彭曉鵬，李陽(yáng)，李海峰

（中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430012）

0 引言

頂推的施工定義有廣義和狹義之分，廣義頂推施工屬于重型起重的范圍，將重物移動(dòng)一段距離的方式均可以視為頂推施工，重物可以是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等單一構(gòu)筑物，也可以是房屋、船舶及平臺(tái)等復(fù)合結(jié)構(gòu)物。狹義頂推施工來(lái)自于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土等截面連續(xù)梁橋施工，沿橋縱軸方向，在橋臺(tái)后設(shè)置預(yù)制場(chǎng)澆筑梁段，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，施加預(yù)應(yīng)力，向前頂推，使梁體通過(guò)各墩頂?shù)呐R時(shí)滑動(dòng)支座面或臨時(shí)支撐滑動(dòng)面就位，空出底座繼續(xù)澆筑梁段，與先一段梁聯(lián)結(jié)，直至將整個(gè)橋梁梁段澆筑并頂推完畢，最后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換而形成連續(xù)梁橋[1]。

頂推施工分類(lèi)方法很多，通常根據(jù)頂推力的分布不同分為單點(diǎn)頂推和多點(diǎn)頂推，或集中頂推和分散頂推。本文以港珠澳大橋島隧工程沉管管節(jié)頂推技術(shù)方案的選擇為例，闡述大型預(yù)制構(gòu)件頂推施工總體方案的選型方法。

1 大型預(yù)制構(gòu)件頂推施工難點(diǎn)

大型預(yù)制構(gòu)件頂推施工需要綜合考慮預(yù)制件結(jié)構(gòu)安全、作業(yè)臺(tái)座的穩(wěn)定、頂推力的實(shí)現(xiàn)與傳遞、支撐力與滑移面設(shè)計(jì)、構(gòu)件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與糾偏、體系轉(zhuǎn)換等方面，施工難度隨預(yù)制構(gòu)件的重量、頂推距離、長(zhǎng)寬比、支撐精度、頂推速度的增加而增加，當(dāng)構(gòu)件重量超過(guò)萬(wàn)噸，頂推距離超過(guò)百米，難以用常規(guī)頂推設(shè)備完成頂推作業(yè)[2]。

2 管節(jié)頂推設(shè)備選型的基本要求

2.1 頂推施工工藝

港珠澳大橋沉管隧道標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，重約700 000 kN，共33個(gè)管節(jié)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)由8個(gè)22.5 m長(zhǎng)的小節(jié)段組成，采用兩條生產(chǎn)線預(yù)制。每個(gè)節(jié)段在固定的臺(tái)座上澆筑、養(yǎng)護(hù)72 h后向前頂推22.5 m，空出澆筑臺(tái)座，下一節(jié)段與剛頂出的節(jié)段相鄰匹配預(yù)制。如此逐段預(yù)制逐段頂推，直至完成全部8個(gè)節(jié)段澆筑，再整體頂推約100 m至淺塢區(qū)進(jìn)行后續(xù)施工[3]。

2.2 設(shè)備配置技術(shù)要求

為實(shí)現(xiàn)頂推施工工藝，頂推系統(tǒng)配置方案包括管節(jié)頂推系統(tǒng)、管節(jié)支撐系統(tǒng)及管節(jié)導(dǎo)向系統(tǒng)三部分。

2.2.1 管節(jié)頂推系統(tǒng)1）頂推方式：優(yōu)先考慮管節(jié)分散頂推方式。2）頂推力：按照單個(gè)節(jié)段重量為87 500 kN，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)按照700 000 kN考慮。

3）頂推力和行程偏差：各套頂推裝置的推力誤差應(yīng)小于1%，頂推行程偏差應(yīng)小于2 mm[4]。

4） 工效要求：自動(dòng)連續(xù)向前頂推，每完成22.5 m頂推時(shí)間不超過(guò)4 h。

2.2.2 管節(jié)支撐系統(tǒng)

