大型跨海橋梁下部結構高精度建設關鍵技術

劉玉寶，李建如，韋博

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

隨著社會進步及我國綜合國力的不斷提升，對大型跨海橋梁的建設要求越來越高，橋梁功能、景觀和結構形式需求均在不斷提高，橋梁施工工期、施工噪聲污染等成為橋梁工程建設必須考慮的重要因素[1-2]。相較于傳統現澆混凝土橋梁建造技術施工周期長、人力資源占據多、現場施工標準化程度不高、機械使用效率低等缺點[3]，預制裝配式技術具有構件生產標準、現場安裝快速便捷、質量可靠安全性高、施工節能環保等優勢，可以降低對環境和既有交通道路的影響，提升品質和安全質量、文明施工水平，是我國橋梁建設行業的發展趨勢[4-5]。

然而海上施工往往面臨潮差大、流速大、地質情況復雜、止水難度高等問題，并且跨海橋梁裝配施工仍然存在很多缺陷和風險，對人員、材料、設備、工藝要求更高，傳統的施工技術都有各自缺點，關鍵技術可復制性較差，不能適用于工程項目的技術要求。本文以廈門第二東通道項目為依托，開展大型跨海橋梁下部結構高精度建設關鍵技術研究，研究過程將結合當地施工環境條件，從鋼管樁打設、墩臺構件預制、安裝、止水等建設全過程進行探索，保證在施工氣象窗口內高效率、高精度完成大型跨海橋梁工程建設，對于后續跨海橋梁施工技術的發展能起到一定的推動和借鑒作用。

1 工程概況

廈門第二東通道作為交通強國福建先行示范重點項目，海中橋梁長度3.27 km，如圖1 所示。

圖1 廈門第二東通道跨海橋梁Fig.1 Xiamen Second East Passage See-crossing Bridge

跨海橋梁樁基采用鋼管復合樁，橋梁上部結構采用鋼箱梁，下部結構采用預制裝配式結構。鋼管樁、承臺、墩身、蓋梁在預制場內進行預制，由半潛駁運輸至現場進行安裝。橋梁承臺采用C45 海工高耐久性混凝土，承臺在樁基對應位置預留后澆孔；墩身及蓋梁采用C50 海工高耐久性混凝土，墩身為薄壁空心結構，蓋梁為實心結構。廈門第二東通道設計作為高速公路兼具城市快速路功能，受航空限高、白海豚保護、通航要求等影響，建設條件復雜，為此工程積極研究新工法，應用新工藝，開發了大潮差鋼管樁高精度沉樁技術、大型墩臺快速高質量預制技術、大水深預制墩臺安裝止水技術等關鍵技術，解決了施工中的各種難題。

2 大潮差鋼管樁高精度沉樁技術

廈門第二東通道橋墩基礎采用大直徑變截面鋼管復合樁，深海區的橋墩基礎均采用無棧橋水上平臺法進行施工。海中施工區域潮差大、潮水漲落速度快，施工船舶定位精度較難控制；并且海底地勢起伏明顯、覆蓋層較淺，鋼管樁自沉入泥后穩樁困難，為保證鋼管樁的沉樁精度，在施工全過程采用三層可伸縮移動導向架，配合船舶自動錨纜高精度調整系統，對鋼管樁進行限位沉樁，并實時對鋼管樁進行沉樁監測和測量控制。

2.1 三層可伸縮移動導向架

針對復雜海域條件下的鋼管樁進行可打性分析，采用浮吊+導向架+振動錘+液壓沖擊錘組合的技術進行鋼管樁的施沉作業。根據海中區地質情況、設備參數性能和鋼管樁長度等因素，研發三層可伸縮移動導向架，如圖2 所示，將移動導向架焊接在打樁船船舷上，保證鋼管樁在任何潮位均能在2 層抱樁臂限位下沉樁。導向架高度設置為7.5 m，分層高度為3.5 m 和4 m，采用液壓伸縮抱樁臂，將抱樁臂設計成2 排3 層，在沉樁過程中錘組通過導向架進行時，收回1 層抱樁臂，剩余抱樁臂對鋼管樁進行限位，并實現通過抱樁臂兩側液壓設備對鋼管樁偏位進行調整。

