港珠澳大橋九洲航道橋主墩鋼塔柱吊安技術(shù)

畢朝陽(yáng)

(中鐵交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530201)

1 工程概況

港珠澳大橋是我國(guó)境內(nèi)連接香港、廣東珠海和澳門(mén)的一項(xiàng)世紀(jì)工程，是目前世界上最長(zhǎng)的跨海大橋。九洲航道橋是港珠澳大橋的組成部分，位于珠海側(cè)淺水區(qū)，大橋采用雙塔單索面鋼混組合梁斜拉橋，主跨設(shè)單孔雙向通航，橋跨布置為(85+127.5+268+127.5+85)m，全長(zhǎng)693 m。全橋共6個(gè)橋墩，其中206號(hào)、207號(hào)墩為主塔墩，主塔采用“風(fēng)帆”造型，斜拉索采用豎琴形布置。九洲航道橋布置見(jiàn)圖1。

九洲航道橋主墩主塔采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，由豎直的塔柱和彎曲的曲臂組成，塔高114.7 m，塔柱和曲臂自塔底至塔頂依次為：13.7 m混凝土塔柱、3 m鋼混結(jié)合段和98.0 m鋼塔柱。鋼塔柱共分為8個(gè)吊裝節(jié)段(一個(gè)主塔)，即下塔柱T0(鋼混結(jié)合段),T1，T2，T3(塔梁固結(jié)段),曲臂B(三)～B(一)節(jié)段；上塔柱T4～T9階段及曲臂A(一)～A(三)節(jié)段。九洲航道橋主塔鋼塔柱節(jié)段分塊見(jiàn)圖2。

2 主塔施工總體方案研究

目前，水上(海上)斜拉橋鋼主塔一般采用塔吊分節(jié)段進(jìn)行吊裝施工，這類(lèi)施工方案具有臨時(shí)結(jié)構(gòu)投入少、施工操作簡(jiǎn)單、安裝效率高的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，需要投入大型的塔吊設(shè)備，具有高空作業(yè)點(diǎn)多、現(xiàn)場(chǎng)焊接及涂裝工作量大、設(shè)備費(fèi)用投入大的缺點(diǎn)。主塔鋼塔柱塔吊分節(jié)段吊裝施工見(jiàn)圖3。

港珠澳大橋九洲航道橋由于澳門(mén)機(jī)場(chǎng)航線經(jīng)過(guò)橋址區(qū)域，橋位處的航空限制高程為+122.0 m，成橋后塔頂高程為+120.0 m，限高以下施工高度僅為2.0 m，采用塔吊輔助吊裝的常規(guī)方法施工難以滿足施工期航空限高的要求。因此，九洲航道橋在施工過(guò)程中，下塔柱采用分節(jié)段吊裝方案，上塔柱施工主要研究了“臨時(shí)支墩一次豎轉(zhuǎn)”“大節(jié)段梁面提升豎轉(zhuǎn)”以及“浮吊大節(jié)段整體吊裝”三個(gè)方案[1]。

2.1 方案一：“臨時(shí)支墩一次豎轉(zhuǎn)”方案

該方案是在兩邊跨各設(shè)置一個(gè)臨時(shí)墩，橋面以下的鋼塔柱及曲臂采用浮吊分節(jié)段吊裝，橋面以上部分鋼塔柱及曲臂在工廠分節(jié)段加工制造完成后，按照“塔柱在上、曲臂在下”的方式組拼成大節(jié)段，整體浮運(yùn)至橋位，利用大型浮吊起吊放置在下鉸座分配梁上的墊塊和臨時(shí)墩上，通過(guò)三向調(diào)整裝置將上塔柱上、下鉸座對(duì)孔，插上銷(xiāo)軸，形成鋼塔臨時(shí)轉(zhuǎn)鉸；安裝橫向抗風(fēng)撐桿及豎轉(zhuǎn)架，布置拽拉錨固系統(tǒng)及后錨索，整體豎轉(zhuǎn)鋼塔立柱和曲臂，焊接鋼塔柱，完成鋼塔柱整體轉(zhuǎn)體施工。九洲航道橋主塔上塔柱一次豎轉(zhuǎn)施工見(jiàn)圖4。

