港珠澳大橋九洲航道橋主墩鋼塔柱吊安技術

畢朝陽

(中鐵交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530201)

1 工程概況

港珠澳大橋是我國境內連接香港、廣東珠海和澳門的一項世紀工程，是目前世界上最長的跨海大橋。九洲航道橋是港珠澳大橋的組成部分，位于珠海側淺水區，大橋采用雙塔單索面鋼混組合梁斜拉橋，主跨設單孔雙向通航，橋跨布置為(85+127.5+268+127.5+85)m，全長693 m。全橋共6個橋墩，其中206號、207號墩為主塔墩，主塔采用“風帆”造型，斜拉索采用豎琴形布置。九洲航道橋布置見圖1。

九洲航道橋主墩主塔采用鋼混組合結構，由豎直的塔柱和彎曲的曲臂組成，塔高114.7 m，塔柱和曲臂自塔底至塔頂依次為：13.7 m混凝土塔柱、3 m鋼混結合段和98.0 m鋼塔柱。鋼塔柱共分為8個吊裝節段(一個主塔)，即下塔柱T0(鋼混結合段),T1，T2，T3(塔梁固結段),曲臂B(三)～B(一)節段；上塔柱T4～T9階段及曲臂A(一)～A(三)節段。九洲航道橋主塔鋼塔柱節段分塊見圖2。

2 主塔施工總體方案研究

目前，水上(海上)斜拉橋鋼主塔一般采用塔吊分節段進行吊裝施工，這類施工方案具有臨時結構投入少、施工操作簡單、安裝效率高的優點；同時，需要投入大型的塔吊設備，具有高空作業點多、現場焊接及涂裝工作量大、設備費用投入大的缺點。主塔鋼塔柱塔吊分節段吊裝施工見圖3。

港珠澳大橋九洲航道橋由于澳門機場航線經過橋址區域，橋位處的航空限制高程為+122.0 m，成橋后塔頂高程為+120.0 m，限高以下施工高度僅為2.0 m，采用塔吊輔助吊裝的常規方法施工難以滿足施工期航空限高的要求。因此，九洲航道橋在施工過程中，下塔柱采用分節段吊裝方案，上塔柱施工主要研究了“臨時支墩一次豎轉”“大節段梁面提升豎轉”以及“浮吊大節段整體吊裝”三個方案[1]。

2.1 方案一：“臨時支墩一次豎轉”方案

該方案是在兩邊跨各設置一個臨時墩，橋面以下的鋼塔柱及曲臂采用浮吊分節段吊裝，橋面以上部分鋼塔柱及曲臂在工廠分節段加工制造完成后，按照“塔柱在上、曲臂在下”的方式組拼成大節段，整體浮運至橋位，利用大型浮吊起吊放置在下鉸座分配梁上的墊塊和臨時墩上，通過三向調整裝置將上塔柱上、下鉸座對孔，插上銷軸，形成鋼塔臨時轉鉸；安裝橫向抗風撐桿及豎轉架，布置拽拉錨固系統及后錨索，整體豎轉鋼塔立柱和曲臂，焊接鋼塔柱，完成鋼塔柱整體轉體施工。九洲航道橋主塔上塔柱一次豎轉施工見圖4。

2.2 方案二：“梁面提升豎轉”方案

該方案是在主塔處橋面上設置上塔柱提升及空中翻身臨時鋼管支架以及滑道梁，橋面以上部分鋼塔柱及曲臂在工廠分節段加工制造完成后，按照“塔柱在下、曲臂在上”的方式組拼成大節段，整體浮運至橋位，利用大型浮吊在橋位處水平起吊上塔柱至塔梁固結段頂面，順橋向水平落至T3頂口臨時支撐及滑移軌道臨時支撐上，利用在梁面主塔位置處安裝的鋼管吊架上的連續千斤頂進行上塔柱提升及空中豎轉作業，完成上塔柱的安裝施工。九洲航道橋主塔上塔柱水平吊裝、梁面提升豎轉施工見圖5。

