太原通達橋改造工程懸索橋施工關(guān)鍵技術(shù)

孫國一

（中交一公局集團有限公司，北京 100024）

0 引 言

從20世紀(jì)90年代初開始，中國在懸索橋方面發(fā)展迅速，其中主跨為1 385m的江陰大橋與主跨為1 377m的香港青馬大橋在世界大跨徑橋梁中名列前茅。懸索橋具有構(gòu)造形式簡單、受力明確、跨徑大的特點，材料耗費少，橋梁造價低，主要應(yīng)用于大跨徑、地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)［1－6］。太原通達橋改造工程主橋采用四跨單塔自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，上跨汾河，索塔高123.471m，跨徑為416m，工期僅為12個月。主塔承臺基坑支護采用無內(nèi)支撐圓形鋼板樁圍堰、系梁矩形鋼板樁圍堰、外側(cè)降水井施工方案，將原索塔混凝土結(jié)構(gòu)調(diào)整為以鋼結(jié)構(gòu)為主的索塔結(jié)構(gòu)，吊裝時充分考慮影響因素，提高安裝精度，滿足設(shè)計要求；主橋鋼箱梁和自錨梁施工時，采用鋼管、貝雷、碗扣支架法組合形式，滿足了施工要求；在主梁未合龍前架設(shè)牽引索，施工貓道和主纜，為平衡設(shè)牽引索、施工貓道和主纜產(chǎn)生的水平分力，利用自錨梁底以及邊墩和過渡墩頂?shù)淖枘岫?，臨時固定連接件，達到臨時錨固的效果。先架設(shè)主橋鋼梁，待合龍后架設(shè)主纜，最后張拉吊索，形成懸索體系。該項技術(shù)的成功實施，打破了自錨式懸索橋傳統(tǒng)的施工工序，提升了總體施工效率，達到了預(yù)期目標(biāo)。

1 工程概況

通達橋改造工程主橋跨越汾河兩岸，地處平坦的洪積平原。工程地質(zhì)分區(qū)屬于太原盆地次穩(wěn)定工程地質(zhì)亞區(qū)。施工范圍內(nèi)高程介于770.12～780.49m之間，最大高差為10.37m。因太原位于地震8度區(qū)，設(shè)計時按抗震結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

通達橋改造工程主橋采用四跨單塔自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置為36m＋133m＋208m＋39m，東西兩側(cè)各設(shè)置一個輔助墩和一個過渡墩。主橋結(jié)構(gòu)體系采用四跨連續(xù)全漂浮體系，如圖1所示。

圖1 主橋總體立面布置

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 索塔承臺

2.1.1 索塔承臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原投標(biāo)設(shè)計索塔承臺底標(biāo)高較低，為了便于圍堰、基坑開挖及后續(xù)承臺施工，將承臺整體上抬，調(diào)整樁長，索塔整體高度降低，這樣既方便施工，也便于壓縮工期。同時，將承臺結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，去掉了頂面倒角設(shè)計，如圖2、3所示。

圖2 投標(biāo)設(shè)計索塔承臺立面布置

圖3 施工設(shè)計索塔承臺立面布置

2.1.2 索塔承臺圍堰施工

索塔承臺呈啞鈴型，尺寸為29m×81m×6m，左右幅承臺間設(shè)置一道長33m、寬10m、高6m的橫系梁，如圖4所示。

索塔承臺頂標(biāo)高為773.7m，其所處位置臨近汾河主河道，最小直線距離不到10m。承臺施工期間為雨季，汾河常態(tài)情況下水面高程為770.0m左右，但遇大雨會急漲，地下水位較穩(wěn)定。根據(jù)水面和承臺基坑底標(biāo)高，確定承臺周邊地面標(biāo)高為773m，承臺基坑開挖5.2m。

圖4 主塔承臺結(jié)構(gòu)

