朱小金，鮮亮，王博，楊敏，吳建軍

(中交二公局第五工程有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

虎門二橋起點(diǎn)東涌互通A匝道6#～8#墩上跨運(yùn)營中的地鐵四號線和3條高壓油氣管線，平面位于半徑200 m的圓曲線上，縱坡為3.34%，成橋橋面為6%單向橫坡，采用2×46 m等高度鋼箱梁設(shè)計(jì)(圖1)。鋼箱梁采用頂?shù)淄轮备故絾蜗潆p室結(jié)構(gòu)(圖2)，通過整體旋轉(zhuǎn)和在鋼箱梁頂面設(shè)調(diào)平層實(shí)現(xiàn)橋面的橫坡。鋼箱梁頂寬10.3 m，底寬5.9 m，梁高2 m，總重為528 t。

圖1 鋼箱梁平面布置圖(單位：cm)

圖2 鋼箱梁橫斷面布置圖(單位：mm)

綜合考慮地鐵運(yùn)行凈空、油氣管線防護(hù)、場地布置等環(huán)境因素，設(shè)計(jì)推薦采用從8#墩到6#墩進(jìn)行頂推法施工，設(shè)置鋼導(dǎo)梁以減小頂推過程中主梁的撓度。

2 施工方案選擇

該項(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：

(1)兩跨鋼箱梁同時上跨地鐵、高壓油氣管線，墩位緊貼地鐵或管線，可利用空間小，可投入的輔助措施嚴(yán)重受制于環(huán)境。除7#墩為與橋面斜交的板式墩外，其他均為圓柱墩，最小墩高達(dá)13 m，抗水平推力不足。

(2)受環(huán)境的制約，只能從高處(A8)往低處(A6)頂推。若是全部拼裝完成后再進(jìn)行頂推，則拼裝階段和成橋階段的高差超6 m，需防止頂推過程中“溜坡”。

(3)曲線半徑太小，頂推過程中糾偏量大，糾偏頻繁，頂推設(shè)施需較好地兼顧橫向糾偏。

(4)鋼箱梁雖然頂、底面平行，但成橋狀態(tài)下，6#、8#墩支座處箱梁底板橫坡為6%，漸變至7#墩中心處底板橫坡為6.16%，大橫坡增大了鋼箱梁傾覆的風(fēng)險，而橫坡的漸變性，增加了頂推施工的難度。

鑒于以上特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的拽拉法安裝存在以下不利因素：

(1)除7#墩外，無其他適合的拽拉反力點(diǎn)。

(2)拽拉法施工時，要盡可能降低梁底與滑道面之間的摩擦系數(shù)以減少拽拉力，而為防止頂推時 “溜坡”，則需考慮增大接觸面的摩擦系數(shù)，施工時很難取得平衡。

(3)每直線頂進(jìn)100 mm，橫向偏位18 mm，拽拉法施工的橫向阻力或糾偏力大，鋼箱梁外腹板需要全部加強(qiáng)才能滿足糾偏要求。

(4)底板橫坡的漸變性，導(dǎo)致拽拉時滑道上的支墊相當(dāng)繁瑣，增大了施工風(fēng)險。

針對傳統(tǒng)拽拉法的不利因素，根據(jù)該工程的特點(diǎn)，研發(fā)適用于大縱橫坡、小曲線半徑的專用步履式千斤頂，采用步履式千斤頂頂推施工過孔+整體旋轉(zhuǎn)成坡的方法進(jìn)行安裝。

較傳統(tǒng)的拽拉法，步履式頂推具有以下優(yōu)勢：

(1)由于步履式千斤頂屬于自平衡體系，頂推施工過程中水平力很小，可采用多點(diǎn)頂推。

(2)頂推施工時，通過豎向頂升頂在滑槽內(nèi)的縱向移動來帶動鋼箱梁前移，因此在減小頂與滑槽之間摩擦系數(shù)的同時，可以增大頂升頂頂板與鋼箱梁之間的摩擦系數(shù)，防止“溜坡”；而頂升頂只有通過水平頂推頂?shù)膮f(xié)助才能在滑槽內(nèi)移動，自帶防滑功能，可控性強(qiáng)，安全有保障。