1）支撐千斤頂均衡布置在管節(jié)下面，頂推移動(dòng)時(shí)混凝土的強(qiáng)度為C25。

2）頂推滑移軌道高差將控制在±10 mm以內(nèi)，支撐千斤頂在滑移過(guò)程中應(yīng)能適應(yīng)上述高差，保證管節(jié)在軌道上滑移時(shí)不產(chǎn)生開(kāi)裂。

2.2.3 管節(jié)導(dǎo)向系統(tǒng)

頂推過(guò)程中確保管節(jié)不偏離滑移軌道，同時(shí)具備調(diào)整管節(jié)偏位的功能。

3 總體方案

3.1 主要參數(shù)的計(jì)算

3.1.1 滑移材料選取

預(yù)制管節(jié)通過(guò)千斤頂與軌道接觸，將重力傳遞到軌道上。

標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)總重約70 000 kN，采用點(diǎn)面或線面接觸均不合適，只有采用面面接觸的方式才能夠保證滑移面與軌道之間的接觸壓強(qiáng)相對(duì)較小，提高頂推系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

在管節(jié)重量一定的前提下，滑移材料的選取決定接觸面摩擦系數(shù)的大小，也決定了頂推力的大小?；撇牧系男阅苤笜?biāo)主要有摩擦系數(shù)、壓縮強(qiáng)度、磨損系數(shù)和耐久性。摩擦系數(shù)太大會(huì)導(dǎo)致頂推油缸尺寸過(guò)大，軌道固定強(qiáng)度增大，造成生產(chǎn)浪費(fèi)、空間浪費(fèi)和能源浪費(fèi)。除摩擦系數(shù)外還必須滿足壓縮強(qiáng)度和磨損系數(shù)的要求。根據(jù)橋梁頂推施工經(jīng)驗(yàn)，采用PTFE（聚四氟乙烯）或MGE滑板和不銹鋼板組成滑移面，靜態(tài)摩擦系數(shù)不超過(guò)0.07作為力學(xué)計(jì)算的依據(jù)[5]。

3.1.2 頂推參數(shù)計(jì)算分析

無(wú)論是集中頂推還是分散頂推，在頂推起步時(shí)，總頂推力必須大于靜摩擦力。頂推構(gòu)件重量為700 000 kN，接觸面最大靜摩擦系數(shù)為0.07，則頂推系統(tǒng)在起步階段最小的集中頂推力為4.9×104kN，平均分配到4條滑軌上，每條滑軌上需要的頂推力為12 250 kN。

3.1.3 管節(jié)慣性滑移分析

根據(jù)頂推時(shí)間要求，頂推速度設(shè)定為8 m/h。管節(jié)完全在摩擦力作用之下停止運(yùn)行，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可以得出加速度為0.4 m/s2，移動(dòng)時(shí)間為0.005 6 s，在設(shè)定速度下移動(dòng)距離為0.006 mm，該距離不會(huì)導(dǎo)致管節(jié)分段之間產(chǎn)生大的位移而對(duì)管節(jié)之間的止水帶造成損壞。

3.2 頂推實(shí)施方案選擇

預(yù)制管節(jié)頂推支撐系統(tǒng)通過(guò)千斤頂不同的連接方式實(shí)現(xiàn)。管節(jié)導(dǎo)向系統(tǒng)采用側(cè)向千斤頂，通過(guò)檢測(cè)與糾偏方式實(shí)現(xiàn)。管節(jié)頂推系統(tǒng)根據(jù)力的不同作用方式可以采取三種方案，分別為集中頂推、分散頂推和預(yù)應(yīng)力連續(xù)牽引方案。

3.2.1 集中頂推方案

集中頂推方案主要特點(diǎn)是通過(guò)每條軌道后端設(shè)置一套頂推千斤頂，將支撐千斤頂均勻支撐的管節(jié)推動(dòng)，如圖1。在首端支撐千斤頂上設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，對(duì)管節(jié)的橫向位置進(jìn)行約束，起到導(dǎo)向作用。

圖1 集中頂推方案Fig.1 Concentrated pushing scheme

3.2.2 分散頂推

分散頂推技術(shù)方案的主要特點(diǎn)是在支撐千斤頂上設(shè)置多個(gè)頂推單元，頂推千斤頂利用軌道反作用力推動(dòng)支撐千斤頂，同時(shí)托起管節(jié)平移，如圖2所示。