為了保證主橋索塔關(guān)鍵線路施工，特將單個承臺混凝土施工明確為一次澆筑，這樣便于承臺鋼板樁圍堰設(shè)計和施工。多層多次承臺及圍堰內(nèi)支撐施工，不管是對工期還是對成本都有較大影響［7－10］。因此，承臺基坑圍護方案為無內(nèi)支撐圓形鋼板樁圍堰、系梁矩形鋼板樁圍堰、外側(cè)降水井施工方案。由于主塔承臺屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，為避免產(chǎn)生溫度裂縫及收縮裂縫，單個承臺與連接8m長系梁及3m×6m的過渡倒角一起施工，中間系梁橫橋向12m長單獨施工，兩側(cè)剩余2.5m寬設(shè)置2個后澆帶，如圖5～7所示。

圖5 承臺無內(nèi)支撐圓形鋼板樁、系梁方形圍堰、降水井平面布置

圖6 承臺混凝土澆筑

在圍堰施工過程中，對鋼板樁圍堰實施插打過程監(jiān)測、基坑深度及基底監(jiān)測、鋼板樁圍堰漏水現(xiàn)象的監(jiān)測、基坑開挖過程中鋼板樁及圍檁支撐系統(tǒng)的變形監(jiān)測［11－112］。

圖7 承臺澆筑后安裝塔座

2.2 索塔

2.2.1 索塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

初步設(shè)計施工圖中原索塔整體為混凝土結(jié)構(gòu)，為了滿足本工程的整體施工進度，將其整體調(diào)整為以鋼結(jié)構(gòu)為主的索塔結(jié)構(gòu)。

2.2.2 索塔吊裝施工

本橋索塔塔高123.471m，橋面以上高度為112.586m。鋼拱塔豎向結(jié)構(gòu)自下而上分為：承臺預(yù)埋錨固支架、鋼混結(jié)構(gòu)段、純鋼結(jié)構(gòu)段、橫梁結(jié)構(gòu)段、塔冠裝飾段，如圖8所示。

圖8 索塔結(jié)構(gòu)

結(jié)合設(shè)計節(jié)段劃分情況，將鋼拱塔劃分成76個吊裝節(jié)段；結(jié)合運輸條件情況，將吊裝節(jié)段再次沿縱向劃分成207個運輸分塊。單次吊裝最大重量約156.3t，吊裝鋼結(jié)構(gòu)統(tǒng)一采用XGC800SHB履帶吊安裝作業(yè)。

在索塔鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中面臨的問題主要是：工程結(jié)構(gòu)體量大、工期緊；主塔鋼結(jié)構(gòu)高度較高，高空作業(yè)安全風(fēng)險大；主塔控制精度方面要求較高，在安裝時既要考慮塔身傾斜應(yīng)力對塔身應(yīng)變的影響，又要考慮日照、溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素對塔身安裝精度的影響。為解決上述問題，主要采取以下措施。

（1）明確吊裝時間。從索塔鋼結(jié)構(gòu)起吊到定位完成，平均需要6h的時間，為了保證定位盡可能地少受外界因素影響，尤其是日照對鋼結(jié)構(gòu)的影響，選擇在早上太陽光照前完成節(jié)段的定位。

（2）定位調(diào)整。通過鋼塔節(jié)段上、下端臨時連接板進行固定，連接形式采用栓接；可通過在塔身側(cè)面臨時安裝千斤頂對鋼柱接頭的扭轉(zhuǎn)偏差進行校正，如圖9、10所示。鋼塔節(jié)段定位完成后，將臨時連接板焊死。

圖9 垂直調(diào)節(jié)

圖10 水平調(diào)節(jié)

（3）增加焊接工作面，形成多工序交叉作業(yè)。為充分保證工程施工質(zhì)量，根據(jù)本工程橋塔的結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場施工條件，并結(jié)合構(gòu)件運輸條件，采取“節(jié)段整體拼裝制作，沿縱向分割，形成2個運輸分段；現(xiàn)場節(jié)段縱向小合龍形成3m高分段，再將2個3m高的分段合龍成6m高吊裝立體分段”的施工思路。

