長江內河大型管廊橋架設方案設計與研究

高瑋珺

上海浦東國際集裝箱碼頭有限公司 上海 200120

0 引言

隨著國家大力發展長江流域經濟帶的建設，長江內河越來越多的港口碼頭高速發展，許多內河港口紛紛添置更大更先進的新型設備，其中不乏結構外形較奇特的港口起重設備。長江沿江某鋼廠計劃在廠區主干河道內建設一條運輸物料的管廊橋來更有效地提高企業產量，提升生產效率，同時這條管廊橋也能更有效地響應國家環保號召。

1 背景

管廊橋安裝地點位于長江下游流域某區域性河道，是下游某地級市沿江地區排灌及南北交通的主干河道，河道寬約為150 m，水深約為-4 m（吳淞高程），年平均最大潮差約為3 m。

在河道上，早期建有一座小型橋梁，該橋梁為東西走向，低潮時凈空高度約為8 m，通航寬度為60 m。在管廊橋通橋之前，場內所有物資運輸都要通過此橋，為產區內主要通道。

需要架設的管廊橋總長為177.6 m，全寬為9.4 m，凈寬為7 m，最高點高為16 m，質量為1 600 t，橋平面據水面高度約為24.5 m（吳淞高程）。橋梁按正交設計，主桁采用華倫式三角形腹桿體系，節間長度為11 m，主桁高度支點10 m，跨中15 m，2片主桁中心距為8.2 m，主要鋼結構型材為Q345D。建設完畢后，管廊橋將取代之前的橋梁地位，供鋼廠內皮帶機運輸煤礦等煉鋼礦產使用，將大大提高生產效率，并將滿足國家環保要求，提升廠區的環保質量。

廠區碼頭屬于重力沉箱碼頭，河西標高為8.7 m（吳淞高程），河東標高為7.5 m（吳淞高程），根據區域地質資料，場地覆蓋層厚度大于50 m。土層剪切波速估算，場地土屬軟弱土，場地屬Ⅳ類場地，場地特征周期值為 0.75 s。

兩岸側將隨管廊橋一起建設2組架設用的橋墩，最高點標高約為23.5 m，主要結構為鋼混結構。架設后的管廊橋如圖1所示。

圖1 管廊橋結構示意圖

2 方案比選

2.1 架設設計方案一

如圖2所示，在河道之間豎立4根直徑為3 m的樁梁，樁需打進河床并在樁內澆灌水泥，2根為1組。此方案將整根河道寬度等分劃成3塊區域。管廊橋在制作時將其分為三等分，3段管廊橋的質量分別約為500 t、600 t、500 t。然后利用1 000 t的浮式起重船將3段管廊橋按照先兩側后中間的順序逐個吊上支起樁梁，再進行整體對接而使管廊橋成為整體，最后利用定點爆破的技術拆除4根樁梁，完成管廊橋的整體架設工作。

圖2 架設設計方案一

該方案優點是：操作比較簡單；受天氣、水文條件影響因素小；費用較低。缺點是：管廊橋大部分焊接工作都將在高空進行；封閉河道時間較長；拆除4根樁梁比較困難；污染江水；架設周期較長；地質環境要求高。

2.2 架設設計方案二

考慮用提升的方法將管廊橋直接架設上橋墩，此方案需要租賃一條適合于滾裝作業的運輸船，具體方案的操作步驟如下：

1）將管廊橋整體在碼頭地面胎架上制作完畢；

2）在管廊橋底面安裝8組300 t滾裝液壓臺車，利用4臺安裝在運輸船上的16 t卷揚機將管廊橋整體牽引上船；

3）在管廊橋海、陸兩側分別安裝4組高約40 m的提升塔架，2組為一對；

4）安裝倍功、滑輪組等提升工裝件；

5）利用4臺卷揚機緩慢地將管廊橋整體提升至距船甲板面高約18 m處，安裝固定擋塊；

6）運輸船舶緩慢地移動至江中心，利用預先在運輸船上安裝好的4組鋼絲纜繩，精確定位管廊橋和橋墩的位置，且不得有移動；

7）割除提升裝置固定擋塊，緩緩下降管廊橋，使其落至兩岸的橋墩上；

8）移除一側的提升裝置，運輸船駛離架設區域。

該方案優點是：大量焊接工作可在地面進行，避免了高空作業；架設周期較短；提升和滾裝作業方案較成熟，有成功案例。該方案缺點是：實施難度較大且繁瑣，需要眾多專業滾裝和提升工作人員；受天氣、水文條件影響因素較大；需要租賃可與滾裝作業相匹配的運輸船舶；費用較高。架設方案二示意圖見圖3。

