鄭萬鐵路跨南水北調(diào)干渠鋼管拱全自動(dòng)豎轉(zhuǎn)技術(shù)

李惠民

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司 河北唐山 064000）

1 工程概況

鄭萬鐵路河南段張良鎮(zhèn)跨南水北調(diào)干渠特大橋主橋采用（74+160+74）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土加勁拱肋組合結(jié)構(gòu)體系，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，立面位于6‰縱坡上，吊桿與梁面垂直，吊桿順橋向間距為9 m，兩道拱肋共設(shè)置15對(duì)雙吊桿 （見圖1）。

圖1 橋型布置

鋼管拱軸線采用二次拋物線，計(jì)算跨徑L＝160 m，計(jì)算矢高f＝32 m，矢跨比1／5。橫橋向設(shè)置兩道拱肋，拱肋中心距為11.8 m。施工矢高f＝32.12 m，拱肋采用外徑φ1 000 mm、壁厚16 mm的鋼管混凝土啞鈴型截面，上下兩鋼管中心距為2.0 m，拱肋截面全高3.0 m。拱肋上下鋼管之間連接綴板為厚度16 mm鋼板，拱肋之間共設(shè)9道空間桁架式橫撐，橫撐采用4根φ450×12 mm主鋼管和32根φ250×10 mm鋼管（見圖2）。

圖2 拱肋、橫撐截面（單位：mm）

2 鋼管拱肋施工方案選擇

傳統(tǒng)的鋼管拱橋主拱的施工方法歸納為纜索吊裝法、水平轉(zhuǎn)體施工法、滿堂支架法、豎向轉(zhuǎn)體施工法四種。

2.1 纜索吊裝法

采用纜索吊裝的方法為原擬采用的方法，原設(shè)計(jì)將主跨分5節(jié)段吊裝合龍，每段吊裝重約65 t。由工廠預(yù)制水運(yùn)到位，天線起吊，塔機(jī)定位。該方法的施工工藝比較成熟，但需要大跨度、大噸位的纜機(jī)，造價(jià)較高，且受橋尾場(chǎng)地所限。

2.2 水平轉(zhuǎn)體施工法

水平轉(zhuǎn)體法施工與該橋結(jié)構(gòu)形式不相適應(yīng)，且施工采用先梁后拱順序；如鋼管拱采用水平轉(zhuǎn)體，無平衡重墩，無法實(shí)施。

2.3 滿堂支架法

滿堂支架法施工需要大量的支架材料，造價(jià)高，現(xiàn)場(chǎng)拼焊易受外界因素的影響，主拱的質(zhì)量無法得到保證，且工期長；南水北調(diào)干渠是國家重點(diǎn)輸水干渠，對(duì)水質(zhì)的要求非常高，干渠采取封閉式管理，任何在干渠空間范圍內(nèi)的施工作業(yè)都極易污染干渠水源，后果不堪設(shè)想。最終放棄此施工方法。

2.4 豎向轉(zhuǎn)體施工法

通過專家論證，豎向轉(zhuǎn)體施工可以克服上述方法的不足，是一種可行的方法。目前，國內(nèi)采用豎向轉(zhuǎn)體施工的拱橋有三峽、蓮沱等大橋。鄭萬鐵路跨南水北調(diào)干渠鋼管拱主拱的噸位大（半拱275 t），預(yù)制的鋼管拱肋在內(nèi)場(chǎng)加工并預(yù)拼完成后，解體由汽車運(yùn)輸至工地現(xiàn)場(chǎng)，在已完成的主橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁梁面進(jìn)行拼裝，拼裝完成后再進(jìn)行豎向轉(zhuǎn)體施工。本次豎向轉(zhuǎn)體施工采用了目前國內(nèi)最先進(jìn)的全自動(dòng)同步豎轉(zhuǎn)提升液壓設(shè)備及主塔架實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)，目前在國內(nèi)尚屬首次。

3 鋼管拱豎轉(zhuǎn)施工方案

3.1 鋼管拱豎向轉(zhuǎn)體方案設(shè)計(jì)

