殷天軍,劉玉寶
(中交一航局第一工程有限公司,天津 300456)
翔安大橋(廈門第二東通道)工程海上航道橋墩臺(tái)采用裝配式施工。橋梁橋墩采用預(yù)制場工廠化預(yù)制,出運(yùn)至海上,無掩護(hù)條件下浮吊吊裝[1]。橋墩分為2節(jié)式墩臺(tái)、3節(jié)式墩臺(tái)2種類型。本項(xiàng)目2節(jié)式橋墩(承臺(tái)+下節(jié)墩身、上節(jié)墩身)9座,3節(jié)式橋墩(承臺(tái)+下節(jié)墩身、中節(jié)墩身及上節(jié)墩身)3座,共計(jì)27節(jié)。其中下節(jié)段(承臺(tái)+下節(jié)墩身)共12節(jié),最重2 366 t,高(4.5+21.6)m[2]。
1)墩臺(tái)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。2)墩臺(tái)單件重量大,吊點(diǎn)設(shè)計(jì)難度大。3)裝配式墩臺(tái)安裝止水難度大。墩臺(tái)設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-4 m,最大高潮位時(shí)最大水頭差為7.24 m,水壓力較大,止水難度較大。
墩臺(tái)在預(yù)制場進(jìn)行工廠化集中預(yù)制,達(dá)到設(shè)計(jì)要求的存放期后,墩臺(tái)通過預(yù)制場碼頭橫縱滑移軌道移至臨時(shí)坐底碼頭的半潛駁上[3]。墩臺(tái)在滑移過程中進(jìn)行吊裝系統(tǒng)的安裝調(diào)試。墩臺(tái)運(yùn)輸至半潛駁上進(jìn)行底節(jié)墩臺(tái)的套箱安裝及加固,隨后由半潛駁運(yùn)輸墩臺(tái)至安裝現(xiàn)場等待安裝。
海中橋梁采用鋼管復(fù)合樁,施工并樁檢完成后,對(duì)樁頂進(jìn)行抄平及磨平,將抱箍安裝處樁身四周清除干凈,隨后進(jìn)行中間樁止水系統(tǒng)安放和邊樁三維調(diào)位千斤頂及止水系統(tǒng)的安放。
起吊已裝好止水套箱的下節(jié)墩臺(tái),對(duì)準(zhǔn)鋼管樁后進(jìn)行下放,隨后通過三維千斤頂和水下千斤頂?shù)囊簤赫{(diào)位及限位,墩臺(tái)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求后頂升并抱緊止水抱箍,檢查無漏水情況后在落潮時(shí)澆筑C50水下速凝砂漿進(jìn)行止水,具備后續(xù)干作業(yè)施工條件。
使用一航津泰浮吊及專用吊索具(圖1)吊裝廈門第二東通道墩臺(tái)。使用下框架梁吊裝下節(jié)墩臺(tái),此時(shí)吊具額載2 400 t。可更換下節(jié)吊具吊裝更大墩身,此時(shí)上部通用吊具額載2 930 t。吊具吊裝墩身時(shí)均使用纜索配合吊裝。
圖1 吊索具設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of spreader
吊具分為上吊具與下吊具,上下吊具之間使用鋼絲繩連接,下吊具通過纜索連接承臺(tái)。上吊具設(shè)置纜索,兼顧中上節(jié)吊具吊裝,上下吊具配合進(jìn)行底節(jié)承臺(tái)安裝。承臺(tái)吊裝時(shí)將承臺(tái)整體吊起后從鋼管樁頂套入,下吊具臨時(shí)放置于鋼管樁樁頂,做臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。合理規(guī)劃吊點(diǎn)布置位置,在2個(gè)后澆孔中間設(shè)置吊點(diǎn),考慮混凝土抗壓不抗拉的特性,吊點(diǎn)采用穿透承臺(tái)后兜底形式,建模對(duì)承臺(tái)的受力狀態(tài)進(jìn)行分析。每個(gè)吊點(diǎn)處設(shè)8根φ85 mm,材質(zhì)為40CrNiMo,抗拉強(qiáng)度不小于980 MPa,屈服強(qiáng)度不小于835 MPa吊桿。每組吊點(diǎn)底部設(shè)置底錨板,吊桿拆除后周轉(zhuǎn)使用[4]。
預(yù)制墩臺(tái)的精確調(diào)位是利用承臺(tái)4個(gè)角的鋼管復(fù)合樁作為承臺(tái)體系轉(zhuǎn)換前的承重鋼管,通過樁頂安裝的4個(gè)三維千斤頂對(duì)承臺(tái)進(jìn)行精確調(diào)位,經(jīng)過升降、側(cè)滾、俯仰、橫移、進(jìn)退和回轉(zhuǎn)等動(dòng)作最終完成精確調(diào)位。通過三維千斤頂?shù)恼{(diào)位,可使承臺(tái)空間坐標(biāo)位置精度控制在2 mm以內(nèi)[5]。