2.3 方案三：“浮吊大節段整體吊裝”方案

該方案是橋面以上部分鋼塔柱及曲臂在工廠分節段加工制造完成后，按照“塔柱在下、曲臂在上”的方式組拼成大節段，整體浮運至橋位，利用一大一小兩臺浮吊配合完成塔柱起吊、空中翻轉，翻轉塔柱至豎直狀態后小浮吊退出，大浮吊絞錨前移將上塔柱吊至已安裝主塔塔柱正上方，然后緩慢下放塔柱，距離T3節段頂位置一定距離時，減緩下放速度，利用牽引系統進行粗定位，下放過程中利用倒鏈配合將上塔柱導向板喂入下塔柱導向板凹口中，測量安裝精度滿足要求后安裝節段間匹配件螺栓將塔柱臨時鎖定，吊機解鉤，進行塔柱壁板焊接，完成上塔柱安裝施工。該方案為了規避塔頂以上航空限高的限制，采用了雙臂架大噸位浮吊，吊點設置在上塔柱整體節段重心以上一定范圍，浮吊吊臂頂高程嚴格限制在+122.0 m 標高以下。九洲航道橋主塔上塔柱浮吊大節段整體吊裝施工見圖6。

對比以上三個方案，方案一“臨時支墩一次豎轉”方案具有制造精度高、工期短、現場焊接及涂裝工程量小、效率高、高空作業少等優點；該方案的缺點是由于采用“曲臂在下，塔柱在上”的方式運輸，鋼塔整體大節段重心高，主塔運輸安全風險大，同時，塔柱豎轉施工操作復雜，橫向穩定及豎轉就位時抗傾覆控制難度較大。方案二“梁面提升豎轉”方案除了具有方案一的優點外，由于該方案是采用“曲臂在上，塔柱在下”的方式進行組拼及運輸，鋼塔整體大節段重心低，主塔運輸安全風險相對更小；方案二的缺點是臨時鋼結構投入較多，鋼塔及主梁局部位置需要進行加強。方案三“浮吊大節段整體吊裝”方案除了具有方案一及方案二的優點外，采用雙臂架大噸位浮吊吊裝施工還具有臨時設施投入少的優點；該方案的缺點是浮吊噸位大，浮吊費用高，同時，鋼塔柱利用兩臺浮吊進行空中翻轉時受力較復雜，過程控制難度大等缺點。

在港珠澳大橋九洲航道橋主塔施工中，經過對各方案的詳細驗算和優缺點對比，最終選擇方案二，即“梁面提升豎轉”方案作為九洲航道橋鋼主塔上塔柱的實施方案。

3 下塔柱施工

九洲航道橋主塔下塔柱包括T0～T3節段及曲臂B(一)～B(三) 節段，采用大噸位浮吊分節段吊裝就位，節段吊裝順序依次為：塔柱T0節段→塔柱T1節段→塔柱T2節段→曲臂B(三)節段→曲臂B(二)節段→塔柱T3節段→曲臂B(一)節段。其中T0節段為鋼混結合段，浮吊吊裝后放置在混凝土塔柱頂的勁性骨架上，再利用三向調整設備進行精確定位；T3節段為塔梁固結段，采用設置墩旁托架進行臨時支撐，為便于鋼主梁(塔)節段架設時精確調整對位，在墩旁托架頂鋼箱分配梁上設置縱橫移千斤頂及豎向千斤頂，實現鋼主梁(塔)的三向調節[2-3]。

4 上塔柱施工

4.1 上塔柱安裝施工工藝流程

上塔柱安裝施工工藝流程圖見圖7。

4.2 上塔柱提升豎轉主要臨時設施設計

九洲航道橋上塔柱吊裝施工臨時設施主要包括上塔柱提升及空中翻身鋼管支架、滑移體系、滑移鉸座等部分，另外還有吊具及吊耳、塔柱定位及導向等匹配件以及塔柱、主梁局部加固、施工操作平臺等。

4.2.1 上塔柱提升及空中翻身鋼管支架

九洲航道橋上塔柱整體大節段吊裝施工采用設置鋼管支架作為上塔柱提升豎轉作業的受力結構，支架平面由8根鋼管柱分布，每個鋼管支架由左、右幅兩個獨立支架組成。每個獨立支架由“4根φ1.0 m鋼管+φ400 mm鋼管聯結系”組成格構式受壓結構。鋼管支架從梁面往上主要由墊塊、墊梁、柱腳、鋼管立柱、分配梁、連續千斤頂及鋼絞線組成。上塔柱提升及空中翻身鋼管支架總布置圖見圖8。

