濱海互通立交鋼箱梁架設施工關鍵技術

崔 江

(中鐵十五局集團第二工程有限公司,上海 201714)

1 工程概況

某濱海互通采用變形苜蓿葉形(單環式)互通型式,占海域面積約408 707 m2,為亞洲第一大海上互通立交工程,工程由A—H共計8條匝道橋和主線高架橋組成,分上中下三層與甬舟高速相交,于金塘大橋相拼接,形成十字樞紐。匝道線路最小曲線半徑60 m,主線橋墩和金塘橋加寬橋墩采用樁基礎、片式花瓶墩,匝道采用矩形柱式墩+系梁,互通區匝道及金塘拼寬橋梁均采用鋼-混凝土組合梁(見圖1)。

本項目全部位于海域海中,地質情況為沖海地質,地層交錯變化頻繁,灣內床面呈“冬沖夏淤”季節性沖淤積變化特性。本區的潮汐性質屬于非正規半日淺海潮型,屬強潮流區。海域段橋址區天氣復雜多變,災害性天氣類型多、發生頻繁,對本工程影響較大的災害性天氣主要是雨、大風、雷暴和霧,全年有效工作日僅為180 d左右。原設計濱海互通施工方案擬定為主線高架橋40 m整孔箱梁采用架橋架設,匝道橋在海床標高低于-2 m的可實施區域采用浮吊、其余采用棧橋履帶吊方案,并根據此完成了施工圖設計及審查。

由于該區域海況較復雜,船舶近距離靠近金塘大橋作業安全風險大,海事部門要求施工單位完善施組方案;且根據施工單位2018年和2019年的兩次海床掃測及設計單位的海床掃測對比,橋區海床淤積速度較快,后期下部結構的施工可能會加速海床的淤積,原方案的實施比較困難,需要重新對鋼箱梁的架設方案進行研究并確定。

2 鋼箱梁架設施工難點

互通區匝道橋梁均采用鋼-混凝土組合梁。組合梁鋼梁為槽口型結構,頂板寬0.6 m,0.8 m,底板寬2.1 m,2.6 m和3.1 m,鋼梁高:1.2 m(20 m跨徑)、1.4 m(25 m～31 m跨徑)、1.7 m(40 m,42 m跨徑)、1.9 m(45 m跨徑)、2.1 m(50 m跨徑)、3.1 m(60 m跨徑)。槽型鋼梁均設置豎向加勁肋,橫隔板及橫梁間距為5 m～6 m左右,在橫隔板之間設置多道豎向加勁肋,不同厚度的頂板、底板、腹板采用對接,頂板及底板采用頂面對齊,腹板采用中心對齊。鋼箱組合梁采用直腹板鋼箱組合梁,分左右兩箱室。標準寬度有10.5 m,12 m和13.25 m。混凝土行車道板與鋼主梁之間采用集束式焊釘連接;主梁非支撐點橫向聯結采用小橫梁形式,縱向間距4.5 m,中墩橫向聯結系采用加強橫梁,分聯墩橫向聯結系采用大橫梁形式。鋼箱梁的基本參數見表1。

表1 鋼箱梁的基本參數要求

根據施工前的情況,在無法選擇浮吊的前提下,考慮選擇履帶吊棧橋上吊梁和架橋機架梁兩種方案。履帶吊架梁比較常見的是橋面架梁和陸地上架梁,架橋機架梁一般也是依托已經架設完畢的梁體為依托進行架梁,目前在大噸位箱梁的架設中較少看到在依托棧橋進行架梁施工,也就是說,選擇履帶吊依托棧橋架梁,對于棧橋的設計要求較高,需要認真驗算校核。架橋機架梁也是鋼箱梁架設的比較常見方式,但是本工程的小半徑現狀,對于架橋機具有較高的要求,需要和廠家進行密切的協商,制造可以適應本工程不同跨徑、不同半徑的架橋設備,并且能夠滿足在海域特殊氣象條件下要求的架橋設備。基于這些要求,需要對架橋的兩種方案進行分別研究(見表2)[1]。

