無掩護(hù)外海裝配式墩臺高精度安裝技術(shù)研究

殷天軍，劉玉寶

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

翔安大橋（廈門第二東通道）工程海上航道橋墩臺采用裝配式施工。橋梁橋墩采用預(yù)制場工廠化預(yù)制，出運(yùn)至海上，無掩護(hù)條件下浮吊吊裝[1]。橋墩分為2節(jié)式墩臺、3節(jié)式墩臺2種類型。本項目2節(jié)式橋墩（承臺+下節(jié)墩身、上節(jié)墩身）9座，3節(jié)式橋墩（承臺+下節(jié)墩身、中節(jié)墩身及上節(jié)墩身）3座，共計27節(jié)。其中下節(jié)段（承臺+下節(jié)墩身）共12節(jié)，最重2 366 t，高（4.5+21.6）m[2]。

2 墩臺安裝難點

1）墩臺平面位置和傾斜度的安裝精度要求高。傾斜度不大于H/3 000，且不大于30 mm，截面中心位置偏差不大于10 mm。2）墩臺單件重量大，吊點設(shè)計難度大。3）裝配式墩臺安裝止水難度大。墩臺設(shè)計底標(biāo)高為-4 m，最大高潮位時最大水頭差為7.24 m，水壓力較大，止水難度較大。

3 總體施工方案

3.1 墩臺預(yù)制及出運(yùn)

墩臺在預(yù)制場進(jìn)行工廠化集中預(yù)制，達(dá)到設(shè)計要求的存放期后，墩臺通過預(yù)制場碼頭橫縱滑移軌道移至臨時坐底碼頭的半潛駁上[3]。墩臺在滑移過程中進(jìn)行吊裝系統(tǒng)的安裝調(diào)試。墩臺運(yùn)輸至半潛駁上進(jìn)行底節(jié)墩臺的套箱安裝及加固，隨后由半潛駁運(yùn)輸墩臺至安裝現(xiàn)場等待安裝。

3.2 墩臺安裝

海中橋梁采用鋼管復(fù)合樁，施工并樁檢完成后，對樁頂進(jìn)行抄平及磨平，將抱箍安裝處樁身四周清除干凈，隨后進(jìn)行中間樁止水系統(tǒng)安放和邊樁三維調(diào)位千斤頂及止水系統(tǒng)的安放。

起吊已裝好止水套箱的下節(jié)墩臺，對準(zhǔn)鋼管樁后進(jìn)行下放，隨后通過三維千斤頂和水下千斤頂?shù)囊簤赫{(diào)位及限位，墩臺參數(shù)滿足設(shè)計要求后頂升并抱緊止水抱箍，檢查無漏水情況后在落潮時澆筑C50水下速凝砂漿進(jìn)行止水，具備后續(xù)干作業(yè)施工條件。

4 臨時結(jié)構(gòu)

4.1 吊索具

使用一航津泰浮吊及專用吊索具（圖1）吊裝廈門第二東通道墩臺。使用下框架梁吊裝下節(jié)墩臺，此時吊具額載2 400 t?？筛鼡Q下節(jié)吊具吊裝更大墩身，此時上部通用吊具額載2 930 t。吊具吊裝墩身時均使用纜索配合吊裝。

圖1 吊索具設(shè)計圖Fig.1 Design drawing of spreader

吊具分為上吊具與下吊具，上下吊具之間使用鋼絲繩連接，下吊具通過纜索連接承臺。上吊具設(shè)置纜索，兼顧中上節(jié)吊具吊裝，上下吊具配合進(jìn)行底節(jié)承臺安裝。承臺吊裝時將承臺整體吊起后從鋼管樁頂套入，下吊具臨時放置于鋼管樁樁頂，做臨時支撐結(jié)構(gòu)。合理規(guī)劃吊點布置位置，在2個后澆孔中間設(shè)置吊點，考慮混凝土抗壓不抗拉的特性，吊點采用穿透承臺后兜底形式，建模對承臺的受力狀態(tài)進(jìn)行分析。每個吊點處設(shè)8根φ85 mm，材質(zhì)為40CrNiMo，抗拉強(qiáng)度不小于980 MPa，屈服強(qiáng)度不小于835 MPa吊桿。每組吊點底部設(shè)置底錨板，吊桿拆除后周轉(zhuǎn)使用[4]。

4.2 三維千斤頂

預(yù)制墩臺的精確調(diào)位是利用承臺4個角的鋼管復(fù)合樁作為承臺體系轉(zhuǎn)換前的承重鋼管，通過樁頂安裝的4個三維千斤頂對承臺進(jìn)行精確調(diào)位，經(jīng)過升降、側(cè)滾、俯仰、橫移、進(jìn)退和回轉(zhuǎn)等動作最終完成精確調(diào)位。通過三維千斤頂?shù)恼{(diào)位，可使承臺空間坐標(biāo)位置精度控制在2 mm以內(nèi)[5]。

