飛燕式鋼拱橋主跨安裝方案比選分析

趙立波，陳 浩，李 鵬

（中交路橋華東工程有限公司，上海市 200135）

0 引 言

在橋梁施工時(shí)，不同的施工工藝和方法會(huì)直接影響橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布和結(jié)構(gòu)線形的變化。如果施工方法選擇不當(dāng)，就可能使橋梁超出設(shè)計(jì)安全容許范圍，引發(fā)施工事故。在相對(duì)復(fù)雜的橋梁施工前，擬定多種不同的施工方案，結(jié)合施工邊界條件，通過理論計(jì)算，對(duì)擬定的施工方案可行性、優(yōu)劣性等進(jìn)行比選分析，確定最合理的施工方案是十分必要的。因?yàn)橹挥胁捎昧苏_、合理的施工方法，在施工中加強(qiáng)控制，并采取合理的監(jiān)測(cè)措施，才能確保橋梁順利建成。

1 工程概況

1.1 橋梁工程概況

奚家港大橋主橋采用中承式外傾飛燕系桿鋼拱橋，橋梁跨徑為（30+120+30）m，全長(zhǎng)180 m，寬度為35～39.5 m（見圖1、圖2）。主拱采用飛燕式布局，主跨跨徑120 m，矢高28 m，外傾13.89°（見圖1）。主拱采用矩形斷面，寬1.8 m，高2.2 m。主梁采用開口式鋼梁，主跨鋼梁采用橫向受力體系，兩側(cè)對(duì)應(yīng)拱肋位置各設(shè)一斜腹板箱室系梁，系梁間滿鋪由縱、橫梁組成的鋼橋面板。邊跨采用縱向受力體系，采用單箱雙室截面系梁，鋼橋面板布置形式與主跨一致。主梁邊跨設(shè)牛腿，主跨結(jié)構(gòu)由吊桿和兩端邊跨牛腿支承。全橋設(shè)11 對(duì)22 根吊桿，吊桿采用φ15-16 鋼絞線，橋面吊點(diǎn)位于系梁中心線以內(nèi)300 mm 處，拱肋吊點(diǎn)位于拱軸中心，與拱軸平面成一定夾角。系桿采用Φ15-68 鋼絞線，錨固位置位于離跨中55.5 m 處，主梁系桿錨固區(qū)域局部4 m 灌混凝土。

圖1 奚家港大橋橫斷面布置圖（單位：m）

圖2 奚家港大橋立面布置圖（單位：m）

1.2 施工條件

（1）奚家港大橋橋址位于上海市崇明區(qū)，大橋主跨跨越奚家港。橋位處河道水面寬約64 m，底寬約19 m，水深約2.2 m。橋位上游為奚家港水閘，下游為長(zhǎng)江入海口，橋位至長(zhǎng)江段河道為漁船避風(fēng)錨地，常年?？看罅繚O船，阻塞航道。奚家港為中等強(qiáng)度潮汐河口，潮汐屬于非正規(guī)半日潮。

（2）大橋主墩分別位于奚家港一線海塘大堤外側(cè)，局部侵入海塘大堤內(nèi)坡坡腳，進(jìn)入海塘保護(hù)區(qū)。在海塘保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行打樁、開挖基坑等施工作業(yè)活動(dòng)屬于限制性行為，審批難度極高，且必須避開汛期進(jìn)行施工。

（3）奚家港大橋橋位處紅線寬度40 m，紅線外側(cè)為保通道路、居民住房、地方企業(yè)材料堆場(chǎng)。施工時(shí)布置的臨時(shí)結(jié)構(gòu)必須在紅線用地內(nèi)，施工作業(yè)場(chǎng)地有限。

（4）崇明島水系發(fā)達(dá)，水運(yùn)便捷；陸上交通為由干線公路連接鄉(xiāng)村道路形成的路網(wǎng)。奚家港橋位處進(jìn)出場(chǎng)道路為鄉(xiāng)村公路和堤頂?shù)缆?，道路等?jí)較低，難以保證大型構(gòu)件的運(yùn)輸需求。

1.3 施工難點(diǎn)分析

奚家港大橋的施工難點(diǎn)主要集中在主跨安裝，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）拱肋采用外傾式飛燕拱，合龍精度要求高。安裝時(shí)存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)，拱肋安裝是施工中的難點(diǎn)。

