橋梁頂升技術(shù)在內(nèi)河航道改造中的應(yīng)用

范驍君

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

隨著內(nèi)河航道等級(jí)的提升，橋梁凈空不足成為航道提升的制約。在浙江省內(nèi)河航道改造過(guò)程中，較多跨航橋梁建成時(shí)間較短，使用條件較為良好，采用橋梁頂升技術(shù)對(duì)既有橋梁改造可節(jié)約資源、節(jié)省工期?，F(xiàn)以長(zhǎng)湖申線航道西延改造工程中紫梅橋頂升作為案例，闡述內(nèi)河航道提升過(guò)程中頂升橋梁的設(shè)計(jì)思路[1-3]。

1 工程概況

長(zhǎng)湖申線西延航道作為長(zhǎng)湖申線航道的延長(zhǎng)線，由安吉陽(yáng)光壩至吳興區(qū)湖州船閘，是長(zhǎng)三角地區(qū)重要的內(nèi)河水運(yùn)通道，全線規(guī)劃為Ⅲ級(jí)航道，改建后各橋位處需滿足60.0 m×7.0 m 通航凈空。

紫梅橋位于安吉縣梅溪鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)，于2002 年建成。橋梁全長(zhǎng)141 m，橋梁配跨為16+80+2×16+13（m），主橋?yàn)閯傂缘鯒U系桿拱橋，上跨長(zhǎng)湖申線西延航道，通航凈高不足7 m，是此次航道改建過(guò)程中的制約因素。

主橋計(jì)算跨徑78 m，布置兩榀鋼筋混凝土拱肋，系梁、橫梁、吊桿均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主橋下部結(jié)構(gòu)為雙柱接高低蓋梁式橋墩，基礎(chǔ)為群樁接承臺(tái)式基礎(chǔ)；引橋?yàn)?6 m、13 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板，下部結(jié)構(gòu)為樁柱接蓋梁式基礎(chǔ)。

1.1 原橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí)：三級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度30 km/h；

設(shè)計(jì)荷載：汽-20，掛-100，人群3.5 kN/m2（頂升后荷載等級(jí)維持原橋）；

線型要素：西側(cè)縱坡3%，東側(cè)縱坡2%，豎曲線半徑2 000 m，橫坡1.5%。

1.2 橋梁斷面

引橋標(biāo)準(zhǔn)斷面：0.25+1.5（護(hù)欄人行道）+2×4.5（機(jī)動(dòng)車）+1.5+0.25（人行道護(hù)欄）=12.5（m）；

主橋加寬斷面：0.25+1.5（護(hù)欄人行道）+1.15（拱肋）+2×4.5（機(jī)動(dòng)車）+1.5（拱肋）+0.25（人行道護(hù)欄）=14.8（m）。

1.3 橋梁狀況

根據(jù)《梅溪- 荊灣K0+304 新梅溪大橋橋梁定期檢查報(bào)告》全橋技術(shù)狀況評(píng)定為2 類，主要存在橋面破損、混凝土剝落、表層鋼筋銹脹等問(wèn)題，經(jīng)小修后可進(jìn)行頂升改造。圖1 為紫梅橋?qū)嵕啊?/p>

圖1 紫梅橋?qū)嵕?/p>

2 橋梁改建

該橋改建采用全橋整體頂升技術(shù)，頂升后引橋加跨，改建后路線全長(zhǎng)770 m，橋梁全長(zhǎng)165 m，全橋配跨2×20（加跨）+80+2×16+13（原橋整體頂升）（m）。

2.1 整體頂升

主引橋采用整體頂升，整體抬升高度3.3 m，頂升后主跨可滿足60 m×7 m 限制性Ⅲ級(jí)航道通航凈空，頂升后橋梁維持原橋豎曲線要素。

圖2 為紫梅橋已建橋型布置圖。

圖2 紫梅橋改建橋型布置圖（單位：標(biāo)高m，其余cm）

2.2 引橋加跨

西側(cè)橋頭起點(diǎn)改建后存在下穿道路需求，拆除西側(cè)1 跨16 m 空心板，新增2 跨20 m 簡(jiǎn)支空心板引橋。

2.3 臺(tái)后接線

該橋整體抬升后，挖除原道路路基及漿砌片石擋墻，改用高填方泡沫混凝土路基填筑。

紫梅橋采用全橋整體同步頂升，頂升主橋及東側(cè)3 跨引橋，橋梁頂升總體施工流程為：輔助結(jié)構(gòu)施工（反力基礎(chǔ)、分配梁等）→設(shè)備的安裝調(diào)試→封閉交通→斷柱及頂升施工→墩臺(tái)加高與改造→橋面系等附屬設(shè)施重建。