水下千斤頂布置在4個(gè)角樁的預(yù)留孔內(nèi),每根樁均勻布置3個(gè),消除了水流力作用下鋼管樁擺動(dòng)影響。
1)鋼管樁表面處理
考慮需要給鋼抱箍留有操作空間,應(yīng)保證樁身表面干凈,可利用刮船器清除樁身表面海洋生物,防止止水抱箍下放時(shí)對(duì)抱箍內(nèi)側(cè)膠皮造成破壞及止水過程中鋼抱箍無法抱緊鋼管樁從而導(dǎo)致止水失敗。
2)頂升和止水系統(tǒng)安裝
在角樁頂位置整體套入三維千斤頂,千斤頂頂托盤卡在鋼管樁頂部,上下托盤之間通過鋼棒連接。在角樁三維千斤頂工裝上的預(yù)留槽內(nèi)放置20 t頂升千斤頂,隨后放置六角吊梁及通過精軋螺紋相連的3片鋼抱箍懸掛其上,形成邊樁的止水系統(tǒng)。
吊裝系統(tǒng)、水下千斤頂選擇在墩臺(tái)養(yǎng)護(hù)完成后,在出運(yùn)前進(jìn)行安裝。
墩臺(tái)預(yù)制且混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后將裝配式構(gòu)件從裝配式平臺(tái)橫縱移至儲(chǔ)存區(qū)平臺(tái)儲(chǔ)存。裝配好的墩臺(tái)通過臺(tái)車在軌道上橫、縱移至碼頭前沿[2],裝船,封車加固,高潮起浮,使用拖輪傍拖半潛駁運(yùn)輸至現(xiàn)場。
4 000 t浮吊提前在垂直橋軸線南側(cè)駐位,運(yùn)輸墩臺(tái)的半潛駁拖帶至現(xiàn)場垂直軸線方向,在預(yù)安裝的墩臺(tái)軸線以南(船頭朝南)起重船一側(cè)駐位。
止水鋼套箱采用拼裝后整體安裝工藝,首先在半潛駁上將套箱進(jìn)行整體拼裝。拼裝好后在套箱底部設(shè)置高壓縮量雙峰止水帶(10 kN/m壓力下,壓縮量不低于20 mm)。待船舶駐位后,緩緩吊起拼裝好的鋼套箱,從墩身套入至承臺(tái)上方,在鋼套箱自重作用下壓縮止水帶,實(shí)測雙峰止水帶壓縮量約為20 mm。
1)墩臺(tái)吊裝窗口
墩臺(tái)吊裝屬海上大噸位起重作業(yè),受風(fēng)浪、水流影響很大,安裝前收集氣象信息,根據(jù)氣象水文情況選擇墩臺(tái)吊裝作業(yè)時(shí)間。浮吊適合吊裝墩臺(tái)的水文、氣象條件如表1所示。
表1 浮吊吊裝墩臺(tái)條件Table 1 Conditions for hoisting pier by floating crane
2)吊座連接
一航津泰吊持吊具緩慢移船至墩臺(tái)上方,從墩身套入,緩慢下放吊具,操作人員輔助將吊索澆注頭套入吊座耳板之間,穿入銷軸,并鎖好端頭處止退卡環(huán)。
3)墩臺(tái)起吊
緩慢起鉤,從500 t起吊以300 t為一級(jí),逐級(jí)加載[6],繼續(xù)起升直至承臺(tái)完全從臺(tái)車上離開10 cm,持荷靜置5 min,吊裝過程中觀察吊具受力狀態(tài)及墩臺(tái)狀態(tài),直至安放完成。通過傾角傳感器觀測墩臺(tái)垂直度,通過調(diào)整兩鉤噸位使承臺(tái)垂直度不低于1/300。
4)浮吊下落墩臺(tái)
通過實(shí)時(shí)(測量)控制系統(tǒng)及傾角傳感器指揮調(diào)整浮吊臂桿角度及船位,使墩臺(tái)底面位于待安裝鋼管樁三維千斤頂頂面50 cm左右,中心與群樁中心偏差在±30 cm以內(nèi),然后緩慢下落墩臺(tái),確保墩臺(tái)準(zhǔn)確套入鋼管樁[3]。最終使吊具支撐結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確落于三維千斤頂工裝上。檢查三維千斤頂上的支墊牢固穩(wěn)定后,緩慢下落浮吊吊鉤,解除上下吊具之間的約束,最后吊離上吊具[7]。
1)墩臺(tái)調(diào)位標(biāo)準(zhǔn)
墩身豎向傾斜度偏差不大于H/3 000,且不大于30 mm;墩身截面中心位置與設(shè)計(jì)位置偏差值不大于10 mm[8]。
2)墩臺(tái)調(diào)位施工
通過在墩身大方向側(cè)布設(shè)測量用反光貼,并在墩頂提前設(shè)置縱橫向軸線,通過墩身反光片計(jì)算現(xiàn)場墩身垂直度及偏位,調(diào)位技術(shù)人員根據(jù)偏位數(shù)據(jù),按照先調(diào)整平面位置,再調(diào)整高程和垂直度的原則調(diào)整三維千斤頂。調(diào)整結(jié)束后,三維千斤頂豎向頂自鎖,水下頂頂緊,防止墩身出現(xiàn)偏位。
