靖遠金灘黃河大橋施工關鍵技術(shù)

鄭大運

(中鐵大橋局第七工程有限公司 武漢 430056)

近年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和西部大開發(fā)的深入，越來越多的矮塔斜拉橋出現(xiàn)在黃河中上游流域[1-2]。矮塔斜拉橋橋型介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間，與連續(xù)梁相比具有跨越能力大等優(yōu)點；與斜拉橋相比具有施工簡單、主梁剛度大等優(yōu)點[3]。矮塔斜拉橋主要特點是主塔高度低、結(jié)構(gòu)剛度大，適用于150～350 m跨徑，因此在鐵路領域廣泛應用[4-5]。我國第一座矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋于2000年建成，該橋為公鐵兩用[7]。2011年，我國建成第一座鐵路預應力混凝土矮塔斜拉橋——京滬高鐵津滬聯(lián)絡線特大橋[8-9]。

靖遠金灘黃河大橋位于甘肅省白銀市，為預應力混凝土矮塔斜拉橋，該區(qū)域水文地質(zhì)條件差，施工期存在較大的河床沖刷，下部結(jié)構(gòu)施工度汛難度大。該橋主梁較寬，采用多主桁掛籃進行施工，結(jié)構(gòu)復雜，且該地區(qū)晝夜溫差較大，主梁線形較為敏感，高次超靜定結(jié)構(gòu)施工線形控制難度大。文中對靖遠金灘黃河大橋施工技術(shù)進行研究，提出適用于該地區(qū)施工期河床防護、深厚粉土和卵石土覆蓋地層鉆孔樁基礎、超寬主梁施工，以及施工線形控制技術(shù)。

1 工程概況

靖遠金灘黃河大橋工程位于甘肅省白銀市靖遠縣城東，主橋為跨徑布置100 m+168 m+100 m結(jié)構(gòu)的預應力混凝土矮塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)采用塔梁固結(jié)、塔墩分離體系，其主橋橋型布置見圖1。

圖1 靖遠金灘黃河大橋主橋橋型布置(尺寸單位：cm)

主橋主墩為直徑2.2 m 的樁基礎，最大樁長60 m，箱梁采用單箱五室斜腹板斷面，頂板寬度為36.5 m，橋塔外形采用A形，總高30 m。

2 總體施工方案及施工難點

橋址位于黃河中上游地區(qū)，具有水深淺、汛期流速大、沖刷大等水文特點，河床上部覆蓋層主要為粉土和卵石土，下部主要為砂巖，晝夜溫差較大。施工過程中，由于航道不通航，搭建棧橋輔助全橋施工；主墩基礎采用先平臺、后圍堰的施工方法；0號塊采用支架法施工，其他主梁節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑法施工；主塔采用翻模法進行施工，施工主塔的過程中同步施工主梁。施工難點如下。

1) 主墩表面覆蓋較厚的粉土和卵石土，施工期沖刷較大，對于圍堰、棧橋的施工存在較大的安全隱患。

2) 主墩采用旋挖鉆機進行施工，需穿過8 m厚的卵石層，鉆進過程中容易漏漿、塌孔，鉆孔鉆進難度大。

3) 主梁寬度36.5 m，采用六主桁的菱形掛籃進行施工，掛籃設計結(jié)構(gòu)復雜。

4) 該地區(qū)晝夜溫差大，主梁線形控制難度大。

3 施工關鍵技術(shù)

3.1 河床防護與棧橋設計

橋址區(qū)域覆蓋粉土和卵石土，且分布不均，局部覆蓋層僅4 m左右。當汛期來臨時，實測最大流速達4.2 m/s，局部沖刷最大深度達8 m左右，為此采用了河床防護的施工方法，解決粉土地層棧橋施工期防沖刷的難題。橋址區(qū)域不通航，棧橋設計考慮機械設備的通行及混凝土的輸送等功能，兼顧全橋施工，并考慮增大跨度，減少鋼管樁插打的數(shù)量。

3.1.1河床防護

由于汛期水流速較大，采用常規(guī)的拋填碎石作為保護河床的護面結(jié)構(gòu)，難以達到防沖刷的效果。基于本工程的地質(zhì)特點，首先在棧橋樁附近拋設碎石作為基礎的護面結(jié)構(gòu)，其次采用粒徑較大的碎石石籠對樁基礎附近進行加固。石籠主要分布在棧橋樁周圈及主墩的上游側(cè)區(qū)域，采用0.5 m×0.5 m×0.5 m正方體結(jié)構(gòu)，成片石籠形成三角形或者U形的阻水結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過現(xiàn)場實測，進行河床防護后，三角形或U形防護結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)河床沖刷將降低至1 m以內(nèi)，主要沖刷分布在防護結(jié)構(gòu)的外側(cè)，整個施工期棧橋未受到汛期河床沖刷的影響，河床防護效果良好。

