矮寨大橋施工技術創(chuàng)新

方聯(lián)民， 謝立新， 喻 波

(1．湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南 長沙 410004； 2.湖南省高速公路建設開發(fā)總公司， 湖南 長沙 410001; 3.湖南省交通運輸廳，湖南 長沙 410001)

矮寨大橋施工技術創(chuàng)新

方聯(lián)民1， 謝立新2， 喻 波3

(1．湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南 長沙 410004； 2.湖南省高速公路建設開發(fā)總公司， 湖南 長沙 410001; 3.湖南省交通運輸廳，湖南 長沙 410001)

矮寨大橋跨越寬約千米的德夯大峽谷，為典型山區(qū)峽谷橋梁，其施工過程中面臨著諸多難題。通過施工技術創(chuàng)新，發(fā)明了“軌索滑移法”加勁梁架設新工藝，解決了山區(qū)懸索橋加勁梁架設難題；研發(fā)了“CFRP — RPC” 高性能巖錨體系施工技術，解決了大噸位碳纖維索的錨固難題和巖錨體系的耐久性問題；開發(fā)了懸索橋無壓重臨時鉸合攏施工技術，避免了常規(guī)方法裝卸配重、體系轉換所占用的關鍵工期，實現(xiàn)了鋼桁加勁梁的無應力對接。大橋的施工技術創(chuàng)新保證了施工質量與安全，節(jié)約了投資，保護了環(huán)境，為國內(nèi)同類型橋梁提供了參考。

矮寨大橋； 軌索滑移法； 高性能巖錨體系； 無壓重臨時鉸合攏； 施工； 創(chuàng)新

0 引言

隨著我國交通建設的深入發(fā)展和全國路網(wǎng)的逐步完善，西部地區(qū)跨越深切峽谷的大跨度懸索橋日益增多。受復雜地形與地質等建設條件的影響，山區(qū)大跨徑懸索橋建設往往面臨著主梁架設難、體系轉換繁瑣等施工難題，原有的懸索橋施工技術難以滿足發(fā)展需要[1-3]。

1 工程概況

矮寨大橋是長沙至重慶西部大通道湖南省吉首至茶洞高速公路上的一座特大型鋼桁加勁梁懸索橋，主纜孔跨布置為242 m+1176 m+116 m，在跨峽谷的懸索橋中居世界第一。該橋跨越“U”字形的德夯大峽谷，橋面距峽谷底部355 m(見圖1)。受地形、地質等條件限制，該橋建設面臨著施工場地狹小、運輸條件困難、氣象條件復雜等難題。傳統(tǒng)施工技術難以完全滿足安全、耐久、環(huán)保、經(jīng)濟等要求。通過對施工關鍵技術的創(chuàng)新，取得了“軌索滑移法”加勁梁架設新工藝、新型高性能巖錨索施工技術與無壓重臨時鉸合攏施工新技術等一系列施工技術創(chuàng)新，為山區(qū)大跨度懸索橋施工積累了經(jīng)驗。

圖1 矮寨大橋橋型布置圖(單位：cm)Figure 1 The general arrangement drawing of Aizhai bridge(unit: cm)

2 加勁梁架設創(chuàng)新技術

懸索橋加勁梁常規(guī)的架設方法主要有橋面吊機懸拼法、纜載吊機法、纜索吊裝法等。矮寨大橋主跨1176 m，橋面離谷底355 m，兩岸懸崖峭立，施工場地極其狹小，運輸條件極其困難，常規(guī)方法均有很大的局限性，其主梁架設成為技術難題。大橋組織研發(fā)了“軌索滑移法”加勁梁架設新工藝，安全、高效、優(yōu)質地完成了全橋1000 m 加勁梁的架設任務[4]。

2.1 “軌索滑移法”技術原理

軌索滑移法的基本原理是：利用懸索橋的永久結構—主纜和吊索作為承重及傳力結構，在吊索下端安裝若干根水平鋼絲繩作為索軌，將鋼桁梁節(jié)段沿索軌從岸側水平滑移至跨中完成安裝，由跨中逐段向兩岸延伸，直至全部加勁梁貫通。

軌索滑移法架設系統(tǒng)的兩條基本力學特性：

① 有張力的索通過變形可以承受橫向荷載；

② 索結構不傳遞橫向剪切力。巧妙地利用了雙層索系結構的力學特性，充分發(fā)揮了懸索橋主纜承受超大荷載的能力，將柔性索網(wǎng)結構的應用創(chuàng)造性地拓展到了承受超重超大荷載范圍[5]。