墩臺(tái)調(diào)位完成后,在潛水員的止水和配合下,分別提升角樁樁頂和中間樁樁頂20 t千斤頂,將組片抱箍提升至承臺(tái)底面,潛水員水下將組片式抱箍耳板使用水下液壓扳手初打緊,繼續(xù)提升抱箍,至抱箍頂面單峰止水帶壓縮量不低于30 mm,將組片式抱箍打緊,實(shí)現(xiàn)承臺(tái)底面和鋼管樁側(cè)壁的止水,見圖2。在落潮時(shí),在后澆孔內(nèi)澆筑速凝砂漿,待止水砂漿達(dá)到20 MPa以上強(qiáng)度后,后澆孔內(nèi)抽水作業(yè)。
圖2 抱箍止水原理圖Fig.2 Principle diagram of water stop of hoop
吊具監(jiān)測選取起吊、移位、進(jìn)孔、就位4個(gè)持續(xù)動(dòng)作。
1)吊裝過程中的微應(yīng)變監(jiān)測時(shí)程曲線如圖3所示,起吊后應(yīng)變變化隨逐級(jí)加載有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,移位時(shí)內(nèi)力在附近達(dá)到較大值,隨后內(nèi)力保持相對(duì)平穩(wěn),在下放入孔內(nèi)后內(nèi)力結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化,內(nèi)力有對(duì)應(yīng)的突變,隨后保持穩(wěn)定。
吊裝過程中的應(yīng)力數(shù)值為應(yīng)變×彈性模量,結(jié)合圖3可以看到,受力體系轉(zhuǎn)變以后,跨中彎曲應(yīng)力最大值為49.50 MPa,小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,說明結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有較高的安全儲(chǔ)備,體系穩(wěn)定可靠,同時(shí)也說明了吊具結(jié)構(gòu)的冗余量過大,造成了不經(jīng)濟(jì)的情況,可根據(jù)本次的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行吊具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
圖3 微應(yīng)變監(jiān)測時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of micro-strain monitoring
2)傾斜監(jiān)測設(shè)置2個(gè)方向,其中傾角01方向?yàn)橄驴蚣芰褐髁捍怪狈较?,傾角02方向?qū)?yīng)下框架梁主梁軸向方向,吊裝過程中的傾角監(jiān)測時(shí)程曲線如圖4所示。根據(jù)傾角監(jiān)測結(jié)果,起吊后吊具吊繩收緊程度略有差異導(dǎo)致輕微的傾斜角度,逐級(jí)加載過程中,吊具保持之前姿態(tài),在移位初期進(jìn)行傾斜調(diào)整,由于吊機(jī)只能調(diào)整一個(gè)方向的傾斜,經(jīng)過調(diào)整傾角02方向基本水平,傾角01方向約0.40°的傾斜,當(dāng)墩身入孔時(shí)傾角變化較為明顯,墩臺(tái)就位后傾角01方向傾斜顯著減小。
圖4 傾角監(jiān)測時(shí)程曲線Fig.4 Time history curve of obliquity monitoring
3)加速度設(shè)置2個(gè)方向,其中加速度01方向?yàn)橄驴蚣芰褐髁捍怪狈较?,加速?2方向?qū)?yīng)下框架梁主梁軸向方向,吊裝過程中的加速度監(jiān)測時(shí)程曲線見圖5。根據(jù)加速度監(jiān)測結(jié)果,墩臺(tái)吊運(yùn)過程中吊具加速度小于0.049 m/s2,后續(xù)吊裝過程中可適當(dāng)加快墩身移動(dòng)速度以提高安裝進(jìn)度,并且在吊裝過程中還能減小潮位帶來的影響。
圖5 加速度監(jiān)測時(shí)程曲線Fig.5 Time history curve of acceleration monitoring
無掩護(hù)外海裝配式墩臺(tái)高精度安裝技術(shù)在翔安大橋(廈門第二東通道)工程的成功應(yīng)用,對(duì)海上裝配化技術(shù)有重要的推動(dòng)作用。此技術(shù)能夠完成外海域大潮差環(huán)境下橋梁裝配化墩臺(tái)安裝施工作業(yè),實(shí)現(xiàn)了安裝的高精度控制,同時(shí)利用了廠內(nèi)預(yù)制墩臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn),又避免了海上長時(shí)間作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn),保證了安裝質(zhì)量。