劉思嘉 黎亞軍 徐增武 戴超虎 劉艷華

中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長沙 410004

在人類賴以生存的地球上，山地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平地面積。中國山地面積約占陸地面積的50%[1]，且大部分城市為山地城市。與平地相比，其自然環(huán)境差異極大，山地建筑受地形、地貌、經(jīng)濟、功能等方面的綜合約束，若沿襲平地建筑的施工技術(shù)方法來進行山地建筑建設(shè)和開發(fā)，則難以適應(yīng)山地生態(tài)環(huán)境條件的多變性。因此，綜合利用建筑所處的山形地貌，盡量契合山地的起伏變化，不去破壞原有地形、地貌和自然景觀，因地制宜地使建筑成為融入環(huán)境中的有機景觀，這成為山地建筑施工建造的首要目標(biāo)。山地建筑已逐漸成為區(qū)別于平地建筑的另一種具有山地特色的建筑體系。

近年來，隨著經(jīng)濟快速增長，旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，人們對于山水休閑游憩的需求日益增長，城市景觀生態(tài)建設(shè)逐漸成為城市發(fā)展的重要指導(dǎo)方向，利用城市周邊現(xiàn)有的自然資源建設(shè)“休閑”“健身”“旅游”“娛樂”的山地人行步道成為再次發(fā)掘城市活力的有效手段。山地建筑大量建設(shè)，尤其是索道、步道、游客服務(wù)中心等大量采用鋼結(jié)構(gòu)形式。適當(dāng)?shù)牟降澜ㄔO(shè)可以避免極端事件對娛樂活動的負(fù)面影響，并在保護生物多樣性等方面提供協(xié)同效益[2]。國內(nèi)外一些城市在打造山地人行步道項目上進行了探索和嘗試，如廣州的“云道”、福州的“福道”、廈門的“綠道”、新加坡的南部山脊步道等。關(guān)于山地人行步道建設(shè)所面臨的最大爭議在于施工過程中對原始山體和自然資源的破壞，違背了人與自然和諧相處的基本理念。因此，在建設(shè)施工過程中，必須嚴(yán)格保護現(xiàn)有山地的地形地貌，施工過程中需要最大限度地降低對生態(tài)環(huán)境的影響，這意味著在施工線路上無法進行大面積開挖修路，亦無法采用現(xiàn)代化的機械設(shè)備進山施工，蜿蜒曲折的步道全線需要在接近原始山林的環(huán)境下作業(yè)，其施工難度不亞于各種橫跨大江峽谷的大橋。且國內(nèi)外對于山地步道建筑在建造技術(shù)、施工機具等方面缺乏系統(tǒng)性的梳理和研究，沒有具體的施工技術(shù)指導(dǎo)方法。

1 工程概況

1.1 步道結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

珠海鳳凰山山地步道項目位于鳳凰山森林公園東南部，串聯(lián)沿線城市公園及景觀興奮點，巧妙利用鳳凰山地形修筑了1條攬山瞰海的慢行生態(tài)健康廊橋，全長約8.6 km，總用鋼量約0.6萬 t。主體結(jié)構(gòu)形式為獨柱墩鋼板梁結(jié)構(gòu)體系，整體走勢沿山勢而行。

鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可分為豎向獨立鋼柱、箱體梁及懸挑T形挑梁結(jié)構(gòu)。獨立鋼柱采用圓型鋼，最大型號為φ800 mm×32 mm，最大高度為15 m；箱體梁和懸挑T形加固挑梁結(jié)構(gòu)橋面標(biāo)準(zhǔn)凈寬度3.6 m，最大跨距16 m；基礎(chǔ)部分根據(jù)地質(zhì)情況不同，分別采用人工挖孔樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)和微型鋼管樁基礎(chǔ)。橋墩與承臺采用M48地腳螺栓連接，主梁為箱形，寬0.64 m、高0.70 m，主梁兩側(cè)設(shè)置T形加固懸挑次梁。全步道采用10.9S級M28高強螺栓栓接，間隔不超過64 m設(shè)置1道伸縮縫，橋墩與主梁分別采用焊接連接或橡膠支座連接（圖1）。