圖2 可伸縮移動導向架模型Fig.2 Scalable mobile guide frame model

2.2 船舶自動錨纜高精度調整系統

為實現大潮差環境下船舶高精度自動駐位，研發船舶自動錨纜高精度調整系統，如圖3 所示。根據船舶GPS 定位系統提供的船舶當前位置坐標和目標樁位坐標，實時計算得到船舶各個纜繩實際長度的調整量，由錨機控制系統通過錨機卷筒的收放輸出，調整纜繩的長度和拉力實現精準定位，平面精度可控制在±5 cm 內，提高施工效率。

圖3 船舶自動錨纜高精度調整系統Fig.3 High-precision adjustment system for ship automatic anchor cables

2.3 沉樁測量控制系統

為控制鋼管樁沉樁精度，基于RTK-GPS 定位系統、SICK LMC500 激光掃描儀研發了沉樁測量控制系統，實時對鋼管樁垂直度及偏位進行監控，在臨時施工平臺上架設2 臺全站儀，利用極坐標法復核鋼管樁垂直度及偏位[6]。大潮差鋼管樁高精度沉樁技術實現了平面偏位小于5 cm，垂直度不大于1/300 的高精度沉樁要求。

3 大型墩臺快速高質量預制技術

相比于港珠澳大橋，本項目預制墩臺的鋼筋采用雙層環氧涂層，防腐要求高，布置更加密集，給加工、安裝及混凝土澆筑等工序增加了施工難度，為此開發了墩臺預制控制技術。預制構件具有截面大、水泥用量大、內外溫差大、溫度收縮應力大等特點，容易導致混凝土產生裂縫，影響工程質量，運用大體積混凝土抗裂技術有效解決了這一難題。

3.1 墩臺預制控制技術

研究高性能環氧鋼筋涂層噴涂技術，引進環氧噴涂生產線進行自主化涂層噴涂生產，對鋼筋原材加熱、粉末噴涂、涂層冷卻等工藝進行優化[7]。提出環氧鋼筋存放、環氧鋼筋加工設備防護、施工過程等用于環氧鋼筋成品涂層保護工藝措施。將貝雷架應用在變斷面大跨度實心蓋梁模板桁架，充分實現模板的通用性和周轉性，節約施工成本，提高預制施工效率和安全性[8]，如圖4 所示；采用等離子切割模板面開牙口，設計專用橡膠圈及后澆孔自動開合模板，實現承臺密集鋼筋連接精確定位及模板快速支拆[9]；設計干接縫模板，保證預制墩臺預制豎向垂直精度小于H/3 000 的設計要求（H 為預制墩臺高度），同時控制預應力粗鋼筋豎向偏位控制在5 mm 之內，提高了預制構件施工質量。

圖4 預制蓋梁通用模板Fig.4 Prefabricated cover beam universal template

3.2 大體積混凝土抗裂技術

針對大體積混凝土抗裂技術進行研究，通過仿真分析得出溫度場和溫度應力場分布情況，采取優化增設冷卻水管數量的措施降低內部溫度，有效控制混凝土最高溫度，降低復雜結構大截面混凝土開裂風險，提高預制構件施工質量和實體質量。優化混凝土配合比，采用礦料雙摻，降低水泥用量減少水化熱；采用二次振搗工藝，提高混凝土抗裂性；采用新型節水保濕養護膜進行覆蓋養護，減少養護人工投入的同時提高了養護的質量。

4 大水深預制墩臺安裝止水技術

項目海域最高水位時預制承臺最大水頭差為8 m，預制墩臺安裝止水難度較大。下節墩臺最重為2 366 t，預制構件重量大，結構形式多，吊點及吊具設計難度大；并且墩臺平面位置和傾斜度的安裝精度要求高，傾斜度不大于H/3 000，且不大于30 mm，截面中心位置偏差不大于10 mm。為保證墩臺止水效果及安裝精度，開發了組片式抱箍止水裝置、預制墩臺吊裝通用吊具和墩臺智能調位控制系統。

