孟 磊，王海峰

(中鐵上海工程局集團(tuán)建筑工程有限公司，上海 201906)

1 工程概況

1.1 工程簡介

新建鄭州—萬州鐵路重慶段站前工程土建4標(biāo)奉節(jié)梅溪河雙線特大橋，橋梁全長687.8m，主橋?yàn)閯判怨羌茕摻罨炷辽铣惺教峄@拱橋，拱跨340m，矢高74m，一孔跨越梅溪河，無鉸拱結(jié)構(gòu)，是目前設(shè)計(jì)速度350km/h、跨度最大的無砟軌道高速鐵路提籃拱橋(見圖1)。

圖1 奉節(jié)梅溪河雙線特大橋立面(單位：m)

拱圈設(shè)計(jì)為變寬變高的鋼桁拱肋勁性骨架，主弦鋼管內(nèi)壓注C60自密實(shí)無收縮混凝土，拱圈外包C55補(bǔ)償收縮混凝土。拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎(chǔ)，交界墩為雙柱式空心墩，拱上11根墩柱、3聯(lián)連續(xù)梁(4孔1聯(lián))。鄭州端引橋?yàn)?×65m T構(gòu)連續(xù)梁，萬州端引橋?yàn)?44+72+44)m連續(xù)梁+24m簡支梁。

鋼拱肋拱軸立面為懸鏈線，豎面整體內(nèi)傾3.48°，形成拱腳分叉的X形結(jié)構(gòu)；拱圈平面呈提籃形布置，分成拱腳分叉段和拱頂合并段；拱腳中心距16m，拱頂軸線中心距7m，斷面高度按1.5次拋物線變化，上、下弦管中心高度從拱腳10m過渡到拱頂5m。

1.2 自然條件

橋址位于山區(qū)，梅溪河為U字形河谷地貌，地面高程140.000～480.000m，地形起伏大，兩岸邊坡陡峭，自然坡度25°～60°，河面寬約280m。施工區(qū)域內(nèi)有多條省道穿過，附近存在較多民房、果園、電線電纜等，地形錯綜復(fù)雜。

2 工程難點(diǎn)

1)山區(qū)地形條件復(fù)雜、起伏大，加之公路、架空電纜等影響，導(dǎo)致總體施工規(guī)劃布置難度大。

2)結(jié)合地形特點(diǎn)進(jìn)行纜索起重機(jī)選型設(shè)計(jì)，合理布置牽引索、起重索的走線方式，據(jù)此進(jìn)行繩索系統(tǒng)、纜塔塔架、基礎(chǔ)錨碇等各部分的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，纜索起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承載力大、安全風(fēng)險高，各類繩索空中交織，設(shè)計(jì)難度大。

3)鋼拱肋雙向曲線構(gòu)造龐大，節(jié)段空中安裝定位調(diào)整困難，各部位應(yīng)力、索力及線形位移隨各節(jié)段安裝相互影響變化、效應(yīng)逐次疊加，所以拱肋安裝線形精度控制是本工程重點(diǎn)與難點(diǎn)。

4)鋼拱肋跨中合龍施工是本工程的關(guān)鍵，如何采取有效措施保證合龍后最終成拱線形及應(yīng)力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)意圖是難點(diǎn)。