3 頂升實(shí)施方案

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

3.1.1 結(jié)構(gòu)噸位大，頂升高度高

紫梅橋主橋總噸位約3 300 t，全橋合計(jì)約4 125 t，全橋整體頂升高度為3.3 m，頂升具有噸位大，接高長(zhǎng)度高的特點(diǎn)，需采用合理的頂升方案，選擇合適的臨時(shí)支撐體系。

3.1.2 主墩為水中墩且施工期保持通航

主跨通航孔為長(zhǎng)湖申線西延航道，往來(lái)船舶多為集裝箱和散貨駁船，為浙北地區(qū)重要的山區(qū)河流航道，短時(shí)間內(nèi)存在因降雨導(dǎo)致水位變化較大的可能。紫梅橋主墩位于水域中，頂升施工期間航道保持通航，因此施工期需盡量避開汛期，且減少施工作業(yè)周期，以減少施工期船舶或漂流物撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 主橋頂升精度控制嚴(yán)格

紫梅橋主橋?yàn)?0 m 剛性吊桿系桿拱橋，吊桿、系梁、橫梁均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，拱肋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂升期間主橋4 支點(diǎn)不可能處于嚴(yán)格平動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生因各點(diǎn)的不同步而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布，頂升就位后若無(wú)法消除該偏差，該應(yīng)力即變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的永存應(yīng)力，因此該項(xiàng)目對(duì)橋梁的頂升精度經(jīng)計(jì)算后選擇合理的控制區(qū)間，同時(shí)施工期增設(shè)主橋位移、應(yīng)力、裂縫監(jiān)控措施。

因此，如何選擇合適的頂升系統(tǒng)，合理的頂升方案，保證頂升精度，確保橋梁安全、快速地施工，是該工程成敗關(guān)鍵。

3.2 頂升高度

紫梅橋主跨通航孔航道設(shè)計(jì)線與橋梁設(shè)計(jì)中線交角75°，通航孔按限制性三級(jí)航道60 m×7 m 通航凈空設(shè)計(jì)，凈空最低點(diǎn)為主橋西側(cè)K1+967.6 處，橋面高程10.615 m，橋梁結(jié)構(gòu)高度（含鋪裝）為1.468 m，梁底高程10.615-1.468=9.147（m）；該橋位處設(shè)計(jì)最高通航水位5.23m，凈高7m，梁底最低點(diǎn)凈空富余0.2 m，通航孔范圍內(nèi)梁底高程應(yīng)不小于5.23+7+0.2=12.43（m）；理論頂升高度12.43-9.147=3.283（m）。此次采用主引橋整體頂升，各墩頂升高度均為3.30 m，縱坡及豎曲線維持不變，西側(cè)3%，東側(cè)2.0%，豎曲線半徑2 000 m。圖3 為已建前后路線縱斷面圖。

圖3 改建前后路線縱斷面圖（單位：m）

3.3 頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 控制系統(tǒng)

該橋?yàn)楸ＷC頂升精度和安全，采用PLC 液壓控制同步頂升系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立在力和位移雙閉環(huán)的控制基礎(chǔ)上。由液壓千斤頂根據(jù)實(shí)際荷重抬升橋梁，同時(shí)與相應(yīng)的位移傳感器組成位移閉環(huán)，以便控制橋梁頂升的位移和姿態(tài)，使頂升過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)起到力和位移雙控的目的。系統(tǒng)理論同步位移精度±2 mm，壓力誤差≤5%。

3.3.2 千斤頂選用和頂升方式

為防止在頂升過(guò)程中突發(fā)停電等意外情況，致使千斤頂卸載導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，該工程采用液壓千斤頂與機(jī)械跟隨千斤頂組合的頂升方法。液壓千斤頂需選擇具有自鎖定回油裝置和頂升力調(diào)節(jié)裝置的千斤頂；機(jī)械跟隨千斤頂需選擇具有位移實(shí)時(shí)跟隨和斷電等情況下機(jī)械自鎖定功能裝置的千斤頂。整個(gè)頂升過(guò)程以10 cm 為一個(gè)行程，逐步頂升至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

