白向龍，張 義，田世寬，王志金，莫晨星

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530033）

0 引言

我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到西部山區(qū)，拱橋因其天生的結(jié)構(gòu)受力優(yōu)勢，耐久性和經(jīng)濟性好、剛度大、抗震性能強，在山區(qū)高山峽谷的應(yīng)用越來越多。 然而，山區(qū)大溫差、峽谷風(fēng)場，橋梁建造環(huán)境更加艱險惡劣，亟待發(fā)展更加安全、高效、精準(zhǔn)的高品質(zhì)拱橋建造技術(shù)。 上承式鋼管混凝土拱橋（concrete filled steel tubular，CFST）無吊桿、系桿，充分利用橋跨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體剛度大，因其獨特的優(yōu)越性，在地質(zhì)條件滿足的情況下，在跨越山谷、江河的工程中有著很強的競爭力［1-2］。 大跨度拱橋施工主要采用纜索吊＋斜拉扣掛施工方法，該類型橋梁施工融合了斜拉橋、懸索橋的施工工藝，工序繁多，涉及多道工序轉(zhuǎn)換，臨時結(jié)構(gòu)規(guī)模大，施工過程中均為高空作業(yè)，安全風(fēng)險較其他橋型高。 目前大型橋梁設(shè)計圖依舊以二維圖像為主，管理人員需花費大量時間了解橋梁結(jié)構(gòu)形式，了解結(jié)構(gòu)物的空間位置，因此難以準(zhǔn)確預(yù)判高空施工作業(yè)安全隱患。如何降低拱橋的施工安全風(fēng)險，對大橋的安全施工有著重要的意義［3］。

1 工程概況

德余高速烏江特大橋主跨504m 上承式CFST，是目前在建最大跨徑同類型拱橋（見圖1）。 主拱肋采用8 根直徑1.4m 鋼管組成的等寬變高（8.4 ～11.4m）空間桁架結(jié)構(gòu)，計算矢高90m，拱肋共計60個節(jié)段，最大吊重157t，鋼管內(nèi)為C70 混凝土，拱上立柱為矩形截面，最大立柱高度約79m；橋面為開口槽型梁＋UHPC150 預(yù)制板。

圖1 烏江特大橋Fig.1 Wujiang Major Bridge

大橋采用纜索吊＋斜拉扣掛施工，主要涉及工序有：拱座施工→引橋施工→纜索吊安裝→主拱圈吊裝→鋼管混凝土灌注→拱上立柱安裝→橋道系安裝，主橋為大噸位吊裝作業(yè)，對接精度要求高，過程主要為高空作業(yè)，空中對接，安全風(fēng)險大。 為此需從設(shè)計優(yōu)化、施工組織、施工方案、大臨結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進(jìn)行研究，著力提升大橋施工安全管控水平。

2 設(shè)計優(yōu)化

2.1 拱肋高度優(yōu)化

通過對烏江航道全線進(jìn)行調(diào)查，對運輸線路、船閘尺寸、運輸船只、水位等詳細(xì)調(diào)查，明確烏江航道最大通行船只尺寸為56m×10.8m×9.8m。 原初步設(shè)計拱肋高度為14 ～16.2m，大部分節(jié)段無法通過船閘，為此，提出以水運尺寸進(jìn)行拱肋高度優(yōu)化，將拱肋高度調(diào)整為8.4～11.4m，拱肋節(jié)段由初步設(shè)計的64 個優(yōu)化為60 個。 工廠化制作大幅度提升鋼結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量，整體水運至現(xiàn)場，現(xiàn)場僅栓接作業(yè)，有效地減少了現(xiàn)場作業(yè)量，提升了施工效率，同時降低了現(xiàn)場高空作業(yè)安全風(fēng)險［4］；鋼結(jié)構(gòu)涂裝全部廠內(nèi)進(jìn)行，現(xiàn)將僅對節(jié)點、臨時焊接進(jìn)行補涂裝，避免大量現(xiàn)場油漆涂裝作業(yè)，減少對環(huán)境的影響；拱肋節(jié)段數(shù)量由64 個優(yōu)化為60 個，減少現(xiàn)場安裝次數(shù)，縮短了拱肋吊裝工期1 周，一定程度上減少了大懸臂狀態(tài)時間，降低了安全風(fēng)險，拱肋節(jié)段整體運輸模擬如圖2 所示。