3 施工部署

受地形限制，本工程采用無支架纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，總體遵循主橋拱肋及引橋平行施工、纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)及施工與主引橋互不干涉的原則。鋼拱肋在廠內(nèi)分段加工、船運(yùn)至現(xiàn)場，從兩岸拱腳向跨中逐節(jié)段對稱安裝，在拱頂實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫合龍。綜合考慮纜索起重機(jī)額定起重力及施工特點(diǎn)，將拱肋半跨劃分16個節(jié)段，共計(jì)32個節(jié)段、48個吊裝單元，控制單次吊重≤150t。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，經(jīng)綜合比選后，纜索起重機(jī)采用纜扣分離、雙塔3跨結(jié)構(gòu)，索跨布置(96.1+492.95+123.15)m，纜塔塔架橫跨引橋設(shè)置，以避免與引橋施工發(fā)生干涉，主索錨碇布置在橋梁兩端的隧道洞口附近?？鬯O(shè)置在交界墩頂以減少材料投入，經(jīng)比選確定拱肋的扣掛方式，取消扣掛分配梁和臨時索，全部采用正式索扣掛張拉。半跨拱肋共設(shè)16組扣錨索，扣索和錨索一一對應(yīng)設(shè)置，每組扣索包含4束，分別對應(yīng)同一節(jié)段的4根上弦管，采用扣掛錨箱將扣掛吊耳與每束扣索直接相連。纜索起重機(jī)及扣掛體系立面布置如圖2所示。

圖2 總體立面施工布置(單位：m)

4 纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)與施工

纜索起重機(jī)由繩索系統(tǒng)、纜塔塔架、基礎(chǔ)錨碇、卷揚(yáng)機(jī)動力系統(tǒng)等組成，根據(jù)使用功能要求，設(shè)計(jì)2套75t固定式主吊和2套20t橫移式工作吊，主吊中心間距20.8m，工作吊位于主吊中間。

4.1 隧洞式主索錨碇

由于鄭州端山坡陡峭且附近有多條民用電纜架空穿過，遷改拆除困難、費(fèi)用高，導(dǎo)致主索錨碇只能布置在隧道洞口兩側(cè)?？紤]山體表層風(fēng)化嚴(yán)重，地質(zhì)條件差，存在溶洞且裂隙較發(fā)育，不適于應(yīng)用巖石錨索結(jié)構(gòu)，為了減小放坡開挖對山體坡面的破壞，經(jīng)研究創(chuàng)新采用隧洞式樁基承臺組合錨碇結(jié)構(gòu)(見圖3)。

圖3 隧洞式主索錨碇

根據(jù)地質(zhì)情況，樁基采用懸挑柱模型進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，入巖嵌固≥5m。參照隧道施工工藝施作隧洞，為錨碇后續(xù)施工提供作業(yè)空間，在隧洞內(nèi)按常規(guī)工藝依次施作樁基、承臺及安裝錨索，錨索外伸連接纜索起重機(jī)主索，以有效承受繩索系統(tǒng)傳來的荷載。

4.2 纜塔塔架安裝

兩岸纜塔采用門式框架結(jié)構(gòu)，鄭州端纜塔高95m，萬州端纜塔高92m(左幅85m)，塔架采用φ630×20鋼管立柱，立柱間采用雙槽鋼連接桿連接。利用MIDAS Civil軟件建立塔架整體模型，分析其受力性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對索鞍滑輪、塔柱節(jié)點(diǎn)及柱腳連接等復(fù)雜部位通過細(xì)部有限元分析其受力狀態(tài)。

根據(jù)塔架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分解成便于運(yùn)輸安拆的構(gòu)件進(jìn)行加工，構(gòu)件宜采用栓接接頭，運(yùn)至現(xiàn)場后首先在地面組拼成吊裝單元，然后通過起重設(shè)備從下向上逐步安裝。塔架安裝過程中應(yīng)根據(jù)架體安裝高度合理設(shè)置側(cè)風(fēng)纜保證結(jié)構(gòu)安全，并輔助調(diào)節(jié)塔架垂直度；塔架安裝完成后，按設(shè)計(jì)要求在塔頂安裝索鞍、天車擱置平臺等。

4.3 繩索系統(tǒng)安裝

依據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊》及相關(guān)規(guī)范計(jì)算繩索系統(tǒng)，首先根據(jù)索跨布置和結(jié)構(gòu)物的相對高差，確定主索垂度為L/15(L為主索跨度)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試算預(yù)估的繩索內(nèi)力，確定牽引索“走4”、起重索“走10”的走線方式。然后分別計(jì)算最大吊重位于跨中、兩端及空索、空載等各類工況下的繩索索力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理配置主吊、工作吊的主索、起重索、牽引索及對應(yīng)的卷揚(yáng)機(jī)，具體配置參數(shù)如表1所示。

