大型預制構件頂推方案選型

彭曉鵬，李陽，李海峰

（中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430012）

0 引言

頂推的施工定義有廣義和狹義之分，廣義頂推施工屬于重型起重的范圍，將重物移動一段距離的方式均可以視為頂推施工，重物可以是預制混凝土結構、鋼結構等單一構筑物，也可以是房屋、船舶及平臺等復合結構物。狹義頂推施工來自于預應力鋼筋混凝土等截面連續(xù)梁橋施工，沿橋縱軸方向，在橋臺后設置預制場澆筑梁段，達到設計強度后，施加預應力，向前頂推，使梁體通過各墩頂?shù)呐R時滑動支座面或臨時支撐滑動面就位，空出底座繼續(xù)澆筑梁段，與先一段梁聯(lián)結，直至將整個橋梁梁段澆筑并頂推完畢，最后進行體系轉換而形成連續(xù)梁橋[1]。

頂推施工分類方法很多，通常根據(jù)頂推力的分布不同分為單點頂推和多點頂推，或集中頂推和分散頂推。本文以港珠澳大橋島隧工程沉管管節(jié)頂推技術方案的選擇為例，闡述大型預制構件頂推施工總體方案的選型方法。

1 大型預制構件頂推施工難點

大型預制構件頂推施工需要綜合考慮預制件結構安全、作業(yè)臺座的穩(wěn)定、頂推力的實現(xiàn)與傳遞、支撐力與滑移面設計、構件運行狀態(tài)監(jiān)測與糾偏、體系轉換等方面，施工難度隨預制構件的重量、頂推距離、長寬比、支撐精度、頂推速度的增加而增加，當構件重量超過萬噸，頂推距離超過百米，難以用常規(guī)頂推設備完成頂推作業(yè)[2]。

2 管節(jié)頂推設備選型的基本要求

2.1 頂推施工工藝

港珠澳大橋沉管隧道標準管節(jié)長180 m，重約700 000 kN，共33個管節(jié)，每個標準管節(jié)由8個22.5 m長的小節(jié)段組成，采用兩條生產線預制。每個節(jié)段在固定的臺座上澆筑、養(yǎng)護72 h后向前頂推22.5 m，空出澆筑臺座，下一節(jié)段與剛頂出的節(jié)段相鄰匹配預制。如此逐段預制逐段頂推，直至完成全部8個節(jié)段澆筑，再整體頂推約100 m至淺塢區(qū)進行后續(xù)施工[3]。

2.2 設備配置技術要求

為實現(xiàn)頂推施工工藝，頂推系統(tǒng)配置方案包括管節(jié)頂推系統(tǒng)、管節(jié)支撐系統(tǒng)及管節(jié)導向系統(tǒng)三部分。

2.2.1 管節(jié)頂推系統(tǒng)1）頂推方式：優(yōu)先考慮管節(jié)分散頂推方式。2）頂推力：按照單個節(jié)段重量為87 500 kN，標準管節(jié)按照700 000 kN考慮。

3）頂推力和行程偏差：各套頂推裝置的推力誤差應小于1%，頂推行程偏差應小于2 mm[4]。

4） 工效要求：自動連續(xù)向前頂推，每完成22.5 m頂推時間不超過4 h。

2.2.2 管節(jié)支撐系統(tǒng)

1）支撐千斤頂均衡布置在管節(jié)下面，頂推移動時混凝土的強度為C25。

2）頂推滑移軌道高差將控制在±10 mm以內，支撐千斤頂在滑移過程中應能適應上述高差，保證管節(jié)在軌道上滑移時不產生開裂。

2.2.3 管節(jié)導向系統(tǒng)

頂推過程中確保管節(jié)不偏離滑移軌道，同時具備調整管節(jié)偏位的功能。

3 總體方案

3.1 主要參數(shù)的計算

3.1.1 滑移材料選取

預制管節(jié)通過千斤頂與軌道接觸，將重力傳遞到軌道上。

標準管節(jié)總重約70 000 kN，采用點面或線面接觸均不合適，只有采用面面接觸的方式才能夠保證滑移面與軌道之間的接觸壓強相對較小，提高頂推系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

在管節(jié)重量一定的前提下，滑移材料的選取決定接觸面摩擦系數(shù)的大小，也決定了頂推力的大小。滑移材料的性能指標主要有摩擦系數(shù)、壓縮強度、磨損系數(shù)和耐久性。摩擦系數(shù)太大會導致頂推油缸尺寸過大，軌道固定強度增大，造成生產浪費、空間浪費和能源浪費。除摩擦系數(shù)外還必須滿足壓縮強度和磨損系數(shù)的要求。根據(jù)橋梁頂推施工經(jīng)驗，采用PTFE（聚四氟乙烯）或MGE滑板和不銹鋼板組成滑移面，靜態(tài)摩擦系數(shù)不超過0.07作為力學計算的依據(jù)[5]。