2.2 “軌索滑移法”施工工藝

軌索滑移法架設加勁梁工藝的關鍵裝備主要包括吊鞍、軌索、牽引索、運梁小車等[6](見圖2)，其施工工藝如下：

圖2 軌索滑移法系統(tǒng)的總體構成Figure 2 The overall composition of“Rail-cable sliding method”system

① 完成橋塔澆筑、主纜架設等施工；

② 安裝索夾和吊索；

③ 利用天頂小車下放的工作平臺安裝吊鞍，將吊鞍安裝到吊索上面；

④ 在兩岸側施工軌索錨固系統(tǒng)；

⑤ 將軌索通過卷揚機從橋端牽引至對岸，并安裝至錨固系統(tǒng)上，張拉軌索，使其達到所要求的內(nèi)力和線形狀態(tài)；

⑥ 布置移梁牽引系統(tǒng)；

⑦ 將在兩岸拼裝平臺上已經(jīng)完成拼裝的梁段提升到運梁小車上，從兩岸開始往跨中方向移梁；

⑧ 當梁段移動到位后，利用提升設備起吊梁段，將梁段安裝到吊索上；

⑨ 重復第7、8步，每次梁段移動到位后，利用提升設備安裝梁段，每次梁段安裝完成后再對稱移動下一對梁段，直至將全部梁段連接、安裝完成；

⑩ 解除軌索與吊鞍的連接并拆除軌索，進行橋梁后續(xù)施工。

2.3 “軌索滑移法”理論與試驗研究

2.3.1 理論分析

為了分析加勁梁架設過程各施工狀態(tài)下軌索力的變化、軌索的變形、吊索力、以及橋梁結構的內(nèi)力與變形，針對全橋施工過程，建立模擬大變形影響的非線性有限元模型進行仿真分析(見圖3)。

圖3 第6次運梁的計算模型示意圖Figure 3 Calculation model for the 6th shipment beam

分析表明: 在軌索滑移法架設過程中，加勁梁最大拉應力為88 MPa，最大壓應力75 MPa；主纜最大應力為596 MPa；吊索最大應力為281 MPa；安全系數(shù)均較大。軌索豎向最大位移為3.117 m，吊索之間軌索相對撓度最大值0.534 m，引起的坡度變化小于5°，軌索局部變形滿足運梁小車行走的需要[2]。

2.3.2 足尺模型試驗(見圖4)

通過矮寨大橋“軌索滑移法”足尺模型試驗研究，可以得到以下結論[7]：

① 軌索運梁系統(tǒng)運行平穩(wěn)，安全可靠，軌索、吊鞍及運梁車的相關參數(shù)合理。

② 設計的軌索力大小和安全系數(shù)合理，軌索原始截面形狀保持較好。

③ 模型試驗中軌索力與軌索線形實測結果與理論計算結果較吻合；

④ 穩(wěn)定的牽引力對小車的平穩(wěn)走行有決定性的影響，有必要采用能保持小車前后相對恒定的作用力的牽引系統(tǒng)。

圖4 節(jié)段足尺試驗模型示意圖Figure 4 Segmental model for the full scale test

2.4 實施效果

發(fā)明的“軌索滑移法”成功解決了深切峽谷大噸位加勁梁高空水平運輸?shù)碾y題。矮寨大橋采用“軌索滑移法”架設主梁，創(chuàng)下了80 d架設1000 m懸索橋主梁的世界新紀錄，與同類型橋梁相比，工期縮短8～10月，減少鋼桁梁永久結構用鋼約2000 t，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益?！败壦骰品ā敝饕攸c與優(yōu)點在于：

① 將加勁梁高空散拼轉為地面節(jié)段拼裝與空中整體安裝，大幅減少了峽谷高空作業(yè)量，既降低了安全風險，又能提高拼裝質量。

② 吊裝荷載直接由吊索和主纜承擔，鋼桁梁不需承擔施工荷載，施工過程內(nèi)力小，可大幅降低用鋼量，降低了工程造價，減少了施工措施的投入，經(jīng)濟效益顯著。

③ 創(chuàng)造了一種新的且承載能力達到數(shù)百噸的索道運輸裝置(吊鞍和軌索車)，解決了既要給柔性軌索提供支點，且軌索車能平穩(wěn)通過支點的難題。

④ 系統(tǒng)操作簡便，僅用2臺卷揚機就可完成梁的水平滑移牽引，主梁架設速度達到15 m/d，速度快，架設周期短，極大提高了工效、縮短了工期，降低了勞動強度。