4.1 組片式抱箍止水裝置

研發組片式抱箍止水裝置，在承臺底部與抱箍頂面設置單峰止水帶，通過單峰止水帶的壓縮變形起到水平向止水效果；抱箍與鋼管樁之間抱緊壓縮橡膠板起到豎向止水效果，施工過程中在鋼抱箍豎向拉緊的同時逐漸進行抱緊；承臺與套箱之間通過鋼套箱自重將設置鋼套箱底部與承臺頂面的雙峰止水帶壓縮變形，實現承臺頂面水平止水，如圖5 所示。設計物模試驗驗證止水效果，在混凝土塊、鋼管樁和鋼套箱之間形成的密閉空間注水加壓至0.08 MPa，模擬8 m 水壓環境下承臺底部抱箍止水效果，抱箍止水裝置能夠滿足施工止水需求，減少水下作業，實現了8 m 水頭差情況下干作業環境，并可以周轉使用。

圖5 鋼抱箍止水裝置Fig.5 Steel hoop water stopping device

4.2 預制墩臺吊裝通用吊具

預制構件尺寸大且多樣，吊具需考慮通用性，墩臺安裝專用吊具兼顧吊裝、臨時支撐、調位、止擺等作用，如圖6 所示。

圖6 預制墩臺吊裝通用吊具Fig.6 Universal lifting tool for prefabricated pier and abutment

合理布置吊點位置，實現中節與上節墩臺安裝吊具通用，降低吊具生產制造成本。上吊具為框架梁結構通過鋼絲繩與主鉤連接，吊具上設置的吊索兼顧中上節墩身吊裝。安裝底節時，一航津泰持上吊具連接下吊具整體起吊承臺，將承臺從樁頂套入，使下吊具臨時吊掛于角樁頂部；安裝中上節時，一航津泰直接吊持上吊具連接中上節墩身進行安裝。

4.3 墩臺智能調位控制系統

墩臺預制完成并達到設計要求的存放期后，根據現場安裝進度、氣象和潮汐等情況合理安排構件由半潛駁運輸至施工現場，安裝鋼套箱、三維千斤頂及止水裝置。采用起重船整體吊裝預制墩臺完成后，通過鋼管樁頂部安裝的4 個三維千斤頂的平移、仰俯、翻滾等動作對預制墩臺進行精確調位，達到垂直度不大于H/3 000 且不大于30 mm，平面偏位不大于10 mm 的精確度控制要求，滿足設計要求后鎖止三維千斤頂，并利用水下千斤頂抱死鋼管復合樁進行限位，如圖7 所示。止水完成后，迅速澆筑C50 速凝砂漿，實現承臺后澆孔處止水，進行后澆孔施工，完成墩臺安裝及體系轉換[10]，H20 墩臺吊裝時傾角監測數據如圖8 所示[10]，墩臺吊運過程中，吊具主梁傾斜最大值發生在墩臺吊運移位過程中，墩臺吊運過程中吊具傾角不大于1.00°。

圖7 墩臺調位安裝Fig.7 Pier and abutment positioning installation

圖8 H20 墩臺吊裝傾角監測數據Fig.8 Monitoring data of H20 pier and abutment lifting angle

5 結語

依托廈門第二東通道工程，開展了大型跨海橋梁裝配化建設關鍵技術研究，形成3 項成套新工藝：

1） 研發了以船載式三層可伸縮移動導向架、船舶自動錨纜高精度調整系統以及沉樁測量控制系統為核心的大潮差鋼管樁高精度沉樁技術，在鋼管樁打設施工過程中對沉樁位置進行實時監控，全過程自動坐標糾偏，實現復雜海域及地質條件下鋼管樁平面偏位小于5 cm，垂直度小于1/300的高精度沉樁要求。

2） 研發了以裝配式模板自動開合、預應力鋼棒精確定位、大體積混凝土抗裂技術為核心的大型墩臺快速高質量預制技術，實現預制墩臺高質量施工，有效控制預制墩臺大體積混凝土裂縫的產生，并通過預應力粗鋼棒的限位技術，提高了其豎向偏位精度，與港珠澳大橋相比提高4 mm。

3） 研發集組片式抱箍止水裝置、預制墩臺吊裝通用吊具及墩臺智能調位控制系統于一體的大水深預制墩臺安裝止水技術，實現了復雜海域超大型墩臺高品質生產和高精度安裝，達到預制墩臺垂直度不大于H/3 000，平面偏位不大于10 mm的精度要求。

本項研究支撐廈門二東通道主橋工程提前5個月通車運營，展現了我國在橋梁建設、高端裝備制造等方面的雄厚實力和創新能力。