虎门二桥小半径平曲线钢箱梁安装施工技术

2021-11-23朱小金鲜亮王博杨敏吴建军

中外公路 2021年5期

朱小金，鲜亮，王博，杨敏，吴建军

(中交二公局第五工程有限公司，陕西西安 710065)

1 工程概况

虎门二桥起点东涌互通A匝道6#～8#墩上跨运营中的地铁四号线和3条高压油气管线，平面位于半径200 m的圆曲线上，纵坡为3.34%，成桥桥面为6%单向横坡，采用2×46 m等高度钢箱梁设计(图1)。钢箱梁采用顶底同坡直腹式单箱双室结构(图2)，通过整体旋转和在钢箱梁顶面设调平层实现桥面的横坡。钢箱梁顶宽10.3 m，底宽5.9 m，梁高2 m，总重为528 t。

图1 钢箱梁平面布置图(单位：cm)

图2 钢箱梁横断面布置图(单位：mm)

综合考虑地铁运行净空、油气管线防护、场地布置等环境因素，设计推荐采用从8#墩到6#墩进行顶推法施工，设置钢导梁以减小顶推过程中主梁的挠度。

2 施工方案选择

该项目具有以下特点：

(1)两跨钢箱梁同时上跨地铁、高压油气管线，墩位紧贴地铁或管线，可利用空间小，可投入的辅助措施严重受制于环境。除7#墩为与桥面斜交的板式墩外，其他均为圆柱墩，最小墩高达13 m，抗水平推力不足。

(2)受环境的制约，只能从高处(A8)往低处(A6)顶推。若是全部拼装完成后再进行顶推，则拼装阶段和成桥阶段的高差超6 m，需防止顶推过程中“溜坡”。

(3)曲线半径太小，顶推过程中纠偏量大，纠偏频繁，顶推设施需较好地兼顾横向纠偏。

(4)钢箱梁虽然顶、底面平行，但成桥状态下，6#、8#墩支座处箱梁底板横坡为6%，渐变至7#墩中心处底板横坡为6.16%，大横坡增大了钢箱梁倾覆的风险，而横坡的渐变性，增加了顶推施工的难度。

鉴于以上特点，采用传统的拽拉法安装存在以下不利因素：

(1)除7#墩外，无其他适合的拽拉反力点。

(2)拽拉法施工时，要尽可能降低梁底与滑道面之间的摩擦系数以减少拽拉力，而为防止顶推时 “溜坡”，则需考虑增大接触面的摩擦系数，施工时很难取得平衡。

(3)每直线顶进100 mm，横向偏位18 mm，拽拉法施工的横向阻力或纠偏力大，钢箱梁外腹板需要全部加强才能满足纠偏要求。

(4)底板横坡的渐变性，导致拽拉时滑道上的支垫相当繁琐，增大了施工风险。

针对传统拽拉法的不利因素，根据该工程的特点，研发适用于大纵横坡、小曲线半径的专用步履式千斤顶，采用步履式千斤顶顶推施工过孔+整体旋转成坡的方法进行安装。

较传统的拽拉法，步履式顶推具有以下优势：

(1)由于步履式千斤顶属于自平衡体系，顶推施工过程中水平力很小，可采用多点顶推。

(2)顶推施工时，通过竖向顶升顶在滑槽内的纵向移动来带动钢箱梁前移，因此在减小顶与滑槽之间摩擦系数的同时，可以增大顶升顶顶板与钢箱梁之间的摩擦系数，防止“溜坡”；而顶升顶只有通过水平顶推顶的协助才能在滑槽内移动，自带防滑功能，可控性强，安全有保障。

(3)自带纠偏装置，无需额外的纠偏措施，无需对钢箱梁侧面进行加强。

3 步履式千斤顶介绍

步履式千斤顶主要包括水平顶推顶、竖向顶升顶、横向纠偏顶、滑槽、顶板、半球铰、液压泵站系统、分控制系统及总控系统等。位于半球铰上方的顶板与钢箱梁底接触，半球铰支撑在顶升顶上并可转动，以适应纵横坡及曲线梁安装过程中的转动。水平顶推顶通过拉压杆与竖向顶升顶连接，通过顶推顶的推、拉实现顶升顶在滑槽内前进、后退，从而带动顶板上方的钢箱梁前进。滑槽内设置四氟板、涂黄油，以减小摩擦力。两套纠偏顶位于顶升顶的两侧，通过纠偏顶的横向水平推力实现顶升顶的横移，从而实现钢箱梁的横向纠偏(图3、4)。步履顶和临时荷载转移墩的分离设计，也减轻了顶的自重。

图3 步履式千斤顶三维图和效果图

液压泵站采用电动机驱动一台负载敏感变量泵，从变量泵输出的油液经过比例多路阀。由比例阀控制进入各个回路油液的通、断及流量大小，驱动多台千斤顶同时工作，从而实现顶升、移动及纠偏动作。

图4 步履式千斤顶纵轴线坡面图

控制系统采用分布式计算机网络控制系统，由1个主控台、若干个现场控制器、若干传感器、若干数据线及控制线组成。主控计算机根据各种传感器采集到的位移和压力信号，按照一定的控制程序和算法，决定油缸的动作顺序，除了控制集群千斤顶的统一动作之外，还控制各顶的同步性，完成集群千斤顶的协调工作。