圖2 拱肋節(jié)段整體運輸模擬Fig.2 Overall transport simulation of the arch rib segment

2.2 連接節(jié)點優(yōu)化

提出拱肋弦管與腹桿通過節(jié)點板連接，取消了腹桿相貫線焊接［5］，減少高空焊接工程量，腹板通過節(jié)點板連接，有利于質(zhì)量控制。 為提高標(biāo)準(zhǔn)化，將原初步設(shè)計中的米字撐全部統(tǒng)一為K 撐（見圖3），更有利于風(fēng)撐對位。 通過對腹桿節(jié)點優(yōu)化，減少高空焊接，實現(xiàn)高空腹桿快速連接，提升腹桿節(jié)點質(zhì)量。 米字撐優(yōu)化，實現(xiàn)風(fēng)撐標(biāo)準(zhǔn)化制作，更有利于加工質(zhì)量控制，為實現(xiàn)風(fēng)撐同步安裝奠定基礎(chǔ)。

圖3 節(jié)點優(yōu)化Fig.3 Node optimization

2.3 合龍構(gòu)造優(yōu)化

原設(shè)計圖紙采用花籃螺栓，實際施工中，由于合龍段兩端存在錯邊或不垂直的情況，無法保證螺桿兩端密貼，受力不可靠。 優(yōu)化后為雙排型鋼短接頭構(gòu)造，通過高栓節(jié)點快速實現(xiàn)連接鎖定，實現(xiàn)合龍段快速鎖定，更有利于合龍接頭質(zhì)量控制（見圖4）。 傳統(tǒng)合龍接頭采用環(huán)形加勁肋，合龍速度慢，焊接變形大，現(xiàn)場焊接工程量大；采用花籃螺栓現(xiàn)場難以實施。 采用優(yōu)化后的接頭，可2d 內(nèi)完成瞬時無應(yīng)力鎖定，大橋8 根弦桿合龍對準(zhǔn)偏差小于3mm，合龍精度達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，合龍工效快，有效控制了大懸臂狀態(tài)時間。

圖4 優(yōu)化后的合龍接頭Fig.4 Optimized closure joint

3 施工組織優(yōu)化

合理的施工組織和工序安排將有效降低安全風(fēng)險，大橋施工合同工期為36 個月，比同類型橋梁少6 個月，工期壓縮給安全風(fēng)險的管控帶來了較大難度。 前期總體組織規(guī)劃提出2 種組織方案，方案對比如表1 所示。

表1 總體方案對比Table 1 Comparison of overall plans

1）方案1（見圖5a） 拱座施工時，兩岸引橋同步施工，適當(dāng)超配資源，待拱座及交界墩施工完成后，同步貫通兩岸引橋，然后進(jìn)行索塔拼裝，最后組織主橋施工，主橋完工后即具備通車條件。

圖5 施工組織方案Fig.5 Construction organization schemes

2）方案2（見圖5b） 先施工拱座、24 號和28號墩、然后施工纜索吊裝系統(tǒng)和扣掛系統(tǒng)，再進(jìn)行主橋吊裝施工，待主橋施工完成且纜索吊拆除后，架設(shè)兩岸T 梁，最后實現(xiàn)通車條件。

4 施工設(shè)計

4.1 纜索吊裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計

纜索系統(tǒng)設(shè)計時，考慮實際投入的材料情況，參照多項規(guī)范要求，對不同安全數(shù)據(jù)要求項目，按較大值進(jìn)行選取，以確保纜索系統(tǒng)安全，纜索系統(tǒng)安全取值如表2 所示。

表2 纜索系統(tǒng)安全設(shè)計取值Table 2 Safety design value of the cable system

纜塔塔架采用全裝配式設(shè)計，立柱鋼管采用螺栓法蘭連接，橫向聯(lián)系為雙拼槽鋼與鋼管之間采用普通螺栓連接。 纜塔塔架安裝過程無高空焊接作業(yè)，提高了安裝作業(yè)的安全性，保證了高空安裝的質(zhì)量，加快了施工工期。 纜塔施工作業(yè)臨邊安全防護、垂直安全通道也均采用無焊接標(biāo)準(zhǔn)化安裝方法。