圖1 珠海鳳凰山山地步道

1.2 施工環(huán)境概況

鳳凰山山地步道項目（香山湖公園至海天公園段）位于香洲區(qū)主城區(qū)鳳凰山山脈，最大海拔高度437 m，規(guī)劃步道沿鳳凰山山脈蜿蜒盤旋，西接香山湖公園、東至海天公園、南依梅華路、北鄰大鏡山水庫，全長約8.6 km?，F(xiàn)場原始地貌主要為低丘陵地貌，部分為山澗河谷地貌。

步道橋段所處山體為具有一定坡度的陡坡，沿線植被茂盛，巨石、懸崖遍布全線，材料運輸及設(shè)備搬運極為困難（圖2）。

圖2 現(xiàn)場原始環(huán)境

2 工程特點和難點

2.1 山地環(huán)境復(fù)雜多樣，施工難度大

項目地處林業(yè)用地，要求施工過程中將原始地貌及森林的影響降到最低，僅允許開挖寬3 m的臨時便道。而山路崎嶇，地質(zhì)情況復(fù)雜，大部分施工線路的地質(zhì)、地形情況尚不能滿足臨時便道開挖條件，造成人員通行、材料運輸、機械進場難度極大。

2.2 現(xiàn)場施工組織管理和安全控制難度大

工程區(qū)域跨度大，分項多，工序多，且山路地形條件差，各施工工種及機械之間的配合極其困難，統(tǒng)籌規(guī)劃科學(xué)的施工組織管理使工程能夠高效、有序推進的重要保證，同時確保施工安全和質(zhì)量。

由于山路地勢較高，步道沿線多處于陡峭地段，使得安全通道及操作平臺布置困難，施工安全要求高、風(fēng)險大，安全防護難度大；地處茂密山林，施工過程中，不可避免地出現(xiàn)動火作業(yè)，且水源補給多位于山腳，消防安全管理要求高，難度大。

2.3 吊裝難度大

山路地形復(fù)雜，坡高路陡，施工區(qū)域無法采用常規(guī)吊裝機械設(shè)備進場施工，單一構(gòu)件重，且體量大。山地林區(qū)內(nèi)需采用特殊吊裝作業(yè)工具進行安裝，施工難度大，安全隱患風(fēng)險高。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 箱體梁橋面分段吊裝技術(shù)

3.1.1 關(guān)鍵施工設(shè)備選擇

針對步道棧橋結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)場施工條件，調(diào)研分析了公路、鐵路系統(tǒng)施工過程中常采用的架橋機安裝方案，其施工作業(yè)面至少需達(dá)到2個標(biāo)準(zhǔn)段的長度，且需借助已安裝完成的柱墩作為支撐點。

在地形復(fù)雜的山勢環(huán)境下，無法滿足使用要求，且步道極小的曲率半徑亦無法滿足其行駛條件。綜合考慮結(jié)構(gòu)形式及施工條件的局限性，研發(fā)了一種適用于山地棧橋工程項目的橋面吊裝設(shè)備，大大提升了施工進度，提高了施工質(zhì)量和施工安全（圖3）。

圖3 橋面軌道式起重機施工

3.1.2 關(guān)鍵施工措施

目前，對于橋梁合龍施工技術(shù)，一般采用頂推法[3-4]、配切法[5]及配切-頂推結(jié)合法[6]。由于山地地形條件差，施工環(huán)境受限，且綜合考慮經(jīng)濟效益和施工便利性，采用橋面吊分段吊裝的施工技術(shù)。

本項目進行了多次橋面吊裝工況分析和行駛工況模擬，確定了設(shè)備自重、設(shè)備尺寸、起重性能、最小轉(zhuǎn)彎半徑、行駛坡度、運載能力等關(guān)鍵因素，同時需考慮設(shè)備的安裝拆卸和符合人機工程學(xué)的各種要求，融合了工程、機械、力學(xué)、遙感等多專業(yè)問題，聯(lián)合設(shè)備廠家進行了設(shè)備設(shè)計、研發(fā)。項目最終定型適用于山地鋼結(jié)構(gòu)人行步道安裝的橋面軌道式起重機和遙控軌道式運梁小車（后稱“橋面吊”和“運梁小車”）。橋面吊設(shè)備自重為14 t，16 m作業(yè)半徑起重量3.5 t。