表2 鋼箱梁匝道下穿上跨情況

3 鋼箱梁架設技術方案

綜合考慮,在不能選擇浮吊的前提下,根據現有的情況,可以考慮選擇履帶吊棧橋上吊梁和架橋架梁兩種方式。架橋機多量時,海上環境施工是比較好的選擇,成本相對低,可以不需要過多考慮海域環境的特殊性,但是也有其局限性,本工程由于最小半徑為80 m,架橋難以架設。因此G匝道曲線半徑60 m、跨徑20 m(共18跨)的鋼梁架設采用履帶吊進行安裝,曲線半徑不大于160 m的匝道橋橋面板和跨徑不小于40 m或架梁凈空受限的特殊孔跨(共8跨)采用鋼梁架設后現場現澆橋面板的方式作業;其余孔跨鋼梁在廠內加工后運輸到現場預制場內進行橋面板的疊合、然后再通過棧橋轉運到現場提梁站處提升至梁面,橋面運輸梁、最后利用自行式橋面架橋機實現喂梁架梁安裝。

4 架橋機架設施工關鍵技術

4.1 架橋機架設的技術重難點

本工程由于特殊施工環境情況,若采用架橋機施工,架橋機首先要具備適應小半徑曲線,高縱坡、大噸位且適應30 m～40 m梁場的起重設備,起重設備同時應考慮到匝道橋互相交叉形成的作業受限空間的要求。

架橋機整機高度過大,且本身無法降低。原因是單梁式架橋機喂梁吊梁操作時必須在主梁底板以下凈空進行,因而主梁相對標高只能往上推升。整機高度過大,則重心高、橫向穩定性不好、抗風能力差。這成為結構性弱點,如不改變結構形式則該弱點也就無從克服。在和架橋機廠商進行充分的溝通后,考慮到架橋機工作的惡劣環境,目前比較成熟的架橋設備為XXC100型公路架橋機。目前可適用于半徑小于160 m的橋梁架設。額定吊重200 t,吊裝需要空間9.8 m。結合施工現場的實際作業環境,目前暫定對曲線梁架橋機的架橋性能調整為:額定吊重300 t,吊裝跨度不大于40 m的設計標準進行設計。

4.2 架橋機對小半徑曲線橋的適用設計

目前單梁式架橋機無法滿足小半徑曲線梁的架設橫移和架橋機自身過孔的需要,針對濱海互通公路架橋的實際使用情況,聯合架橋設備單位開發了DF40/200(以下簡稱DF40/200)公路架橋機。該設備屬于起重機范疇,適用于40 m及以下公路箱梁、T梁、工字梁的安裝架。該橋由主梁、1號腿、2號腿、3號腿、4號腿、大車系統、小車系統、液壓系統、照明系統、安全監控系統等9個部分組成,如圖2所示。

架橋機主框架為雙梁桁架結構,前后兩端1號、4號支腿橫梁作為聯系梁,主梁采用“A”字三角桁架斷面,總長65.36 m。銷軸連接,組拼和拆裝容易,能適應汽車運輸,主梁橫向中心距為8 m。主梁上安裝有起重量100 t(指吊具下起重量)的小車兩個。通過小車運行機械系統及電氣控制系統,可實現小車沿主梁縱向范圍內移動,小車具有橫移功能,可攜吊具橫向移動。架橋機有4條支腿,均位于主框架下方,從前至后依次為1號腿、2號腿、3號腿、4號腿;2號腿、3號腿型式一樣,均為活動支腿,1號腿、4號腿可實現邊梁無需倒鉤一次到位功能;2號腿、3號腿具有驅動主框架縱移功能,各支腿配合可實現整機過孔功能。

