逆向穿索工藝在埃及魯德·法拉杰軸心大橋施工中的應用*

張國強，王曉山，黎祖金

(1.河北中交遠洲工程試驗檢測有限公司，河北 石家莊 050000；2.柳州歐維姆工程有限公司，廣西 柳州 545036)

0 引言

埃及魯德·法拉杰軸心大橋(Rod EI-Farag Axis Bridge)位于開羅城北，靠近埃及首都中心，橫跨尼羅河，為埃及第一座自主設計和施工的斜拉橋，耗時4年建成。獨具匠心的雙幅跨連續疊合梁混合結構、聯體塔斜拉橋結構非常少見。其邊跨為單箱五室鋼筋混凝土梁，中跨為雙工字鋼組合梁結構，橋面寬度達67.3m，刷新此前加拿大一直保持的65.2m的紀錄。該橋主塔為雙H形混凝土塔柱，斜拉索為四索面結構，每個主塔設有10對拉索，全橋共160根斜拉索。斜拉索采用環氧涂層鋼絞線外裹PE管，管內填充油脂；采用OVM250拉索錨具，最大規格為OVM250-127孔，安裝111根斜拉索。

常規鋼絞線斜拉索安裝采用“循環牽引托板穿索施工工藝”，效率低，控制精度也不高，且易產生磨索、纏索、墜索等施工質量問題。“逆向穿索施工工藝”在掛索間歇時間段完成斜拉索下料、HDPE管焊接等準備工作；掛索時，通過塔頂牽引設備將斜拉索提升至塔端，利用鋼絞線自重完成下穿，然后采用智能張拉完成拉索安裝。對于施工過程中的關鍵步驟，如錨具安裝、鋼絞線下料、HDPE管焊接、穿索、張拉等進行了重點分析，給出了具體操作步驟和計算公式，保證了斜拉索安裝質量和效率。

1 新、舊穿索工藝比較

常規鋼絞線斜拉索安裝采用“循環牽引托板穿索施工工藝”，即鋼絞線斜拉索固定在牽引托板上，由橋面卷揚機通過鋼絲繩牽引托板從HDPE管下管口向上移動至HDPE管上管口，然后塔外操作人員進行牽引轉換，改由塔內牽引鋼絞線并錨固，最后橋面卷揚機反向牽引空托板向下移動至HDPE管下管口完成1次循環(見圖1)。新工藝則采用“逆向穿索施工工藝”，即通過塔頂的鋼絞線穿索機將擺放在橋面的斜拉索自HDPE管外牽引至塔頂，然后轉向下垂到HDPE管上管口作業平臺處，塔外作業人員將鋼絞線導入HDPE管內，利用鋼絞線自重完成下穿。塔內牽引鋼絞線并錨固后開始下一根鋼絞線穿索(見圖2)。

圖1 循環牽引托板穿索施工工藝示意

圖2 逆向穿索施工工藝示意

“逆向穿索施工工藝”與“循環牽引托板穿索施工工藝”相比較，有著明顯不同(見表1)，其最大優勢在于放棄使用循環繩及牽引托板，主要原因有以下2點。

表1 新、舊穿索工藝比較

1)循環繩和牽引托板在HDPE管內運行過程中，因鋼絞線存在自扭力，極易帶動托板發生翻轉，操作人員往往不能及時發現，從而引發一系列問題，如鋼絲繩與鋼絞線纏繞、牽引鋼絞線與已安裝鋼絞線纏繞、牽引鋼絞線墜落(見圖3)、托板卡入已安裝鋼絞線縫隙等，且循環繩和托板在HDPE管內擠占穿索空間，托板運行時會摩擦鋼絞線防腐層。稍有不慎就會造成鋼絞線防腐層的大面積損傷(見圖4)，導致嚴重的質量后果。