4.3 水下千斤頂

水下千斤頂布置在4個角樁的預(yù)留孔內(nèi)，每根樁均勻布置3個，消除了水流力作用下鋼管樁擺動影響。

5 墩臺安裝工藝流程

5.1 準(zhǔn)備工作

1）鋼管樁表面處理

考慮需要給鋼抱箍留有操作空間，應(yīng)保證樁身表面干凈，可利用刮船器清除樁身表面海洋生物，防止止水抱箍下放時對抱箍內(nèi)側(cè)膠皮造成破壞及止水過程中鋼抱箍無法抱緊鋼管樁從而導(dǎo)致止水失敗。

2）頂升和止水系統(tǒng)安裝

在角樁頂位置整體套入三維千斤頂，千斤頂頂托盤卡在鋼管樁頂部，上下托盤之間通過鋼棒連接。在角樁三維千斤頂工裝上的預(yù)留槽內(nèi)放置20 t頂升千斤頂，隨后放置六角吊梁及通過精軋螺紋相連的3片鋼抱箍懸掛其上，形成邊樁的止水系統(tǒng)。

5.2 吊裝系統(tǒng)和水下千斤頂安裝

吊裝系統(tǒng)、水下千斤頂選擇在墩臺養(yǎng)護(hù)完成后，在出運(yùn)前進(jìn)行安裝。

5.3 墩臺出運(yùn)

墩臺預(yù)制且混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后將裝配式構(gòu)件從裝配式平臺橫縱移至儲存區(qū)平臺儲存。裝配好的墩臺通過臺車在軌道上橫、縱移至碼頭前沿[2]，裝船，封車加固，高潮起浮，使用拖輪傍拖半潛駁運(yùn)輸至現(xiàn)場。

5.4 起重船與半潛駁拋錨駐位

4 000 t浮吊提前在垂直橋軸線南側(cè)駐位，運(yùn)輸墩臺的半潛駁拖帶至現(xiàn)場垂直軸線方向，在預(yù)安裝的墩臺軸線以南（船頭朝南）起重船一側(cè)駐位。

5.5 套箱安裝施工

止水鋼套箱采用拼裝后整體安裝工藝，首先在半潛駁上將套箱進(jìn)行整體拼裝。拼裝好后在套箱底部設(shè)置高壓縮量雙峰止水帶（10 kN/m壓力下，壓縮量不低于20 mm）。待船舶駐位后，緩緩吊起拼裝好的鋼套箱，從墩身套入至承臺上方，在鋼套箱自重作用下壓縮止水帶，實測雙峰止水帶壓縮量約為20 mm。

5.6 墩臺吊裝

1）墩臺吊裝窗口

墩臺吊裝屬海上大噸位起重作業(yè)，受風(fēng)浪、水流影響很大，安裝前收集氣象信息，根據(jù)氣象水文情況選擇墩臺吊裝作業(yè)時間。浮吊適合吊裝墩臺的水文、氣象條件如表1所示。

表1 浮吊吊裝墩臺條件Table 1 Conditions for hoisting pier by floating crane

2）吊座連接

一航津泰吊持吊具緩慢移船至墩臺上方，從墩身套入，緩慢下放吊具，操作人員輔助將吊索澆注頭套入吊座耳板之間，穿入銷軸，并鎖好端頭處止退卡環(huán)。

3）墩臺起吊

緩慢起鉤，從500 t起吊以300 t為一級，逐級加載[6]，繼續(xù)起升直至承臺完全從臺車上離開10 cm，持荷靜置5 min，吊裝過程中觀察吊具受力狀態(tài)及墩臺狀態(tài)，直至安放完成。通過傾角傳感器觀測墩臺垂直度，通過調(diào)整兩鉤噸位使承臺垂直度不低于1/300。

4）浮吊下落墩臺

通過實時（測量）控制系統(tǒng)及傾角傳感器指揮調(diào)整浮吊臂桿角度及船位，使墩臺底面位于待安裝鋼管樁三維千斤頂頂面50 cm左右，中心與群樁中心偏差在±30 cm以內(nèi)，然后緩慢下落墩臺，確保墩臺準(zhǔn)確套入鋼管樁[3]。最終使吊具支撐結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確落于三維千斤頂工裝上。檢查三維千斤頂上的支墊牢固穩(wěn)定后，緩慢下落浮吊吊鉤，解除上下吊具之間的約束，最后吊離上吊具[7]。

5.7 墩臺調(diào)位

1）墩臺調(diào)位標(biāo)準(zhǔn)