表1 纜索起重機(jī)繩索系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

在塔頂?shù)奶燔嚁R置平臺上臨時安放固定天車，通過小船牽引先導(dǎo)索過河，利用先導(dǎo)索安裝循環(huán)索、通風(fēng)纜等，然后安裝并預(yù)緊后風(fēng)纜、調(diào)整通風(fēng)纜垂度，使纜索起重機(jī)結(jié)構(gòu)初步形成穩(wěn)定體系后，開始利用循環(huán)索逐根安裝主索。全部主索安裝完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整主索垂度及纜塔預(yù)偏，然后按計(jì)算確定的走線方式安裝牽引索和起重索，最后安裝支索器、吊具、扁擔(dān)梁等附屬結(jié)構(gòu)。在繩索系統(tǒng)安裝的同時，按方案要求布置各類卷揚(yáng)機(jī)、轉(zhuǎn)向滑輪、控制室等，并跟進(jìn)安裝索力監(jiān)測、視頻監(jiān)控等裝置。

4.4 纜索起重機(jī)試吊

纜索起重機(jī)各組成系統(tǒng)全部安裝完成后，應(yīng)首先在全跨范圍內(nèi)空載試運(yùn)行，以檢查空載垂度、繩索連接及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)等情況，然后按4級加載方式進(jìn)行試吊。4級分別為額定起重能力的50%，100%，110%，125%，前2級均應(yīng)按上游單線、下游單線和雙線聯(lián)動的3個工況進(jìn)行全跨范圍動載試吊，第3級僅按雙線聯(lián)動工況進(jìn)行全跨范圍動載試吊，第4級按雙線聯(lián)動工況進(jìn)行跨中靜載試吊。經(jīng)試吊檢驗(yàn)纜索起重機(jī)的承載力、超載力、安全性能、使用性能等，試吊合格并經(jīng)申報取證后方可正式投入使用。

5 鋼拱肋扣掛安裝

5.1 吊裝準(zhǔn)備

1)節(jié)段擺放 根據(jù)鋼拱肋的節(jié)段劃分及預(yù)拱度要求，提前在廠內(nèi)加工制造，同時安裝現(xiàn)場所需的吊耳、匹配件、管口連接裝置等結(jié)構(gòu)，對監(jiān)控點(diǎn)做好標(biāo)識，水運(yùn)至現(xiàn)場?，F(xiàn)場租賃平板駁船存放拱肋節(jié)段，根據(jù)節(jié)段尺寸位置及施工特點(diǎn)合理確定節(jié)段的擺放狀態(tài)，拱肋節(jié)段順橋向放置，吊裝前僅需將駁船上下游移動、調(diào)整待吊節(jié)段至指定位置即可，便于起吊安裝操作。

2)扣塔安裝 扣塔分段加工，采用纜索起重機(jī)逐段吊裝連成整體，嚴(yán)格控制扣塔的垂直度和現(xiàn)場接頭質(zhì)量?？鬯_分別坐落于交界墩墩頂和引橋連續(xù)梁上，考慮引橋在季節(jié)性溫度變化時的伸縮變形對柱腳產(chǎn)生不利影響，故引橋梁面柱腳設(shè)置反扣滑移結(jié)構(gòu)，保證柱腳可沿縱向自由滑動，有效釋放附加應(yīng)力。

對于錨索不對稱布置導(dǎo)致的扣塔偏移，反向設(shè)置扣塔側(cè)風(fēng)纜調(diào)節(jié)塔偏、保證體系受力平衡，在扣塔安裝過程中做好掛設(shè)側(cè)風(fēng)纜準(zhǔn)備，待拱肋節(jié)段安裝到相應(yīng)工況時應(yīng)及時安裝預(yù)緊、分級張拉側(cè)風(fēng)纜。

