小曲率鋼箱梁多點同步頂推轉向技術研究

蘇小敏

(中鐵二十五局集團第四工程有限公司 廣西都安 545007)

1 引言

橋梁工程的梁跨頂推技術因不占用橋下空間、不影響交通運行、工程造價低等優點，是跨越復雜地形及不能中斷橋下交通等橋梁梁體架設的最優工法選擇。隨著我國經濟的發展、橋梁設計技術的進步，采用頂推法施工的梁跨也朝著復雜化、大型化、大跨化等方向發展，相應的頂推施工技術難度更大、質量要求更高。故橋梁工程的頂推施工也需隨著信息技術、機械技術的不斷發展，向著智能化、自動化、精細化及信息化前進，提高施工質量、降低施工難度及降低造價，促進橋梁設計及施工技術的發展進步。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

賓川至南澗高速公路與新楚大高速公路交通轉換的渾水海樞紐立交的H匝道橋中心里程為HK1+446，跨徑布置為:3×40m+(2×40m)+2×(3×42 m)+2×35 m+5×20 m+3×22 m+2×17.5 m+2×24 m+3×17 m，全長750.08 m，標準斷面的橋面寬度為10.5 m。

H匝道橋第一聯上部結構采用連續鋼箱梁(3×40 m單箱雙室)(見圖1)。平面位于R=100 m(左)的圓曲線上，橫坡為5%；豎曲線半徑為5 000m，橋面第一縱坡為3.902%、第二縱坡為0.9%，變坡處為HK1+120。

連續鋼箱梁梁高1.9 m(內輪廓高度)，箱梁頂面全寬10.5 m，兩側翼緣板寬1.75 m，兩側腹板間距3.5 m。

H匝道橋第一聯鋼箱梁跨越互通區賓南線左右幅，擬采取頂推到位后再落梁的方式安裝，鋼箱梁按制作節段運輸到現場采用汽車吊吊至組拼胎架上，組拼焊接成整體后頂推。

2.2 重難點分析

(1)臨時墩、高橋墩等結構不能承受較大水平載荷

本項目主墩均為高墩，傳統的頂推法使橋墩承受較大水平力，且易出現應力集中的現象。同時，傳統頂推法常出現突然加力或是急停等現象，使橋墩承受較大慣性荷載。故施工安全風險大。

(2)小曲率鋼箱梁頂推易出現偏載問題

鋼箱梁為小曲率，頂推技術要求高，操作復雜，傳統的頂推法對本項目的適應差，鋼箱梁頂進時易出現偏載問題。

(3)鋼箱梁半徑小，頂推過程易傾覆

由于鋼箱梁半徑較小，半徑僅為100 m，鋼箱梁頂推過程中傾覆風險較大，為克服此風險，鋼箱梁頂推過程中必須保證鋼箱梁懸挑重量不大于總重量的20%[1]。技術難度大、位置監測及糾偏工作量大，嚴重影響頂推效率。

(4)中線調整和糾偏

本項目為小曲率鋼箱梁頂進，其糾偏、線形控制難度大。

3 多點同步頂推轉向技術

本項目采用新型的多點同步頂推轉向技術。

步履式頂推裝備集成了頂升、前移、糾偏及聯動操作功能于一體，計算機控制系統可監測到偏差后自動糾偏，實現對鋼箱梁任意姿態的微調整，確保鋼箱梁軸線位置準確。整套設備還整合了先進的多點液壓同步自適應控制技術，實現了鋼箱梁在頂升、落梁及前移時同步協調動作。多點同步頂推技術的使用，把頂推力分散至各支撐墩，使單個橋墩承受的頂推減到最小。該裝備的計算機智能控制系統，使得頂推力平穩施加，減少了橋墩承受的慣性荷載。

3.1 頂推施工總體方案設計

3.1.1 頂推總述

在0#橋臺前端路基上搭設組拼及頂推平臺(見圖2)，在組拼平臺上進行現場拼裝，拼裝完成后進行頂推作業。頂推鋼箱梁橋重量約617 t。經計算，布置12臺400 t頂推設備[2]。拼裝區75 m，前導梁長度35.9 m，約42 t，后導梁長度6m，約7 t，布置在外側腹板，間距7 m。

