂卷?yè)P(yáng)機(jī)提供牽引力，散索鞍門(mén)架頂面卷?yè)P(yáng)機(jī)提供反拉力。側(cè)網(wǎng)及側(cè)網(wǎng)立柱桿件固定在面網(wǎng)上同步下放，邊跨橫向天橋提前組拼，定點(diǎn)垂直起吊，面網(wǎng)完成后，施工人員進(jìn)行貓道側(cè)網(wǎng)、索股滾輪安裝。貓道面網(wǎng)下放現(xiàn)場(chǎng)施工見(jiàn)圖6。

圖6 大節(jié)段面網(wǎng)下放

先導(dǎo)索采用拖輪牽引過(guò)江+橫移法架設(shè)，減少了航道占用時(shí)間；采用托架法進(jìn)行貓道索架設(shè)施工，相對(duì)基準(zhǔn)索法精確控制貓道索線(xiàn)形，提高貓道架設(shè)效率。在大跨徑懸索橋中具推廣應(yīng)用價(jià)值。

3.7 超大跨徑主纜索股快速架設(shè)技術(shù)

本橋采用上下游獨(dú)立的“雙線(xiàn)往復(fù)式牽引系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)主纜索股快速架設(shè)，創(chuàng)造了單側(cè)單日架設(shè)6根索股的最高記錄，僅用82 d就完成了單側(cè)271根主纜索股架設(shè)。牽引區(qū)放索區(qū)布置見(jiàn)圖7。

圖7 牽引區(qū)放索區(qū)布置

在傳統(tǒng)平面小循環(huán)牽引系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在單側(cè)貓道上增設(shè)1條索股架設(shè)通道，同時(shí)增設(shè)1臺(tái)拽拉器，規(guī)避了牽引系統(tǒng)在索股架設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)“空程”，使索股架設(shè)無(wú)間斷連續(xù)施工；在塔頂門(mén)架和散索鞍支墩門(mén)架頂設(shè)置2套索股橫移裝置，加快索股橫移施工速度，從而提高主纜索股架設(shè)的整體效率。本橋采用的“雙線(xiàn)往復(fù)式牽引系統(tǒng)”單側(cè)設(shè)置2臺(tái)牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)，取消平衡重支架，通過(guò)2臺(tái)牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)交替主、被動(dòng)牽引，規(guī)避了以往索股架設(shè)過(guò)程中單臺(tái)牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)持續(xù)大載荷工作時(shí)間長(zhǎng)、故障率高的問(wèn)題；同時(shí)，將單側(cè)牽引系統(tǒng)的牽引區(qū)和放索區(qū)設(shè)置在同一側(cè)，充分利用既有場(chǎng)地，便于管理。

3.8 大型纜載吊機(jī)研制及快速安裝技術(shù)

研制質(zhì)量為900 t纜載吊機(jī)，改進(jìn)吊機(jī)走行方式，將牽引方式由千斤頂牽引改為卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，提高走行效率，防止走行過(guò)程中下滑風(fēng)險(xiǎn)；研究多點(diǎn)同步提升技術(shù)，確保提升過(guò)程中各吊點(diǎn)受力均勻，確保安全可控；研究了可帶載調(diào)整吊具，便于調(diào)整梁段重心，提高吊機(jī)與梁段連接效率，梁段提升到位后，可利用吊具微調(diào)梁段縱向位置，提高鋼梁安裝效率。纜載吊機(jī)吊裝斷面布置見(jiàn)圖8。

圖8 纜載吊機(jī)吊裝斷面布置

纜載吊機(jī)單臺(tái)質(zhì)量達(dá)300 t，為確保纜載吊機(jī)快速化安裝和纜載吊機(jī)大噸位部件的吊裝安全，改進(jìn)了塔頂門(mén)架結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的塔頂門(mén)架靠橋軸線(xiàn)側(cè)主桁橫移至上橫梁，將單臺(tái)900 t液壓纜載吊機(jī)分3吊完成安裝，將同時(shí)起吊的走行機(jī)構(gòu)和負(fù)重梁由“蕩移就位”改為“橫移就位”，在主纜架設(shè)完成后，避免了對(duì)傳統(tǒng)塔頂門(mén)架的大量改制，減小了工序轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高了吊裝的安全性。

纜載吊機(jī)分為三部分起吊安裝，包括2套走行機(jī)構(gòu)+負(fù)重梁(質(zhì)量75 t)以及1套主桁+牽引收放裝置等(質(zhì)量120 t)。主纜架設(shè)完成后，利用主索鞍吊裝的起重系統(tǒng)起吊走行機(jī)構(gòu)+負(fù)重梁，橫移就位；待2套走行機(jī)構(gòu)+負(fù)重梁均吊裝完成，上、下游門(mén)架抬吊主桁+牽引收放裝置，采用“保險(xiǎn)銷(xiāo)”和“壓入式鋼銷(xiāo)”實(shí)現(xiàn)主桁與負(fù)重梁連接鋼銷(xiāo)的快速安裝，使單臺(tái)纜載吊機(jī)安裝時(shí)間縮短至4 d。