豎轉(zhuǎn)系統(tǒng)由豎轉(zhuǎn)主塔、起重索、平衡索（用于平衡起重索塔頂水平力）、起重動(dòng)力系統(tǒng)、纜風(fēng)繩組成。豎轉(zhuǎn)起重動(dòng)力設(shè)置于邊跨箱梁底板下。在大小里程主墩連續(xù)梁0#塊上安裝豎轉(zhuǎn)塔架，塔頂設(shè)索鞍［1］，如圖 3。

圖3 豎轉(zhuǎn)施工示意

豎轉(zhuǎn)主塔立柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)采用 ?530×10+底節(jié)?630×10鋼管，平聯(lián)采用?329鋼管焊接。豎轉(zhuǎn)主塔位于拱座內(nèi)側(cè)，塔高48 m，截面為3.2 m×2.5 m。每個(gè)塔柱由4節(jié)組成，節(jié)間用法蘭連結(jié)。起重索采用?15.24＼1 860級(jí)高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線［2］。根據(jù)起重索計(jì)算索力豎轉(zhuǎn)起重索19根／束，平衡索5根／束。

主拱豎轉(zhuǎn)施工采用液壓同步起重技術(shù)［3］。計(jì)算機(jī)控制液壓同步起重系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、承重系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等組成。為了提高構(gòu)件的安全性，在每臺(tái)起重頂?shù)倪M(jìn)油油路都布置了油壓傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每臺(tái)起重頂?shù)妮d荷變化情況。在起重過程中，計(jì)算機(jī)通過監(jiān)測(cè)每臺(tái)頂?shù)妮d荷變化情況，準(zhǔn)確地協(xié)調(diào)整個(gè)起重系統(tǒng)的載荷分配。如果起重頂?shù)妮d荷有異常突變，則計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，并報(bào)警示意。

3.2 鋼管拱豎轉(zhuǎn)施工工藝

橋上拼裝完成的兩個(gè)半拱，豎轉(zhuǎn)角度為20.2°（鄭州半拱）和15.0°（萬州半拱）。豎轉(zhuǎn)施工順序:先豎轉(zhuǎn)萬州端再豎轉(zhuǎn)鄭州端，內(nèi)設(shè)導(dǎo)向裝置導(dǎo)向合龍，留龍口不設(shè)合龍段［4］，龍口為20 mm寬焊縫。為保證豎轉(zhuǎn)過程中對(duì)已完成的連續(xù)梁不產(chǎn)生影響，連續(xù)梁梁端加配重（3 450 kN）。

3.2.1 豎轉(zhuǎn)主塔搭設(shè)

豎轉(zhuǎn)主塔搭設(shè)采用橋上50 t吊車配合塔吊起吊，人工連接節(jié)間法蘭螺栓，用扭力扳手緊固螺栓達(dá)到額定扭力。

為確保拼裝過程豎轉(zhuǎn)主塔的穩(wěn)定，在塔架立柱二級(jí)橫撐位置設(shè)置臨時(shí)纜風(fēng)繩。塔頂設(shè)永久纜風(fēng)繩，大小里程側(cè)主塔之間設(shè)壓塔索。纜風(fēng)繩采用φ22 mm鋼絲繩，壓塔索采用鋼絞線。

3.2.2 吊索具連接安裝

安裝順序:前纜風(fēng)繩安裝—壓塔索—平衡索安裝—起重索安裝。

起重索鋼絞線在連續(xù)梁梁面進(jìn)行下料和編號(hào)，先將起重索的前端與扣點(diǎn)吊具連接，塔吊配合用卷揚(yáng)機(jī)牽引起重索逐根放入塔頂鞍座中［5］，然后將起重索末端穿入同步千斤頂中。牽引過程中應(yīng)防止鋼絞線束扭轉(zhuǎn)，索鞍處鋼絞線單層擺放，鋼絞線必須有序穿入千斤頂內(nèi)，并對(duì)鋼絞線束進(jìn)行疏導(dǎo)，確保鋼絞線順直。