(3)自帶糾偏裝置，無需額外的糾偏措施，無需對鋼箱梁側(cè)面進(jìn)行加強(qiáng)。

3 步履式千斤頂介紹

步履式千斤頂主要包括水平頂推頂、豎向頂升頂、橫向糾偏頂、滑槽、頂板、半球鉸、液壓泵站系統(tǒng)、分控制系統(tǒng)及總控系統(tǒng)等。位于半球鉸上方的頂板與鋼箱梁底接觸，半球鉸支撐在頂升頂上并可轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)縱橫坡及曲線梁安裝過程中的轉(zhuǎn)動。水平頂推頂通過拉壓桿與豎向頂升頂連接，通過頂推頂?shù)耐啤⒗瓕?shí)現(xiàn)頂升頂在滑槽內(nèi)前進(jìn)、后退，從而帶動頂板上方的鋼箱梁前進(jìn)?；蹆?nèi)設(shè)置四氟板、涂黃油，以減小摩擦力。兩套糾偏頂位于頂升頂?shù)膬蓚?cè)，通過糾偏頂?shù)臋M向水平推力實(shí)現(xiàn)頂升頂?shù)臋M移，從而實(shí)現(xiàn)鋼箱梁的橫向糾偏(圖3、4)。步履頂和臨時荷載轉(zhuǎn)移墩的分離設(shè)計(jì)，也減輕了頂?shù)淖灾亍?/p>

圖3 步履式千斤頂三維圖和效果圖

液壓泵站采用電動機(jī)驅(qū)動一臺負(fù)載敏感變量泵，從變量泵輸出的油液經(jīng)過比例多路閥。由比例閥控制進(jìn)入各個回路油液的通、斷及流量大小，驅(qū)動多臺千斤頂同時工作，從而實(shí)現(xiàn)頂升、移動及糾偏動作。

圖4 步履式千斤頂縱軸線坡面圖

控制系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由1個主控臺、若干個現(xiàn)場控制器、若干傳感器、若干數(shù)據(jù)線及控制線組成。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)各種傳感器采集到的位移和壓力信號，按照一定的控制程序和算法，決定油缸的動作順序，除了控制集群千斤頂?shù)慕y(tǒng)一動作之外，還控制各頂?shù)耐叫裕瓿杉呵Ы镯數(shù)膮f(xié)調(diào)工作。

同一橋墩上以左邊1#頂為主動點(diǎn)及比較基準(zhǔn)，右邊2#頂為隨動點(diǎn)并與1#頂比較，同墩兩側(cè)同步精度控制在4 mm之內(nèi)。以A8墩左邊1#頂為主動點(diǎn)及比較基準(zhǔn)，其余橋墩的千斤頂與之比較，各墩同步精度控制在5 mm之內(nèi)。

較常規(guī)的步履頂，該專用設(shè)備的最大優(yōu)勢在于頂板與頂升頂之間布置有球鉸結(jié)構(gòu)，可以同時適應(yīng)縱坡、橫坡和曲線扭轉(zhuǎn)的需要，可始終保持鋼箱梁與千斤頂頂板之間全面接觸，球鉸的大小和轉(zhuǎn)動角度可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 安裝工藝

