鄭大運(yùn)

(中鐵大橋局第七工程有限公司 武漢 430056)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和西部大開發(fā)的深入，越來越多的矮塔斜拉橋出現(xiàn)在黃河中上游流域[1-2]。矮塔斜拉橋橋型介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間，與連續(xù)梁相比具有跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)；與斜拉橋相比具有施工簡單、主梁剛度大等優(yōu)點(diǎn)[3]。矮塔斜拉橋主要特點(diǎn)是主塔高度低、結(jié)構(gòu)剛度大，適用于150～350 m跨徑，因此在鐵路領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4-5]。我國第一座矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋于2000年建成，該橋?yàn)楣F兩用[7]。2011年，我國建成第一座鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋——京滬高鐵津滬聯(lián)絡(luò)線特大橋[8-9]。

靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋位于甘肅省白銀市，為預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，該區(qū)域水文地質(zhì)條件差，施工期存在較大的河床沖刷，下部結(jié)構(gòu)施工度汛難度大。該橋主梁較寬，采用多主桁掛籃進(jìn)行施工，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且該地區(qū)晝夜溫差較大，主梁線形較為敏感，高次超靜定結(jié)構(gòu)施工線形控制難度大。文中對靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋施工技術(shù)進(jìn)行研究，提出適用于該地區(qū)施工期河床防護(hù)、深厚粉土和卵石土覆蓋地層鉆孔樁基礎(chǔ)、超寬主梁施工，以及施工線形控制技術(shù)。

1 工程概況

靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋工程位于甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣城東，主橋?yàn)榭鐝讲贾?00 m+168 m+100 m結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)采用塔梁固結(jié)、塔墩分離體系，其主橋橋型布置見圖1。

圖1 靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋主橋橋型布置(尺寸單位：cm)

主橋主墩為直徑2.2 m 的樁基礎(chǔ)，最大樁長60 m，箱梁采用單箱五室斜腹板斷面，頂板寬度為36.5 m，橋塔外形采用A形，總高30 m。

2 總體施工方案及施工難點(diǎn)

橋址位于黃河中上游地區(qū)，具有水深淺、汛期流速大、沖刷大等水文特點(diǎn)，河床上部覆蓋層主要為粉土和卵石土，下部主要為砂巖，晝夜溫差較大。施工過程中，由于航道不通航，搭建棧橋輔助全橋施工；主墩基礎(chǔ)采用先平臺、后圍堰的施工方法；0號塊采用支架法施工，其他主梁節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑法施工；主塔采用翻模法進(jìn)行施工，施工主塔的過程中同步施工主梁。施工難點(diǎn)如下。

1) 主墩表面覆蓋較厚的粉土和卵石土，施工期沖刷較大，對于圍堰、棧橋的施工存在較大的安全隱患。

2) 主墩采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工，需穿過8 m厚的卵石層，鉆進(jìn)過程中容易漏漿、塌孔，鉆孔鉆進(jìn)難度大。

3) 主梁寬度36.5 m，采用六主桁的菱形掛籃進(jìn)行施工，掛籃設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

4) 該地區(qū)晝夜溫差大，主梁線形控制難度大。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 河床防護(hù)與棧橋設(shè)計

橋址區(qū)域覆蓋粉土和卵石土，且分布不均，局部覆蓋層僅4 m左右。當(dāng)汛期來臨時，實(shí)測最大流速達(dá)4.2 m/s，局部沖刷最大深度達(dá)8 m左右，為此采用了河床防護(hù)的施工方法，解決粉土地層棧橋施工期防沖刷的難題。橋址區(qū)域不通航，棧橋設(shè)計考慮機(jī)械設(shè)備的通行及混凝土的輸送等功能，兼顧全橋施工，并考慮增大跨度，減少鋼管樁插打的數(shù)量。

3.1.1河床防護(hù)