⑤ 梁段安裝不受運輸條件的限制，適用范圍廣，推廣應用前景廣闊。

3 巖錨索施工創(chuàng)新技術

為克服地形、地質條件的限制，矮寨大橋的設計了塔梁分離式懸索橋新結構。為了解決新結構端吊索索力與應力幅過大、端主梁應力幅過大等問題，提出了無索區(qū)設置巖錨索的方案。

傳統(tǒng)巖錨體系采用鋼絞線或者鋼筋傳力，利用普通注漿方式錨固。特大橋的巖錨吊索為保證在壽命期內(nèi)的使用安全，更應該考慮長效的防腐設計施工，項目建設者利用復合絞線CFRP以及超高性能混凝土RPC 材料所具有的更高的強度、承載力和耐腐蝕性，研發(fā)了一種適用于基于高性能復合材料CFRP與RPC的新型預應力巖錨體系，并提出了相應的施工工藝。

3.1 高性能巖錨體系概況

高性能巖錨體系通過工藝手段對高級復合材料CFRP錨桿的地下錨固段用超高性能砂漿RPC粘結，將拉力傳遞到巖層或土體的預應力錨固體系中。

體系的組成如圖5，分為：地上錨固段，自由段和地下錨固段。地上錨固段采用RPC作為粘結介質的粘結式錨具錨固CFCC錨桿；自由段筋材安裝臨時套管，保證CFCC筋在RPC灌注后受力狀態(tài)下能自由伸縮；地下錨固段需采用RPC粘結介質將CFCC錨桿錨固于巖體中[8，9]。

3.2 巖錨體系施工工藝(見圖5)

圖5 巖錨索系統(tǒng)組成圖Figure 5 The composition of rock anchor cable system

3.2.1 鉆孔及墊墩澆筑

巖錨位置的不良地質需預先進行處理，溶蝕裂隙、溶洞、溶槽應進行充填砼或注漿處理，充填砼需實現(xiàn)地質環(huán)境的整體性，以保證巖錨的抗拔穩(wěn)定性。墊墩澆筑應保證：

① 預埋鋼管需與預埋鋼板進行焊接，保證孔徑中心對正。

② 設置錨索的注漿導管通道。

3.2.2 碳纖維錨索制作與安裝

將相應數(shù)目的對中架、導向帽定位件安裝至錨桿相應位置，并在錨桿端部1 m范圍內(nèi)將每根絞線打散成7小束；核對對中架位置后，將錨板端筋材粘結固定，保證各筋材端部平齊，且在錨筒內(nèi)不發(fā)生扭轉，再安裝定位件、壓緊環(huán)。

進行灌漿料配比、攪拌，將錨杯固定，灌漿時輕微振動，使灌漿料盡量密實；

按照設計自由段長度安裝每根絞線的自由段PVC套管并密封，將相應數(shù)目的對中架、導向帽定位件安裝至錨桿相應位置。

3.2.3 注漿

采用內(nèi)徑2.0 cm導管注漿，灌漿過程中，壓漿機需持續(xù)工作以防堵管，需配備足夠容積的攪拌設備；漿液要隨拌隨用，待使用的漿體在灌注前需維持攪拌狀態(tài)，表面結硬或超過初凝時間的漿體要廢棄；注漿時，根據(jù)壓漿狀況可適當上提導管；對注漿孔及相鄰孔情況全程觀測并做好記錄，出現(xiàn)漏漿及時補漿；最終灌漿深度接近筋材自由段頂端、且不超過錨杯底。

3.2.4 碳纖維錨索張拉

地下錨固段RPC灌漿需在注漿完成后養(yǎng)護≥14 d；同期澆注的試件采取標準養(yǎng)護，強度需達90 MPa—滿足以上兩個條件，方可進行碳纖維錨索張拉(見圖6)。

圖6 張拉階段示意圖Figure 6 Tension phase diagram

整體張拉前需預張拉，應取0.1～0.2軸向拉力設計值(Nt)對錨桿預張拉1～2次，使桿體完全平直，各部位接觸緊密；最大荷載為1.2倍設計荷載；加荷至最大荷載并觀測10 min，待位移穩(wěn)定即卸載至1.0 Nt，然后加荷至鎖定荷載鎖定。錨索荷載鎖定采用旋緊錨筒螺母后放張的方法。