每個(gè)頂升行程具體分為四個(gè)步驟（見圖4）。

圖4 一個(gè)頂升行程示意圖

3.3.2.1 液壓千斤頂頂升，機(jī)械跟隨頂跟隨

液壓千斤頂向上頂升，機(jī)械跟隨千斤頂實(shí)時(shí)進(jìn)行無(wú)間隙旋轉(zhuǎn)位移跟隨，確保機(jī)械跟隨頂與拖換結(jié)構(gòu)間的密貼。機(jī)械跟隨千斤頂內(nèi)部采用機(jī)械螺紋承載，通過(guò)機(jī)械螺紋的彈性變形來(lái)承受上部的荷載。一旦液壓千斤頂出現(xiàn)爆管等危險(xiǎn)情況，可即時(shí)由跟隨千斤頂進(jìn)行支承，確保被頂升構(gòu)件不致發(fā)生塌落風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2.2 機(jī)械跟隨頂鎖定，液壓頂收缸

頂升至設(shè)計(jì)行程后，機(jī)械跟隨頂機(jī)械鎖定，此時(shí)機(jī)械跟隨頂依靠自身結(jié)構(gòu)承壓，處于鎖定階段。待所有機(jī)械跟隨頂鎖定后，液壓頂收缸，加墊10cm 厚度支撐墊塊。

3.3.2.3 液壓頂鎖定，機(jī)械跟隨頂收缸

液壓頂安裝后進(jìn)行機(jī)械鎖定，此時(shí)液壓頂依然保持供油，但可同時(shí)依靠自身結(jié)構(gòu)鎖定裝置承壓，機(jī)械跟隨頂收缸，加墊10 cm 厚支撐墊塊。

3.3.2.4 機(jī)械跟隨頂安裝，檢查后解除鎖定

機(jī)械跟隨頂安裝后對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確保油壓供電一切正常后，解除液壓頂機(jī)械鎖定，進(jìn)入第二個(gè)行程以此往復(fù)。

3.3.3 臨時(shí)支撐體系頂升結(jié)構(gòu)傳力路徑，反力基礎(chǔ)→千斤頂臨時(shí)支撐→托換體系→上部結(jié)構(gòu)。

3.3.3.1 反力基礎(chǔ)

原結(jié)構(gòu)采用樁接承臺(tái)式基礎(chǔ)，且承臺(tái)尺寸較大，可優(yōu)先采用承臺(tái)作為反力基礎(chǔ)；原結(jié)構(gòu)為樁柱式基礎(chǔ)可采用抱柱梁反力基礎(chǔ)（見圖5、圖6）。

圖5 抱柱梁鋼筋綁扎之實(shí)景

圖6 抱柱梁澆筑之實(shí)景

3.3.3.2 鋼管支撐

頂升臨時(shí)支撐采用Φ609 鋼管支撐，鋼管外壁609 mm，壁厚16 mm，法蘭直徑750 mm。鋼管支撐與結(jié)構(gòu)反力基礎(chǔ)通過(guò)化學(xué)螺栓連接，鋼管支撐豎向采用法蘭螺栓連接。鋼管長(zhǎng)度為10、20、50、100、200（cm）模塊化參數(shù)。頂升前按規(guī)定高度配置，頂升過(guò)程中不斷更換上述支撐墊塊（見圖7、圖8）。

圖7 千斤頂和支撐鋼管之實(shí)景

圖8 支撐鋼管之實(shí)景

3.3.3.3 托換體系

原橋采用蓋梁的下部結(jié)構(gòu)形式，托換體系優(yōu)先選用蓋梁，蓋梁外側(cè)倒角可通過(guò)植筋后澆三角墊塊，增加受力點(diǎn)；柱式墩和橋臺(tái)位置可采用鋼分配梁托換體系（見圖9、圖10）。

圖9 蓋梁三角墊塊施工之實(shí)景

圖10 橋臺(tái)鋼分配梁之實(shí)景

3.3.4 限位措施

由于千斤頂、鋼支撐垂直度安裝誤差和各種不確定性因素的影響，頂升過(guò)程中上部結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)存在水平位移偏差，需設(shè)置限位裝置，對(duì)可能出現(xiàn)的水平偏位進(jìn)行限制。

該橋采用鋼結(jié)構(gòu)限位柱，限位柱斷面尺寸500 mm×500 mm。限位柱通過(guò)預(yù)埋鋼筋固定于下部基礎(chǔ)，與固結(jié)在上部的限位墩組成引橋限位措施。限位柱與限位墩之間預(yù)留10 mm 間距（見圖10、圖11）。