5.2 節(jié)段起吊

1)帶索起吊 根據(jù)配索方案提前下料鋼絞線，掛設(shè)預(yù)緊錨索于扣塔和錨碇之間，通過錨箱將扣索下端連接于拱肋節(jié)段的扣掛吊耳上。纜索起重機(jī)主吊起重索下設(shè)吊裝扁擔(dān)梁，根據(jù)不同節(jié)段的結(jié)構(gòu)尺寸及吊耳位置，在扁擔(dān)梁上設(shè)置限位卡槽，以匹配固定吊裝鋼絲繩位置。各處吊鉤連接完成后發(fā)出起吊信號，通過后臺操作纜索起重機(jī)將拱肋節(jié)段和扣索同步緩慢提升(見圖4，5)。

圖4 扣掛錨箱連接示意

圖5 起吊拱肋節(jié)段斷面示意

2)調(diào)整空中姿態(tài) 提升至一定高度后，調(diào)整節(jié)段空中姿態(tài)，通過控制纜索起重機(jī)調(diào)節(jié)前后2根扁擔(dān)梁的相對高差，使節(jié)段基本達(dá)到安裝時前高后低的傾斜狀態(tài)。

5.3 安裝張拉調(diào)整

5.3.1粗調(diào)對位

通過纜索起重機(jī)緩慢移動待安裝節(jié)段，使其下管口逐漸靠近已安裝節(jié)段的上管口，采用工作吊牽引扣索上端并連接于對應(yīng)錨梁，利用手拉葫蘆橫向調(diào)整節(jié)段扭偏，根據(jù)拱肋節(jié)段安裝的控制坐標(biāo)初步粗調(diào)節(jié)段位置，沿縱向設(shè)置手拉葫蘆牽拉以縮小對接口間隙，并通過管口連接裝置進(jìn)行匹配對位。管口連接裝置有2種(見圖6)，首節(jié)段與拱腳預(yù)埋段間采用內(nèi)法蘭+嵌補(bǔ)段結(jié)構(gòu)定位連接，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的主弦管間采用可雙向調(diào)節(jié)的外法蘭匹配件結(jié)構(gòu)定位連接，以方便節(jié)段安裝對位。拱肋節(jié)段粗調(diào)定位后，初步施擰對接口連接螺栓。

圖6 管口連接構(gòu)造示意

5.3.2張拉精調(diào)

粗調(diào)定位后，在纜索起重機(jī)主鉤懸吊狀態(tài)下，根據(jù)監(jiān)控指令的索力大小分級進(jìn)行扣錨索力的對稱張拉，采用高精度全站儀持續(xù)跟蹤觀測拱肋監(jiān)控點(diǎn)的空間坐標(biāo)變化，以精確調(diào)整拱肋安裝線形。拱肋精調(diào)過程中，以線形控制為主、索力控制為輔的原則，隨索力張拉加載、纜索起重機(jī)逐步卸載，在二者此消彼長過程中精確控制拱肋線形滿足施工預(yù)拱度要求，實(shí)現(xiàn)拱肋節(jié)段由纜索起重機(jī)懸吊狀態(tài)向扣錨索扣掛狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，完成精調(diào)(見圖7)。

圖7 對接管口調(diào)整施工照片

精調(diào)過程的線形控制坐標(biāo)應(yīng)通過施工階段模擬分析得到，綜合考慮二期恒載+1/2運(yùn)營活載作用下的最終階段成橋拱度及安裝當(dāng)前節(jié)段的線形變化，推算出各節(jié)段的施工預(yù)拱度數(shù)值，然后再與設(shè)計(jì)線形坐標(biāo)疊加計(jì)算出實(shí)際施工控制坐標(biāo)，以此保證最終工況下的整體線形與目標(biāo)值吻合，實(shí)現(xiàn)一次張拉的效果。施工中每安裝1個拱肋節(jié)段對應(yīng)張拉該組扣錨索，無須調(diào)整之前已安裝的各組索力，扣錨索對稱張拉必須做到扣索和錨索同比例加載、上下游同步加載。精調(diào)過程中采用千斤頂和碼板調(diào)整管口錯邊，針對拱肋線形小范圍偏差，可采用調(diào)節(jié)對接口焊縫間隙或設(shè)置拱肋側(cè)風(fēng)纜方式進(jìn)行微調(diào)。