鋼箱梁位于豎曲線上(半徑為5 000 m)，且為雙坡度，為了避免鋼箱梁因標高在頂推時不斷改變而對各支撐墩頂面標高進行頻繁調整，和降低施工難度，將1#～3#橋墩頂面臨時拼高，使整個鋼箱梁處于單一縱坡頂推，在墩頂預埋型鋼構件后焊接型鋼桁架的方式接高。

3.1.2 頂推方案

(1)架設順序

由0#墩向3#墩進行頂推。

采用最新型的步履式頂推方法施工，該裝備整合了鋼箱梁橫向調整的裝置和計算機智能控制系統，可根據鋼箱梁平面狀態自動進行位置調整和糾偏。當鋼梁頂推至設計位置后，采用千斤頂重復頂升抽墊的方式落梁至設計標高。

(2)架設流程

①步驟一

支架基礎設置；設置組拼平臺及支架。

②步驟二

在拼裝平臺上拼裝鋼箱梁節段1至節段4，并吊裝導梁與其連接。

③步驟三

頂推鋼箱梁直至導梁全部懸挑。

④步驟四

拼裝節段5至節段7鋼箱梁。

⑤步驟五

繼續頂推鋼箱梁，直至導梁到達1#接收墩。

⑥步驟六

繼續頂推鋼箱梁32 m；拼裝剩余節段8至節段11鋼箱梁及后導梁。

⑦步驟七

繼續頂推鋼箱梁至設計位置；拆除導梁。

⑧步驟八

安裝落梁千斤頂，把鋼箱梁頂離支架，拆除上段支架。通過落梁千斤頂，下落鋼箱梁，把鋼箱梁調整至設計標高。

3.2 頂推裝備及控制系統

3.2.1新步履式頂推裝備

采用步履式頂推裝備BL400進行同步頂推法施工，該工法無需采用大型頂推裝備，智能控制鋼箱梁頂推的偏移。在每個支墩上均橫向對稱布設2臺頂推裝備，使頂推力分散至多個支撐墩，將頂推時橋墩承受的頂推減到最小[3]。頂推裝備主要由基座、頂升油缸、側移油缸、頂推油缸(見圖3)等構成。

圖3 步履式頂推裝備

該工法頂推原理:鋼箱梁被頂升油缸頂起而脫離支撐墩，接著頂推油缸將梁及頂升油缸向前頂移，隨后頂升油缸回油，使鋼箱梁落在支撐墩上，最后頂推油缸回油帶動頂升油缸回位，即完成一個頂程的施工[4]。

3.2.2 頂推液壓系統

頂推裝備的液壓泵源系統主要由液壓泵源裝置(將動力傳給油缸，接收計算機指令，并在液壓閥的配合下，完成指令動作)、頂升裝置、頂推縱移裝置、橫向糾偏調整裝置及電氣控制系統等組成。油缸上設置位移和壓力傳感器，將油缸位移、壓力數據傳輸至主控電腦實時分析和處理，然后按控制算法(采用了先進電液比例控制技術，可將各點同步精度控制不超過±1 mm)向泵站發出動作指令，從而使多點頂推系統的動作達到高精度同步的要求[5]。

步履式頂推裝備頂推基座兩側設置了2臺側移油缸(帶有導向輪)。作為鋼箱梁頂推導向、橫橋向糾編的調整裝備。

3.2.3 頂推設備的電氣控制系統

利用新研制的基于實時網絡的計算機控制系統。系統由實時控制網絡、實時控制系統硬件/軟件模塊、傳感器模塊(SCU)、動力源模塊(ECU)等組成[6]。

(1)控制系統網絡拓撲結構

通過動力源模塊、傳感器模塊、計算機控制系統(分控制器、主控制器)構成了一個閉環的反饋、控制系統，通過CAN(Controller Area Network)串行通信協議組建控制器局域網。