圖11 橋墩限位柱之實(shí)景

圖12 橋臺(tái)限位柱之實(shí)景

3.3.5 墩柱接高

主橋斷柱頂升就位后，鑿除立柱上下切割面混凝土30 cm，露出主筋長(zhǎng)度不小于6 倍鋼筋直徑，將立柱新老混凝土結(jié)合部分進(jìn)行表面鑿毛，主筋采用擠壓套筒機(jī)械連接，達(dá)到一級(jí)接頭標(biāo)準(zhǔn)。綁扎箍筋后澆筑混凝土，采用比原混凝土等級(jí)高一個(gè)標(biāo)號(hào)的自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再拆除頂升設(shè)備（見圖13、圖14）。

圖13 立柱鑿毛露出主筋之實(shí)景

圖14 立柱連接施工之實(shí)景

3.4 主引橋頂升方案

3.4.1 千斤頂布置

頂升各墩位置均設(shè)置一組液壓千斤頂，一組跟隨千斤頂，每組的設(shè)計(jì)總噸位安全系數(shù)均不小于2.0（見表1）。

表1 紫梅橋千斤頂布置表

3.4.2 主橋頂升

3.4.2.1 主墩頂升

主橋上部結(jié)構(gòu)為80 m 剛性吊桿系桿拱橋，下部結(jié)構(gòu)為雙柱接蓋梁式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為群樁接承臺(tái)式基礎(chǔ)，可充分利用該結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，采用斷柱托蓋梁整體頂升，承臺(tái)作為反力基礎(chǔ)，蓋梁作為托換體系。傳力路徑為：原橋基礎(chǔ)承臺(tái)→千斤頂臨時(shí)支撐→蓋梁→系桿拱結(jié)構(gòu)，其中蓋梁內(nèi)側(cè)布置8 臺(tái)200 t 頂升千斤頂，蓋梁外側(cè)布置4 臺(tái)500 t 頂升千斤頂，分別對(duì)應(yīng)布置12 臺(tái)400 t 機(jī)械跟隨頂（見圖15、圖16）。

圖15 主墩頂升施工之實(shí)景

圖16 主墩千斤頂布置圖（單位：cm）

3.4.2.2 主橋頂升精度控制

主橋結(jié)構(gòu)采用midas 建模分析，對(duì)原橋各支座豎向位移差值在±5 mm，±10 mm，±20 mm 進(jìn)行計(jì)算，分別分析結(jié)構(gòu)在各支點(diǎn)不均勻位移對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響（見圖17、圖18 及表2）。

表2 頂升施工各構(gòu)件最大應(yīng)力一覽表

圖17 主橋建模圖形

圖18 10 mm 位移差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)二次應(yīng)力圖（單位：MP a）

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著各支點(diǎn)最大位移差的增加，主橋結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)逐漸加大，主要體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力混凝土邊吊桿應(yīng)力的增加，由成橋階段最大應(yīng)力0.75 MPa 增加至1.37 MPa（最大位移差±20 mm）?？紤]到原橋施工較早，為控制各支點(diǎn)不均勻豎向位移引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)二次內(nèi)力，要求主橋在施工階段最大相對(duì)豎向位移差≤±10 mm，成橋使用階段最大相對(duì)豎向位移差≤±5 mm。

3.4.2.3 頂升通航安全

紫梅橋所在地區(qū)為山區(qū)航道，水位受短時(shí)間降雨變化大，且主橋主墩位于水域中，理論存在失控船舶或漂流物撞擊可能。為避免出現(xiàn)該極端情況，該橋施工期根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，選定為7 月下旬連續(xù)晴天，水位較低且無(wú)較大變化情況下施工。施工期由港航部門進(jìn)行臨時(shí)橋下安全管制，確保橋梁頂升期間的安全。

3.4.3 引橋頂升

3.4.3.1 引橋墩頂升

引橋墩上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支空心板，下部結(jié)構(gòu)為樁柱接蓋梁式結(jié)構(gòu)，采用斷柱托蓋梁整體頂升，澆筑下抱柱梁作為頂升反力基礎(chǔ)，抱柱梁高度不低于1.2 m，內(nèi)側(cè)蓋梁底及外側(cè)蓋梁加寬后作為托換體系，傳力路徑為：基礎(chǔ)下抱柱梁→千斤頂臨時(shí)支撐→蓋梁→空心板。4 號(hào)墩對(duì)稱布置液壓6 臺(tái)200 t 頂升千斤頂，6 臺(tái)200 t 跟隨千斤頂（見圖19）；5 號(hào)墩對(duì)稱布置4 臺(tái)200 t 頂升千斤頂和4 臺(tái)200 t 液壓千斤頂（見圖20）。

