高速鐵路大跨度提籃拱橋鋼拱肋纜索起重機斜拉扣掛安裝技術*

孟 磊，王海峰

(中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司，上海 201906)

1 工程概況

1.1 工程簡介

新建鄭州—萬州鐵路重慶段站前工程土建4標奉節梅溪河雙線特大橋，橋梁全長687.8m，主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋，拱跨340m，矢高74m，一孔跨越梅溪河，無鉸拱結構，是目前設計速度350km/h、跨度最大的無砟軌道高速鐵路提籃拱橋(見圖1)。

圖1 奉節梅溪河雙線特大橋立面(單位：m)

拱圈設計為變寬變高的鋼桁拱肋勁性骨架，主弦鋼管內壓注C60自密實無收縮混凝土，拱圈外包C55補償收縮混凝土。拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎，交界墩為雙柱式空心墩，拱上11根墩柱、3聯連續梁(4孔1聯)。鄭州端引橋為2×65m T構連續梁，萬州端引橋為(44+72+44)m連續梁+24m簡支梁。

鋼拱肋拱軸立面為懸鏈線，豎面整體內傾3.48°，形成拱腳分叉的X形結構；拱圈平面呈提籃形布置，分成拱腳分叉段和拱頂合并段；拱腳中心距16m，拱頂軸線中心距7m，斷面高度按1.5次拋物線變化，上、下弦管中心高度從拱腳10m過渡到拱頂5m。

1.2 自然條件

橋址位于山區，梅溪河為U字形河谷地貌，地面高程140.000～480.000m，地形起伏大，兩岸邊坡陡峭，自然坡度25°～60°，河面寬約280m。施工區域內有多條省道穿過，附近存在較多民房、果園、電線電纜等，地形錯綜復雜。

2 工程難點

1)山區地形條件復雜、起伏大，加之公路、架空電纜等影響，導致總體施工規劃布置難度大。

2)結合地形特點進行纜索起重機選型設計，合理布置牽引索、起重索的走線方式，據此進行繩索系統、纜塔塔架、基礎錨碇等各部分的設計驗算，纜索起重機結構復雜、承載力大、安全風險高，各類繩索空中交織，設計難度大。

3)鋼拱肋雙向曲線構造龐大，節段空中安裝定位調整困難，各部位應力、索力及線形位移隨各節段安裝相互影響變化、效應逐次疊加，所以拱肋安裝線形精度控制是本工程重點與難點。

4)鋼拱肋跨中合龍施工是本工程的關鍵，如何采取有效措施保證合龍后最終成拱線形及應力狀態滿足設計意圖是難點。

3 施工部署

受地形限制，本工程采用無支架纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，總體遵循主橋拱肋及引橋平行施工、纜索起重機設計及施工與主引橋互不干涉的原則。鋼拱肋在廠內分段加工、船運至現場，從兩岸拱腳向跨中逐節段對稱安裝，在拱頂實現強迫合龍。綜合考慮纜索起重機額定起重力及施工特點，將拱肋半跨劃分16個節段，共計32個節段、48個吊裝單元，控制單次吊重≤150t。

根據現場實際條件，經綜合比選后，纜索起重機采用纜扣分離、雙塔3跨結構，索跨布置(96.1+492.95+123.15)m，纜塔塔架橫跨引橋設置，以避免與引橋施工發生干涉，主索錨碇布置在橋梁兩端的隧道洞口附近。扣塔設置在交界墩頂以減少材料投入，經比選確定拱肋的扣掛方式，取消扣掛分配梁和臨時索，全部采用正式索扣掛張拉。半跨拱肋共設16組扣錨索，扣索和錨索一一對應設置，每組扣索包含4束，分別對應同一節段的4根上弦管，采用扣掛錨箱將扣掛吊耳與每束扣索直接相連。纜索起重機及扣掛體系立面布置如圖2所示。

圖2 總體立面施工布置(單位：m)

4 纜索起重機設計與施工

纜索起重機由繩索系統、纜塔塔架、基礎錨碇、卷揚機動力系統等組成，根據使用功能要求，設計2套75t固定式主吊和2套20t橫移式工作吊，主吊中心間距20.8m，工作吊位于主吊中間。

4.1 隧洞式主索錨碇

由于鄭州端山坡陡峭且附近有多條民用電纜架空穿過，遷改拆除困難、費用高，導致主索錨碇只能布置在隧道洞口兩側。考慮山體表層風化嚴重，地質條件差，存在溶洞且裂隙較發育，不適于應用巖石錨索結構，為了減小放坡開挖對山體坡面的破壞，經研究創新采用隧洞式樁基承臺組合錨碇結構(見圖3)。

圖3 隧洞式主索錨碇

根據地質情況，樁基采用懸挑柱模型進行保守設計，入巖嵌固≥5m。參照隧道施工工藝施作隧洞，為錨碇后續施工提供作業空間，在隧洞內按常規工藝依次施作樁基、承臺及安裝錨索，錨索外伸連接纜索起重機主索，以有效承受繩索系統傳來的荷載。