5.4 臨時固結(jié)及焊接

拱肋安裝精調(diào)后擰緊管口連接裝置上的螺栓，將相鄰管口臨時固結(jié)鎖定，然后及時對管口焊縫進(jìn)行施焊及無損檢測。根據(jù)管口連接裝置的承載力，合理控制管口焊接速度、保證工序銜接，一般控制焊縫焊接滯后于節(jié)段安裝≤2個節(jié)段。

管口焊接采用鋼襯墊兜底，由于管內(nèi)密閉空間中鋼襯墊安裝困難，故研究采用一種鋼襯墊安裝調(diào)整裝置(見圖8)，將管內(nèi)鋼襯墊沿圓周分割成多個小塊，然后采用該裝置逐一安裝定位、擰緊螺母以保證襯墊密貼后點(diǎn)焊固定，操作便捷、效果良好。

圖8 鋼襯墊安裝調(diào)整裝置示意

5.5 拱頂合龍施工

1)持續(xù)觀測 通過連續(xù)數(shù)天觀測溫度及合龍口尺寸的變化情況，選擇在氣溫相對穩(wěn)定的0:00—6:00進(jìn)行合龍施工。根據(jù)觀測確定的合龍溫度與設(shè)計(jì)要求理想溫度間的偏差，模擬計(jì)算溫差導(dǎo)致的合龍口變形量，并考慮扣掛體系對拱肋產(chǎn)生的附加變形值，綜合考慮溫度應(yīng)力和扣掛附加應(yīng)力影響后最終確定合龍口尺寸，用于提前下料配切。

2)線形調(diào)整 根據(jù)已確定的合龍施工溫度及合龍口配切尺寸，通過軟件模擬推算出該溫度下的合龍前線形坐標(biāo)，以此調(diào)整拱肋大懸臂狀態(tài)的線形滿足合龍施工要求，具體可采用調(diào)節(jié)扣索索力或在合龍口處采用千斤頂施加外力等方式。

3)合龍施工 待拱肋合龍前大懸臂狀態(tài)下的整體線形滿足要求后，且等到既定的合龍溫度范圍時，快速安裝拱頂合龍段，并及時采用碼板或型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖定。調(diào)整對接口錯邊、間隙等指標(biāo)符合要求后，及時施焊對接口焊縫并檢測，最終完成主拱合龍。

5.6 施工監(jiān)控

拱肋安裝前，布置測量控制網(wǎng)及各類監(jiān)控感應(yīng)器，建立全程監(jiān)控指揮信息系統(tǒng)，在拱肋安裝過程中隨時提取查看索力、應(yīng)力、線形等實(shí)際信息，通過后臺實(shí)時監(jiān)控分析，及時有效地做出正確判斷、發(fā)出施工指令，保證高精度完成拱肋安裝。

6 結(jié)語

鄭萬高速鐵路奉節(jié)梅溪河雙線特大橋鋼拱肋用鋼量4 083.3t，共劃分32個節(jié)段，采用本文所述技術(shù)施工，于2019年6月20日開始首節(jié)段安裝，至10月30日順利合龍，鋼拱肋安裝共用時130余d，較同類型、同等規(guī)模橋梁施工縮短工期約50d。拱肋實(shí)際的成拱線形與設(shè)計(jì)目標(biāo)值較吻合，線形誤差滿足規(guī)范要求。施工過程安全可靠、質(zhì)量良好、降低成本、提高效率。