4.1 總體安裝思路

為降低施工難度，按先解決曲線和縱坡問題、再解決橫坡問題的思路進(jìn)行鋼箱梁安裝。

第一步：設(shè)不帶橫坡、只有3.34%縱坡的拼裝平臺，平臺布置在R=200 m曲線上；鋼箱梁在拼裝平臺上焊接完成后采用步履式千斤頂頂推。

第二步：頂推到位后落梁，在落梁過程中利用步履式千斤頂整體旋轉(zhuǎn)箱梁至橫坡滿足設(shè)計(jì)要求，安裝支座，澆筑整體層，完成鋼箱梁的安裝。

4.2 導(dǎo)梁形式的確定

導(dǎo)梁采用工字形板梁形式，布置2片鋼板梁分別與鋼箱梁的兩條邊腹板相連，2片鋼板梁之間通過橫向聯(lián)系連接成整體。導(dǎo)梁設(shè)計(jì)長度為30 m，為頂推跨徑L的0.65倍。導(dǎo)梁根部最大慣性矩I1=0.059 m4，主梁的最大慣性矩I2=0.561 m4，導(dǎo)梁與主梁剛度比為I1E/(I2E)=I1/I2=1/9.5。

由于主梁位于平曲線上，且曲線半徑較小，選擇直線形導(dǎo)梁還是與主梁同半徑的曲線導(dǎo)梁，不僅關(guān)系到受力安全，還關(guān)系到施工的方便性。

(1)直線導(dǎo)梁

按照規(guī)范，對于平曲線連續(xù)梁頂推施工，導(dǎo)梁宜設(shè)置成直線形，與主梁連接處偏轉(zhuǎn)一定的角度，使導(dǎo)梁前端的中心落在設(shè)計(jì)線形的中線上，如圖5所示。因此導(dǎo)梁與主梁端面之間的夾角為85.7°，導(dǎo)梁中心線的運(yùn)動軌跡為主梁中心線圓弧對應(yīng)的30 m弦長的運(yùn)動軌跡線，弦弧差為56 cm,如圖6所示。

圖5 直線導(dǎo)梁布置示意圖(實(shí)線為最終狀態(tài)，虛線為初始狀態(tài))

圖6 導(dǎo)梁中心線與橋軸線之間的弦弧差(單位：cm)

(2)曲線導(dǎo)梁

將導(dǎo)梁按照與主梁同半徑的曲線制作和安裝，使導(dǎo)梁的運(yùn)動軌跡與主梁的運(yùn)動軌跡始終相同,如圖7所示。

圖7 曲線導(dǎo)梁布置示意圖(實(shí)線為最終狀態(tài)，虛線為初始狀態(tài))

(3)對比

直線導(dǎo)梁與曲線導(dǎo)梁優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)對比

由表1可知：從受力和安裝的角度考慮，直線導(dǎo)梁優(yōu)于曲線導(dǎo)梁；從頂推過程中支撐點(diǎn)的布置考慮，曲線導(dǎo)梁優(yōu)于直線導(dǎo)梁。根據(jù)現(xiàn)場條件，從施工方便性考慮，選擇曲線導(dǎo)梁。

4.3 頂推施工流程

施工前，完成對地鐵和油氣管線的防護(hù)，防護(hù)措施滿足施工要求。由于墩頂尺寸小，搭設(shè)墩旁支架安放千斤頂。

在A8墩大樁號側(cè)搭設(shè)60 m長的鋼箱梁拼裝平臺，如圖8所示。千斤頂布置在圓弧的切線方向,如圖9所示。

圖8 拼裝平臺、墩旁支架及步履千斤頂立面布置圖

圖9 拼裝平臺、墩旁支架及步履千斤頂平面布置圖(單位：mm)

鋼箱梁分節(jié)吊裝至拼裝平臺上進(jìn)行焊接，采用步履式千斤頂進(jìn)行頂推、就位。頂推時，利用控制系統(tǒng)調(diào)控各頂同步作業(yè)，碎步慢走，及時糾偏，施工過程中做好相應(yīng)的應(yīng)變、應(yīng)力監(jiān)測；頂推到位后，調(diào)整好縱坡和平面位置，拆除影響落梁的設(shè)施，準(zhǔn)備落梁,如圖10所示。