吊裝后的鋼塔節(jié)段主要焊接工作為：水平環(huán)焊縫和壁板豎向加勁板連接焊縫。單個焊縫工作時間分別為1d和1.5d。

原方案為：環(huán)焊縫和連接焊縫施工完成后，再進行下一個節(jié)段的吊裝。為了提高整體施工功效，經(jīng)多方討論，將方案調(diào)整為：環(huán)焊縫焊接完成后，即可進行下個節(jié)段的吊裝，吊裝過程中進行上個節(jié)段豎向連接焊縫的施工。為了保證鋼塔箱室內(nèi)的施工人員安全，在每2節(jié)鋼塔節(jié)段外側(cè)設(shè)置通風(fēng)孔道，以利于空氣循環(huán)。

2.3 鋼箱梁及自錨梁施工

主橋鋼箱梁全長317.4m，橫向?qū)?7.5m，功能斷面寬度為43.5m，錨索區(qū)、風(fēng)嘴布置在箱梁兩側(cè)各2m處。吊索錨點間為單箱三室截面，中間箱寬32m，邊箱寬5.75m，共設(shè)置4道腹板。箱梁頂面設(shè)2%的雙向橫坡，橋梁對稱中心線處梁高3.5 m，如圖11所示。

因主橋鋼箱梁總體工程量大，為了加快加工制造速度，特選擇了3個專業(yè)加工單位施工。經(jīng)加工制造單位深化設(shè)計后，總共分為100個加工、吊裝節(jié)段，其中吊裝最大重量約為156t。主橋東側(cè)鋼箱梁節(jié)段劃分如圖12所示。

圖11 鋼塔節(jié)段二次組裝

圖12 主橋東側(cè)鋼箱梁分段布置

錨固跨混凝土箱梁段（簡稱自錨梁）位于立交變寬段范圍內(nèi)，西岸梁寬47.5～63.698m，東岸梁寬47.5～54.36m，跨徑布置為西岸36m＋11.8m、東岸39m＋11.8m，采用單箱多室斜腹板斷面形式。西岸梁高為3.4～6.0m，東岸梁高為3.4～5.5m，鋼混結(jié)合段梁高3.5m。自錨梁與鋼箱梁有2m鋼混結(jié)合段。

鋼箱梁吊裝及自錨梁混凝土均采用支架法施工。自錨梁箱室區(qū)采用碗扣支架法，錨固區(qū)采用鋼管支架法，跨暗涵區(qū)采用鋼管、貝雷、碗扣支架法，鋼箱梁采用鋼管支架法，如圖13、14所示。

2.3.1 支架基礎(chǔ)

支架法原基礎(chǔ)設(shè)計均為鋼管樁基礎(chǔ)，但是受建筑垃圾回填土的影響，自錨梁區(qū)域范圍內(nèi)無法進行樁基礎(chǔ)施工，最終選用換填土、擴大基礎(chǔ)的方案，而鋼箱梁支架基礎(chǔ)受后期汾河蓄水的影響，拔除鋼管施工時間過長，且材料成本太高，因此改為成本更小的CFG樁基礎(chǔ)，如圖15、16所示。

2.3.2 支架支撐體系過渡部位處理

（1）不同地質(zhì)、不同重量、不同支撐結(jié)構(gòu)受壓后，支架整體變形會不一致，從而導(dǎo)致梁體裂紋、裂縫的產(chǎn)生。同時自錨梁平面面積較大，澆筑完成后，整體的收縮徐變會比較明顯，為了降低以上影響，在箱室段和錨固區(qū)之間設(shè)置1m寬的后澆帶。

（2）預(yù)拱度縱向和橫向分別設(shè)置，同時根據(jù)不同支撐體系設(shè)置不同的預(yù)拱度。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況分別設(shè)置碗扣支架和鋼支架預(yù)拱度。

2.3.3 不均勻沉降處理措施

（1）將碗扣支架基礎(chǔ)與鋼支架基礎(chǔ)單獨設(shè)置，確保兩者沉降能自由釋放，防止因沉降不均導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)開裂；同時在基礎(chǔ)交接位置的碗扣支架底部加設(shè)工字鋼，降低因后期不均勻沉降可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