由于汛期水流速較大，采用常規(guī)的拋填碎石作為保護(hù)河床的護(hù)面結(jié)構(gòu)，難以達(dá)到防沖刷的效果。基于本工程的地質(zhì)特點(diǎn)，首先在棧橋樁附近拋設(shè)碎石作為基礎(chǔ)的護(hù)面結(jié)構(gòu)，其次采用粒徑較大的碎石石籠對樁基礎(chǔ)附近進(jìn)行加固。石籠主要分布在棧橋樁周圈及主墩的上游側(cè)區(qū)域，采用0.5 m×0.5 m×0.5 m正方體結(jié)構(gòu)，成片石籠形成三角形或者U形的阻水結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測，進(jìn)行河床防護(hù)后，三角形或U形防護(hù)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)河床沖刷將降低至1 m以內(nèi)，主要沖刷分布在防護(hù)結(jié)構(gòu)的外側(cè)，整個施工期棧橋未受到汛期河床沖刷的影響，河床防護(hù)效果良好。

3.1.2棧橋設(shè)計

由于河道施工期不通航，施工棧橋布置橫跨整個河道，棧橋?qū)挾? m，滿足施工車輛雙向通行和100 t履帶吊走行作業(yè)空間，并作為混凝土的輸送通道。鋼棧橋總長為384 m，基礎(chǔ)采用直徑×壁厚為1 000 mm×10 mm鋼管樁。由于打樁困難及為了減小河床沖刷，通過在貝雷梁設(shè)置加強(qiáng)弦桿加強(qiáng)棧橋設(shè)計，提升其跨越能力，并減少水中墩的數(shù)量。棧橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)計為18 m，布置為三跨一聯(lián)18.1 m+18 m+18.1 m，棧橋立面布置圖見圖2。

圖2 棧橋標(biāo)準(zhǔn)跨立面圖(單位：mm)

3.2 鉆孔樁基礎(chǔ)施工

鉆孔樁施工要穿越粉土、卵石土、堅硬巖層等多種復(fù)雜地層，鉆進(jìn)難度大，坍孔風(fēng)險較高。采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工。根據(jù)地質(zhì)情況，分級鉆孔施工：①當(dāng)孔位處地質(zhì)條件較好，地層分布均勻，巖層易鉆進(jìn)時，可直接采用直徑1.5 m→2.2 m二級成孔施工；②當(dāng)孔位處地質(zhì)條件較差，巖層鉆進(jìn)較為困難時，采用直徑1.5 m→2.0 m→2.2 m三級成孔施工；③孔位處地質(zhì)條件復(fù)雜，地層分布不均，巖層鉆進(jìn)難度困難時，采用直徑1.5 m→1.8 m→2.2 m三級成孔施工。鉆進(jìn)過程中配置常規(guī)的截齒雙門鉆斗，還準(zhǔn)備適用于大直徑卵石層的的單門鉆斗和單頭螺旋鉆頭、適用于基巖和卵礫石的截齒筒鉆、截齒雙門鉆斗。

由于穿越卵石層時，易出現(xiàn)坍孔、漏漿等情況，采取鈉基膨潤土優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，并兼以護(hù)筒跟進(jìn)，解決了這一施工難題。泥漿性能指標(biāo)見表1。

表1 泥漿各項(xiàng)指標(biāo)

3.3 掛籃設(shè)計與施工

主梁寬36.5 m，掛籃(見圖3)設(shè)計為六主桁結(jié)構(gòu)，并設(shè)置橫聯(lián)連成整體，大幅提升掛籃整體剛度。

圖3 掛籃示意圖(單位：mm)

3.3.1掛籃設(shè)計

由于采用懸臂施工，為保證主梁的結(jié)構(gòu)安全，對于掛籃的自重有一定的要求，掛籃結(jié)構(gòu)需盡量輕巧，因此設(shè)計為六主桁整體桁架結(jié)構(gòu)，限重的同時獲得較大的整體剛度。