（2）大橋?yàn)槿摻Y(jié)構(gòu)的拱、梁組合體系，主系梁、拱肋及橋面系的制作、安裝、連接精度要求高，現(xiàn)場(chǎng)安裝吻合難度大。

（3）橋梁構(gòu)件運(yùn)輸、安裝施工條件差，方案選擇時(shí)需綜合考慮時(shí)間和空間的限制因素，方案實(shí)施難度大。

2 主跨安裝方案制定

2.1 浮吊安裝法

浮吊安裝法是橋梁施工中較為常用的一種方法，其通過駁船將構(gòu)件浮運(yùn)至橋位處，在水中設(shè)置臨時(shí)支墩，將構(gòu)件按順序依次吊裝就位進(jìn)行連接。浮吊安裝法安裝速度快，機(jī)動(dòng)靈活。但浮吊水上作業(yè)受潮汐影響大，有效作業(yè)時(shí)間短，施工組織要求高。該方案主要施工步驟如下：

（1）兩側(cè)邊跨構(gòu)件安裝就位，焊接完成。

（2）對(duì)浮吊作業(yè)區(qū)內(nèi)河道進(jìn)行清淤，保證浮吊作業(yè)水面寬度和吃水深度。在水中設(shè)置4 組臨時(shí)支墩，作為主系梁安裝時(shí)的臨時(shí)支撐。

（3）采用500 t 以上平板駁船將主系梁、橋面構(gòu)件運(yùn)輸至橋位處，利用350 t 浮吊依次將主系梁、橋面構(gòu)件吊裝就位，連接完成（見圖3）。

圖3 主跨主梁安裝工況圖

（4）在橋面上設(shè)4 組拱肋安裝支架，支架與橋面固結(jié)。

（5）采用350 t 浮吊分三大段將拱肋吊裝就位，完成拱圈合龍（見圖4）。

圖4 主跨拱肋安裝工況圖

2.2 頂推施工法

頂推施工法是利用頂推千斤頂沿橋梁縱向方向頂推，使主跨梁體與拱肋一起通過滑移裝置而就位的施工方法。在本工程中，主拱為外傾式，必須使主跨梁體與拱肋連接形成臨時(shí)固結(jié)體系，將主梁與拱肋整體同步頂推就位。頂推施工需在水中及海塘大堤外坡面設(shè)置多組臨時(shí)支墩，采用小型浮吊船作業(yè)；避免大噸位構(gòu)件的水上侯潮吊裝，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。構(gòu)件運(yùn)輸采用陸運(yùn)，減少了清理港內(nèi)漁船的協(xié)調(diào)工作。頂推施工法的主要施工步驟如下：

（1）西側(cè)邊跨構(gòu)件安裝就位，焊接完成；同時(shí)在東側(cè)引橋段搭設(shè)主跨梁體拼裝支架。

（2）采用400 t 履帶吊將導(dǎo)梁、主跨梁體及拱肋拼裝成整體，完成梁體、拱肋焊接（見圖5）。

圖5 頂推施工法拼梁工況圖（單位：m）

（3）利用三向同步頂推千斤頂將主跨梁體、拱肋整體頂推就位。

（4）將東側(cè)邊跨構(gòu)件吊裝就位，焊接完成。

（5）主跨主梁和拱肋整體落梁（見圖6）。

圖6 頂推施工法落梁工況圖（單位：m）

（6）主跨與邊跨拱肋嵌補(bǔ)段安裝，焊接完成。

2.3 纜索吊裝法

纜索吊裝法是拱橋施工中常用的一種施工方法，其吊裝跨度大，作業(yè)范圍廣。當(dāng)橋梁跨度較大的峽谷、河流時(shí)，其吊裝優(yōu)勢(shì)尤其明顯。在本工程中使用纜索吊裝法可避免施工期間對(duì)海塘大堤和航道的影響，無須進(jìn)行候潮吊裝作業(yè)和清理港內(nèi)漁船，施工受外界影響小。纜索吊裝法的關(guān)鍵為搭設(shè)纜索吊裝系統(tǒng)。根據(jù)本工程特點(diǎn)，纜索吊裝系統(tǒng)需在兩側(cè)引橋段設(shè)置索塔和錨定，索塔采用鋼管組拼，高52 m，寬40 m；錨定采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，錨塊為混凝土重力式錨（見圖7）。纜索吊裝法的主要施工步驟如下[1]：