4.2.2 滑道系統

上塔柱在利用鋼管支架提升的時候，為了保證塔柱底口能夠平順滑動，在橋面與塔柱底口之間布設滑移體系，滑道系統主要由墊塊(梁)、貝雷桁架結構及滑道梁等組成。滑道從下到上依次含：墊塊、貝雷梁、滑道梁三大部分。

4.2.3 滑移鉸系統

滑移鉸系統是塔柱在提升過程中輔助受力結構，同時也是上塔柱水平吊至梁面后T4節段端的臨時支撐點，由滑移鉸、滑座及反扣構成。滑移鉸為φ1 000 mm×φ20 mm鋼管，鋼管局部灌注C30自密實混凝土，與鋼塔柱T4節段底口通過連接件采用12.9級M30高強螺栓連接，連接件之間采用雙面角焊縫焊接。滑座及反扣采用材質Q345B厚度為20 mm鋼板制作，滑座頂部設置直徑為1 010 mm圓弧，滑移鉸內切于滑座頂面圓弧，滑移鉸與滑座間填10 mm厚聚四氟乙烯板，減小滑行摩阻力，為防止滑座偏離滑道梁，滑座底部兩端焊限位板；反扣內徑為 1 020 mm，反扣與滑座間采用12.9級M30高強螺栓連接形成滑移系統。滑移鉸系統結構示意圖如圖9所示。

4.2.4 吊具

上塔柱安裝施工過程中根據工況不同，分為兩種吊具：一是上塔柱由浮吊水平吊放至梁面設計位置過程中(后面簡稱“海上吊裝”)使用的吊具；二是上塔柱梁面提升豎轉過程中(后面簡稱“梁面提升豎轉”)使用的吊具及設備。

1)“海上吊裝”用吊具。

采用浮吊進行海上吊裝作業，吊點分兩種類型，一側利用上塔柱與扁擔梁的連接銷軸孔直接穿銷軸連接鋼吊帶起吊，鋼拉帶為厚度60 mm、材質為Q345b鋼板加工而成，兩根一組，通過φ280 mm銷軸與上塔柱和鋼絲繩連接。另一側采用吊梁方式起吊，吊梁為箱型梁結構，截面尺寸1 200 mm×800 mm，長度6.0 m，由材質Q235B鋼板焊接而成。

2)“梁面提升豎轉”用吊具。

上塔柱豎轉提升采用鋼絞線液壓提升裝備，由穿芯式油缸、液壓泵站和控制柜組成。每個塔柱共設4個吊點。提升時，鋼絞線一端與穿心頂油缸的上下錨相連，另一端為保證受力可靠傳遞，在提升鋼絞線與三角連接板間設置錨箱結構，錨箱與鋼絞線采用鋼絞線穿心錨固，錨箱與三角連接板采用銷軸連接，三角連接板采用銷軸與扁擔梁連接。三角板連接件為厚度60 mm、材質為Q690D鋼板焊接而成的半封閉式結構，與塔柱扁擔梁通過銷軸連接，是上塔柱提升豎轉過程中的直接承重結構。為保證塔柱在梁面提升后能夠順利翻轉至豎直狀態，扁擔梁設置在上塔柱重心位置以上4.216 m(T6，T7節段分界線以上1.125 m)處。

4.3 上塔柱大節段豎轉提升主要施工步驟

步驟一：

拼裝內海側鋼管支架及滑道梁，在外海側采用浮吊水平吊裝主塔上塔柱整體大節段至主塔臨時支撐處,設置抗風拉攬將主塔拉在鋼主梁上。

步驟二：

拼裝外海側鋼管立柱,安裝提升系統，安裝邊跨側30 t水平千斤頂，拆除抗風拉攬完成起吊前準備工作，見圖10。

步驟三：

利用四臺連續千斤頂同步提升鋼塔，邊跨側30 t水平千斤頂配合作業，拆除鋼塔T3節段頂的臨時支撐，安裝中跨側30 t水平千斤頂。四臺連續千斤頂同步提升鋼塔沿滑道緩慢滑移，兩臺30 t水平千斤頂配合作業(如圖11所示)。