3.2.3 起重索預(yù)緊

為使整束起重索各鋼絞線受力均衡，用YDC240Q單根千斤頂對(duì)扣索鋼絞線逐根進(jìn)行預(yù)緊，確保豎轉(zhuǎn)時(shí)各根鋼絞線受力均勻。平衡索、起重索的預(yù)緊應(yīng)同步進(jìn)行，以保證前后鋼索對(duì)鋼塔提供基本對(duì)等的張拉力。

在豎轉(zhuǎn)塔上設(shè)置傾斜觀測(cè)表，并標(biāo)明刻度，利用經(jīng)緯儀觀測(cè)控制表，然后利用千斤頂對(duì)鋼絞線進(jìn)行預(yù)緊，觀測(cè)鋼塔頂部位移，利用平衡索千斤頂預(yù)緊鋼絞線，調(diào)整鋼塔側(cè)傾狀態(tài)。

3.2.4 豎轉(zhuǎn)測(cè)量與應(yīng)力控制

（1）測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)

鋼管拱豎轉(zhuǎn)共布置4個(gè)觀測(cè)站組成控制網(wǎng)［6］。分別位于小里程墩位、大里程墩位左右側(cè)約200 m處。

塔頂及鋼管拱前端共布置8個(gè)控制點(diǎn)，主要監(jiān)控鋼管拱豎轉(zhuǎn)階段、合龍階段合龍口處拱的標(biāo)高、拱軸線偏差及塔架位移和扭轉(zhuǎn)情況，為及時(shí)調(diào)整平衡索確保塔架豎直度提供數(shù)據(jù)支持［7］。各觀測(cè)站所有數(shù)據(jù)報(bào)指揮室數(shù)據(jù)分析師，分析師對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并將分析結(jié)果及時(shí)反饋總指揮。

（2）應(yīng)力監(jiān)測(cè)控制

主塔立柱的底部、中部及頂部安裝了外貼式應(yīng)變片［8］，每個(gè)塔架上安裝了48個(gè)應(yīng)變片；在起重索收緊之前，將所有應(yīng)變片位置所受荷載情況進(jìn)行檢測(cè)，并在豎轉(zhuǎn)過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)塔架立柱的荷載變化情況，確保豎轉(zhuǎn)過程塔架結(jié)構(gòu)受力安全。

3.2.5 試轉(zhuǎn)

啟動(dòng)同步液壓起重系統(tǒng)收緊牽引索逐級(jí)增加牽引力，直至主拱脫離拼裝支墩30 cm。同時(shí)觀察豎轉(zhuǎn)主塔頂端位移，適時(shí)調(diào)整主塔平衡索，使豎轉(zhuǎn)主塔保持豎直。靜停12 h，安排專人對(duì)塔頂進(jìn)行檢查，無異常后，進(jìn)行正式豎轉(zhuǎn)施工［9-10］。試轉(zhuǎn)過程中密切觀察豎轉(zhuǎn)主塔頂端位移和豎轉(zhuǎn)主塔變形，如出現(xiàn)異常查清原因后處理；試轉(zhuǎn)過程中時(shí)刻監(jiān)控鋼拱線形和內(nèi)力變化。

3.2.6 豎轉(zhuǎn)、合龍

（1）豎轉(zhuǎn)作業(yè)

首先，大里程側(cè)鋼管拱起重索同步張拉至臨界最大豎轉(zhuǎn)索力1 667 kN，鋼管拱前端緩慢向上產(chǎn)生位移；然后，測(cè)量控制組對(duì)左右鋼管拱前端高差、塔架豎直度進(jìn)行觀測(cè)，應(yīng)力觀測(cè)組對(duì)豎轉(zhuǎn)的鋼管拱及塔架進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。

各觀測(cè)站所有數(shù)據(jù)報(bào)指揮室數(shù)據(jù)分析師，分析師對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并將分析結(jié)果及時(shí)反饋總指揮，如無異常情況，繼續(xù)進(jìn)行下一張拉行程的豎轉(zhuǎn)。豎轉(zhuǎn)完成后，重復(fù)測(cè)量及分析。如豎轉(zhuǎn)過程中鋼管拱前端左右兩側(cè)相對(duì)高差大于20 mm，及時(shí)調(diào)整相對(duì)標(biāo)高較低的起重索的索力，使鋼管拱前端左右兩側(cè)相對(duì)高差滿足規(guī)范要求［11］。