圖10 鋼箱梁頂推到位

4.4 落梁

將步履式千斤頂由頂推狀態(tài)調(diào)整至落梁狀態(tài)，如圖11所示。利用步履式千斤頂將鋼箱梁落至底板貼近墩頂支座時暫停落梁，實(shí)施鋼箱梁的整體旋轉(zhuǎn)施工。待旋轉(zhuǎn)至A6、A8墩支座處頂?shù)装鍣M坡為6%時停止旋轉(zhuǎn)，實(shí)測鋼箱梁頂面橫坡滿足要求后，將鋼箱梁落至支座頂面，再次復(fù)測無誤后進(jìn)行支座的安裝和頂面混凝土的澆筑，完成安裝施工。

圖11 落梁千斤頂平面布置圖

5 實(shí)施情況

第一階段鋼箱梁的拼裝長度為54 m，10 d共頂推43.2 m，平均每天頂推4.32 m；第二階段9 d共頂推44.8 m，平均每天頂推4.98 m。頂推時，按內(nèi)弧行程∶外弧行程=300 mm∶310 mm控制，每次最大行程310 mm。每個行程實(shí)測鋼箱梁橫向偏位3～4 mm，每天糾偏一次。

鋼箱梁旋轉(zhuǎn)時，鎖定A6、A8內(nèi)側(cè)步履頂不動，以此兩頂連線作為旋轉(zhuǎn)軸，其他位置的頂升頂頂起鋼箱梁使其圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，如圖12所示。旋轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)半徑的不一樣導(dǎo)致各處千斤頂?shù)男谐滩灰粯?。在旋轉(zhuǎn)之前，根據(jù)旋轉(zhuǎn)半徑算好各自相匹配的行程，防止頂升的不同步而導(dǎo)致脫空，甚至引起鋼箱梁破壞或傾覆。為確保安全，旋轉(zhuǎn)時要求各頂實(shí)際行程與理論行程之差控制在5 mm內(nèi)。

圖12 落梁時旋轉(zhuǎn)軸示意圖(單位：mm)

施工過程中，單點(diǎn)的最大水平糾偏力為10.26 t；單點(diǎn)的最大豎向頂升力為313.92 t，滿足監(jiān)控計(jì)算控制值332.83 t(誤差為±10%)要求，此時對應(yīng)的水平頂推力為10.55 t、摩擦系數(shù)為0.034。頂推過程中摩擦系數(shù)為0.02～0.12，糾偏過程中摩擦系數(shù)為0.04～0.07。

實(shí)測數(shù)據(jù)顯示:頂推過程中的摩擦系數(shù)最大值偏大，最小值偏小。分析原因是在頂進(jìn)過程中，半球鉸通過其轉(zhuǎn)動來適應(yīng)曲線的同時，也帶動了豎向頂升頂在滑槽內(nèi)的偏位，使滑槽側(cè)壁對豎向頂升頂?shù)目v向移動產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致摩擦系數(shù)偏大；在正常頂進(jìn)過程中，由于有下坡的存在，減少了水平頂推力，導(dǎo)致摩擦系數(shù)偏小。

根據(jù)摩擦系數(shù)分析可知:旋轉(zhuǎn)過程中箱梁在自重作用下有帶動豎向頂升頂在滑槽內(nèi)滑動的趨勢。因此在旋轉(zhuǎn)之前，利用兩側(cè)橫向糾偏頂固定豎向頂升頂。

頂推時對導(dǎo)梁底板應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，底板實(shí)測應(yīng)力與理論計(jì)算值基本相同，如圖13所示。落梁完成后，實(shí)測鋼箱梁頂面高程與理論高程基本一致，最大誤差在2 mm以內(nèi)。

圖13 導(dǎo)梁底板應(yīng)力實(shí)測值與理論值對比

6 結(jié)語

虎門二橋東涌互通A 匝道橋是同時具備大縱坡、大橫坡、小半徑平曲線鋼箱梁頂推施工案例，在國內(nèi)外極為罕見，施工環(huán)境惡劣，安全風(fēng)險巨大。施工采用步履式千斤頂成功完成200 m曲線半徑箱梁頂推安裝施工，成橋后各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，為類似工程的實(shí)施積累了施工經(jīng)驗(yàn)，具有很好的借鑒作用。