為適應小曲線半徑過梁情況,本架橋對于曲線過孔進行專項設計,在過孔時,按照首先架橋機縱移到位,然后2號腿向曲線內側橫移170 mm,接著3號腿向曲線外側橫移1 173 mm;而后,1號腿中心與橋墩中心重合,平轉1號腿下部支撐,與橋墩平行,支撐1號腿,從而完成架橋機過孔施工。曲線架梁時,首先1號腿支撐,然后3號腿倒裝在2號腿后方,2號腿向曲線外側橫移1 170 mm,與墩中心重合,進而完成架梁施工任務。通過對架橋機的專項設計,可以適應在一定范圍內小半徑架梁的任務。

本架橋機采用專業設計單位設計,完成設計圖紙、架橋機荷載分布圖和架橋機設計受力驗算分析書,然后專業廠家進行生產制造,取得架橋質檢證明后方可投入到施工現場中。架橋機的電源為三相四線制的380 V,50 Hz交流電,采用外接電源供電,可保證大車系統、小車系統、液壓系統、照明系統、安全監控系統等的正常用電。為確保架橋機安全使用,設備設有安全監控系統、風速/風向儀、水平儀、重量顯示裝置、各機構限位及限位顯示裝置等各種安全保護裝置。

4.3 架橋機的防風施工關鍵技術

由于梁體過重,架橋機整機高度無法降低。原因是單梁式架橋機喂梁吊梁操作時必須在主梁底板以下凈空進行,因而主梁相對標高只能往上推升。整機高度過大,則重心高,橫向穩定性不好,抗風能力差[2-3]。在架橋機施工作業時,采取以下技術措施:

1)架橋機作業的環境條件。架橋機架梁時允許最大風力不大于8級,過孔時允許最大風力不大于6級,整機抗風等級(非工作狀態錨固)不大于12級。這是架橋機作業的前置條件,施工過程中必須嚴格遵守,同時確保架橋設備的維修保養要及時。

2)架橋機過孔動作完成后,此時應保證架橋機1號支腿與墩身之間相互錨固,架橋機2號、3號、4號支腿與橋面和導梁之間分別抱死;同時利用架橋機天車與鋼混梁之間通過吊具及鋼絲繩受力連接,從而保證架橋機整體穩定。

3)架橋機完成一孔鋼梁架設后,此時保證架橋機1號 支腿與墩身之間相互錨固,架橋機2號、3號、4號支腿與橋面之間分別抱死;同時利用架橋機天車與鋼混梁之間通過吊具及鋼絲繩受力連接,從而保證架橋機整體穩定。

4)架橋機各個活動輪組兩側加裝楔形塊防止輪箱滾動,同時安裝夾軌器使橋機輪箱與鋼軌抱死,橫、縱移、頂升油缸鎖定,橫移軌道兩側設置擋塊,防止架橋機移動超限。

5)在橋機上安裝測風儀,在架橋機過孔架梁以及施工間歇,應密切關注風向、風速情況,一旦風速達到8級及以上,應立即停止橋機作業,按照錨固要求,對橋機進行錨固固定,人員撤離,確保全過程施工作業安全。

5 履帶吊依托棧橋架梁施工關鍵技術

5.1 履帶吊的選擇

根據鋼箱梁荷載的不同,施工按照區段進行架設。濱海互通A—H匝道30 m及以下鋼箱梁吊裝采用徐工QUY120型履帶吊雙機抬吊,對應棧橋設計采取150 t載重標準;金塘大橋拼寬鋼箱梁架設采取QUY150型履帶吊雙機抬吊,對應棧橋設計采取200 t載重標準。

施工中將單片鋼梁加工成兩節段鋼箱體,其跨中設臨時支墩將整跨分成兩段,分段后鋼梁最大起吊重量80 t。待架鋼梁采用兩臺150 t位的履帶吊抬吊到墩頂,履帶吊吊裝時停在重載棧橋上或支棧橋平臺上。經查150 t履帶吊吊裝性能(半徑12 m,臂長25.06 m工況),按照規范和規程,兩臺吊機所承擔的荷載應大致相等,起吊動作步幅應協調,起吊重量不得超過兩臺起重機在該工況下允許起重總和的75%,單機的起吊荷載不得超過允許荷載的80%,經查詢150 t履帶吊參數表,雙機最大可以吊裝荷載為146 t,得到安全系數1.825,滿足規范要求(見圖3)。

