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)
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。
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]。
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]。
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。
3.1.1 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。
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。
4.1.1 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。
4.2.1 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。
4.3.1 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。
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。
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。