圖3 架設設計方案二（提升部分）

2.3 方案比較與推薦

1）方案優選

以上2種方案都忽略了在河道上的老舊橋梁，該橋低潮凈空高度約為8 m，通航寬度為60 m。由于極為苛刻的外在條件，使以上2種架設方案很難實施。

方案一：1 000 t浮式起重船的船舶型深較大，很難在低水位中行駛過橋洞。高水位時浮式起重船的臂架由于無法下趴至甲板面，不能通過橋底面。

方案二：由于河西碼頭標高7.5 m，選擇小潮汛低潮位4.0 m時要求運輸船舶達到干舷3.5 m左右，且還需達到裝載貨物后的穩性要求，故在選擇船舶時型深需達到7.5 m。同時，提升裝置的塔架高度也較高，占地面積較大，2組塔架占用的船寬需要達到40 m。

綜上所述，方案二的運輸船舶要有40 m寬度以及7.5m左右的型深，但這種船型的船只又無法通過該橋梁。為了能順利完成管廊橋的架設工作，本次2種架設方案的比選并非簡單的分析和對比，而是再優化和改進的過程，通過以上2種方案進行集成和優化，重新設計出新的架設方案三。

2）推薦采用架設方案三

借鑒于前2種方案的優、劣性以及綜合考慮碼頭、河道、橋梁等外部環境的影響，新的架設方案三采用了方案一的管廊橋分段制作設想以及方案二的利用船舶整體運輸、定位的方式來實現管廊橋的架設。

由管廊橋架設地點的水文條件得知，該河道內每月的農歷初一和農歷十五時潮差最大范圍約為2.5 m，新架設方案可利用運輸船舶在當天的最高潮位時將管廊橋托浮至兩岸的橋墩上方，通過潮水的漲落變化，在落潮時將管廊橋緩緩架設到兩岸橋墩上；最后在河道潮水達到最低潮時，運輸船舶和管廊橋底面徹底分離，完成整個架設工作。第3種方案為利用潮汐變化的托浮方案，其優點為：相對于方案一時間較短；無需大型浮式起重機；無需在河道中支起架設用的樁梁；相對于方案二無需大型運輸船，所選船型只需穩性達到要求即可；無需提升裝置。

3 方案實施

確定了第3種托浮架設方案后，還應對整個方案三中運輸船舶的選型、托浮塔架的高度選擇、管廊橋分段拼裝的方式進行設計及計算，這3項要素的對錯都將決定整個架設方案成功與否。

3.1 運輸船舶的選型

通過對橋底部河道的水深進行現場勘察測量，在低水位時橋底的凈空高度約為8 m，當低潮位為1.0 m時，河道中30 m處的水深達到了-4 m。所以，選擇的船舶需達到以下要求：1）船的寬度需小于30 m；2）型深需小于4.5 m；3）當船舶干舷為1.5 m時，船舶的最高點至水面控制在6.5 m內；4）裝載質量為1 600 t管廊橋和質量約800 t的塔架后，還能達到船舶穩性要求。

根據以上要求，篩選出一條能滿足管廊橋架設的船舶，其主要參數見表1，穩性計算報告見表2。

表1 船舶主要參數表

表2 船舶穩性計算結果

3.2 托浮塔架的高度選擇

在得到船舶裝載貨物的吃水數據后，需確定安裝在船舶上托浮塔架的高度。根據管廊橋架設當時當地潮汐表（見表3），選取農歷五月十四日～農歷五月十六日為管廊橋的最佳架設時間。以農歷五月十四為例，最高水位為4.31 m，最低水位為1.87 m，潮差約為2.5 m。

