橋梁頂升技術在內河航道改造中的應用

范驍君

（浙江省交通規劃設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

隨著內河航道等級的提升，橋梁凈空不足成為航道提升的制約。在浙江省內河航道改造過程中，較多跨航橋梁建成時間較短，使用條件較為良好，采用橋梁頂升技術對既有橋梁改造可節約資源、節省工期。現以長湖申線航道西延改造工程中紫梅橋頂升作為案例，闡述內河航道提升過程中頂升橋梁的設計思路[1-3]。

1 工程概況

長湖申線西延航道作為長湖申線航道的延長線，由安吉陽光壩至吳興區湖州船閘，是長三角地區重要的內河水運通道，全線規劃為Ⅲ級航道，改建后各橋位處需滿足60.0 m×7.0 m 通航凈空。

紫梅橋位于安吉縣梅溪鎮鎮區，于2002 年建成。橋梁全長141 m，橋梁配跨為16+80+2×16+13（m），主橋為剛性吊桿系桿拱橋，上跨長湖申線西延航道，通航凈高不足7 m，是此次航道改建過程中的制約因素。

主橋計算跨徑78 m，布置兩榀鋼筋混凝土拱肋，系梁、橫梁、吊桿均為預應力混凝土結構，主橋下部結構為雙柱接高低蓋梁式橋墩，基礎為群樁接承臺式基礎；引橋為16 m、13 m 預應力混凝土簡支空心板，下部結構為樁柱接蓋梁式基礎。

1.1 原橋技術標準

道路等級：三級公路，設計速度30 km/h；

設計荷載：汽-20，掛-100，人群3.5 kN/m2（頂升后荷載等級維持原橋）；

線型要素：西側縱坡3%，東側縱坡2%，豎曲線半徑2 000 m，橫坡1.5%。

1.2 橋梁斷面

引橋標準斷面：0.25+1.5（護欄人行道）+2×4.5（機動車）+1.5+0.25（人行道護欄）=12.5（m）；

主橋加寬斷面：0.25+1.5（護欄人行道）+1.15（拱肋）+2×4.5（機動車）+1.5（拱肋）+0.25（人行道護欄）=14.8（m）。

1.3 橋梁狀況

根據《梅溪- 荊灣K0+304 新梅溪大橋橋梁定期檢查報告》全橋技術狀況評定為2 類，主要存在橋面破損、混凝土剝落、表層鋼筋銹脹等問題，經小修后可進行頂升改造。圖1 為紫梅橋實景。

圖1 紫梅橋實景

2 橋梁改建

該橋改建采用全橋整體頂升技術，頂升后引橋加跨，改建后路線全長770 m，橋梁全長165 m，全橋配跨2×20（加跨）+80+2×16+13（原橋整體頂升）（m）。

2.1 整體頂升

主引橋采用整體頂升，整體抬升高度3.3 m，頂升后主跨可滿足60 m×7 m 限制性Ⅲ級航道通航凈空，頂升后橋梁維持原橋豎曲線要素。

圖2 為紫梅橋已建橋型布置圖。

圖2 紫梅橋改建橋型布置圖（單位：標高m，其余cm）

2.2 引橋加跨

西側橋頭起點改建后存在下穿道路需求，拆除西側1 跨16 m 空心板，新增2 跨20 m 簡支空心板引橋。

2.3 臺后接線

該橋整體抬升后，挖除原道路路基及漿砌片石擋墻，改用高填方泡沫混凝土路基填筑。

紫梅橋采用全橋整體同步頂升，頂升主橋及東側3 跨引橋，橋梁頂升總體施工流程為：輔助結構施工（反力基礎、分配梁等）→設備的安裝調試→封閉交通→斷柱及頂升施工→墩臺加高與改造→橋面系等附屬設施重建。

3 頂升實施方案

3.1 技術難點

3.1.1 結構噸位大，頂升高度高

紫梅橋主橋總噸位約3 300 t，全橋合計約4 125 t，全橋整體頂升高度為3.3 m，頂升具有噸位大，接高長度高的特點，需采用合理的頂升方案，選擇合適的臨時支撐體系。

3.1.2 主墩為水中墩且施工期保持通航

主跨通航孔為長湖申線西延航道，往來船舶多為集裝箱和散貨駁船，為浙北地區重要的山區河流航道，短時間內存在因降雨導致水位變化較大的可能。紫梅橋主墩位于水域中，頂升施工期間航道保持通航，因此施工期需盡量避開汛期，且減少施工作業周期，以減少施工期船舶或漂流物撞擊的風險。