墩身豎向傾斜度偏差不大于H/3 000，且不大于30 mm；墩身截面中心位置與設(shè)計位置偏差值不大于10 mm[8]。

2）墩臺調(diào)位施工

通過在墩身大方向側(cè)布設(shè)測量用反光貼，并在墩頂提前設(shè)置縱橫向軸線，通過墩身反光片計算現(xiàn)場墩身垂直度及偏位，調(diào)位技術(shù)人員根據(jù)偏位數(shù)據(jù)，按照先調(diào)整平面位置，再調(diào)整高程和垂直度的原則調(diào)整三維千斤頂。調(diào)整結(jié)束后，三維千斤頂豎向頂自鎖，水下頂頂緊，防止墩身出現(xiàn)偏位。

5.8 墩臺止水

墩臺調(diào)位完成后，在潛水員的止水和配合下，分別提升角樁樁頂和中間樁樁頂20 t千斤頂，將組片抱箍提升至承臺底面，潛水員水下將組片式抱箍耳板使用水下液壓扳手初打緊，繼續(xù)提升抱箍，至抱箍頂面單峰止水帶壓縮量不低于30 mm，將組片式抱箍打緊，實現(xiàn)承臺底面和鋼管樁側(cè)壁的止水，見圖2。在落潮時，在后澆孔內(nèi)澆筑速凝砂漿，待止水砂漿達(dá)到20 MPa以上強(qiáng)度后，后澆孔內(nèi)抽水作業(yè)。

圖2 抱箍止水原理圖Fig.2 Principle diagram of water stop of hoop

6 吊具監(jiān)測

吊具監(jiān)測選取起吊、移位、進(jìn)孔、就位4個持續(xù)動作。

1）吊裝過程中的微應(yīng)變監(jiān)測時程曲線如圖3所示，起吊后應(yīng)變變化隨逐級加載有較好的對應(yīng)關(guān)系，移位時內(nèi)力在附近達(dá)到較大值，隨后內(nèi)力保持相對平穩(wěn)，在下放入孔內(nèi)后內(nèi)力結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，內(nèi)力有對應(yīng)的突變，隨后保持穩(wěn)定。

吊裝過程中的應(yīng)力數(shù)值為應(yīng)變×彈性模量，結(jié)合圖3可以看到，受力體系轉(zhuǎn)變以后，跨中彎曲應(yīng)力最大值為49.50 MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計值，說明結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有較高的安全儲備，體系穩(wěn)定可靠，同時也說明了吊具結(jié)構(gòu)的冗余量過大，造成了不經(jīng)濟(jì)的情況，可根據(jù)本次的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行吊具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

圖3 微應(yīng)變監(jiān)測時程曲線Fig.3 Time history curve of micro-strain monitoring

2）傾斜監(jiān)測設(shè)置2個方向，其中傾角01方向為下框架梁主梁垂直方向，傾角02方向?qū)?yīng)下框架梁主梁軸向方向，吊裝過程中的傾角監(jiān)測時程曲線如圖4所示。根據(jù)傾角監(jiān)測結(jié)果，起吊后吊具吊繩收緊程度略有差異導(dǎo)致輕微的傾斜角度，逐級加載過程中，吊具保持之前姿態(tài)，在移位初期進(jìn)行傾斜調(diào)整，由于吊機(jī)只能調(diào)整一個方向的傾斜，經(jīng)過調(diào)整傾角02方向基本水平，傾角01方向約0.40°的傾斜，當(dāng)墩身入孔時傾角變化較為明顯，墩臺就位后傾角01方向傾斜顯著減小。

圖4 傾角監(jiān)測時程曲線Fig.4 Time history curve of obliquity monitoring

3）加速度設(shè)置2個方向，其中加速度01方向為下框架梁主梁垂直方向，加速度02方向?qū)?yīng)下框架梁主梁軸向方向，吊裝過程中的加速度監(jiān)測時程曲線見圖5。根據(jù)加速度監(jiān)測結(jié)果，墩臺吊運(yùn)過程中吊具加速度小于0.049 m/s2，后續(xù)吊裝過程中可適當(dāng)加快墩身移動速度以提高安裝進(jìn)度，并且在吊裝過程中還能減小潮位帶來的影響。

圖5 加速度監(jiān)測時程曲線Fig.5 Time history curve of acceleration monitoring

7 結(jié)語

無掩護(hù)外海裝配式墩臺高精度安裝技術(shù)在翔安大橋（廈門第二東通道）工程的成功應(yīng)用，對海上裝配化技術(shù)有重要的推動作用。此技術(shù)能夠完成外海域大潮差環(huán)境下橋梁裝配化墩臺安裝施工作業(yè)，實現(xiàn)了安裝的高精度控制，同時利用了廠內(nèi)預(yù)制墩臺的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)優(yōu)點，又避免了海上長時間作業(yè)的安全風(fēng)險，保證了安裝質(zhì)量。