其主要特點為：橋面吊由軌道平車和吊裝系統(tǒng)組成，可在用熱軋H型鋼鋪設(shè)的軌道上行駛，吊裝作業(yè)時，橋面吊錨固于已安裝完成的柱頂，通過吊裝系統(tǒng)依次吊裝下一跨的柱、梁及次構(gòu)件，然后鋪設(shè)軌道向前行駛至下一跨柱頂，繼續(xù)重復(fù)吊裝；運梁小車采用遙控操作，利用橋面吊軌道行駛，在線路上往返運輸材料（圖4）。

圖4 橋面吊裝施工示意

橋面吊行駛軌道需要承擔(dān)上部設(shè)備荷載，并將其均勻傳遞至橋梁結(jié)構(gòu)，是保證施工安全的主要措施。因此，需確保其具有一定的強度且與結(jié)構(gòu)自身能夠可靠連接固定，同時便于安拆。

軌道選用HW294 mm×302 mm× 12 mm×12 mm型鋼，鋪設(shè)于鋼梁兩側(cè)的T形挑臂上，軌道縱向間距為1.8 m，挑臂橫向間距為1 m，軌道與T形挑臂之間采用U形卡扣＋壓板組合將軌道下翼緣板的左右兩側(cè)均夾持于T形挑臂上，每根挑臂與軌道搭接部位均采用夾具固定，經(jīng)計算分析，具備良好的夾持效果，結(jié)構(gòu)簡單輕巧，安拆便捷（圖5）。

圖5 橋面鋼軌加固斷面示意

3.1.3 橋面吊施工過程分析

采用有限元設(shè)計和分析軟件Midas施工仿真模擬橋面吊行進和吊裝過程，通過上部結(jié)構(gòu)整體承重狀態(tài)改良節(jié)點形式和調(diào)整施工方法。

橋面吊行進過程中，其自重全部由結(jié)構(gòu)鋼梁及挑臂承擔(dān)，其行進過程產(chǎn)生的振動荷載約等于其自重的1.3倍[7]，當(dāng)其行進至跨中時，為最不利工況。主梁與柱考慮為剛接，挑臂與主梁采用高強螺栓連接，軌道采用錯縫焊接連接為連續(xù)梁，模擬分析結(jié)果顯示：橋面吊行進過程中鋼梁跨中最大撓度為26 mm，撓跨比[8]為1/615＜1/400；結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.83，可知橋面吊行進過程中構(gòu)件滿足容許應(yīng)力305 MPa限值要求，行走工況結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

橋面吊在柱頂進行吊裝時，其支腿下方的T形挑臂撓度變形過大，需要進行加固處理，從永臨結(jié)合的角度出發(fā)，將支腿下方的T形挑臂采用HI50 mm×150 mm×10 mm×14 mm型鋼加強挑臂進行替換（圖6）。

圖6 加強挑臂替換模型

采用有限元分析軟件進行分析，取最大吊裝工況荷載作用下（橋面吊16 m半徑吊質(zhì)量為3.5 t），吊臂轉(zhuǎn)向至與支腿對角線重合時，其吊臂下方的支腿壓力值最大，其值為207.8 kN。模擬分析結(jié)果顯示：加強H型鋼挑臂的最大應(yīng)力比為0.65，最大撓度值為5.06 mm，不超過次梁撓度允許值l/250，故橋面吊在柱頂作業(yè)時，其支腿下方的加強挑臂承載力滿足要求。

標(biāo)準(zhǔn)段鋼柱與梁底支座采用焊接連接，分聯(lián)段位置梁底設(shè)計為滑動支座連接，梁底支座置于柱頂橡膠墊板上，無側(cè)向支撐措施，當(dāng)位于分聯(lián)段鋼柱頂作業(yè)時，除將分聯(lián)段兩側(cè)鋼梁采用臨時碼板連接成整體外，還需設(shè)置側(cè)向臨時支撐防止鋼梁發(fā)生傾覆。由于山地環(huán)境特殊，側(cè)向臨時支撐考慮依附于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)置，采用熱軋HW175 mm×175 mm×7.5 mm×11 mm型鋼焊接于柱身（圖7），對4個支腿下方的加強挑臂進行支撐，加固箱體梁分聯(lián)處節(jié)點。