3.1.3 主橋頂升精度控制嚴格

紫梅橋主橋為80 m 剛性吊桿系桿拱橋，吊桿、系梁、橫梁均為預應力混凝土結構，拱肋為鋼筋混凝土結構，頂升期間主橋4 支點不可能處于嚴格平動，會產生因各點的不同步而導致的結構扭轉，進而引起結構的應力重分布，頂升就位后若無法消除該偏差，該應力即變為結構的永存應力，因此該項目對橋梁的頂升精度經計算后選擇合理的控制區間，同時施工期增設主橋位移、應力、裂縫監控措施。

因此，如何選擇合適的頂升系統，合理的頂升方案，保證頂升精度，確保橋梁安全、快速地施工，是該工程成敗關鍵。

3.2 頂升高度

紫梅橋主跨通航孔航道設計線與橋梁設計中線交角75°，通航孔按限制性三級航道60 m×7 m 通航凈空設計，凈空最低點為主橋西側K1+967.6 處，橋面高程10.615 m，橋梁結構高度（含鋪裝）為1.468 m，梁底高程10.615-1.468=9.147（m）；該橋位處設計最高通航水位5.23m，凈高7m，梁底最低點凈空富余0.2 m，通航孔范圍內梁底高程應不小于5.23+7+0.2=12.43（m）；理論頂升高度12.43-9.147=3.283（m）。此次采用主引橋整體頂升，各墩頂升高度均為3.30 m，縱坡及豎曲線維持不變，西側3%，東側2.0%，豎曲線半徑2 000 m。圖3 為已建前后路線縱斷面圖。

圖3 改建前后路線縱斷面圖（單位：m）

3.3 頂升系統設計

3.3.1 控制系統

該橋為保證頂升精度和安全，采用PLC 液壓控制同步頂升系統。該系統建立在力和位移雙閉環的控制基礎上。由液壓千斤頂根據實際荷重抬升橋梁，同時與相應的位移傳感器組成位移閉環，以便控制橋梁頂升的位移和姿態，使頂升過程中對結構同時起到力和位移雙控的目的。系統理論同步位移精度±2 mm，壓力誤差≤5%。

3.3.2 千斤頂選用和頂升方式

為防止在頂升過程中突發停電等意外情況，致使千斤頂卸載導致嚴重的安全事故，該工程采用液壓千斤頂與機械跟隨千斤頂組合的頂升方法。液壓千斤頂需選擇具有自鎖定回油裝置和頂升力調節裝置的千斤頂；機械跟隨千斤頂需選擇具有位移實時跟隨和斷電等情況下機械自鎖定功能裝置的千斤頂。整個頂升過程以10 cm 為一個行程，逐步頂升至設計標高。

每個頂升行程具體分為四個步驟（見圖4）。

圖4 一個頂升行程示意圖

3.3.2.1 液壓千斤頂頂升，機械跟隨頂跟隨

液壓千斤頂向上頂升，機械跟隨千斤頂實時進行無間隙旋轉位移跟隨，確保機械跟隨頂與拖換結構間的密貼。機械跟隨千斤頂內部采用機械螺紋承載，通過機械螺紋的彈性變形來承受上部的荷載。一旦液壓千斤頂出現爆管等危險情況，可即時由跟隨千斤頂進行支承，確保被頂升構件不致發生塌落風險。