4.2 纜塔塔架安裝

兩岸纜塔采用門式框架結構，鄭州端纜塔高95m，萬州端纜塔高92m(左幅85m)，塔架采用φ630×20鋼管立柱，立柱間采用雙槽鋼連接桿連接。利用MIDAS Civil軟件建立塔架整體模型，分析其受力性能及結構穩定性，對索鞍滑輪、塔柱節點及柱腳連接等復雜部位通過細部有限元分析其受力狀態。

根據塔架結構特點，將其分解成便于運輸安拆的構件進行加工，構件宜采用栓接接頭，運至現場后首先在地面組拼成吊裝單元，然后通過起重設備從下向上逐步安裝。塔架安裝過程中應根據架體安裝高度合理設置側風纜保證結構安全，并輔助調節塔架垂直度；塔架安裝完成后，按設計要求在塔頂安裝索鞍、天車擱置平臺等。

4.3 繩索系統安裝

依據《路橋施工計算手冊》及相關規范計算繩索系統，首先根據索跨布置和結構物的相對高差，確定主索垂度為L/15(L為主索跨度)，根據經驗或試算預估的繩索內力，確定牽引索“走4”、起重索“走10”的走線方式。然后分別計算最大吊重位于跨中、兩端及空索、空載等各類工況下的繩索索力，根據計算結果合理配置主吊、工作吊的主索、起重索、牽引索及對應的卷揚機，具體配置參數如表1所示。

表1 纜索起重機繩索系統設計參數

在塔頂的天車擱置平臺上臨時安放固定天車，通過小船牽引先導索過河，利用先導索安裝循環索、通風纜等，然后安裝并預緊后風纜、調整通風纜垂度，使纜索起重機結構初步形成穩定體系后，開始利用循環索逐根安裝主索。全部主索安裝完成后，根據設計要求調整主索垂度及纜塔預偏，然后按計算確定的走線方式安裝牽引索和起重索，最后安裝支索器、吊具、扁擔梁等附屬結構。在繩索系統安裝的同時，按方案要求布置各類卷揚機、轉向滑輪、控制室等，并跟進安裝索力監測、視頻監控等裝置。

4.4 纜索起重機試吊

纜索起重機各組成系統全部安裝完成后，應首先在全跨范圍內空載試運行，以檢查空載垂度、繩索連接及設備運轉等情況，然后按4級加載方式進行試吊。4級分別為額定起重能力的50%，100%，110%，125%，前2級均應按上游單線、下游單線和雙線聯動的3個工況進行全跨范圍動載試吊，第3級僅按雙線聯動工況進行全跨范圍動載試吊，第4級按雙線聯動工況進行跨中靜載試吊。經試吊檢驗纜索起重機的承載力、超載力、安全性能、使用性能等，試吊合格并經申報取證后方可正式投入使用。

5 鋼拱肋扣掛安裝

5.1 吊裝準備

1)節段擺放 根據鋼拱肋的節段劃分及預拱度要求，提前在廠內加工制造，同時安裝現場所需的吊耳、匹配件、管口連接裝置等結構，對監控點做好標識，水運至現場。現場租賃平板駁船存放拱肋節段，根據節段尺寸位置及施工特點合理確定節段的擺放狀態，拱肋節段順橋向放置，吊裝前僅需將駁船上下游移動、調整待吊節段至指定位置即可，便于起吊安裝操作。

2)扣塔安裝 扣塔分段加工，采用纜索起重機逐段吊裝連成整體，嚴格控制扣塔的垂直度和現場接頭質量。扣塔柱腳分別坐落于交界墩墩頂和引橋連續梁上，考慮引橋在季節性溫度變化時的伸縮變形對柱腳產生不利影響，故引橋梁面柱腳設置反扣滑移結構，保證柱腳可沿縱向自由滑動，有效釋放附加應力。

對于錨索不對稱布置導致的扣塔偏移，反向設置扣塔側風纜調節塔偏、保證體系受力平衡，在扣塔安裝過程中做好掛設側風纜準備，待拱肋節段安裝到相應工況時應及時安裝預緊、分級張拉側風纜。

5.2 節段起吊

1)帶索起吊 根據配索方案提前下料鋼絞線，掛設預緊錨索于扣塔和錨碇之間，通過錨箱將扣索下端連接于拱肋節段的扣掛吊耳上。纜索起重機主吊起重索下設吊裝扁擔梁，根據不同節段的結構尺寸及吊耳位置，在扁擔梁上設置限位卡槽，以匹配固定吊裝鋼絲繩位置。各處吊鉤連接完成后發出起吊信號，通過后臺操作纜索起重機將拱肋節段和扣索同步緩慢提升(見圖4，5)。