圖3 牽引鋼絞線墜落

圖4 鋼絲繩纏索、磨索

逆向穿索施工工藝實施的基本原理是，利用鋼絞線自重實現HDPE管內穿索，放棄使用循環鋼絲繩和托板，且無須在HDPE管內設置其他輔助措施。鋼絞線在HDPE管內下穿過程較順利，因此能非常好地保護鋼絞線防腐層。

2)循環鋼絲繩和托板布置在HDPE管內，所以每根拉索都需重復布設1次循環系統，施工工序較多，且卷揚機鋼絲繩在橋面需多次折返布置，掛索過程中形成多處危險區域，存在大量安全隱患。

逆向穿索施工工藝只需在掛索初期將穿索機布置在塔頂，后期掛索過程則無須再調整，也不存在循環鋼絲繩拆除及重新布線等工作，減少施工工序的同時，也有利于安全管理。

2 逆向穿索施工工藝

逆向穿索施工工藝準備階段需在塔頂搭設工作平臺，并將鋼絞線穿索機吊裝至塔頂固定，鋼絞線下料和HDPE管焊接均在橋面完成。穿索前應先正確安裝張拉端和固定端錨具，然后將HDPE管與加長索同時起吊安裝，通過張拉加長索使HDPE管盡量繃直。穿索時鋼絞線自HDPE管外被牽引至塔頂，通過穿索機后下垂至索導管上管口位置，操作人員引導鋼絞線進入HDPE管，沿管內壁下穿至橋面；塔外作業人員進行鋼絞線牽引裝置轉換，由塔內牽引鋼絞線至相應錨孔并臨時錨固；梁端將鋼絞線下穿至相應錨孔并永久錨固，塔內進行單根張拉，完成單根鋼絞線穿索；重復穿索過程，直至所有鋼絞線安裝完成。

2.1 施工準備

塔頂施工平臺用型鋼搭設，懸臂長1.0～2.0m，型鋼焊接在塔頂預埋件上，并用精軋螺紋鋼錨固。平臺設置安全圍欄，鋼絞線穿索機通過高強螺栓固定在施工平臺上。穿索機安裝調試完成后，用φ5鍍鋅鋼絲繩作為先導繩，一端穿過穿索機，另一端從塔頂依次穿過導向裝置到達橋面并與鋼絞線連接。啟動穿索機，鋼絲繩牽引鋼絞線從橋面到達塔頂穿索機，然后穿索機從出線口穿出，拆除先導繩，完成準備工作。

相對于循環牽引托板穿索施工工藝而言，逆向穿索施工工藝的準備工作量要大一些，主要是需搭設一個穩固的塔頂施工平臺和安裝塔頂穿索機。此項工作發生在掛索前，并不占用掛索主工期，且掛索過程中無須重復作業，減少了掛索步驟，反而有利于工期控制。

2.2 錨具安裝

錨具安裝前要檢查清理索導管、錨具及錨墊板，調整張拉端錨具螺母端面至支撐筒1/2處，封堵未使用的錨孔，做好指向標記。安裝時錨具中心應與預埋管中心一致，嚴格按標記指向安裝，防止上、下錨孔錯位。同時，應特別注意固定端錨具墊板的排水槽和錨具注漿孔必須處于安裝位置最低點，確保索導管內不存在積水，以及張拉結束后錨具注漿的飽滿度達到設計和工藝要求。

2.3 鋼絞線下料

將鋼絞線自由端固定在牽引小車上，通過卷揚機帶動鋼絞線前行，鋼絞線在牽引過程中沿導架斜面下滑，整齊分層碼放，尾端用切割機斷料。采用專用鋼絞線剝線器剝除相應長度的鋼絞線PE管，劃刀下刀深度應嚴格控制，避免損傷環氧涂層。剝皮后清除鋼絲油脂，并取10～15cm中心絲進行墩頭處理。

鋼絞線下料長度L計算：

(1)

式中：L0為上、下錨點間距；LWS為張拉端工作長度，取1.4～1.6m；LWD為固定端工作長度，取0.2～0.3m；E1為張拉端錨板厚度；F1為張拉端支撐筒長度；E2為固定端錨板厚度；S為固定端墊板厚度。