3.3.2.2 機械跟隨頂鎖定，液壓頂收缸

頂升至設計行程后，機械跟隨頂機械鎖定，此時機械跟隨頂依靠自身結構承壓，處于鎖定階段。待所有機械跟隨頂鎖定后，液壓頂收缸，加墊10cm 厚度支撐墊塊。

3.3.2.3 液壓頂鎖定，機械跟隨頂收缸

液壓頂安裝后進行機械鎖定，此時液壓頂依然保持供油，但可同時依靠自身結構鎖定裝置承壓，機械跟隨頂收缸，加墊10 cm 厚支撐墊塊。

3.3.2.4 機械跟隨頂安裝，檢查后解除鎖定

機械跟隨頂安裝后對動力系統進行檢查，確保油壓供電一切正常后，解除液壓頂機械鎖定，進入第二個行程以此往復。

3.3.3 臨時支撐體系頂升結構傳力路徑，反力基礎→千斤頂臨時支撐→托換體系→上部結構。

3.3.3.1 反力基礎

原結構采用樁接承臺式基礎，且承臺尺寸較大，可優先采用承臺作為反力基礎；原結構為樁柱式基礎可采用抱柱梁反力基礎（見圖5、圖6）。

圖5 抱柱梁鋼筋綁扎之實景

圖6 抱柱梁澆筑之實景

3.3.3.2 鋼管支撐

頂升臨時支撐采用Φ609 鋼管支撐，鋼管外壁609 mm，壁厚16 mm，法蘭直徑750 mm。鋼管支撐與結構反力基礎通過化學螺栓連接，鋼管支撐豎向采用法蘭螺栓連接。鋼管長度為10、20、50、100、200（cm）模塊化參數。頂升前按規定高度配置，頂升過程中不斷更換上述支撐墊塊（見圖7、圖8）。

圖7 千斤頂和支撐鋼管之實景

圖8 支撐鋼管之實景

3.3.3.3 托換體系

原橋采用蓋梁的下部結構形式，托換體系優先選用蓋梁，蓋梁外側倒角可通過植筋后澆三角墊塊，增加受力點；柱式墩和橋臺位置可采用鋼分配梁托換體系（見圖9、圖10）。

圖9 蓋梁三角墊塊施工之實景

圖10 橋臺鋼分配梁之實景

3.3.4 限位措施

由于千斤頂、鋼支撐垂直度安裝誤差和各種不確定性因素的影響，頂升過程中上部結構不可避免地會存在水平位移偏差，需設置限位裝置，對可能出現的水平偏位進行限制。

該橋采用鋼結構限位柱，限位柱斷面尺寸500 mm×500 mm。限位柱通過預埋鋼筋固定于下部基礎，與固結在上部的限位墩組成引橋限位措施。限位柱與限位墩之間預留10 mm 間距（見圖10、圖11）。

圖11 橋墩限位柱之實景

圖12 橋臺限位柱之實景

3.3.5 墩柱接高

主橋斷柱頂升就位后，鑿除立柱上下切割面混凝土30 cm，露出主筋長度不小于6 倍鋼筋直徑，將立柱新老混凝土結合部分進行表面鑿毛，主筋采用擠壓套筒機械連接，達到一級接頭標準。綁扎箍筋后澆筑混凝土，采用比原混凝土等級高一個標號的自密實補償收縮混凝土，待混凝土強度達到設計強度后再拆除頂升設備（見圖13、圖14）。

圖13 立柱鑿毛露出主筋之實景

圖14 立柱連接施工之實景

3.4 主引橋頂升方案

3.4.1 千斤頂布置

頂升各墩位置均設置一組液壓千斤頂，一組跟隨千斤頂，每組的設計總噸位安全系數均不小于2.0（見表1）。

表1 紫梅橋千斤頂布置表

3.4.2 主橋頂升

3.4.2.1 主墩頂升

主橋上部結構為80 m 剛性吊桿系桿拱橋，下部結構為雙柱接蓋梁式結構，基礎為群樁接承臺式基礎，可充分利用該結構受力特點，采用斷柱托蓋梁整體頂升，承臺作為反力基礎，蓋梁作為托換體系。傳力路徑為：原橋基礎承臺→千斤頂臨時支撐→蓋梁→系桿拱結構，其中蓋梁內側布置8 臺200 t 頂升千斤頂，蓋梁外側布置4 臺500 t 頂升千斤頂，分別對應布置12 臺400 t 機械跟隨頂（見圖15、圖16）。

圖15 主墩頂升施工之實景

圖16 主墩千斤頂布置圖（單位：cm）

3.4.2.2 主橋頂升精度控制

主橋結構采用midas 建模分析，對原橋各支座豎向位移差值在±5 mm，±10 mm，±20 mm 進行計算，分別分析結構在各支點不均勻位移對于結構的影響（見圖17、圖18 及表2）。

表2 頂升施工各構件最大應力一覽表

圖17 主橋建模圖形

圖18 10 mm 位移差產生的結構二次應力圖（單位：MP a）

由計算結果可知，隨著各支點最大位移差的增加，主橋結構的扭轉效應逐漸加大，主要體現在預應力混凝土邊吊桿應力的增加，由成橋階段最大應力0.75 MPa 增加至1.37 MPa（最大位移差±20 mm）。考慮到原橋施工較早，為控制各支點不均勻豎向位移引起的結構扭轉二次內力，要求主橋在施工階段最大相對豎向位移差≤±10 mm，成橋使用階段最大相對豎向位移差≤±5 mm。

