限高條件下裝配式跨海橋梁吊裝工藝

孫業(yè)發(fā)，張乃受，蔣健，胡明方，馬云杰

（1.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

科技發(fā)展水平日新月異，跨海橋梁建設(shè)正向裝配化、大型化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展[1]，裝配化程度越來越高。從箱梁節(jié)段拼裝、墩柱預(yù)制拼裝發(fā)展到港珠澳大橋大型承臺及墩柱預(yù)制安裝[2]、鋼箱梁整跨加工安裝[3]。部分項目，因毗鄰機場等原因，施工區(qū)域有限高要求，影響大型船舶使用，增加了裝配式結(jié)構(gòu)施工難度。本文以廈門第二東通道跨海橋梁為例，介紹限高條件下裝配式跨海橋梁吊裝工藝研究。

1 橋梁結(jié)構(gòu)選型

廈門第二東通道跨海橋梁全長2.91 km，通航孔橋與引橋均為多跨連續(xù)鋼箱梁橋。該項目位于中華白海豚保護區(qū)，環(huán)保要求高[4]；早晚高峰進(jìn)出廈門島交通擁堵，盡快建好該項目意義重大。基于環(huán)保、工期、質(zhì)量等因素考慮，該項目借鑒港珠澳大橋經(jīng)驗，選用裝配化程度高的承臺及墩柱預(yù)制安裝、鋼箱梁整跨加工安裝結(jié)構(gòu)。采用該結(jié)構(gòu)施工工期2.5 a，工期優(yōu)勢明顯；大部分橋梁建設(shè)任務(wù)在廠房內(nèi)完成，標(biāo)準(zhǔn)化程度高；承臺及墩柱安裝、鋼箱梁安裝占用海域時間非常短，對海洋環(huán)境影響?。槐窘Y(jié)構(gòu)不需要海上棧橋，避免了棧橋施工對海洋環(huán)境的影響，同時避免了棧橋?qū)υ摵Ｓ虻耐ê接绊憽?/p>

該橋梁雙向8車道，橋面寬37 m，整幅橋墩、整幅箱梁結(jié)構(gòu)。墩臺32座，均為兩節(jié)式，分為承臺與下節(jié)墩柱、上節(jié)墩柱2部分，共64件；鋼箱梁34榀。墩臺、鋼箱梁單件最大重量2 700 t，考慮吊裝系統(tǒng)，所需起重船起吊能力不少于3 000 t。通航孔橋橋面高度+47 m，通航凈高33 m。本項目位于廈門高崎機場航空限高區(qū)內(nèi)，橋位距離起飛爬升面在810～1 200 m之間，航空限高58 m。限高對大型船舶使用的影響是制約本項目實施的關(guān)鍵。

2 施工工藝流程

廈門第二東通道跨海橋梁施工主要包含樁基施工、墩臺預(yù)制、墩臺運輸安裝、鋼箱梁加工和鋼箱梁運輸安裝等分項工程，主要工藝流程見表1。所需大型船舶有起重船、半潛船、打樁船、混凝土拌合船等。經(jīng)調(diào)查，除起重能力3 000 t以上起重船外，國內(nèi)有充足的滿足限高要求的其他船舶。限高條件下大型起重船方案是本項目研究重點。

表1 廈門第二東通道跨海橋梁主要工藝流程Table 1 Major technological process of the second East Passage cross-sea bridge in Xiamen

3 利用現(xiàn)有起重船施工分析

3.1 國內(nèi)起重能力3 000 t以上起重船調(diào)查情況

對國內(nèi)起重能力3 000 t以上起重船情況進(jìn)行了調(diào)查，均不滿足限高58 m要求。3 000～5 000 t起重船調(diào)查情況如表2所示（起重架頂部高程按潮高+3 m計算）。

表2 起重能力3 000～5 000 t起重船調(diào)查情況Table 2 Investigation of crane ships with lifting capacity of 3 000 t to 5 000 t

3.2 利用夜間航空限高開放窗口方案

申請夜間1：00～6：00航空限高開放窗口，利用該時間段完成吊裝作業(yè)。根據(jù)港珠澳大橋工效統(tǒng)計，承臺及下節(jié)墩柱、鋼箱梁安裝工效4～5 h/件，單件利用1個夜間開放窗口可完成作業(yè)。上節(jié)墩柱因存在與下節(jié)墩柱豎向預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)連接及接縫處涂抹環(huán)氧樹脂工序，安裝工效8～9 h/件，可利用2個夜間開放窗口完成單件安裝。第1個夜間窗口將上節(jié)墩柱吊到下節(jié)墩柱上方，放置在臨時支墩上進(jìn)行預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)連接，拆除吊具并移走起重船；第2個夜間窗口利用起重船再次起吊上節(jié)墩柱，完成接縫處環(huán)氧涂層施工及上下節(jié)對接。利用航空限高開放窗口方案存在以下問題：

1）考慮到航班延誤等因素，能申請到單次5 h航空限高開放窗口的數(shù)量不能滿足工期要求。結(jié)合港珠澳大橋墩臺及鋼箱梁安裝情況，開放時間低于5 h的作業(yè)窗口對本項目意義不大。