3.1.2 頂推參數(shù)計算分析

無論是集中頂推還是分散頂推，在頂推起步時，總頂推力必須大于靜摩擦力。頂推構件重量為700 000 kN，接觸面最大靜摩擦系數(shù)為0.07，則頂推系統(tǒng)在起步階段最小的集中頂推力為4.9×104kN，平均分配到4條滑軌上，每條滑軌上需要的頂推力為12 250 kN。

3.1.3 管節(jié)慣性滑移分析

根據(jù)頂推時間要求，頂推速度設定為8 m/h。管節(jié)完全在摩擦力作用之下停止運行，根據(jù)牛頓第二運動定律可以得出加速度為0.4 m/s2，移動時間為0.005 6 s，在設定速度下移動距離為0.006 mm，該距離不會導致管節(jié)分段之間產生大的位移而對管節(jié)之間的止水帶造成損壞。

3.2 頂推實施方案選擇

預制管節(jié)頂推支撐系統(tǒng)通過千斤頂不同的連接方式實現(xiàn)。管節(jié)導向系統(tǒng)采用側向千斤頂，通過檢測與糾偏方式實現(xiàn)。管節(jié)頂推系統(tǒng)根據(jù)力的不同作用方式可以采取三種方案，分別為集中頂推、分散頂推和預應力連續(xù)牽引方案。

3.2.1 集中頂推方案

集中頂推方案主要特點是通過每條軌道后端設置一套頂推千斤頂，將支撐千斤頂均勻支撐的管節(jié)推動，如圖1。在首端支撐千斤頂上設置導向機構，對管節(jié)的橫向位置進行約束，起到導向作用。

圖1 集中頂推方案Fig.1 Concentrated pushing scheme

3.2.2 分散頂推

分散頂推技術方案的主要特點是在支撐千斤頂上設置多個頂推單元，頂推千斤頂利用軌道反作用力推動支撐千斤頂，同時托起管節(jié)平移，如圖2所示。

圖2 分散頂推方案Fig.2 Decentralized pushing scheme

3.2.3 預應力連續(xù)牽引方案

圖3 連續(xù)牽引方案Fig.3 Continuous traction scheme

在淺塢相對澆筑區(qū)的另一端安裝連續(xù)拉力千斤頂，通過鋼絞線將拉力傳至設在尾端的牽引橫梁上，牽引橫梁推管節(jié)向前不間斷平移，如圖3。

4 頂推方案的選擇

4.1 集中頂推方案

4.1.1 總體方案

集中頂推系統(tǒng)主要包括頂推油缸、頂推反力座、插銷機構、分配梁等組成，如圖4所示。頂推油缸安裝關節(jié)軸承，通過銷軸與反力座和分配梁連接，前后耳環(huán)的關節(jié)軸承能夠適應橫向偏角。分配梁一端與油缸連接，另一端直接抵靠在管節(jié)端面，通過底部的支撐座支撐在軌道上面[6]。

圖4 集中頂推千斤頂Fig.4 Concentrated pushing jack

4.1.2 頂推參數(shù)設置

按照管節(jié)總重700 000 kN，靜摩擦系數(shù)按照0.07計算，則需要49 000 kN的頂推力，在單個軌道上面布置了2臺6 500 kN的頂推油缸，則總的頂推力為4×13 000 kN=52 000 kN，滿足頂推力的要求。根據(jù)頂推系統(tǒng)參數(shù)，額定頂推力為52 000 kN/25 MPa；最大頂推力65 000 kN/31.5 MPa；單次頂推行程為1 600 mm。

通過計算確定集中頂推系統(tǒng)頂推油缸主要尺寸，主油缸缸筒內徑560 mm，缸筒壁厚100 mm，缸筒外徑為760 mm。

4.1.3 優(yōu)缺點

集中頂推方案的優(yōu)點是系統(tǒng)單一，控制功能簡單，設備數(shù)量少，集中和同步功能易于實現(xiàn)；缺點是每個軌道頂推力達到13 000 kN，單個頂推油缸外徑達到760 mm，重達數(shù)噸，安裝搬運困難；傳遞頂推力分配梁、軌道及反力座結構笨重，需要消耗大量鋼材；頂推系統(tǒng)油泵和鋼結構件體積大，難以與沉管預制模板系統(tǒng)對接；標準管節(jié)（8個節(jié)段）同時頂推時，頂推力影響頂推點節(jié)段結構安全。