3.9 超大跨徑懸索橋全焊接鋼桁梁節(jié)段安裝技術(shù)

楊泗港大橋主橋加勁梁架設(shè)過(guò)程中主纜線(xiàn)形變化非常大，架梁過(guò)程中主纜跨中最低高程與空纜狀態(tài)主纜跨中高程差達(dá)21.6 m。根據(jù)計(jì)算，在架設(shè)至第39個(gè)節(jié)段時(shí)，跨中33個(gè)梁段下弦縫隙均接近于閉合狀態(tài)，達(dá)到焊接要求，但此時(shí)，加勁梁與主塔間有接近200 m的懸空區(qū)間，焊接設(shè)備及人員到達(dá)焊接現(xiàn)場(chǎng)困難，同時(shí)因焊接時(shí)不能進(jìn)行加勁梁吊裝工作，導(dǎo)致吊梁設(shè)備和運(yùn)梁設(shè)備的閑置。為了加快加勁梁吊裝進(jìn)度，加勁梁吊裝時(shí)，在梁段的下層橋面上布置水袋，施加與二期恒載一定比例的配重，同時(shí)在加勁梁上弦設(shè)置臨時(shí)鉸接，下弦設(shè)置臨時(shí)受壓連接，在架梁過(guò)程中，利用上下弦臨時(shí)連接件承受因二恒未完全加載而產(chǎn)生的節(jié)段間內(nèi)力，直至吊裝完成，再進(jìn)行梁段連接的正式焊接工作。

結(jié)合本橋鋼桁加勁梁采用全焊接的特點(diǎn)，在梁段連接的上弦頂面設(shè)置可以轉(zhuǎn)動(dòng)的錨箱結(jié)構(gòu)，在已架梁段上弦設(shè)置“銷(xiāo)軸+抄墊”、待架梁段上弦設(shè)置銷(xiāo)軸連接的方式實(shí)現(xiàn)上弦鉸接，梁段對(duì)接前，錨箱通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)放置在已架梁段端部，梁段對(duì)位時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)錨箱結(jié)構(gòu)，連接待架梁段上弦設(shè)置的耳板，既不增加梁段間的吊裝空間要求，又便于安裝和連接；下弦采用只受軸向壓力的自動(dòng)連接方式，實(shí)現(xiàn)加勁梁之間的精準(zhǔn)對(duì)位。臨時(shí)連接見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 梁段吊裝工況

圖10 梁段安裝到位工況

由于節(jié)段重心與縱橋向吊索中心偏移距離較大，本橋每個(gè)節(jié)段架設(shè)完成，吊索受力狀態(tài)下，待架梁段與已架梁段間上、下弦桿均存在一定程度高差，架梁過(guò)程中須對(duì)上弦高差進(jìn)行調(diào)整后，再匹配安裝上弦臨時(shí)連接。傳統(tǒng)頂拉的調(diào)整方法無(wú)法適應(yīng)大噸位梁段調(diào)整，本橋通過(guò)多種調(diào)整方案比選，利用2臺(tái)纜載吊機(jī)先后松鉤，實(shí)現(xiàn)梁段的幾何變位，精準(zhǔn)調(diào)整鋼梁對(duì)接姿態(tài)，施工快速有效、操作簡(jiǎn)單、成本低廉，實(shí)現(xiàn)了鋼梁快速精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。加勁梁對(duì)接調(diào)整方案示意見(jiàn)圖11。

圖11 加勁梁對(duì)接調(diào)整方案示意

楊泗港長(zhǎng)江大橋主橋通過(guò)有限元分析計(jì)算，進(jìn)行多分案比選，確定了部分二恒配重+臨時(shí)連接的總體架梁方案[4-5]，采用2臺(tái)900 t纜載吊機(jī)抬吊鋼桁梁整體節(jié)段并進(jìn)行鋼桁梁空間姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了梁段快速吊裝和精確對(duì)位，僅36 d就完成全橋1 700 m長(zhǎng)、近5萬(wàn)t鋼梁架設(shè)，創(chuàng)造了鋼梁吊裝施工速度新紀(jì)錄。

4 結(jié)論

武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋已于2019年10月8日上午正式通車(chē)。大橋采用全焊接鋼桁梁新結(jié)構(gòu)、大直徑、高強(qiáng)度主纜鋼絲新材料、高塔C60高強(qiáng)混凝土，施工建設(shè)時(shí)研制了潛水挖泥機(jī)、900 t新型纜載吊機(jī)、緊纜機(jī)、纏絲機(jī)和索夾同步拉伸器等新設(shè)備，開(kāi)發(fā)了超厚硬塑黏土層沉井下沉施工、主纜快速架設(shè)、鋼桁梁整體節(jié)段吊裝和索夾螺桿同步張拉等新工藝，促進(jìn)了橋梁建設(shè)技術(shù)發(fā)展，為橋梁建造技術(shù)寫(xiě)下了新篇章。