循環牽引托板穿索施工工藝通常在穿索過程中斷料，即斜拉索塔端錨固后，再根據梁端索導管的長度斷料、剝除PE管、清理油脂。為了避免廢索產生，現場技術人員往往要求工人“寧長勿短”，對拉索總長度控制并不嚴格，這也導致PE管剝除長度無法精準測定，斜拉索損耗率較高。穿索過程中斷料占用掛索主工期，影響掛索效率。

逆向穿索施工工藝中，鋼絞線則是提前下料，在掛索間隔時間段內完成，不占用掛索主工期，同時通過精確的公式計算和現場嚴格把控，大大提高了下料長度的準確性，既降低了損耗率又確保PE管剝除段可進入錨具密封筒內得到良好的防腐保護，延長拉索使用壽命。

2.4 HDPE管焊接、吊裝

焊接長度LK計算：

(2)

式中：L0為上、下錨板間距；LTDG為塔端預埋管長度；LLDG為梁端預埋管長度；LCZ為操作空間，一般取2.4～3.0m；LLJG為連接管長度；A為梁端防水罩高度；Δ為溫度修正值；Δt為計算溫度差，Δt=計算溫度-標準溫度；c為線膨脹系數，HDPE管取c=1.8×10-4/℃。

開羅夏季最熱月平均溫度約35℃，在陽光暴曬下HDPE管表面溫度可達50℃；冬季最冷月平均溫度約9℃，偶爾也會出現0℃的低溫天氣。因此，在HDPE管長度計算時，取中間值25℃作為基準溫度，并通過以下公式檢驗極限溫度下LK的取值是否滿足要求。

1)當溫度降低，HDPE管縮短(Δ<0)，當達到極限低溫時，要保證HDPE管與連接管的重疊部分≥500mm，因此有：

L0-LTDG-LLDG-A-(LLJG-0.5)≤

LK?LLJG-0.5≥LCZ-Δ

(3)

2)當溫度升高，HDPE管伸長(Δ>0)，當達到極限高溫時，要保證HDPE管不被擠壓，因此有：

L0-LTDG-LLDG-A≥LK?

LCZ-Δ≥0

(4)

HDPE管現場焊接參考TSG D2002—2006《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》，采用熱熔對焊工藝。除滿足規范要求外，還應注意HDPE管外螺紋線應連續。

HDPE管吊裝前預先在管內穿過1根加長的鋼絞線拉索臨時固定，然后在上管口處安裝索夾，連接管臨時固定在索夾上(見圖5)。垂直起吊HDPE管到塔外索導管處臨時固定，塔內牽引加長索進入對應錨孔并臨時錨固，梁端用卷揚機拖拽加長索直至梁端錨固，然后塔端用前卡式千斤頂張拉加長索直至將HDPE管撐起。

圖5 HDPE管吊裝示意

2.5 鋼絞線穿索、錨固

塔頂穿索機類似于1臺大滾筒卷揚機，鋼絞線在滾輪上纏繞3～5圈提供足夠的牽引力后穿出。斜拉索穿索時，橋面工作人員將已下好料的鋼絞線通過特制的防轉連接器連接，鋼絞線在穿索機的牽引作用下提升至塔頂，繞過穿索機后下垂至塔外作業平臺處。操作人員將鋼絞線導入HDPE管，在穿索機不斷牽引和鋼絞線自重作用下，鋼絞線沿HDPE管內壁下滑至橋面(當斜拉索長度增加、角度減小，鋼絞線下穿難度有所增加時，可在固定端鋼絞線的中心絲墩頭上懸掛子彈頭形狀的配重塊輔助下穿)。當2根鋼絞線的連接處到達塔外作業平臺后，臨時固定鋼絞線并解除連接，塔內從對應的錨具孔內放出牽引繩將已完成下穿的鋼絞線牽引至塔內錨固。同樣，梁底從對應的錨具孔內放出牽引繩將鋼絞線固定端牽引至梁底錨固。最后，用千斤頂對張拉端進行預緊及張拉，完成單根鋼絞線穿索。