圖19 4 號(hào)墩頂升之實(shí)景

圖20 5 號(hào)墩頂升之實(shí)景

3.4.3.2 橋臺(tái)頂升

6 號(hào)橋臺(tái)為薄壁式橋臺(tái)，橋臺(tái)墻身厚度70 cm，高3.0 m，樁接承臺(tái)式基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸13.5 m×1.9 m×1.2 m，下設(shè)5 根直徑1.0 m 鉆孔樁，結(jié)構(gòu)尺寸較小，采用直接頂升法。在承臺(tái)跨內(nèi)側(cè)靜壓16 根0.25 m×0.25 m 預(yù)制方樁，在樁頂施工植筋澆筑鋼筋混凝土牛腿，做為頂升反力基礎(chǔ)。在梁底安裝鋼分配梁做為托換體系。傳力路徑為：靜壓樁→牛腿→千斤頂臨時(shí)支撐→分配梁→空心板。單墩布置200t 頂升千斤頂和跟隨千斤頂各6 臺(tái)。

6 號(hào)橋臺(tái)臺(tái)后采用高填方泡沫混凝土路基，頂升后高差達(dá)到6.75 m，在梁板頂升就位后切割原背墻，植筋澆筑扶壁式背墻（見圖21～圖23）。

圖21 6 號(hào)橋臺(tái)頂升改造順序圖（單位：cm）

圖22 6 號(hào)臺(tái)頂升之實(shí)景

圖23 臺(tái)后扶壁澆筑之實(shí)景

3.4.3.3 引橋加跨及臺(tái)后接線

第1、第2 跨引橋?yàn)樾略黾涌纾喜拷Y(jié)構(gòu)采用20 m空心板引橋，下部結(jié)構(gòu)為樁柱接蓋梁式基礎(chǔ)。0 號(hào)橋臺(tái)亦采用扶壁式橋臺(tái)，后方為路基加高段，挖除原路基路面及漿砌片石擋墻，采用泡沫混凝土高填方路基重新澆筑。

4 主橋頂升監(jiān)控措施

紫梅大橋位移監(jiān)控采用拉線式傳感器，設(shè)2 個(gè)斷面共4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于2 號(hào)、3 號(hào)墩主梁兩側(cè)。于7 月20 日正式開始頂升，7 月30 日頂升完成，共歷時(shí)11 d。累計(jì)頂升高度3.30 m。頂升過(guò)程平穩(wěn)，同一斷面2 個(gè)橫向測(cè)點(diǎn)間位移差值不大于2 mm，4 個(gè)測(cè)點(diǎn)最大位移差值不大于5 mm（見圖23、圖24）。

圖23 主橋頂升斷面位移差值曲線圖（單位：mm）

圖24 主橋頂升4 支點(diǎn)最大位移差值曲線圖

5 結(jié) 論

紫梅橋上跨長(zhǎng)湖申線西延航道，該項(xiàng)改建采用PLC 液壓同步頂升系統(tǒng)，液壓千斤頂與機(jī)械跟隨千斤頂組合的頂升方法，安全、快速地完成了對(duì)紫梅橋全橋整體頂升的改建任務(wù)，使改建后主橋通航孔滿足60 m×7 m 限制性Ⅲ級(jí)航道通航凈空，達(dá)到航道提升的需求。

該橋工程建設(shè)費(fèi)用4 550 萬(wàn)元（橋梁改建1 058萬(wàn)元）。由2019 年6 月封道至2020 年3 月通車，共計(jì)施工期9 個(gè)月，從斷柱施工至墩柱接高后拆模的千斤頂臨時(shí)支撐期間共歷時(shí)45 d。若采用新建同等規(guī)模橋梁，工程建設(shè)費(fèi)用5 480 萬(wàn)元（新建橋梁1 988 萬(wàn)元），施工工期約2 a。

頂升改建相比拆除重建改建方式，充分利用了原橋結(jié)構(gòu)，同時(shí)相比新建同等跨徑、結(jié)構(gòu)的橋梁，施工工期明顯縮短。起到了節(jié)約建設(shè)資金、縮短周期的效果。在內(nèi)河航道改建過(guò)程中，當(dāng)原橋結(jié)構(gòu)較為良好，橋梁主要受限于通航孔高度不足時(shí)，橋梁頂升改建方案具有明顯的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間優(yōu)勢(shì)，具有較好的社會(huì)效益。