5.2 履帶吊架設時棧橋平臺的安全技術

本項目鋼棧橋的設計既要充分考慮樁基及墩臺的需要,又要充分考慮履帶吊在棧橋進行架梁的重荷載要求。將海上棧橋首先按照線路進行平面布置,然后在履帶吊吊裝鋼梁位置進行分段,因此,本棧橋在G匝道,互通匝道交叉點位置,現有拼寬橋的位置設置為重載棧橋,重載棧橋按照200 t的標準進行設計,普通區域按照100 t或者150 t為普通棧橋。鋼棧橋的設計驗算結合履帶吊的位置進行專項設計,確保吊裝的位置滿足設計要求。鋼棧橋設計荷載按照200 t標準進行專項設計,必須針對吊裝的機位,采用均布面積荷載履帶吊的荷載模擬在施工棧橋上,經有限元軟件仿真計算應滿足規范和設計要求,棧橋設計方案必須經過專家評審批準后方可實施[4]。

加強對施工棧橋的管理工作。棧橋上部荷載不得超過設計荷載,吊裝時運梁車輛,其他棧橋上的材料、設備必須轉運其他位置。在履帶吊吊梁架梁施工,必須對棧橋的實際情況進行檢查,由施工機具進行原機位實驗性吊裝并觀測棧橋的受力情況和沉降情況,確保無風險后方可實施,同時,在施工過程中,必須有專職安全人員進行機位復核,嚴格按照設計模擬的位置進行實施吊裝,位置變化或者調整時,應有專業的技術人員進行現場作業指導,防止出現意外。

6 鋼箱梁架設的施工安全措施

6.1 鋼箱梁架設的安全風險

經對架梁作業安全風險分析和評估,鋼箱梁運輸時的主要安全風險有車輛傷害、棧橋坍塌等;鋼箱梁安裝時主要安全風險有起重傷害、機械傷害、高空墜落、物體打擊、棧橋坍塌等。風險源分布廣、暴露時間長、風險等級高,因此總體安全風險較高,必須加強現場管控力度,防止出現重大安全事故,并做好應急處置工作[5-6]。

6.2 施工安全風險處置措施

1)針對性的加強人員安全教育培訓,提高對海上架梁的安全技術能力和安全意識。

2)加強架梁作業風險源的管理及現場安全管理。根據施工風險源辨識表中所列出的施工過程中存在的風險源按LEC法逐一進行分析,對應一般風險源對應的機械傷害、觸電、車輛傷害等事故的風險控制措施,明確安全防護、安全警示、安全教育培訓、安全技術交底、現場管理等方面的具體內容;對應顯著風險源對應的起重傷害、機械傷害、高處墜落、物體打擊、坍塌等控制措施應充分考慮工程實際情況,采取完善專項施工方案及應急預案、開展施工監測與預警、提高現場防護條件、加強施工安全技術交底和危險告知等措施,防止顯著險情或事故的發生。

3)加強海上施工作業應急管理工作,建立項目應急領導小組,編制應急預案,有針對性開展桌面演練或實操演練。主動和海事、航保部門溝通、主動作為,根據海域特征、海上氣象、水文實時動態,做好應急工作。在棧橋臨邊危險區設置電子圍欄,配置海上落水救援裝置。加強預警管理和應急救援工作,如遇到緊急情況,則立即啟動應急預案。

7 結語

本項目結合海域環境的具體情況,聯合架橋設備單位,通過設計變更,對原有設計方案進行架梁方案的調整,采用了履帶吊架設鋼箱梁、架橋機分區架設鋼箱梁的方案,成功解決了濱海互通區鋼箱梁數量多、噸位重、上跨下穿、海域棧橋吊裝等諸多問題。在施工過程中認真控制作業工序,在業主要求的計劃工期內完成了互通匝道內鋼箱梁架設任務,做到了平順施工,獲得了建設單位、監理單位的一致好評;同時也積累了海上架梁作業的經驗,為以后類似工程施工提供借鑒。