圖7 纜索吊系統(tǒng)總體布置圖（單位：m）

（1）搭建纜索吊裝系統(tǒng)。

（2）完成兩側(cè)邊跨構(gòu)件吊裝，焊接完成。

（3）吊裝主跨拱肋，利用扣索臨時(shí)固定，直至拱肋合龍。

（4）安裝吊桿。

（5）吊裝主跨主系梁及橋面構(gòu)件。

（6）拆除纜索吊裝系統(tǒng)。

3 主跨安裝方案比選

在本工程中，浮吊安裝法、頂推施工法和纜索吊裝法三種施工方案在技術(shù)上雖有難易，但均具有可實(shí)施性。本節(jié)結(jié)合奚家港大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工條件，在施工工期、施工經(jīng)濟(jì)性、施工安全性和外部協(xié)調(diào)難易程度等方面對(duì)擬定的三種施工方案進(jìn)行比選分析（見表1）。

表1 主跨安裝方案比選

浮吊安裝法是最為常規(guī)的橋梁施工方法，安裝速度快，技術(shù)難度較小，橋梁結(jié)構(gòu)在各施工階段受力明確。施工中，所需投入的支架等臨時(shí)結(jié)構(gòu)材料用量小。對(duì)兩側(cè)引橋的施工影響較小。但為保證浮吊和平板駁船進(jìn)出，采用浮吊安裝法，需清理港內(nèi)?？康拇罅繚O船，協(xié)調(diào)難度大。為滿足浮吊作業(yè)要求，需對(duì)河道進(jìn)行清淤。同時(shí)吊裝需候潮進(jìn)行，每次吊裝時(shí)需在4 h 內(nèi)完成起吊、就位、精調(diào)、臨時(shí)焊接固定、脫鉤，對(duì)施工組織要求高。

頂推施工法在外傾式飛燕拱橋中暫無應(yīng)用案例，施工方法較為新穎。頂推施工的關(guān)鍵在于將梁與外傾式拱肋連接形成臨時(shí)固結(jié)體系，梁、拱同步頂推就位。頂推施工基本為岸上作業(yè)，不使用航道，極大地減少了外部協(xié)調(diào)工作。在陸上吊裝作業(yè)，無有效作業(yè)時(shí)間限制，施工安全風(fēng)險(xiǎn)低。西岸邊跨和主跨橋梁同步進(jìn)行拼裝，加快了主橋施工進(jìn)度。但采用頂推施工法，需設(shè)置頂推支架、落梁支架、拼裝支架、頂推系統(tǒng)、梁拱臨時(shí)固結(jié)系統(tǒng)梁等，臨時(shí)結(jié)構(gòu)用量大，同時(shí)梁、拱臨時(shí)固結(jié)體系設(shè)計(jì)存在一定技術(shù)難度。施工支架需設(shè)在海塘大堤外側(cè)坡面上，在海塘大堤坡面上進(jìn)行鉆孔樁施工，審批難度較大。

纜索吊裝法在大跨徑拱橋中應(yīng)用案例較多，施工工藝也較為成熟。所有的吊裝作業(yè)均由纜索吊完成，無吊裝作業(yè)時(shí)間限制，吊裝、定位、焊接、脫鉤時(shí)間充足，施工安全風(fēng)險(xiǎn)低，施工質(zhì)量易管控。另外，無須進(jìn)行漁船清理協(xié)調(diào)和河道清淤，受外部環(huán)境的影響相對(duì)較小。但采用纜索吊裝法，搭設(shè)纜索吊周期較長(zhǎng)，對(duì)兩側(cè)引橋施工有一定影響，工期壓力較大。奚家港主橋鋼結(jié)構(gòu)約5 000 t，總造價(jià)約9 000 萬元，體量較小。若采用纜索吊裝法，增加的措施費(fèi)約1 500 萬元，經(jīng)濟(jì)性較差。

4 結(jié) 論

通過對(duì)擬定的三種施工方案的優(yōu)劣進(jìn)行綜合比較分析，實(shí)際施工中選用了技術(shù)難度最低、最為經(jīng)濟(jì)的浮吊安裝法。經(jīng)過地方相關(guān)單位的協(xié)助，協(xié)調(diào)了部分漁船臨時(shí)轉(zhuǎn)港，保證了浮吊和運(yùn)輸船的順利進(jìn)出場(chǎng)。施工中，通過有序的施工組織、精細(xì)的過程的管控，確保了施工安全和質(zhì)量，在要求工期內(nèi)順利完成了奚家港大橋的施工任務(wù)。