表3 節選部分潮汐表

塔架高度的數值需根據高水位時越過橋墩和低水位時塔架脫離管廊橋底面2種工況的數據來確定，選取其中的較小值為塔架的高度，得出表4、表5所示數據。

表4 高水位時越過橋墩的值 m

表5 低水位時脫離橋底的值 m

綜上所述，兩者之間取小值，塔架高度約為17.4 m，根據此高度可設計出圖4所示塔架的基本框架。整個塔架都由現成的工裝件采用焊接和螺栓連接的方式組成。塔架下部利用6個高度為4.5 m的矩形胎架和2根高度為0.48 m的縱梁組合，在胎架之間搭接槽鋼使胎架連接成一整體，保證下部結構的穩定，每個胎架長1.65 m，寬1.2 m，增大了船舶甲板的接觸面積，使甲板不會產生局部變形。塔架上部利用了4個高度為6 m的桁架結構支撐架，支撐架之間用螺栓和圓弧板固定，使整個塔架不會搖晃。同時，從塔架頂部拉4根纜風鋼絲繩至甲板面，保證了塔架的垂直度。

圖4 塔架示意圖

3.3 管廊橋分段總裝的方式的確定

1）安裝設備的選擇

考慮到運輸橋的限制以及碼頭承載能力，選擇能從岸上吊裝管廊橋分段體至船舶塔架上的大型履帶起重機較合適。根據履帶起重機的性能表、塔架高度以及塔架在船上擺放的位置，單個管廊橋制作段的質量需控制在300 t以內；因船舶有效甲板長度只有90 m，需將整個管廊橋分成7個制作段來安裝，具體每個制作段的質量分配如表6所示。

表6 管廊橋每個制作段的質量分配

2）管廊橋的總裝及塔架的受力計算

各分段在地面制作完畢后，根據總裝工藝的順序以及焊接要求進行總裝（見圖5），依次順序為4分段→5分段→3分段→6分段→2分段→7分段→1分段。

圖5 管廊橋分段總裝

由于整個管廊橋質量達到了1 600 t，不計焊縫及油漆的質量，估算每組塔架需承受約400 t壓力，由8組Φ600×24的無縫鋼管，材質為Q235B，經過有限元建模計算計算得出結論，最大應力為65 MPa，每組塔架結構可承受管廊橋的質量如圖6所示。

圖6 塔架建模計算

3.4 托浮安裝方案的實施

根據以上3項數據的確定，管廊橋的托浮架設工作開始實行。運輸船舶托著總裝完畢的管廊橋在河道中進行92°旋轉，由于尼龍纜繩具有一定伸縮性，遂在船舶首尾各增加2組鋼纜卷揚機，通過卷揚機進行精確的定位并固定船體。在高平潮時，管廊橋越過兩岸橋墩約0.7 m，經過潮水的一次漲落，管廊橋精確架在橋墩上。當潮水接近低平潮時，塔架和管廊橋底面完全脫開，運輸船舶駛離工作區域，托浮架設工作順利完成。托浮安裝方案實施如圖7所示。

圖7 運輸船托浮管廊橋

4 結論與展望

1）長江內河碼頭近幾年發展迅速，且因使用工況和當地水位條件的不同，各種非傳統結構形式的起重機頻繁出現。文中所述管廊橋只是其中一種，另外還有取消梯形架結構的岸邊集裝箱起重機、帶有伸縮臂架的門座起重機等，其安裝方式也各有不同。

2）長江內河港口設備的總裝方式受限制程度遠大于臨海的大型港口設備，且很多方案無法采用較先進的起重設備，故方案在確定前的比選、優化甚至于集成顯得尤為重要。只有選擇一種經濟、進度、質量、安全、環保、節能都均衡的安裝方案才能將利益最大化。

3）本工程的設計方案受限于外界因素較多，既無法使用大型浮式起重機，又無法使用帶有強大調載能力的大型運輸船舶，僅能通過潮汐的漲落安裝設備，對方案設計者的專業素質有較高要求。通過此次方案的順利完成，今后遇到類似項目將有著很好的借鑒作用。