3.2.5 封錨

完成張拉鎖定后，拆卸張拉設備及配件；在地上段外露錨頭表面涂涂抹一層防腐油脂(無需填充)，后蓋上保護罩，與底部鋼墊板螺栓連接(鋼墊板與錨固底座焊接)。

3.3 高性能巖錨體系理論與試驗研究

通過界面粘結性能試驗，獲得了碳纖維筋與RPC以及RPC與圍巖等界面的粘接-滑移關系、多錨桿結構不均勻特性、錨固段粘結應力分布特征等錨固體系的受力特點(見圖7)。

圖7 RPC與圍巖粘接性能試驗Figure 7 Adhesive performance test of RPC and surrounding rock

通過足尺模型張拉試驗現(xiàn)場張拉至1.8倍設計荷載，結果表明巖錨體系工作狀況持續(xù)良好。通過長期性能試驗觀測460 d后，錨索錨固力損失最大不超過5.5%。

最終建立了碳纖維筋與RPC間平均粘結強度計算公式：

(1)

得到了地下錨固段的粘結錨固段長度計算公式：

(2)

3.4 實施效果

新型高性能巖錨體系采用的CFRP碳纖維復合材料具有抗拉強度高、質量輕、不銹蝕、熱膨脹系數(shù)低、無磁性、抗疲勞性能好及比鋼絞線強度高(比鋼絞線高2～3倍)等優(yōu)點。采用的超高性能混凝土RPC 材料具有抗壓強度高，韌性高，低孔隙率和優(yōu)異的耐久性能。

新型高性能巖錨體系可廣泛的應用于各類巖土體加固工程，如隧道與地下洞室的加固、巖土邊坡加固、深基坑支護、混凝土壩體加固、結構抗浮、抗傾覆，各種結構物穩(wěn)定與錨固等，不受施工條件限制。

4 加勁梁合攏施工創(chuàng)新技術

懸索橋施工中， 鋼桁加勁梁段各節(jié)間要設置一定數(shù)量的鉸，以確保主纜線形變化時，主梁結構的內(nèi)力和變形始終在安全范圍內(nèi)。鋼桁梁架設完成后，再通過等代壓重法，或通過提升手段，強制使加勁梁鉸接口參數(shù)合格再加以緊固高拴，即完成鉸合攏過程。這樣體系轉換工作占用大量關鍵工期，施工效率極其低下。項目建設者在矮寨大橋建設中研發(fā)了“懸索橋無壓重臨時鉸合攏施工技術”，成功解決了懸索橋主梁鉸轉剛接時工期長、工效低的難題，僅用27 d就安全、經(jīng)濟、高效、優(yōu)質地完成了全橋橋面板架設與鉸合攏的施工任務。

4.1 懸索橋無壓重臨時鉸合攏施工工藝(見圖8)

① 先在兩岸橋臺處滿鋪五段加勁梁橋面板，保證巖錨吊索內(nèi)力在后續(xù)施工中滿足結構受力要求，同時也為兩岸施工創(chuàng)造了兩個施工作業(yè)面；

② 由兩岸向跨中鋪設中央通道，至中跨1/4跨位置時，橋臺處作業(yè)面開始施工，由兩岸向跨中施工，同步完成部分鉸接梁段的鉸固轉換，此時橋面板安裝同時6個作業(yè)面作業(yè)，鉸固轉換2個作業(yè)面，全橋同時具備8個作業(yè)面；

(a) 先滿鋪橋臺處橋面板后，鋪設中央通道至1/4跨

(b) 橋臺處與1/4跨處橋面板同時向跨中鋪設至跨中合攏

(c)滿鋪跨中處橋面板，同時兩岸繼續(xù)向跨中鋪設橋面板

(d) 跨中及兩岸同時安裝橋面板直到鋪設完成

③ 中央通道合攏后，在跨中處滿鋪5個梁段橋面板，再由跨中向兩岸施工，加勁梁鉸固轉換此階段可增加兩個作業(yè)面，全橋加勁梁施工作業(yè)面增加到12個，大幅度提高了施工效率。

④ 在橋面板安裝完成前完成全部加勁梁臨時鉸的鉸固轉換，橋面板安裝完成后即可開展橋面系鋪裝施工。

4.2 懸索橋無壓重臨時鉸合攏施工受力分析

受力分析結果表明：加勁梁上弦桿在橋面板安裝階段最大應力為161.7 MPa，最小應力為-169.0 MPa(見圖9)，滿足設計要求；橋面板安裝階段J00最大內(nèi)力3960 kN，C01吊索最大內(nèi)力為3972 kN，

圖9 加勁梁上弦桿施工過程中應力包絡圖Figure 9 The upper chord stress envelope in the process of the construction