3.1.2棧橋設計

由于河道施工期不通航，施工棧橋布置橫跨整個河道，棧橋?qū)挾? m，滿足施工車輛雙向通行和100 t履帶吊走行作業(yè)空間，并作為混凝土的輸送通道。鋼棧橋總長為384 m，基礎采用直徑×壁厚為1 000 mm×10 mm鋼管樁。由于打樁困難及為了減小河床沖刷，通過在貝雷梁設置加強弦桿加強棧橋設計，提升其跨越能力，并減少水中墩的數(shù)量。棧橋標準跨徑設計為18 m，布置為三跨一聯(lián)18.1 m+18 m+18.1 m，棧橋立面布置圖見圖2。

圖2 棧橋標準跨立面圖(單位：mm)

3.2 鉆孔樁基礎施工

鉆孔樁施工要穿越粉土、卵石土、堅硬巖層等多種復雜地層，鉆進難度大，坍孔風險較高。采用旋挖鉆機進行鉆孔施工。根據(jù)地質(zhì)情況，分級鉆孔施工：①當孔位處地質(zhì)條件較好，地層分布均勻，巖層易鉆進時，可直接采用直徑1.5 m→2.2 m二級成孔施工；②當孔位處地質(zhì)條件較差，巖層鉆進較為困難時，采用直徑1.5 m→2.0 m→2.2 m三級成孔施工；③孔位處地質(zhì)條件復雜，地層分布不均，巖層鉆進難度困難時，采用直徑1.5 m→1.8 m→2.2 m三級成孔施工。鉆進過程中配置常規(guī)的截齒雙門鉆斗，還準備適用于大直徑卵石層的的單門鉆斗和單頭螺旋鉆頭、適用于基巖和卵礫石的截齒筒鉆、截齒雙門鉆斗。

由于穿越卵石層時，易出現(xiàn)坍孔、漏漿等情況，采取鈉基膨潤土優(yōu)質(zhì)泥漿護壁，并兼以護筒跟進，解決了這一施工難題。泥漿性能指標見表1。

表1 泥漿各項指標

3.3 掛籃設計與施工

主梁寬36.5 m，掛籃(見圖3)設計為六主桁結(jié)構(gòu)，并設置橫聯(lián)連成整體，大幅提升掛籃整體剛度。

圖3 掛籃示意圖(單位：mm)

3.3.1掛籃設計

由于采用懸臂施工，為保證主梁的結(jié)構(gòu)安全，對于掛籃的自重有一定的要求，掛籃結(jié)構(gòu)需盡量輕巧，因此設計為六主桁整體桁架結(jié)構(gòu)，限重的同時獲得較大的整體剛度。

掛籃主要由菱形桁架、提吊系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)和張拉操作平臺等6部分組成。在6片主桁架下的有6道走行軌道，軌道為II形型截面。走行過程中，通過一套計算機集中控制系統(tǒng)控制6套走行設備，使各主桁同步走行，保證安全。

通過有限元分析軟件建立整體模型(見圖4)，選取3個最重主梁節(jié)段和走行工況進行檢算，最大主梁節(jié)段質(zhì)量達到720 t。

圖4 有限元分析模型

由計算分析可知，各桿件應力和撓度均滿足要求，建模分析結(jié)果見表2。對于超寬掛籃設計，除上述計算外，重點關注其走行抗傾覆穩(wěn)定性。

表2 建模分析結(jié)果

3.3.2對稱懸臂澆筑與合龍施工

對稱懸臂澆筑過程與其他連續(xù)梁橋掛籃澆筑施工方法相近。在主梁懸臂澆筑過程中，確保主梁線形平順、正確是首位，施工中以標高控制為主。立模標高的合理確定起著決定性的作用。澆筑前一般要設置一定的預拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形(豎向撓度)。其計算公式為

Hlmi=Hsji-∑f1i-∑f2i-

f3i-f4i-f5i-fgl

式中：Hlmi為i階段立模標高；Hsji為i階段設計標高；∑f1i為由本階段及后續(xù)施工階段主梁節(jié)段自重在i階段產(chǎn)生的撓度總和；∑f2i為由張拉本階段及后續(xù)施工階預應力在i階段引起的撓度；f3i為混凝土收縮、徐變在i階段引起的撓度；f4i為施工臨時荷載在i階段引起的撓度；f5i為取使用荷載在i階段引起的撓度的50%；fgl為掛籃變形值。

對稱懸臂澆筑和邊跨直線段施工完畢后進行合龍施工。合龍時按照先邊跨、再中跨的順序。懸臂主梁節(jié)段澆注完畢，拆除懸臂掛籃，并在懸臂端的水箱中加水以設平衡重。合龍口鎖定采用“預埋槽鋼+連接槽鋼+預埋槽鋼”三段式結(jié)構(gòu)。合龍段混凝土澆注過程中，按新澆注混凝土的重量分級卸去平衡重(即分級放水)，保證平衡施工。邊跨合龍完成后即解除主墩0號塊臨時錨固，因7號主墩主支座為固定支座、8號主墩主支座為單向支座(橫向限位)，8號主墩解除臨時錨固后，增加臨時縱向限位擋塊。