重復(fù)上述操作，直至先將大里程側(cè)鋼管拱豎轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高+2200 mm，然后小里程側(cè)鋼拱提升至設(shè)計(jì)高度+500 mm處；回轉(zhuǎn)下放大里程側(cè)鋼拱，使大小里程的鋼管拱處于同一標(biāo)高，過程中要隨時(shí)調(diào)整塔架豎直度。

（2）合龍施工

首先，大小里程兩拱肋下放前，測(cè)量控制組提供數(shù)據(jù)調(diào)整拱肋左右兩側(cè)的前端標(biāo)高（拱肋左右兩側(cè)的前端標(biāo)高誤差0～+20 mm；相對(duì)誤差不大于5 mm），調(diào)整拱軸線偏位（合龍對(duì)應(yīng)兩弦管相對(duì)誤差20 mm）。

將4臺(tái)全自動(dòng)液壓設(shè)備調(diào)整為同步控制，同步下放兩半拱，且下放速度為2 mm／s，每同步下放6 mm停頓一次，并安排專人在合龍口位置檢查和量測(cè)合龍口的變化、軸線的偏差及相互間的相對(duì)高差變化。無異常情況，重復(fù)操作至合龍口之間相距50 mm左右，停止同步控制系統(tǒng)，采用單側(cè)鋼管拱單束起重索點(diǎn)動(dòng)對(duì)接，每次點(diǎn)動(dòng)位移量不超過4 mm，嚴(yán)防回轉(zhuǎn)下放量過大，造成兩半拱相撞，釀成事故［12］。下放至設(shè)計(jì)高度，測(cè)量控制組檢查合龍標(biāo)高、拱軸線偏位及拱圈的線形；各檢測(cè)數(shù)據(jù)符合要求后，在龍口焊接臨時(shí)碼板定位。另在溫度10℃～18℃依次焊接龍口焊縫及拱腳處鑲補(bǔ)段。

鋼管拱焊接完成后，按20%為一級(jí)，分級(jí)松放起重索，同時(shí)調(diào)整塔架頂位移，直至起重索拉力回零。拆除塔架、筑拱腳固結(jié)混凝土。

4 注意事項(xiàng)

（1）起重前要對(duì)起重裝置的液壓系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、錨夾具系統(tǒng)、控制與顯示系統(tǒng)、鋼絞線、鋼塔轉(zhuǎn)軸及后備索系統(tǒng)進(jìn)行全面細(xì)致檢查，并記錄于表。

（2）由于合龍觀測(cè)精度要求較高，為減小不同觀測(cè)站之間的觀測(cè)相對(duì)誤差，在能通視的情況下，盡可能用同一臺(tái)儀器觀測(cè)合龍口四個(gè)控制點(diǎn)。

（3）鋼絞線施工穿束時(shí)必須編束，按順序通過塔頂索鞍及千斤頂。

（4）由于轉(zhuǎn)體索需經(jīng)過塔頂?shù)霓D(zhuǎn)向鞍座，塔頂必須安排專人對(duì)鞍座與鋼絞線接觸位置涂抹黃油潤滑，減小摩擦阻力及防止鋼絞線跳槽。

（5）豎轉(zhuǎn)到位后，回轉(zhuǎn)過程中，由于主塔塔架頂部受力平衡體系的方向會(huì)突然發(fā)生反向，必須采用點(diǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)并實(shí)時(shí)觀測(cè)塔架偏移情況，及時(shí)調(diào)整塔架背索，使之保持豎直狀態(tài)。

5 結(jié)束語

鄭萬鐵路跨南水北調(diào)干渠鋼管拱豎轉(zhuǎn)施工采用了目前先進(jìn)的全自動(dòng)同步起重豎轉(zhuǎn)施工技術(shù)及主塔架應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。施工實(shí)踐證明，這是一項(xiàng)安全、高效、低成本的施工方法，本技術(shù)的成功應(yīng)用可為今后國內(nèi)類似的橋梁施工提供依據(jù)和參考。