圖4 扣掛錨箱連接示意

圖5 起吊拱肋節段斷面示意

2)調整空中姿態 提升至一定高度后，調整節段空中姿態，通過控制纜索起重機調節前后2根扁擔梁的相對高差，使節段基本達到安裝時前高后低的傾斜狀態。

5.3 安裝張拉調整

5.3.1粗調對位

通過纜索起重機緩慢移動待安裝節段，使其下管口逐漸靠近已安裝節段的上管口，采用工作吊牽引扣索上端并連接于對應錨梁，利用手拉葫蘆橫向調整節段扭偏，根據拱肋節段安裝的控制坐標初步粗調節段位置，沿縱向設置手拉葫蘆牽拉以縮小對接口間隙，并通過管口連接裝置進行匹配對位。管口連接裝置有2種(見圖6)，首節段與拱腳預埋段間采用內法蘭+嵌補段結構定位連接，標準節段的主弦管間采用可雙向調節的外法蘭匹配件結構定位連接，以方便節段安裝對位。拱肋節段粗調定位后，初步施擰對接口連接螺栓。

圖6 管口連接構造示意

5.3.2張拉精調

粗調定位后，在纜索起重機主鉤懸吊狀態下，根據監控指令的索力大小分級進行扣錨索力的對稱張拉，采用高精度全站儀持續跟蹤觀測拱肋監控點的空間坐標變化，以精確調整拱肋安裝線形。拱肋精調過程中，以線形控制為主、索力控制為輔的原則，隨索力張拉加載、纜索起重機逐步卸載，在二者此消彼長過程中精確控制拱肋線形滿足施工預拱度要求，實現拱肋節段由纜索起重機懸吊狀態向扣錨索扣掛狀態的平穩過渡，完成精調(見圖7)。

圖7 對接管口調整施工照片

精調過程的線形控制坐標應通過施工階段模擬分析得到，綜合考慮二期恒載+1/2運營活載作用下的最終階段成橋拱度及安裝當前節段的線形變化，推算出各節段的施工預拱度數值，然后再與設計線形坐標疊加計算出實際施工控制坐標，以此保證最終工況下的整體線形與目標值吻合，實現一次張拉的效果。施工中每安裝1個拱肋節段對應張拉該組扣錨索，無須調整之前已安裝的各組索力，扣錨索對稱張拉必須做到扣索和錨索同比例加載、上下游同步加載。精調過程中采用千斤頂和碼板調整管口錯邊，針對拱肋線形小范圍偏差，可采用調節對接口焊縫間隙或設置拱肋側風纜方式進行微調。

5.4 臨時固結及焊接

拱肋安裝精調后擰緊管口連接裝置上的螺栓，將相鄰管口臨時固結鎖定，然后及時對管口焊縫進行施焊及無損檢測。根據管口連接裝置的承載力，合理控制管口焊接速度、保證工序銜接，一般控制焊縫焊接滯后于節段安裝≤2個節段。

管口焊接采用鋼襯墊兜底，由于管內密閉空間中鋼襯墊安裝困難，故研究采用一種鋼襯墊安裝調整裝置(見圖8)，將管內鋼襯墊沿圓周分割成多個小塊，然后采用該裝置逐一安裝定位、擰緊螺母以保證襯墊密貼后點焊固定，操作便捷、效果良好。

圖8 鋼襯墊安裝調整裝置示意

5.5 拱頂合龍施工

1)持續觀測 通過連續數天觀測溫度及合龍口尺寸的變化情況，選擇在氣溫相對穩定的0:00—6:00進行合龍施工。根據觀測確定的合龍溫度與設計要求理想溫度間的偏差，模擬計算溫差導致的合龍口變形量，并考慮扣掛體系對拱肋產生的附加變形值，綜合考慮溫度應力和扣掛附加應力影響后最終確定合龍口尺寸，用于提前下料配切。

2)線形調整 根據已確定的合龍施工溫度及合龍口配切尺寸，通過軟件模擬推算出該溫度下的合龍前線形坐標，以此調整拱肋大懸臂狀態的線形滿足合龍施工要求，具體可采用調節扣索索力或在合龍口處采用千斤頂施加外力等方式。

3)合龍施工 待拱肋合龍前大懸臂狀態下的整體線形滿足要求后，且等到既定的合龍溫度范圍時，快速安裝拱頂合龍段，并及時采用碼板或型鋼結構進行鎖定。調整對接口錯邊、間隙等指標符合要求后，及時施焊對接口焊縫并檢測，最終完成主拱合龍。

5.6 施工監控

拱肋安裝前，布置測量控制網及各類監控感應器，建立全程監控指揮信息系統，在拱肋安裝過程中隨時提取查看索力、應力、線形等實際信息，通過后臺實時監控分析，及時有效地做出正確判斷、發出施工指令，保證高精度完成拱肋安裝。

6 結語

鄭萬高速鐵路奉節梅溪河雙線特大橋鋼拱肋用鋼量4 083.3t，共劃分32個節段，采用本文所述技術施工，于2019年6月20日開始首節段安裝，至10月30日順利合龍，鋼拱肋安裝共用時130余d，較同類型、同等規模橋梁施工縮短工期約50d。拱肋實際的成拱線形與設計目標值較吻合，線形誤差滿足規范要求。施工過程安全可靠、質量良好、降低成本、提高效率。