圖2 分散頂推方案Fig.2 Decentralized pushing scheme

3.2.3 預(yù)應(yīng)力連續(xù)牽引方案

圖3 連續(xù)牽引方案Fig.3 Continuous traction scheme

在淺塢相對(duì)澆筑區(qū)的另一端安裝連續(xù)拉力千斤頂，通過(guò)鋼絞線將拉力傳至設(shè)在尾端的牽引橫梁上，牽引橫梁推管節(jié)向前不間斷平移，如圖3。

4 頂推方案的選擇

4.1 集中頂推方案

4.1.1 總體方案

集中頂推系統(tǒng)主要包括頂推油缸、頂推反力座、插銷(xiāo)機(jī)構(gòu)、分配梁等組成，如圖4所示。頂推油缸安裝關(guān)節(jié)軸承，通過(guò)銷(xiāo)軸與反力座和分配梁連接，前后耳環(huán)的關(guān)節(jié)軸承能夠適應(yīng)橫向偏角。分配梁一端與油缸連接，另一端直接抵靠在管節(jié)端面，通過(guò)底部的支撐座支撐在軌道上面[6]。

圖4 集中頂推千斤頂Fig.4 Concentrated pushing jack

4.1.2 頂推參數(shù)設(shè)置

按照管節(jié)總重700 000 kN，靜摩擦系數(shù)按照0.07計(jì)算，則需要49 000 kN的頂推力，在單個(gè)軌道上面布置了2臺(tái)6 500 kN的頂推油缸，則總的頂推力為4×13 000 kN=52 000 kN，滿足頂推力的要求。根據(jù)頂推系統(tǒng)參數(shù)，額定頂推力為52 000 kN/25 MPa；最大頂推力65 000 kN/31.5 MPa；單次頂推行程為1 600 mm。

通過(guò)計(jì)算確定集中頂推系統(tǒng)頂推油缸主要尺寸，主油缸缸筒內(nèi)徑560 mm，缸筒壁厚100 mm，缸筒外徑為760 mm。

4.1.3 優(yōu)缺點(diǎn)

集中頂推方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)單一，控制功能簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量少，集中和同步功能易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是每個(gè)軌道頂推力達(dá)到13 000 kN，單個(gè)頂推油缸外徑達(dá)到760 mm，重達(dá)數(shù)噸，安裝搬運(yùn)困難；傳遞頂推力分配梁、軌道及反力座結(jié)構(gòu)笨重，需要消耗大量鋼材；頂推系統(tǒng)油泵和鋼結(jié)構(gòu)件體積大，難以與沉管預(yù)制模板系統(tǒng)對(duì)接；標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)（8個(gè)節(jié)段）同時(shí)頂推時(shí)，頂推力影響頂推點(diǎn)節(jié)段結(jié)構(gòu)安全。

4.2 分散頂推方案

4.2.1 總體方案

每段22.5 m管節(jié)配備一套頂推設(shè)備，每套頂推設(shè)備包括12套支撐單元（每條軌道3套均勻布置），每條軌道3套支撐單元中，前后兩套設(shè)置頂推油缸，中間一套不設(shè)置頂推油缸。設(shè)置頂推油缸的單元，頂推油缸和支撐油缸之間用鋼結(jié)構(gòu)做成整體，再通過(guò)反力架與軌道銜接。

4.2.2 頂推參數(shù)的設(shè)置

按照管節(jié)總重700 000 kN，靜摩擦系數(shù)按照0.07計(jì)算，則需要49 000 kN的頂推力，平均每個(gè)節(jié)段需要6 125 kN頂推力。每個(gè)節(jié)段布置12套支撐單元，其中8套支撐單元各設(shè)置2個(gè)頂推油缸，平均每個(gè)頂推油缸承載力為383 kN/35 MPa，行程為800 mm。通過(guò)計(jì)算可以確定分散頂推系統(tǒng)頂推油缸主要尺寸為：油缸缸筒內(nèi)徑120 mm，缸筒壁厚20 mm，缸筒外徑為160 mm。

4.2.3 優(yōu)缺點(diǎn)