步驟四：

提升鋼塔至設計位置(鋼塔T4節段底部距離T3節段頂3.3 m)，調整鋼塔至豎直狀態，拆除滑靴。同步下放鋼塔，上塔柱與下塔柱對位完成后，進行焊接施工完成鋼塔柱安裝。

4.4 塔柱安裝過程中的定位措施

為保證鋼塔柱安裝的順利進行，采取在鋼塔柱上設置導向裝置、精調裝置及匹配件臨時鎖定等措施，實現鋼塔柱精準就位。

4.4.1 導向結構粗定位

上塔柱安裝時由于塔柱本身高度較高，截面尺寸較大，容易受風力影響擺動，為保證上塔柱在吊裝過程中能夠順利下放至設計標高，并完成匹配件連接，需在T3節段上口設置導向系統，新增導向設置于T3頂口內側四角處，采用箱型結構，高度990 cm，其中604 cm伸出T3節段頂口，并設置斜向坡度，作為初步導向，便于塔柱順利下放，上塔柱下口至T3節段上方約1 m位置時，緩慢下放，確保節段底口順利滑入導向板達到初步對位[4-5]。

4.4.2 精調定位裝置

在已安裝鋼塔柱節段頂口部位安裝定位調整工裝，實現待安裝塔柱定位及調位。定位調整工裝和設備主要包括手搖式千斤頂和設置在T3節段頂口四角“新增導向”上布設的橫橋向和縱橋向水平支撐，支撐采用鋼板焊接 。

4.4.3 匹配件

在塔柱焊接制造時在T4節段下口及T3節段上口壁板內側焊接匹配件用于塔柱安裝過程中精確定位及定位完成后臨時鎖定，安裝過程中采用雙層鑄鋼鋼鍥塊結構來調整和控制匹配件，鋼鍥塊的高差可調性(高差調整范圍為200 mm～215 mm)使上塔柱高程精確調整及其安裝的垂直度得到保證，保證了匹配件所承受壓力的有效傳遞。

5 施工注意事項

1)鋼管立柱、墊塊、墊梁、吊具及銷軸等臨時設施的制造及安裝應保證其精度滿足要求。

2)鋼管支架拼裝完成后，應對支架系統進行全面的檢查驗收工作。檢查的主要項目內容為：a.全部桿件與節點拼裝是否正確；b.螺栓是否上滿擰緊；c.立柱根部錨固點連接情況；d.支架傾斜及總體偏位是否符合要求。

3)吊裝施工時，應詳細掌握潮位、氣象等的現狀和施工期間的發展趨勢，吊裝工作盡可能選擇高潮位且作業點風速10 m/s以下，無雨霧天氣，且溫差變化較小的時段內進行。

4)吊裝施工前，應做好機具準備，主要是吊具的安裝、調試檢查(包括吊梁、銷軸、鋼拉帶及鋼絲繩等)以及定位型鋼的安裝檢查，并應檢查和清潔塔柱接觸端面和滑靴螺栓連接質量，使之達到規定要求，作業時不得污染。

5)塔柱起吊、調整、下放整個過程中需配備有經驗的信號人員，起吊時嚴格按照信號員指令執行，避免發生安全事故。

6)在上塔柱上安裝傾斜儀，并派專人時時監控吊裝過程中上塔柱的雙向傾斜情況，當超出施工規定范圍時，應立即停止施工，調整至符合要求后再繼續進行后續施工。

7)上塔柱豎轉就位后，按照先里側、后外側的順序進行焊接，所有焊縫采用對稱、同方向、同步進行，以控制焊接變形。在焊接過程中，對角變形量、標高、水平度、垂直度進行的測量觀測，發現異常情況暫停，及時調整焊接順序進行特殊處理。

6 結語

港珠澳大橋九洲航道橋主塔鋼塔柱安裝，通過多方案研究和比選，最終選擇下塔柱分節段吊裝、上塔柱梁面整體提升豎轉的方案進行安裝施工，成功的規避了塔頂航空凈空的限制要求。同時，在主塔梁面豎轉過程中，通過采用計算機控制液壓同步提升技術，做到了提升過程中的荷載均衡和位移同步，順利、安全的完成了九洲航道橋的鋼塔柱安裝，為港珠澳大橋九洲航道橋如期建成創造了有利條件。