(2)主控制器硬件組成

主控制器為嵌入式工控機平臺，采集傳感器的信息并進行控制算法和控制策略后，發出油缸控制指令。硬件模塊組成如圖4所示。

圖4 控制系統硬件框圖

(3)分控制器硬件組成

分控制器主要包含動力源模塊、傳感器模塊。泵站控制模塊主要包含通信模塊、電磁閥驅動模塊。

3.2.4 通信網絡

通過CAN(Controller Area Network)串行通信協議組建局域網[7]。持續采集傳感器的壓力、行程信息并進行處理及分析，從而確保油缸的同步頂升。

采用光電隔離措施，增加了防雷抑制二極管，雙冗余通道，確保通信網絡可靠。

3.2.5 控制策略

針對本項目小曲率鋼箱梁頂推的控制策略是“位移同步，載荷跟蹤”[8]。以頂升油缸壓力為主控參數，以頂推油缸位移量、推力為輔助控制參數，實現力和位移的綜合控制。

3.2.6 控制模式

控制系統操作簡單、靈活。設計了人工、自動兩種控制操作模式，還可根據需要油缸任意組合下的動作。既確保多點高精度同步動作，也可人工干預異常情況，以應對各種復雜工況和突發情況。

3.2.7 控制傳感器

組合使用各種傳感器，對所有油缸的運行狀態進行實時檢測，確保鋼箱梁的頂推平穩、精準地進行。傳感器主要包括:

(1)壓力傳感器:測量油缸工作壓力，反映油缸負載；為德國進口，測量精度為5‰。

(2)行程傳感器:測量頂升油缸、頂推油缸、側移油缸行程，測量誤差為0.25 mm；主要元件由德國進口。

3.3 頂推裝備安裝

3.3.1 機械結構安裝

所有同側設備的中線須在同一條，且與橋梁中線平行的圓曲線上。

調整固定基座至擬裝設備處的中心位置，夾緊橫向調整機構，避免其橫向移動。

固定基座頂面加焊不銹鋼板并涂抹薄黃油以減少頂推時的阻力。按設計安裝頂推油缸。

整體吊裝頂升油缸結構及頂推基座，用手拉葫蘆和導向油缸調整精確位置。

最后安裝兩側側移油缸，注意側移油缸滾輪銷軸高出滑道面。

3.3.2 液壓泵站安裝

液壓泵站安裝在承臺面的中間位置，使左右側的管路長度一致。每個橋墩處布置2套頂推設備+1臺液壓泵站。

泵站油管為配備快速接頭的雙層鋼絲高壓膠管。

3.3.3 控制系統安裝

統一所有傳感器安裝順序和位置，安裝好后用塑料袋包裹，并做好長期防雨措施。行程傳感器拉繩平行于測量方向安裝，以免產生偏差。

頂升油缸的行程傳感器用螺栓固定于步履式頂推設備的兩側，平行拉出傳感器鋼絲繩，固定到臨時墩和橋墩上。

頂推油缸行程傳感器安裝于步履式頂推設備的一端，傳感器鋼絲繩固定在設備下部結構上。

壓力傳感器安裝于頂升油缸和頂推油缸的測壓接頭位置，電信號接入行程傳感器內部的壓力測量接口，將壓力和行程數據一起反饋給主控計算機。

3.3.4 系統總體布設及配置

橋梁頂推采用多點同步頂推方式，在臨時墩的墩頂安裝頂升、頂推裝置。整個控制系統與液壓系統的連接布局如圖5所示。

圖5 控制系統布置示意

3.4 頂推施工工藝

3.4.1 試頂推

正式頂推前進行一個行程的試頂推，以檢驗頂推設備工作情況、臨時支墩穩定性、同步控制情況、控制參數設定準確情況、滑板工作狀況等。同時還通過試頂推檢驗指揮系統順暢程度、現場組織配合情況、現場操作人員熟練及配合情況、鋼箱梁承載及變形情況。