掛籃主要由菱形桁架、提吊系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)和張拉操作平臺等6部分組成。在6片主桁架下的有6道走行軌道，軌道為II形型截面。走行過程中，通過一套計算機(jī)集中控制系統(tǒng)控制6套走行設(shè)備，使各主桁同步走行，保證安全。

通過有限元分析軟件建立整體模型(見圖4)，選取3個最重主梁節(jié)段和走行工況進(jìn)行檢算，最大主梁節(jié)段質(zhì)量達(dá)到720 t。

圖4 有限元分析模型

由計算分析可知，各桿件應(yīng)力和撓度均滿足要求，建模分析結(jié)果見表2。對于超寬掛籃設(shè)計，除上述計算外，重點(diǎn)關(guān)注其走行抗傾覆穩(wěn)定性。

表2 建模分析結(jié)果

3.3.2對稱懸臂澆筑與合龍施工

對稱懸臂澆筑過程與其他連續(xù)梁橋掛籃澆筑施工方法相近。在主梁懸臂澆筑過程中，確保主梁線形平順、正確是首位，施工中以標(biāo)高控制為主。立模標(biāo)高的合理確定起著決定性的作用。澆筑前一般要設(shè)置一定的預(yù)拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形(豎向撓度)。其計算公式為

Hlmi=Hsji-∑f1i-∑f2i-

f3i-f4i-f5i-fgl

式中：Hlmi為i階段立模標(biāo)高；Hsji為i階段設(shè)計標(biāo)高；∑f1i為由本階段及后續(xù)施工階段主梁節(jié)段自重在i階段產(chǎn)生的撓度總和；∑f2i為由張拉本階段及后續(xù)施工階預(yù)應(yīng)力在i階段引起的撓度；f3i為混凝土收縮、徐變在i階段引起的撓度；f4i為施工臨時荷載在i階段引起的撓度；f5i為取使用荷載在i階段引起的撓度的50%；fgl為掛籃變形值。

對稱懸臂澆筑和邊跨直線段施工完畢后進(jìn)行合龍施工。合龍時按照先邊跨、再中跨的順序。懸臂主梁節(jié)段澆注完畢，拆除懸臂掛籃，并在懸臂端的水箱中加水以設(shè)平衡重。合龍口鎖定采用“預(yù)埋槽鋼+連接槽鋼+預(yù)埋槽鋼”三段式結(jié)構(gòu)。合龍段混凝土澆注過程中，按新澆注混凝土的重量分級卸去平衡重(即分級放水)，保證平衡施工。邊跨合龍完成后即解除主墩0號塊臨時錨固，因7號主墩主支座為固定支座、8號主墩主支座為單向支座(橫向限位)，8號主墩解除臨時錨固后，增加臨時縱向限位擋塊。

3.4 施工控制

矮塔斜拉橋在懸臂施工階段是超靜定結(jié)構(gòu)，合龍過程中如不施加額外的壓重，成橋后內(nèi)力狀態(tài)一般不會出現(xiàn)較大偏差，因此矮塔斜拉橋施工控制的主要目標(biāo)是控制主梁的線形。監(jiān)控過程中根據(jù)施工中實(shí)測到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正計算模型中的參數(shù)值，以使計算模型在與實(shí)際結(jié)構(gòu)磨合一段時間后，自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律。在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再加上一個系統(tǒng)參數(shù)辨識過程，整個控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制體系見圖5。

圖5 自適應(yīng)施工控制體系

施工監(jiān)控模型結(jié)構(gòu)離散遵循以下3個基本原則：①計算模型應(yīng)盡量符合實(shí)際結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，以保證解的正確性；②保證結(jié)構(gòu)幾何不變性，特別是在綜合復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過程中更應(yīng)注意，同時要避免出現(xiàn)與實(shí)際結(jié)果受力不符的多余約束；③在合理模擬的前提下，減少不必要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，以縮短計算時間，減少后處理工作量。根據(jù)設(shè)計圖紙所示施工階段及需完成工作量將本橋劃分為90個施工階段，本橋計算模型示意見圖6。