4.2 斜拉扣掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計

全過程采用最優(yōu)一次張拉成拱計算，采用Midas Civil 有限元軟件建立全橋帶施工階段的有限元模型，進(jìn)行懸臂拼裝過程的仿真模擬，有限元模型如圖6 所示。 主拱肋、交界墩和扣塔均采用梁單元模擬，拉索采用索單元模擬［6］，在施工階段控制中，勾選非線性分析以此來考慮拉索的幾何非線性效應(yīng)，扣索與主拱肋、扣索與扣塔及背索與扣塔采用彈性連接的剛性連接進(jìn)行約束。 封鉸前，拱腳鉸座采用只釋放沿橋梁橫向方向的轉(zhuǎn)動約束，待封鉸后改為固結(jié)約束［7］。

圖6 有限元計算模型Fig.6 Finite element calculation model

兩岸均從拱腳位置開始，分左右幅交叉進(jìn)行拱肋節(jié)段懸臂吊裝施工，安裝橫撐，歷經(jīng)拱肋節(jié)段4 安裝橫撐后進(jìn)行拱腳封鉸，直至懸臂拼裝到拱肋節(jié)段15 主拱圈完成合龍拆除扣背索。

全過程最優(yōu)一次張拉成拱采用Midas Civil 有限元軟件建立全橋帶施工階段的有限元模型，進(jìn)行懸臂拼裝過程的仿真模擬。 主拱肋、交界墩和扣塔均采用梁單元模擬，拉索采用索單元模擬［6］，在施工階段控制中勾選非線性分析以此來考慮拉索的幾何非線性效應(yīng)，扣索與主拱肋、扣索與扣塔及背索與扣塔采用彈性連接的剛性連接進(jìn)行約束［8］。 封鉸前，拱腳鉸座采用只釋放沿橋梁橫向方向的轉(zhuǎn)動約束，待封鉸后改為固結(jié)。

將拆索成拱線形與一次落架線形的位移控制點允許差值控制在2mm 內(nèi)，交界墩縱偏限值20mm，扣塔縱偏限值25mm，墩與塔連接部位混凝土的應(yīng)力約束在混凝土抗壓、抗拉強度設(shè)計值內(nèi)，約束條件為：

式（1）～（3）可轉(zhuǎn)化為有約束多變量的非線性規(guī)劃求解問題的不等式約束條件，不等式約束限值向量的維數(shù)由約束條件的個數(shù)確定，在扣掛系統(tǒng)方案設(shè)計時，相關(guān)安全取值如表3 所示。

表3 扣掛系統(tǒng)安全取值Table 3 Safety value of the buckle system

4.3 后錨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計

為避免不良地質(zhì)風(fēng)險，項目對后錨位置進(jìn)行專項勘查，對場區(qū)進(jìn)行專項地質(zhì)災(zāi)害分析，獲得后錨設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)，以確保設(shè)計的準(zhǔn)確性。 考慮項目地處喀斯特地區(qū)，溶巖、裂隙比較發(fā)育，根據(jù)地質(zhì)實際情況，后錨設(shè)計主要采取重力錨的形式，同時為提高安全儲備，每個巖錨設(shè)置一定數(shù)量的后錨，以降低不良地質(zhì)災(zāi)害帶來的安全風(fēng)險，如圖7 所示。 后錨相關(guān)安全取值如表4 所示。

表4 后錨系統(tǒng)安全取值Table 4 Safety value of the back anchor system

圖7 后錨系統(tǒng)設(shè)計Fig.7 Design of the rear anchor system

5 結(jié)構(gòu)自動監(jiān)測

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)特性分析、橋梁管養(yǎng)分析和易發(fā)事故橋分析等，烏江特大橋施工過程監(jiān)測有：結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測、溫度監(jiān)測、索力監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測等。

5.1 系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)平臺采用1＋5 方式，以數(shù)據(jù)集成、分析、應(yīng)用為核心主要系統(tǒng)模塊有：纜索吊自動檢測系統(tǒng)、拱肋線形監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測（見圖8）。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)Fig.8 The monitoring system

5.2 纜索吊自動化監(jiān)測

纜索吊監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)測項目有纜塔偏位，纜塔關(guān)鍵部位受力、后錨滑移情況、鋼絲繩受力情況、纜索吊運行監(jiān)控系統(tǒng)等。 現(xiàn)場設(shè)備安裝完成后，通過5G 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（見圖9，10）。

圖9 現(xiàn)場監(jiān)測布置Fig.9 Site monitoring layout

圖10 纜索吊自動化系統(tǒng)界面Fig.10 Interface of the cable crane automation system

1）纜塔偏位分析 北斗動態(tài)采集數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，其偏差值控制在1cm 左右，可為纜索安全吊裝提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