圖13 西岸自錨梁鋼管支架立面布置

圖14 西岸自錨梁鋼管、貝雷、碗扣支架立面布置

圖15 自錨梁支架橫斷面布置

（2）錨固區(qū)箱梁自重較大，因此支架基礎(chǔ)采用預(yù)壓方式，讓基礎(chǔ)沉降提前發(fā)生，減少施工過程中的非彈性變形，防止結(jié)構(gòu)因不均勻沉降而產(chǎn)生開裂。

2.4 主橋上部結(jié)構(gòu)施工

為了保證主橋總體施工進度，確保在主梁無法合龍的情況下進行主纜架設(shè)，選擇墩梁固結(jié)法進行主纜和主梁同步施工。

2.4.1 墩梁固結(jié)總體施工方案

本工程主橋為全漂浮體系，設(shè)計單位于自錨梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時在墩梁之間設(shè)置了縱向和橫向的阻尼器，最大阻尼力為300t。阻尼器布置如圖17所示。

圖17 自錨梁底阻尼器平面布置

主纜空纜狀態(tài)作用于梁體結(jié)構(gòu)的水平拉力最大，經(jīng)核算，空纜狀態(tài)下主纜及貓道單側(cè)單個錨固點的最不利水平拉力為4 000kN，則單側(cè)自錨梁（雙錨點）的總體水平拉力為8 000kN。

單側(cè)自錨梁2個墩共有9個縱向阻尼器，阻尼器結(jié)構(gòu)底座等結(jié)構(gòu)均能滿足抵抗水平拉力的要求。同時，設(shè)計方和監(jiān)控方對自錨梁下的墩身、承臺以及樁基等永久結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)安全性計算，采用主纜及主梁同步施工法，當(dāng)上下部結(jié)構(gòu)均在安全范圍以內(nèi)且在主梁合龍前，將主梁雙向頂推，使墩身、承臺及樁基達到受拉以前狀態(tài)，滿足整體結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力的要求。

利用阻尼器墩頂和梁底的底座設(shè)置縱向連接桿件，將自錨梁和墩身臨時固結(jié)，如圖18所示。

圖18 臨時固定連接件布置

2.4.2 施工技術(shù)措施

在主梁未合龍前架設(shè)牽引索、施工貓道和主纜，為平衡牽引索、施工貓道和主纜產(chǎn)生的水平分力，采取以下措施。

（1）澆筑自錨梁段混凝土，并將后澆帶澆筑完成。

（2）利用自錨梁底以及邊墩和過渡墩頂?shù)淖枘岫?，臨時固定連接件，達到臨時錨固的效果。

（3）將墩頂支架以及邊跨支架落架，確保梁體重量通過支座有效傳遞給橋墩，達到壓重的效果。

（4）通過在支座處設(shè)置應(yīng)變片壓力傳感器，確保梁體壓重能有效平衡掉水平力對橋墩產(chǎn)生的彎矩。

（5）待主梁安裝完成后解除梁墩的臨時連接。

3 結(jié) 語

通達橋改造工程于2018年4月10日正式開工建設(shè)，截至發(fā)稿前主橋主纜架設(shè)施工完成，體系轉(zhuǎn)換完成，第三方監(jiān)控單位對自錨梁位移、變形及主橋整體應(yīng)力、整體橋形進行了檢測，并出具了監(jiān)控報告，橋梁總體線型及應(yīng)力變化均在設(shè)計要求范圍內(nèi)。通過對施工工序的合理優(yōu)化，打破傳統(tǒng)施工方法進行體系轉(zhuǎn)換，加強了安裝精度的控制，使通達橋主橋整體工期縮短近12個月，減少臨時結(jié)構(gòu)投入成本近800余萬元；在保證施工工期的同時，進一步提高了施工質(zhì)量和細(xì)節(jié)把控能力，尤其是在主橋施工過程中克服了工期緊、專業(yè)加工周期短、工序轉(zhuǎn)換快等多方面不利因素，解決了施工技術(shù)方面的諸多難點，圓滿完成了各項施工任務(wù)。