C00最大內(nèi)力為2515 kN，均滿足設計要求。

4.3 實施效果

懸索橋無壓重臨時鉸合攏施工技術在矮寨大橋成功實施，其主要優(yōu)點在于：

① 減少了在橋面板未形成整體時大量駛入的重載車輛，降低了安全風險。

② 減少零散壓重材料的滾動對山下居民區(qū)的威脅。

③ 利用了橋面板安裝階段加勁梁段的線形變化，實現(xiàn)了鋼桁加勁梁的無應力對接。

④ 避免了常規(guī)方法中采用裝卸配重進行體系轉換所占用的關鍵工期，加快了施工進度。

⑤ 節(jié)約了常規(guī)的強制合攏在壓重方案中體系轉換所需要的配重材料、裝卸吊裝施工設備和人力資源。

懸索橋鋼桁架加勁梁在架設過程中，通過合理的設計加勁梁施工臨時鉸及施工臨時鉸鉸固轉換方案，實現(xiàn)在即有施工條件下，大幅度提高施工效率，加快施工進度，縮短加勁梁架設階段關鍵施工工期目標；與傳統(tǒng)施工方案相比，在人力資源、機械設備、施工材料方面都具有非常明顯的技術優(yōu)勢，為今后鋼桁架加勁梁架設施工提供了全新的技術思路。

5 結語

矮寨大橋的建設面臨著山路險峻、場地狹小、氣象復雜等工程難題，建設者們通過對施工技術創(chuàng)新，成功克服了自然的挑戰(zhàn)、保證了施工質量、節(jié)約了投資、保護了環(huán)境。大橋的成功建成彰顯了中國橋梁建設的新實力，凸出了綠色交通的新理念，積累了山區(qū)橋梁建設的新經(jīng)驗，可供工程界同仁參考。

[1] 趙前進. 山區(qū)V形峽谷懸索橋關鍵施工技術[J]. 世界橋梁，2016(6):23-26.

[2] 胡建華,崔劍峰. 湘西矮寨大橋設計創(chuàng)新技術[J]. 橋梁建設,2011(6):54-61.

[3] 羅喜恒,肖汝誠,項海帆. 懸索橋施工過程精細化分析研究[J].土木工程學報,2015(5):76-80.

[4] 易繼武,盛希,張念來,等. 矮寨特大懸索橋鋼桁加勁梁架設方案研究[J]. 施工技術,2013(5):9-11.

[5] 沈銳利,閆勇,唐茂林,等. 軌索滑移法節(jié)段足尺模型試驗設計與安裝[J]. 橋梁建設,2013(1):15-22.

[6] 凌勝春. 山區(qū)大跨度懸索橋鋼桁加勁梁架設方法研究[J]. 城市道橋與防洪,2014(7):294-296+22-23.

[7] 閆勇,沈銳利,唐茂林,等.軌索滑移法節(jié)段足尺模型試驗研究[J]. 橋梁建設,2013(2):46-50.

[8] 潘權,顏東煌,許紅勝,等.塔梁分離式懸索橋巖錨索施工過程受力分析及試驗研究[J]. 中外公路,2015(2):120-123.

[9] 陳國平,方志,張曠怡,等.基于高性能材料大型巖錨體系應用研究[J]. 中外公路,2011(6):16-19.

Technology Innovation for Construction of Aizhaibridge

FANG Lianmin1, XIE Lixin2, YU Bo3

(1.Hunan Road & Bridge Construction Group Co. ,Changsha, Hunan 410004, China; 2.Hunan Expressway Construction and Development Co. , LTD, Changsha, Hunan 410001, China; 3.Department of Transportation of Hunan Province, Changsha, Hunan 410001, China)

The Aizhai Bridge across the 1000 m Dehang Canyonis a typical mountain canyon bridge, whose construction process was confronted with many difficulties.Through the innovation of construction technology, “Girder-Conveying Track Cable Technique” were created to solve the puzzle of how to erecting the stiffening girder of suspension bridges which were located in precarious course or deep ravine. In order to conquer thetechniqueof large tonnage anchorage , “CFRP-RPC”high performance system of rock bolt were developed. Besides, to avoid the key construction period taking up by the conversion loading balancing system, a new construction of non-weight Temporary hinge Closure were invented, this on the other hand realized the stress free butt joint of steel truss stiffening girder.In brief, innovation technology ensured the quality and safety of construction, saved investment and protected the environment. This paper summarizes the construction of innovation technology, for reference.

aizhaibridge, girder-conveying track cable technique, high performance system of rock bolt, non-weight temporary hinge closure ,construction, innovation

2016 — 12 — 06

方聯(lián)民(1961-)，男，湖南岳陽人，研究員級高級工程師，工學碩士，從事公路、橋梁工程建設與管理工作。

U 448．25

A

1674 — 0610(2016)06 — 0308 — 06