3.4.2.3 頂升通航安全

紫梅橋所在地區為山區航道，水位受短時間降雨變化大，且主橋主墩位于水域中，理論存在失控船舶或漂流物撞擊可能。為避免出現該極端情況，該橋施工期根據天氣預報，選定為7 月下旬連續晴天，水位較低且無較大變化情況下施工。施工期由港航部門進行臨時橋下安全管制，確保橋梁頂升期間的安全。

3.4.3 引橋頂升

3.4.3.1 引橋墩頂升

引橋墩上部結構為簡支空心板，下部結構為樁柱接蓋梁式結構，采用斷柱托蓋梁整體頂升，澆筑下抱柱梁作為頂升反力基礎，抱柱梁高度不低于1.2 m，內側蓋梁底及外側蓋梁加寬后作為托換體系，傳力路徑為：基礎下抱柱梁→千斤頂臨時支撐→蓋梁→空心板。4 號墩對稱布置液壓6 臺200 t 頂升千斤頂，6 臺200 t 跟隨千斤頂（見圖19）；5 號墩對稱布置4 臺200 t 頂升千斤頂和4 臺200 t 液壓千斤頂（見圖20）。

圖19 4 號墩頂升之實景

圖20 5 號墩頂升之實景

3.4.3.2 橋臺頂升

6 號橋臺為薄壁式橋臺，橋臺墻身厚度70 cm，高3.0 m，樁接承臺式基礎，承臺尺寸13.5 m×1.9 m×1.2 m，下設5 根直徑1.0 m 鉆孔樁，結構尺寸較小，采用直接頂升法。在承臺跨內側靜壓16 根0.25 m×0.25 m 預制方樁，在樁頂施工植筋澆筑鋼筋混凝土牛腿，做為頂升反力基礎。在梁底安裝鋼分配梁做為托換體系。傳力路徑為：靜壓樁→牛腿→千斤頂臨時支撐→分配梁→空心板。單墩布置200t 頂升千斤頂和跟隨千斤頂各6 臺。

6 號橋臺臺后采用高填方泡沫混凝土路基，頂升后高差達到6.75 m，在梁板頂升就位后切割原背墻，植筋澆筑扶壁式背墻（見圖21～圖23）。

圖21 6 號橋臺頂升改造順序圖（單位：cm）

圖22 6 號臺頂升之實景

圖23 臺后扶壁澆筑之實景

3.4.3.3 引橋加跨及臺后接線

第1、第2 跨引橋為新增加跨，上部結構采用20 m空心板引橋，下部結構為樁柱接蓋梁式基礎。0 號橋臺亦采用扶壁式橋臺，后方為路基加高段，挖除原路基路面及漿砌片石擋墻，采用泡沫混凝土高填方路基重新澆筑。

4 主橋頂升監控措施

紫梅大橋位移監控采用拉線式傳感器，設2 個斷面共4 個測點，分別位于2 號、3 號墩主梁兩側。于7 月20 日正式開始頂升，7 月30 日頂升完成，共歷時11 d。累計頂升高度3.30 m。頂升過程平穩，同一斷面2 個橫向測點間位移差值不大于2 mm，4 個測點最大位移差值不大于5 mm（見圖23、圖24）。

圖23 主橋頂升斷面位移差值曲線圖（單位：mm）

圖24 主橋頂升4 支點最大位移差值曲線圖

5 結 論

紫梅橋上跨長湖申線西延航道，該項改建采用PLC 液壓同步頂升系統，液壓千斤頂與機械跟隨千斤頂組合的頂升方法，安全、快速地完成了對紫梅橋全橋整體頂升的改建任務，使改建后主橋通航孔滿足60 m×7 m 限制性Ⅲ級航道通航凈空，達到航道提升的需求。

該橋工程建設費用4 550 萬元（橋梁改建1 058萬元）。由2019 年6 月封道至2020 年3 月通車，共計施工期9 個月，從斷柱施工至墩柱接高后拆模的千斤頂臨時支撐期間共歷時45 d。若采用新建同等規模橋梁，工程建設費用5 480 萬元（新建橋梁1 988 萬元），施工工期約2 a。

頂升改建相比拆除重建改建方式，充分利用了原橋結構，同時相比新建同等跨徑、結構的橋梁，施工工期明顯縮短。起到了節約建設資金、縮短周期的效果。在內河航道改建過程中，當原橋結構較為良好，橋梁主要受限于通航孔高度不足時，橋梁頂升改建方案具有明顯的經濟、時間優勢，具有較好的社會效益。