4.2 分散頂推方案

4.2.1 總體方案

每段22.5 m管節(jié)配備一套頂推設備，每套頂推設備包括12套支撐單元（每條軌道3套均勻布置），每條軌道3套支撐單元中，前后兩套設置頂推油缸，中間一套不設置頂推油缸。設置頂推油缸的單元，頂推油缸和支撐油缸之間用鋼結構做成整體，再通過反力架與軌道銜接。

4.2.2 頂推參數(shù)的設置

按照管節(jié)總重700 000 kN，靜摩擦系數(shù)按照0.07計算，則需要49 000 kN的頂推力，平均每個節(jié)段需要6 125 kN頂推力。每個節(jié)段布置12套支撐單元，其中8套支撐單元各設置2個頂推油缸，平均每個頂推油缸承載力為383 kN/35 MPa，行程為800 mm。通過計算可以確定分散頂推系統(tǒng)頂推油缸主要尺寸為：油缸缸筒內徑120 mm，缸筒壁厚20 mm，缸筒外徑為160 mm。

4.2.3 優(yōu)缺點

分散頂推方案的優(yōu)點是將頂推力均勻分布在各節(jié)段上，對管節(jié)結構安全影響較??；所需設備噸位小，設計制造容易；對模板系統(tǒng)銜接界面要求低，相互干擾小，設備裝配容易。分散頂推方案的缺點在于頂推的同步性難以控制。每個標準管節(jié)由8個節(jié)段組成，節(jié)段之間采用橡膠止水帶柔性連接，可以擠壓，嚴禁拉扯，止水帶拉扯破壞將導致整個管節(jié)報廢。

4.3 預應力連續(xù)牽引方案

4.3.1 總體方案

連續(xù)拉力千斤頂裝在淺塢外側反力架上，反力架與樁基礎連接為一體承受千斤頂拉力。構件夾持器通過牽引橫梁支撐在節(jié)段橫斷面上，千斤頂與構件夾持器通過鋼絞線連接。由于千斤頂固定，當千斤頂在緊錨狀態(tài)下伸缸就可以帶著鋼絞線、構件夾持器、管節(jié)沿軌道向淺塢方向移動，實現(xiàn)節(jié)段（管節(jié)）的平移。每條管段生產線配置1套連續(xù)牽引系統(tǒng)，每套連續(xù)牽引系統(tǒng)包括：連續(xù)拉力千斤頂、液壓泵站、控制系統(tǒng)、鋼絞線、相應輔助工具。

4.3.2 牽引力確定

根據(jù)管節(jié)結構特點，結合軌道分布情況，在管節(jié)尾部斷面上設置8個推力點。每個管節(jié)頂推需要8臺連續(xù)自動千斤頂，根據(jù)總牽引力不小于49 000 kN，則每臺頂拉力（推力）為：49 000/8=6 120 kN，選擇6 500 kN連續(xù)拉力千斤頂。

4.3.3 自動連續(xù)牽引方案優(yōu)缺點

連續(xù)牽引千斤頂采用雙頂結構，前、后千斤頂交替伸缸，通過鋼絞線牽引，保證了管節(jié)連續(xù)平移，整個過程管節(jié)受力平穩(wěn)，不會產生因速度變化帶來的沖擊。該方案的基本原理在橋梁預應力施工和重型起重方面運用較廣，有成熟的設備系統(tǒng)。該方案優(yōu)點較多，缺點也比較明顯：①管節(jié)牽引的位置無法精確定位，如果超出既定的位置管節(jié)無法逆行；②鋼絞線長達250 m，存在安全隱患，且限制管內其他工序作業(yè)；③需要設置地錨固定牽引千斤頂；④曲線段施工難以實施。

5 方案的選擇

通過對上述3個方案的比較，分散頂推方案具有頂推力平衡均勻，頂推過程便于控制，設備制造易于實現(xiàn)等優(yōu)點，更符合沉管預制施工實際情況，作為主選方案。

6 結語

大型預制構件支撐與同步頂推是“工廠法”沉管管節(jié)預制的核心工藝，分散頂推較集中頂推所具有的頂推力均勻、頂推部件緊湊等優(yōu)點，實現(xiàn)了頂推設備與支撐設備模塊化設計、頂推設備與模板設備無隙對接、頂推過程協(xié)調同步。截止至2015年5月27日，港珠澳大橋島隧工程沉管預制廠已經(jīng)順利完成22個管節(jié)頂推作業(yè)，頂推過程受控，管節(jié)未出現(xiàn)異常裂紋和偏位。