同一桥墩上以左边1#顶为主动点及比较基准，右边2#顶为随动点并与1#顶比较，同墩两侧同步精度控制在4 mm之内。以A8墩左边1#顶为主动点及比较基准，其余桥墩的千斤顶与之比较，各墩同步精度控制在5 mm之内。

较常规的步履顶，该专用设备的最大优势在于顶板与顶升顶之间布置有球铰结构，可以同时适应纵坡、横坡和曲线扭转的需要，可始终保持钢箱梁与千斤顶顶板之间全面接触，球铰的大小和转动角度可以根据需要进行设计。

4 安装工艺

4.1 总体安装思路

为降低施工难度，按先解决曲线和纵坡问题、再解决横坡问题的思路进行钢箱梁安装。

第一步：设不带横坡、只有3.34%纵坡的拼装平台，平台布置在R=200 m曲线上；钢箱梁在拼装平台上焊接完成后采用步履式千斤顶顶推。

第二步：顶推到位后落梁，在落梁过程中利用步履式千斤顶整体旋转箱梁至横坡满足设计要求，安装支座，浇筑整体层，完成钢箱梁的安装。

4.2 导梁形式的确定

导梁采用工字形板梁形式，布置2片钢板梁分别与钢箱梁的两条边腹板相连，2片钢板梁之间通过横向联系连接成整体。导梁设计长度为30 m，为顶推跨径L的0.65倍。导梁根部最大惯性矩I1=0.059 m4，主梁的最大惯性矩I2=0.561 m4，导梁与主梁刚度比为I1E/(I2E)=I1/I2=1/9.5。

由于主梁位于平曲线上，且曲线半径较小，选择直线形导梁还是与主梁同半径的曲线导梁，不仅关系到受力安全，还关系到施工的方便性。

(1)直线导梁

按照规范，对于平曲线连续梁顶推施工，导梁宜设置成直线形，与主梁连接处偏转一定的角度，使导梁前端的中心落在设计线形的中线上，如图5所示。因此导梁与主梁端面之间的夹角为85.7°，导梁中心线的运动轨迹为主梁中心线圆弧对应的30 m弦长的运动轨迹线，弦弧差为56 cm,如图6所示。

图5 直线导梁布置示意图(实线为最终状态，虚线为初始状态)

图6 导梁中心线与桥轴线之间的弦弧差(单位：cm)

(2)曲线导梁

将导梁按照与主梁同半径的曲线制作和安装，使导梁的运动轨迹与主梁的运动轨迹始终相同,如图7所示。

图7 曲线导梁布置示意图(实线为最终状态，虚线为初始状态)

(3)对比

直线导梁与曲线导梁优缺点对比见表1。

表1 两种方案优缺点对比

由表1可知：从受力和安装的角度考虑，直线导梁优于曲线导梁；从顶推过程中支撑点的布置考虑，曲线导梁优于直线导梁。根据现场条件，从施工方便性考虑，选择曲线导梁。

4.3 顶推施工流程

施工前，完成对地铁和油气管线的防护，防护措施满足施工要求。由于墩顶尺寸小，搭设墩旁支架安放千斤顶。

在A8墩大桩号侧搭设60 m长的钢箱梁拼装平台，如图8所示。千斤顶布置在圆弧的切线方向,如图9所示。

图8 拼装平台、墩旁支架及步履千斤顶立面布置图

图9 拼装平台、墩旁支架及步履千斤顶平面布置图(单位：mm)

钢箱梁分节吊装至拼装平台上进行焊接，采用步履式千斤顶进行顶推、就位。顶推时，利用控制系统调控各顶同步作业，碎步慢走，及时纠偏，施工过程中做好相应的应变、应力监测；顶推到位后，调整好纵坡和平面位置，拆除影响落梁的设施，准备落梁,如图10所示。

图10 钢箱梁顶推到位

4.4 落梁

将步履式千斤顶由顶推状态调整至落梁状态，如图11所示。利用步履式千斤顶将钢箱梁落至底板贴近墩顶支座时暂停落梁，实施钢箱梁的整体旋转施工。待旋转至A6、A8墩支座处顶底板横坡为6%时停止旋转，实测钢箱梁顶面横坡满足要求后，将钢箱梁落至支座顶面，再次复测无误后进行支座的安装和顶面混凝土的浇筑，完成安装施工。

图11 落梁千斤顶平面布置图

5 实施情况

第一阶段钢箱梁的拼装长度为54 m，10 d共顶推43.2 m，平均每天顶推4.32 m；第二阶段9 d共顶推44.8 m，平均每天顶推4.98 m。顶推时，按内弧行程∶外弧行程=300 mm∶310 mm控制，每次最大行程310 mm。每个行程实测钢箱梁横向偏位3～4 mm，每天纠偏一次。

钢箱梁旋转时，锁定A6、A8内侧步履顶不动，以此两顶连线作为旋转轴，其他位置的顶升顶顶起钢箱梁使其围绕旋转轴旋转，如图12所示。旋转过程中，旋转半径的不一样导致各处千斤顶的行程不一样。在旋转之前，根据旋转半径算好各自相匹配的行程，防止顶升的不同步而导致脱空，甚至引起钢箱梁破坏或倾覆。为确保安全，旋转时要求各顶实际行程与理论行程之差控制在5 mm内。