逆向穿索施工工藝所用穿索機速度通過變頻可調，最高可達20m/min，與循環牽引托板牽引速度相近。雖然循環牽引托板每次可牽引2根拉索，但由于逆向穿索工藝穿索施工時鋼絞線已提前完成下料，操作步驟減少，且沒有纏索、墜索等問題出現，也無須每節段斜拉索拆除和重新布設循環系統，因此總體穿索效率要高于循環牽引托板穿索工藝，平均穿索周期可縮短1d。

逆向穿索施工工藝放棄使用循環鋼絲繩和托板，且無須在HDPE管內設置其他復雜的輔助措施，即便使用配重塊也并不會損傷鋼絞線PE管。通過工業內窺鏡對HDPE管上、下管口3m范圍內的斜拉索PE管抽檢發現，斜拉索防腐層得到很好的保護，施工質量明顯提升。

2.6 鋼絞線張拉

鋼絞線斜拉索張拉采取先逐根預緊后整體張拉方式。逐根預緊鋼絞線的目的是使得各根鋼絞線的受力狀態盡可能達到一致，從而使累計索力能達到初次張拉的要求索力值且滿足均勻性2%的規范要求。

首排第1，2根鋼絞線主要起到對 HDPE套管的支承作用，因此第1，2根鋼絞線的張拉力值根據HDPE管的垂度及自重進行確定。通常將第3根鋼絞線作為單根張拉的基準索，其張拉力按以下公式進行計算：

(5)

式中：N為斜拉索設計張拉索力；N12為第1，2根鋼絞線的張拉力之和；n為整束斜拉索中鋼絞線根數；δ為安裝斜拉索時由于主塔和主梁變位引起的斜拉索索長變化量；l為斜拉索的計算索長；A為鋼絞線的截面面積；Ec為鋼絞線彈性模量。

后續鋼絞線控制索力計算參考式(5)，由于掛索時間較長，受溫度、日照、橋面荷載變化等各種因素的影響，控制索力也不斷發生變化，因此無法用計算值進行控制，只能作為參考。單根鋼絞線張拉力控制的普遍做法為：將第3根鋼絞線作為基準索，準確張拉并安裝測力傳感器。然后在對后續第i根鋼絞線進行張拉時，基準索索力會隨之減小，當索力Ni與基準索索力N3相等時，即可停止張拉并進行錨固完成張拉。為了保證所有鋼絞線索力盡可能均勻，當鋼絞線安裝張拉完畢后，還需對第1，2根索進行補張拉。

舊工藝采用千斤頂進行單根張拉操作，依靠理論計算力值及人工測量鋼絞線的伸長值監控張拉力。人工操控油泵，依靠肉眼觀測油表控制力值，很難使每根鋼絞線應力均勻一致。本項目通過計算機與傳感器組成索力控制系統進行張拉，實現更精準的索力控制。通過計算機發出信號控制油泵張拉，當鋼絞線索力與基準索傳感器示值相等時，計算機發出信號控制油泵保壓，同時啟動頂壓器頂壓夾片，實現錨夾具自動錨固，完成張拉。采用智能控制的“等值張拉”法施工，可以保證每束拉索內各根鋼絞線的拉力偏差控制在±2%，滿足規范要求。

3 結語

埃及魯德·法拉杰軸心大橋建造過程備受關注，由中國企業供貨的斜拉索其產品質量和施工質量更是項目關注的重點。中國工程師團隊在斜拉索施工過程中根據開羅的氣候特點及施工現場的實際情況不斷優化施工工藝，嚴控下料長度、安裝準確度及張拉精準度，放棄使用常規的循環托板掛索工藝，采取逆向穿索和智能張拉的方法進行施工，彌補了原有施工工藝的不足之處，極大地提高了施工質量和工作效率，取得了非常好的效果。