3.4 施工控制

矮塔斜拉橋在懸臂施工階段是超靜定結(jié)構(gòu)，合龍過程中如不施加額外的壓重，成橋后內(nèi)力狀態(tài)一般不會出現(xiàn)較大偏差，因此矮塔斜拉橋施工控制的主要目標是控制主梁的線形。監(jiān)控過程中根據(jù)施工中實測到的結(jié)構(gòu)反應修正計算模型中的參數(shù)值，以使計算模型在與實際結(jié)構(gòu)磨合一段時間后，自動適應結(jié)構(gòu)的物理力學規(guī)律。在閉環(huán)反饋控制的基礎上，再加上一個系統(tǒng)參數(shù)辨識過程，整個控制系統(tǒng)就成為自適應控制系統(tǒng)，自適應控制體系見圖5。

圖5 自適應施工控制體系

施工監(jiān)控模型結(jié)構(gòu)離散遵循以下3個基本原則：①計算模型應盡量符合實際結(jié)構(gòu)受力特點，以保證解的正確性；②保證結(jié)構(gòu)幾何不變性，特別是在綜合復雜的轉(zhuǎn)化過程中更應注意，同時要避免出現(xiàn)與實際結(jié)果受力不符的多余約束；③在合理模擬的前提下，減少不必要的節(jié)點數(shù)目，以縮短計算時間，減少后處理工作量。根據(jù)設計圖紙所示施工階段及需完成工作量將本橋劃分為90個施工階段，本橋計算模型示意見圖6。

圖6 本橋計算模型示意

在每1個主梁節(jié)段布置1個測試斷面(測試斷面距離梁端頭約50 cm)，在測試斷面主梁節(jié)段布設10個監(jiān)測點，中間2個位于主梁中心線頂板和底板位置，另外8個對稱布置于外側(cè)腹板頂板和底板位置處。這樣可以觀測箱梁橫向變形及是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，并且可以相互驗證測量成果的可靠性和精度。

在每個施工循環(huán)過程結(jié)束均對已完成的主梁節(jié)段進行全面的測量，分析實際施工結(jié)果與預計目標的誤差，從而及時對已出現(xiàn)的誤差進行調(diào)整，在達到要求的精度后，才能對下一施工循環(huán)做出預報。在每一施工步驟中制訂了如下的誤差控制水平。

1) 掛籃定位標高與預報標高之差控制在0.5 cm以內(nèi)。

2) 縱向預應力鋼束張拉完成后，如梁端測點標高與理論標高之差超過±0.5 cm，需進行研究分析誤差原因，通過調(diào)整索力或調(diào)整后續(xù)主梁節(jié)段標高進行偏差調(diào)整。

通過對各階段線形調(diào)整，成橋橋面標高見圖7，主橋梁高與理論值最大偏差值為28 mm，滿足規(guī)范要求的±L/5 000=34 mm。

圖7 梁頂高差對照圖

為了掌握各施工階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化情況以及與計算結(jié)果的符合程度，保證在施工過程中結(jié)構(gòu)各控制截面內(nèi)不致出現(xiàn)過大應力而危及結(jié)構(gòu)安全，對各施工階段結(jié)構(gòu)各控制截面的應變進行監(jiān)測。結(jié)合計算分析結(jié)果，對測試斷面及測點布置進行優(yōu)化、調(diào)整，選取結(jié)構(gòu)受力最不利處進行監(jiān)測。主塔上的測點布置選定在塔柱底端前后各1個，7號墩、8號墩共布置4個測試斷面。主梁上的測點布置選定在主梁1號段，8號段，共布置8個測試斷面。以主塔根部2號截面為例，通過對主要截面應力控制，該截面實測應力結(jié)果見圖8，成橋應力與設計值偏差在20%以內(nèi)。

圖8 2號截面應力時程圖

采用振弦式傳感器法與振動頻率法測試拉索力，索力均勻性絕大部分控制在2%以內(nèi)，索力均勻性有超限的現(xiàn)象，2%～5%區(qū)間超限股數(shù)為41，超限率為11.2%，≥±5.0%區(qū)間超限股數(shù)為14，超限率僅為3.81%。超限主要原因是單孔錨梅花墊片與鋼絞線之間存在摩阻的緣故，因本橋斜拉索為環(huán)氧涂層鋼絞線，較其他鋼絞線直徑偏大，為此定制了內(nèi)徑為17.5 mm的梅花墊片，在此基礎上進行索力測試的效果明顯改善。成橋后全橋整索索力最大偏差為-3.24%，而且索力偏差均為負值，究其原因是頻譜法索力系數(shù)取值偏小，經(jīng)調(diào)整后，索力偏差均在±3.0%之間波動，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文結(jié)合靖遠金灘黃河大橋工程施工研究了黃河中上游流域矮塔斜拉的施工關鍵技術(shù)，提出基于拋填碎石+石籠護面結(jié)構(gòu)的河床防護，設計多主桁整體菱形掛籃結(jié)構(gòu)，制定適用于矮塔斜拉橋超寬主梁的施工自適應控制體系，為后續(xù)類似橋梁工程施工提供了參考和借鑒。