2）纜塔應(yīng)力分析 應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化與設(shè)計理論值相符，確保纜塔結(jié)構(gòu)安全。

3）錨碇滑移分析 錨錠滑移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化2mm 以內(nèi)，與人工測量數(shù)據(jù)相吻合，真實反映錨錠位移情況，為纜索安全吊裝提供數(shù)據(jù)支撐。

5.3 扣掛系統(tǒng)自動化監(jiān)測

主要監(jiān)測要點有：扣背索索力、扣塔偏位、扣塔應(yīng)力、后錨滑移、拱肋線形、拱肋應(yīng)力等。 結(jié)合后期運營需求，研發(fā)拱肋吊裝監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)分為6 個板塊（見圖11）。

圖11 扣掛監(jiān)測系統(tǒng)界面Fig.11 Interface of buckle monitoring system

5.4 環(huán)境監(jiān)測方面

環(huán)境監(jiān)測方面，在橋位處設(shè)置氣象觀測站，對橋梁全范圍進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，為大橋安裝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.5 安全預(yù)警方面

項目建立分級預(yù)警機制（見圖12），根據(jù)不同重要程度，設(shè)置不同等級閾值，及時了解設(shè)備狀態(tài)，降低安全風(fēng)險。 通過手機短信、網(wǎng)絡(luò)廣播等將報警數(shù)據(jù)推送至相關(guān)人員，減少了人員巡查工作量，提升了項目管理效率。

圖12 分級安全預(yù)警系統(tǒng)Fig.12 Graded safety warning system

6 BIM 技術(shù)應(yīng)用

6.1 BIM 三維技術(shù)

本項目施工難度大，全構(gòu)件采用栓接形式，精度要求高、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，拱肋吊裝完成，后風(fēng)撐與安裝平臺空間位置狹小，容易產(chǎn)生沖突，且圖紙中各個構(gòu)件重疊，結(jié)構(gòu)形式不容易理解，給現(xiàn)場施工與管理帶來了許多困難。 為提升對大橋的認(rèn)識，建立烏江特大橋三維模型以對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入了解，克服設(shè)計圖中各構(gòu)件重疊缺點，清晰展示結(jié)構(gòu)的空間位置，為大橋主橋施工帶來便利（見圖13）。

圖13 大橋臨時設(shè)施三維模型Fig.13 3D model of temporary bridge facilities

6.2 BIM＋數(shù)字項目管理平臺

1）布置安全管理模塊（見圖14），應(yīng)用平臺APP 端進(jìn)行即時管理，實現(xiàn)安全隱患、質(zhì)量問題人人查、人人拍、專人管的良性循環(huán)，推進(jìn)問題核查、整改落實定人、定時閉合管理，促進(jìn)職能部門、管理人員責(zé)任上肩和對待問題正面面對、認(rèn)真落實的管理意識提升，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，動中糾偏，保障施工過程安全管理有效、可控。

圖14 基于BIM 平臺安全管理Fig.14 Security management based on the BIM platform

2）人員實名制模塊，在重點施工現(xiàn)場安裝人臉識別門禁系統(tǒng)，對項目管理人員、勞務(wù)作業(yè)人員實現(xiàn)全覆蓋錄入管理，采用活體識別，人臉識別通過后自動開閘，并記錄考勤信息，杜絕代打卡、虛假打卡事件的發(fā)生。 同時防止外部人員進(jìn)入施工現(xiàn)場，確保施工區(qū)域安全，實現(xiàn)線上線下同步管理。

3）借助智能電表實時記錄當(dāng)月、今日、昨日用電量，進(jìn)行實時用電成本監(jiān)測和統(tǒng)計分析，同時對線纜溫度、線圈溫度及漏電電流進(jìn)行監(jiān)測并報警提醒，當(dāng)線路上的剩余電路、溫度超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)會自動報警，防止用電安全隱患事故發(fā)生。

6.3 三維可視化交底

傳統(tǒng)的技術(shù)交底只是通過施工方案與二維圖紙進(jìn)行交底，趨于形式化，不夠簡單明確，大型橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場實際操作人員文化水平不高，不能充分理解圖紙中各結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，給現(xiàn)場管理帶來很多不便。