圖7 分聯(lián)處節(jié)點強化措施

采用有限元分析軟件驗算此加固措施穩(wěn)定性，取最大吊裝工況荷載進行分析（橋面吊16 m半徑吊質(zhì)量為3.5 t），當(dāng)?shù)醣坜D(zhuǎn)向至垂直于橋梁方向作業(yè)時，為最不利工況，此時吊臂下方的支腿壓力值之和為199.3 kN，建立整體結(jié)構(gòu)模型進行驗算，其強度滿足要求。箱體梁最大撓度為32 mm，跨度為16 m，撓跨比為1/500＜1/400；分聯(lián)處箱體梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.82，分聯(lián)處連接板最大壓應(yīng)力為212 MPa，滿足容許應(yīng)力305 MPa限值要求，故橋面吊在分聯(lián)處吊裝工況結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

3.1.4 施工重點和難點分析

1）山地步道全長約8.6 km，橋形線路復(fù)雜，橋面鋼梁采用高強螺栓連接，施工測量精度要求極高。由于現(xiàn)場山高林密，信號較差，若使用GPS放點，則誤差較大；若使用全站儀測量，需進行多次轉(zhuǎn)點，亦會產(chǎn)生較大的累計誤差，對于測量作業(yè)的影響極大。因此，精準(zhǔn)測量定位是施工的重點和難點。

2）本項目山地步道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)段跨度為16 m，因受山地地形環(huán)境限制，大型機械吊裝機械無法進場，且步道棧橋連續(xù)小曲率半徑的彎道較多，需對橋面箱體梁進行分段劃分。鋼梁在進行吊裝節(jié)段劃分時，綜合考慮到構(gòu)件運輸、吊裝半徑、節(jié)點連接要求、橋面吊站位尺寸等因素是施工的重點。

3）現(xiàn)場安裝采取分段吊裝拼接，為了避免已安裝的橋面構(gòu)件由于懸挑過大，致使構(gòu)件撓度過大，導(dǎo)致構(gòu)件安裝不便或連接節(jié)點失效。必須在施工不利的山地條件下采取支撐架系統(tǒng)，用以支撐懸挑節(jié)段構(gòu)件結(jié)構(gòu)安全。合理設(shè)計適應(yīng)施工環(huán)境的支撐系統(tǒng)，保證施工階段支撐體系和橋體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和安全是施工的重點。

3.2 主要施工技術(shù)措施

1）綜合考慮到現(xiàn)場橋面吊的作業(yè)工況要求、復(fù)雜的施工環(huán)境以及對接節(jié)點操作便捷性等因素，本項目將步道鋼結(jié)構(gòu)的安裝作業(yè)流程具體擬訂如下：錨栓預(yù)埋→起步段安裝（含橋面軌道）→橋面吊及運梁小車安裝→鋼柱吊裝→跨中段鋼梁吊裝→柱頂段鋼梁吊裝→次構(gòu)件吊裝→軌道及加固措施吊裝→橋面吊向前推進→重復(fù)下一跨柱梁的吊裝作業(yè)。

2）針對橋梁測量定位的要求高，而全橋位于線路復(fù)雜的山地環(huán)境，對于施工測量的影響大的特點，本項目在施工前首先使用靜態(tài)測量技術(shù)，在沿線通視位置建立測量控制點，確?？刂泣c之間直線距離不超過300 m，施工過程中再根據(jù)現(xiàn)場實際情況，使用2″級全站儀進行測量定位或?qū)刂泣c進行加密后引測，在鋼梁安裝過程中，對柱頂段鋼梁的對接點進行準(zhǔn)確測量定位后，再固定梁柱節(jié)點。

3）為了解決箱體梁節(jié)段合理劃分的難題，通過對施工過程進行模擬分析，將每一跨標(biāo)準(zhǔn)段16 m鋼梁劃分為7 m＋9 m組合，跨中段吊裝半徑小，按9 m一節(jié)在工廠制作，柱頂段吊裝半徑大，按7 m一節(jié)在工廠制作。由于分聯(lián)段的鋼梁在伸縮縫斷開，在工廠加工時使用臨時碼板連接成7 m整體，安裝完成后再將臨時碼板割除；通過運輸模擬分析，長度9 m鋼梁在橋面運輸時，可有效避開橋梁兩側(cè)障礙物，長度7 m的鋼梁能夠滿足橋面吊的站位要求，所有分段質(zhì)量均能滿足吊裝要求。鋼梁拼接位置全部采用“高強螺栓＋雙夾板”連接，可大量減少動火作業(yè)面。

4）通過對各工況條件下施工過程計算分析得出懸挑段撓度，若不采取支撐措施，其最大撓度將達(dá)到31.3 mm，懸挑端前端撓度過大將會影響后續(xù)鋼梁對接，因此需對此狀態(tài)下的鋼梁進行臨時支撐措施。