圖6 本橋計算模型示意

在每1個主梁節(jié)段布置1個測試斷面(測試斷面距離梁端頭約50 cm)，在測試斷面主梁節(jié)段布設(shè)10個監(jiān)測點(diǎn)，中間2個位于主梁中心線頂板和底板位置，另外8個對稱布置于外側(cè)腹板頂板和底板位置處。這樣可以觀測箱梁橫向變形及是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，并且可以相互驗(yàn)證測量成果的可靠性和精度。

在每個施工循環(huán)過程結(jié)束均對已完成的主梁節(jié)段進(jìn)行全面的測量，分析實(shí)際施工結(jié)果與預(yù)計目標(biāo)的誤差，從而及時對已出現(xiàn)的誤差進(jìn)行調(diào)整，在達(dá)到要求的精度后，才能對下一施工循環(huán)做出預(yù)報。在每一施工步驟中制訂了如下的誤差控制水平。

1) 掛籃定位標(biāo)高與預(yù)報標(biāo)高之差控制在0.5 cm以內(nèi)。

2) 縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后，如梁端測點(diǎn)標(biāo)高與理論標(biāo)高之差超過±0.5 cm，需進(jìn)行研究分析誤差原因，通過調(diào)整索力或調(diào)整后續(xù)主梁節(jié)段標(biāo)高進(jìn)行偏差調(diào)整。

通過對各階段線形調(diào)整，成橋橋面標(biāo)高見圖7，主橋梁高與理論值最大偏差值為28 mm，滿足規(guī)范要求的±L/5 000=34 mm。

圖7 梁頂高差對照圖

為了掌握各施工階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化情況以及與計算結(jié)果的符合程度，保證在施工過程中結(jié)構(gòu)各控制截面內(nèi)不致出現(xiàn)過大應(yīng)力而危及結(jié)構(gòu)安全，對各施工階段結(jié)構(gòu)各控制截面的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)合計算分析結(jié)果，對測試斷面及測點(diǎn)布置進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，選取結(jié)構(gòu)受力最不利處進(jìn)行監(jiān)測。主塔上的測點(diǎn)布置選定在塔柱底端前后各1個，7號墩、8號墩共布置4個測試斷面。主梁上的測點(diǎn)布置選定在主梁1號段，8號段，共布置8個測試斷面。以主塔根部2號截面為例，通過對主要截面應(yīng)力控制，該截面實(shí)測應(yīng)力結(jié)果見圖8，成橋應(yīng)力與設(shè)計值偏差在20%以內(nèi)。

圖8 2號截面應(yīng)力時程圖

采用振弦式傳感器法與振動頻率法測試?yán)髁?，索力均勻性絕大部分控制在2%以內(nèi)，索力均勻性有超限的現(xiàn)象，2%～5%區(qū)間超限股數(shù)為41，超限率為11.2%，≥±5.0%區(qū)間超限股數(shù)為14，超限率僅為3.81%。超限主要原因是單孔錨梅花墊片與鋼絞線之間存在摩阻的緣故，因本橋斜拉索為環(huán)氧涂層鋼絞線，較其他鋼絞線直徑偏大，為此定制了內(nèi)徑為17.5 mm的梅花墊片，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行索力測試的效果明顯改善。成橋后全橋整索索力最大偏差為-3.24%，而且索力偏差均為負(fù)值，究其原因是頻譜法索力系數(shù)取值偏小，經(jīng)調(diào)整后，索力偏差均在±3.0%之間波動，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文結(jié)合靖遠(yuǎn)金灘黃河大橋工程施工研究了黃河中上游流域矮塔斜拉的施工關(guān)鍵技術(shù)，提出基于拋填碎石+石籠護(hù)面結(jié)構(gòu)的河床防護(hù)，設(shè)計多主桁整體菱形掛籃結(jié)構(gòu)，制定適用于矮塔斜拉橋超寬主梁的施工自適應(yīng)控制體系，為后續(xù)類似橋梁工程施工提供了參考和借鑒。