本項目拱肋線形要求高，且受到日照、溫差、風(fēng)力等多重因素疊加影響，構(gòu)件連接采用栓接，安裝容許偏差3mm，首節(jié)段安裝三維姿態(tài)精度保障是大橋成敗的關(guān)鍵，項目為克服此難題研發(fā)了多點約束支架與三維千斤頂組合精調(diào)裝備，然而設(shè)備為項目首創(chuàng)，拱肋與設(shè)備間的空間關(guān)系難以判別；且節(jié)段吊裝后需進(jìn)行拱肋操作平臺吊裝，在平臺上進(jìn)行高強螺栓安裝、包板焊接等，屬于高空、水上作業(yè)，安全風(fēng)險極高。 如操作人員不能理解各結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，導(dǎo)致節(jié)段在空中進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，甚至出現(xiàn)空間位置上的沖突，不僅耽誤施工進(jìn)度，更容易發(fā)生安全事故。 運用BIM 技術(shù)建立三維模型（見圖15，16），將支架模型、操作平臺與拱肋模型結(jié)合，闡明各結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，根據(jù)三維圖像對現(xiàn)場管理人員與作業(yè)人員進(jìn)行可視化交底［9］，避免因操作人員無法辨別構(gòu)件空間位置而產(chǎn)生安全風(fēng)險。

圖15 拱肋支架模型Fig.15 The arch rib bracket model

圖16 拱肋操作平臺模型Fig.16 Model of the arch rib operating platform

7 研究效果

7.1 經(jīng)濟效益

通過開展全裝配式臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效保證了臨時結(jié)構(gòu)現(xiàn)場質(zhì)量，提升了施工效率，纜塔拼裝節(jié)約工期1 個月。 在后錨方面，采用重力錨＋巖錨的組合方式，每處錨碇設(shè)置5 根巖錨，安全系數(shù)為1.5，在同樣的安全系數(shù)下，減少了錨碇結(jié)構(gòu)誤工量的15%，按照水平抗力等效替換的原則，大幅度降低了后錨工程量，節(jié)約了施工成本。 同時引入全自動大型臨時結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對橋梁長期穩(wěn)定的在線監(jiān)測，節(jié)約了大量的巡查人員成本，在設(shè)備投入方面，減少了現(xiàn)場全站儀設(shè)備投入，提高了拱橋現(xiàn)場管理效率，節(jié)約費用約68 萬元。

7.2 社會效益

1）在上承式拱橋中提出永久結(jié)構(gòu)與裝配式臨時吊扣系統(tǒng)組合的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法、全系統(tǒng)耦合受力分析方法、工廠化制造與裝配化安裝技術(shù)，顯著提升大型臨時結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及安裝效率，減少了高空作業(yè)工程量，降低了高空作業(yè)風(fēng)險。

2）采用“BIM＋物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，有效提升了項目安全管理水平。 利用空間三維軟件進(jìn)行拱肋吊裝空間模擬，分析操作可行性，提升方案可行性。 工序制造三維動畫，采用三維互動交底、全息投影、AR等技術(shù)，提高交底效果。 避免因設(shè)計不合理導(dǎo)致返工處理，大大減少工作量，提前識別大橋施工安全危險點，制定有效應(yīng)對措施，提升大橋安全管控水平。

3）纜索吊研發(fā)全套自動化監(jiān)測系統(tǒng)，將纜塔偏位、后錨滑移、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位應(yīng)力、鋼絲繩索力、控制運行系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)化、可視化監(jiān)測，實時掌握纜索吊運行狀態(tài)。 建立的安全預(yù)警監(jiān)測平臺，可實現(xiàn)對德余高速烏江特大橋施工過程有效監(jiān)控及管理，安全性評估，保障橋梁建造的順利進(jìn)行，有效地降低結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險。

8 結(jié)語

大跨度鋼管混凝土拱橋是融合懸索橋、斜拉橋的施工工藝，過程中涉及繁多，工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，過程控制的精度要求高、安全風(fēng)險相比其他橋梁較高。該類型的橋梁施工，風(fēng)險管控更多的是通過優(yōu)化設(shè)計方案、合理的施工組織、施工方案、大型臨時結(jié)構(gòu)的自動安全監(jiān)測等方面來進(jìn)行。 基于此，以貴州德余烏江特大橋為背景，系統(tǒng)梳理、分析了大橋的風(fēng)險安全要點，并采取了有效措施進(jìn)行應(yīng)對，可為相似類型橋梁施工提供借鑒。