經(jīng)調(diào)查，廈門2018年1～11月份在中國大陸千萬級機場中準(zhǔn)點率排名有9個月位列后5名，其中2個月位于最后1名。

2）墩臺及鋼箱梁安裝受施工環(huán)境等因素影響，安裝工效存在不確定性。除上節(jié)墩柱預(yù)應(yīng)力連接可臨時放置在支墩上作業(yè)外，其他作業(yè)必須借助起重船連續(xù)進(jìn)行。一旦單次安裝超過5 h，會妨礙機場正常通航，造成嚴(yán)重的社會影響。

3）大型構(gòu)件吊裝作業(yè)安全風(fēng)險高，夜間作業(yè)不利于風(fēng)險管控。

綜合以上因素，不建議采用夜間航空限高開放窗口方案。

4 利用新造起重船施工方案

4.1 起重船設(shè)計

1）基本要求①起重船高度

經(jīng)統(tǒng)計，2019年廈門高潮水位超過+3 m的天數(shù)為8 d，最高水位+3.2 m。結(jié)合本項目施工進(jìn)度計劃，+3 m潮位以下保證率滿足工期需要。按照限高+58 m、+3 m潮位以下作業(yè)考慮，起重船高度≤55 m。

②被吊物參數(shù)

綜合墩臺、鋼箱梁構(gòu)件數(shù)據(jù)，按最不利情況考慮，被吊物單件最大重量2 700 t，最大起吊高度+47 m，頂部最大寬度37 m。

2）起重船選型

常見的雙臂架變幅式大型起重船[5]難以同時滿足限高與吊高、吊距要求。結(jié)合項目特點，重點考慮了固定臂架起重船?；谶m應(yīng)性以及經(jīng)濟性考慮，推薦船艏固定臂架起重船。固定臂架起重船船型適應(yīng)性分析見表3。

表3 固定臂架起重船船型適應(yīng)性分析Table 3 Adaptability analysis of fixed boom crane ship type

3）起重船參數(shù)

①構(gòu)筑物頂端距水面55 m。為適應(yīng)今后其它項目，臂架設(shè)計為可更換桿節(jié)，改變高度以適應(yīng)不同吊高要求。

②起重能力3 200 t，滿足構(gòu)件吊重要求。4個主鉤間距：左右間距 26 m，前后間距15 m。起吊系統(tǒng)中心舷外跨距22 m，滿足37 m寬鋼箱梁吊距要求。

③為提高起吊高度，動滑輪組與吊裝架一體化設(shè)計，滑輪組設(shè)置在吊裝架內(nèi)。因鋼箱梁與墩臺吊裝受力差異大，吊裝架分別配置。動滑輪組與吊裝架連接設(shè)計考慮了快速拆裝方案。吊裝架最大起升高度距水面45 m。

起重船設(shè)計模型見圖1、圖2。

圖1 上海佳豪設(shè)計的船艏固定臂架起重船F(xiàn)ig.1 Ship bow fixed boom crane designed by Shanghai Jiahao

圖2 振華重工設(shè)計的船艏臂架微變幅起重船F(xiàn)ig.2 Ship bow boom micro-variable-amplitude crane designed by Zhenhua Heavy Industry

4.2 吊裝方案

1）鋼箱梁吊裝

吊裝架下鋼絲繩垂直穿過鋼箱梁吊裝孔，與鋼箱梁底部托底鋼梁連接固定[7]。鋼箱梁頂面緊貼吊裝架底面，最大起升高度水面以上45 m?？紤]+2.5 m潮位（乘潮1 h，30%保證率）作業(yè)，鋼箱梁起吊高度可達(dá)到+47.5 m，可滿足本項目最高橋面（+47 m）鋼箱梁安裝吊高要求。鋼箱梁精確就位后拆下底部鋼托梁，移走起重船，然后進(jìn)行鋼箱梁對接及體系轉(zhuǎn)換。鋼箱梁吊裝見圖3。

圖3 鋼箱梁吊裝Fig.3 Hoisting of steel box girder

2）墩臺吊裝

墩臺吊裝要更換墩臺專用吊裝架。在墩臺重心以上1 m處設(shè)置下吊架，下吊架為具有較大剛度的鋼箱梁結(jié)構(gòu)。下吊架與墩柱通過水平支撐固定，以保證吊裝時墩臺穩(wěn)定。下吊架與上方吊裝架及下方承臺吊點通過豎向鋼絲繩相連。安裝時下吊架放置到鋼管復(fù)合樁頂部三維千斤頂上，通過下吊架臨時承受墩臺重量。墩臺精調(diào)位置并止擺加固后拆開吊裝架與下吊具連接鋼絲繩，移走起重船[7]。墩臺吊裝見圖4。

圖4 墩臺吊裝Fig.4 Hoisting of pier and platform

5 結(jié)語

1）基于環(huán)保、工期、質(zhì)量等因素考慮，廈門第二東通道跨海橋梁采用承臺及墩柱預(yù)制安裝、鋼箱梁整跨加工安裝的裝配化結(jié)構(gòu)。限高條件下大型起重船方案是本項目研究重點。

2）現(xiàn)有大型起重船均不滿足本項目航空限高要求；利用夜間航空限高開放窗口施工，存在諸多風(fēng)險，不建議采用該方案。

3）基于適應(yīng)性以及經(jīng)濟性考慮，推薦建造船艏固定臂架起重船。通過采取起重船動滑輪與吊裝架一體化設(shè)計以及鋼箱梁托底吊裝工藝設(shè)計等措施，可以同時滿足限高和吊高要求。

4）本研究可為類似橋梁建設(shè)提供借鑒，有利于裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的推廣。