因此，綜合考慮現(xiàn)場情況，支撐體系設(shè)計為類似于斜拉橋的“索塔＋拉索”形式，減少懸挑段的撓度。索塔采用高度為1.5 m的HW294 mm×302 mm×12 mm× 12 mm型鋼，拉索采用3 t的手拉葫蘆。懸挑段安裝完成后，吊車暫不松鉤，使用手拉葫蘆連接索塔和懸挑段、固結(jié)段鋼梁上的吊耳，然后收緊手拉葫蘆，對懸挑梁進行反向提升，再將索塔拉錨至已安裝完成的鋼梁吊耳上，使鋼梁、索塔、拉索互相支撐形成空間結(jié)構(gòu)，加強鋼梁平面內(nèi)的剛度，使其形成一個穩(wěn)固的支撐體系。有限元撓度分析結(jié)果表明：設(shè)置“索塔＋拉索”支撐體系，手拉葫蘆的拉力施加至10 kN時，懸挑段最大撓度在3.07 mm以內(nèi)，滿足后續(xù)鋼梁的對接安裝要求。

5）為確保橋面吊在施工作業(yè)過程中的整體安全性，在每次吊裝作業(yè)時，還增加了吊車與鋼柱之間的錨固措施，采用手拉葫蘆將橋面吊錨固于柱底，錨固方式為：采用4套5 t的手拉葫蘆，一端連接于橋面吊機身設(shè)置的拉環(huán)上，另一端反向斜拉錨固至柱腳加勁肋預(yù)留孔上，每次作業(yè)前，收緊手拉葫蘆，將橋面吊徹底固定于柱頂后方可進行吊裝（圖8）。

圖8 橋面吊柱腳加強錨固措施

4 施工安全保證措施

山地步道施工時，所面臨的主要風(fēng)險源包括：森林防火風(fēng)險、高空作業(yè)風(fēng)險和機械設(shè)備傷害風(fēng)險。

4.1 森林防火風(fēng)險措施

鋼結(jié)構(gòu)工程施工不可避免地會出現(xiàn)動火作業(yè)，而山地自然環(huán)境對火源極為敏感，因此在施工過程中做好防火措施極為重要。在實施過程中主要采取以下防火措施：

1）從設(shè)計源頭盡量減少焊接節(jié)點，鋼梁及上部所有次構(gòu)件全部采用螺栓連接。

2）嚴(yán)格控制火源進山，在各入口設(shè)置門崗，集中暫存火種。

3）全線提前布設(shè)永臨結(jié)合的消防水。

4）嚴(yán)格落實動火申請制度，每個作業(yè)點設(shè)置專職看火員，配備足夠的滅火設(shè)備。

5）動火作業(yè)前，提前澆水濕潤周圍場地，采用全封閉的接火措施。

4.2 高空作業(yè)風(fēng)險措施

施工過程中的高空作業(yè)風(fēng)險主要采取以下防護措施：

1）隨橋面安裝進度，在橋下滿拉防火安全網(wǎng)。

2）沿橋面兩側(cè)設(shè)置高度略低于運梁車的生命線。

3）各入口以梯籠作為垂直通道，橋面作為施工便道。

4.3 機械設(shè)備傷害風(fēng)險措施

對于施工過程中的機械設(shè)備傷害風(fēng)險，主要采取以下防護措施：

1）吊裝作業(yè)前，嚴(yán)格按要求設(shè)置臨時措施。

2）運梁小車往返過程中，橋面嚴(yán)禁人員通行，運輸構(gòu)件必須綁扎牢靠。

3）橋面吊在有坡度的橋面作業(yè)時，必須設(shè)置前后車擋，避免滑車。

4）設(shè)備定期進行保養(yǎng)檢查。

5 結(jié)語

珠海鳳凰山步道項目自立項之初，就明確了對原始森林公園“低干擾，輕介入”的建設(shè)理念，要求建設(shè)施工過程中要將對原始生態(tài)的影響降到最低。針對復(fù)雜山地環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)特點，本文對步道工程施工中的關(guān)鍵技術(shù)措施進行了詳細(xì)的闡述，這些措施有效確保了工程的順利推進，保證了施工安全和質(zhì)量，取得了良好的社會經(jīng)濟效益，可為類似項目提供參考。