對于試頂推時發現的問題，及時處理、整改。

3.4.2 正式頂推

正式頂推施工流程[9]:第1步，啟動液壓泵站，頂升液壓油缸將鋼箱梁頂起，脫離支撐墩后停止；第2步，頂推油缸向前頂推一個行程，使頂升油缸及鋼箱梁向前平移80～90 cm；第3步，頂升液壓缸回油，鋼箱梁落梁在臨時支墩上；第4步，頂推油缸回油，頂升油缸返回初始狀態。依次重復上述操作，直至鋼梁平移結束。

3.4.3 頂推過程的導梁上墩

由于導梁在懸臂頂推狀態時前端下撓，通過導梁前端斜面與橋墩處支架頂斜面自主上墩。

3.4.4 落梁及卸載

頂推鋼箱梁至設計位置后，全橋測量鋼箱梁軸線偏差，采用側移油缸調整鋼箱梁線形。

落梁:每次進程落梁高度10 cm。把落梁處的頂升油缸進油，頂升鋼箱梁使其與抄墊板脫離(脫離高度控制在2 cm內)后，抽出10 cm厚的抄墊板，再落梁10 cm，重復抽出墊板→落梁→抽出墊板的操作至設計高度，固定抄墊板。實施另一橋墩落梁。

3.5 頂推控制要點及關鍵措施

3.5.1 頂推控制要點

(1)采用多點液壓同步自適應控制技術。根據各支撐墩所受豎向載荷智能調整各頂推點的壓力值，降低橋墩承受的水平力。

(2)計算機控制同步頂推，避免橋墩受到集中載荷。

(3)計算機智能控制液壓同步下降，避免單個頂升油缸承受偏載。

(4)計算機智能實時檢測梁體偏位，自動及時糾偏。

3.5.2 頂推施工同步控制技術

(1)同步頂升/下降

自動頂升/下降過程中，頂升行程傳感器將實時行程參數傳輸至主控柜，主控柜通過比較每個點的頂升/下降行程值與1號點的差值，對應發出該設備的頂升/下降比例閥的電壓值，調節該點的液壓油流量，實現對該點的頂升/下降位移實時調整，實現同步頂升/下降[10]。

(2)同步前進

自動前進過程中，行程傳感器實時傳送當前行程值到主控柜，主控柜通過比較每個點的行程值與1號點的差值，對應發出該設備的前進比例閥的電壓值，調節該點的液壓油流量，實現對該點的前進位移實時調整[11]。

(3)全速后退

通過控制系統向泵站發出指令，各點頂推油缸回油，系統全速后退到初始狀態。

循環以上動作，實現鋼箱梁整體頂推到預定位置。

3.5.3 頂推線形(含轉向)控制技術

鋼箱梁橫向和縱向都有坡度，鋼箱梁線形控制非常重要且難度大。

(1)橫向線形控制:中線偏移監測點設在梁段前端和后端橋面上，1#～3#橋墩兩側邊緣設置水平位移監測點。在鋼箱梁側面下緣處按間距1m標注里程線，在固定基座兩側上標畫各里程的測量點[12]，頂推時，墩頂的量測人員能直觀地監測兩側進尺是否同步。頂推時重點監控最前端和最后端的偏位值。當某測點偏位量大過5 cm，則結合其相鄰測點偏位情況，用側移油缸糾偏。

(2)豎向線形控制:頂推前模擬計算出每頂推1 m時頂升油缸的反力值，根據設計值調節各頂推點泵站的最大輸出壓力[13]，避免局部受力過大，引起鋼箱梁線形變化。當某點受力超過設計值時，按照測量單位提供的鋼箱梁線形數據，抄墊相對應的擱置梁的墊塊高度，避免部分擱置梁脫空的情況，保證梁段的豎向線形。

4 結束語

本項目小曲率頂推施工時，對頂推技術不斷創新，緊跟科學技術的發展前沿，在使用新形步履式頂推裝備的基礎上，整合液壓、計算機控制、信息化、智能化、自動化等最新技術，提高了頂推施工機械的性能及高科技含量，按期高質量地完成頂推施工。