分散頂推方案的優(yōu)點(diǎn)是將頂推力均勻分布在各節(jié)段上，對(duì)管節(jié)結(jié)構(gòu)安全影響較小；所需設(shè)備噸位小，設(shè)計(jì)制造容易；對(duì)模板系統(tǒng)銜接界面要求低，相互干擾小，設(shè)備裝配容易。分散頂推方案的缺點(diǎn)在于頂推的同步性難以控制。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)由8個(gè)節(jié)段組成，節(jié)段之間采用橡膠止水帶柔性連接，可以擠壓，嚴(yán)禁拉扯，止水帶拉扯破壞將導(dǎo)致整個(gè)管節(jié)報(bào)廢。

4.3 預(yù)應(yīng)力連續(xù)牽引方案

4.3.1 總體方案

連續(xù)拉力千斤頂裝在淺塢外側(cè)反力架上，反力架與樁基礎(chǔ)連接為一體承受千斤頂拉力。構(gòu)件夾持器通過(guò)牽引橫梁支撐在節(jié)段橫斷面上，千斤頂與構(gòu)件夾持器通過(guò)鋼絞線連接。由于千斤頂固定，當(dāng)千斤頂在緊錨狀態(tài)下伸缸就可以帶著鋼絞線、構(gòu)件夾持器、管節(jié)沿軌道向淺塢方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)段（管節(jié)）的平移。每條管段生產(chǎn)線配置1套連續(xù)牽引系統(tǒng)，每套連續(xù)牽引系統(tǒng)包括：連續(xù)拉力千斤頂、液壓泵站、控制系統(tǒng)、鋼絞線、相應(yīng)輔助工具。

4.3.2 牽引力確定

根據(jù)管節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合軌道分布情況，在管節(jié)尾部斷面上設(shè)置8個(gè)推力點(diǎn)。每個(gè)管節(jié)頂推需要8臺(tái)連續(xù)自動(dòng)千斤頂，根據(jù)總牽引力不小于49 000 kN，則每臺(tái)頂拉力（推力）為：49 000/8=6 120 kN，選擇6 500 kN連續(xù)拉力千斤頂。

4.3.3 自動(dòng)連續(xù)牽引方案優(yōu)缺點(diǎn)

連續(xù)牽引千斤頂采用雙頂結(jié)構(gòu)，前、后千斤頂交替伸缸，通過(guò)鋼絞線牽引，保證了管節(jié)連續(xù)平移，整個(gè)過(guò)程管節(jié)受力平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生因速度變化帶來(lái)的沖擊。該方案的基本原理在橋梁預(yù)應(yīng)力施工和重型起重方面運(yùn)用較廣，有成熟的設(shè)備系統(tǒng)。該方案優(yōu)點(diǎn)較多，缺點(diǎn)也比較明顯：①管節(jié)牽引的位置無(wú)法精確定位，如果超出既定的位置管節(jié)無(wú)法逆行；②鋼絞線長(zhǎng)達(dá)250 m，存在安全隱患，且限制管內(nèi)其他工序作業(yè)；③需要設(shè)置地錨固定牽引千斤頂；④曲線段施工難以實(shí)施。

5 方案的選擇

通過(guò)對(duì)上述3個(gè)方案的比較，分散頂推方案具有頂推力平衡均勻，頂推過(guò)程便于控制，設(shè)備制造易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，更符合沉管預(yù)制施工實(shí)際情況，作為主選方案。

6 結(jié)語(yǔ)

大型預(yù)制構(gòu)件支撐與同步頂推是“工廠法”沉管管節(jié)預(yù)制的核心工藝，分散頂推較集中頂推所具有的頂推力均勻、頂推部件緊湊等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了頂推設(shè)備與支撐設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)、頂推設(shè)備與模板設(shè)備無(wú)隙對(duì)接、頂推過(guò)程協(xié)調(diào)同步。截止至2015年5月27日，港珠澳大橋島隧工程沉管預(yù)制廠已經(jīng)順利完成22個(gè)管節(jié)頂推作業(yè)，頂推過(guò)程受控，管節(jié)未出現(xiàn)異常裂紋和偏位。