2.2 方案二：“梁面提升豎轉(zhuǎn)”方案

該方案是在主塔處橋面上設(shè)置上塔柱提升及空中翻身臨時(shí)鋼管支架以及滑道梁，橋面以上部分鋼塔柱及曲臂在工廠分節(jié)段加工制造完成后，按照“塔柱在下、曲臂在上”的方式組拼成大節(jié)段，整體浮運(yùn)至橋位，利用大型浮吊在橋位處水平起吊上塔柱至塔梁固結(jié)段頂面，順橋向水平落至T3頂口臨時(shí)支撐及滑移軌道臨時(shí)支撐上，利用在梁面主塔位置處安裝的鋼管吊架上的連續(xù)千斤頂進(jìn)行上塔柱提升及空中豎轉(zhuǎn)作業(yè)，完成上塔柱的安裝施工。九洲航道橋主塔上塔柱水平吊裝、梁面提升豎轉(zhuǎn)施工見(jiàn)圖5。

2.3 方案三：“浮吊大節(jié)段整體吊裝”方案

該方案是橋面以上部分鋼塔柱及曲臂在工廠分節(jié)段加工制造完成后，按照“塔柱在下、曲臂在上”的方式組拼成大節(jié)段，整體浮運(yùn)至橋位，利用一大一小兩臺(tái)浮吊配合完成塔柱起吊、空中翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)塔柱至豎直狀態(tài)后小浮吊退出，大浮吊絞錨前移將上塔柱吊至已安裝主塔塔柱正上方，然后緩慢下放塔柱，距離T3節(jié)段頂位置一定距離時(shí)，減緩下放速度，利用牽引系統(tǒng)進(jìn)行粗定位，下放過(guò)程中利用倒鏈配合將上塔柱導(dǎo)向板喂入下塔柱導(dǎo)向板凹口中，測(cè)量安裝精度滿足要求后安裝節(jié)段間匹配件螺栓將塔柱臨時(shí)鎖定，吊機(jī)解鉤，進(jìn)行塔柱壁板焊接，完成上塔柱安裝施工。該方案為了規(guī)避塔頂以上航空限高的限制，采用了雙臂架大噸位浮吊，吊點(diǎn)設(shè)置在上塔柱整體節(jié)段重心以上一定范圍，浮吊吊臂頂高程嚴(yán)格限制在+122.0 m 標(biāo)高以下。九洲航道橋主塔上塔柱浮吊大節(jié)段整體吊裝施工見(jiàn)圖6。

對(duì)比以上三個(gè)方案，方案一“臨時(shí)支墩一次豎轉(zhuǎn)”方案具有制造精度高、工期短、現(xiàn)場(chǎng)焊接及涂裝工程量小、效率高、高空作業(yè)少等優(yōu)點(diǎn)；該方案的缺點(diǎn)是由于采用“曲臂在下，塔柱在上”的方式運(yùn)輸，鋼塔整體大節(jié)段重心高，主塔運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)，塔柱豎轉(zhuǎn)施工操作復(fù)雜，橫向穩(wěn)定及豎轉(zhuǎn)就位時(shí)抗傾覆控制難度較大。方案二“梁面提升豎轉(zhuǎn)”方案除了具有方案一的優(yōu)點(diǎn)外，由于該方案是采用“曲臂在上，塔柱在下”的方式進(jìn)行組拼及運(yùn)輸，鋼塔整體大節(jié)段重心低，主塔運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更??；方案二的缺點(diǎn)是臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)投入較多，鋼塔及主梁局部位置需要進(jìn)行加強(qiáng)。方案三“浮吊大節(jié)段整體吊裝”方案除了具有方案一及方案二的優(yōu)點(diǎn)外，采用雙臂架大噸位浮吊吊裝施工還具有臨時(shí)設(shè)施投入少的優(yōu)點(diǎn)；該方案的缺點(diǎn)是浮吊噸位大，浮吊費(fèi)用高，同時(shí)，鋼塔柱利用兩臺(tái)浮吊進(jìn)行空中翻轉(zhuǎn)時(shí)受力較復(fù)雜，過(guò)程控制難度大等缺點(diǎn)。

在港珠澳大橋九洲航道橋主塔施工中，經(jīng)過(guò)對(duì)各方案的詳細(xì)驗(yàn)算和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，最終選擇方案二，即“梁面提升豎轉(zhuǎn)”方案作為九洲航道橋鋼主塔上塔柱的實(shí)施方案。

3 下塔柱施工

九洲航道橋主塔下塔柱包括T0～T3節(jié)段及曲臂B(一)～B(三) 節(jié)段，采用大噸位浮吊分節(jié)段吊裝就位，節(jié)段吊裝順序依次為：塔柱T0節(jié)段→塔柱T1節(jié)段→塔柱T2節(jié)段→曲臂B(三)節(jié)段→曲臂B(二)節(jié)段→塔柱T3節(jié)段→曲臂B(一)節(jié)段。其中T0節(jié)段為鋼混結(jié)合段，浮吊吊裝后放置在混凝土塔柱頂?shù)膭判怨羌苌?，再利用三向調(diào)整設(shè)備進(jìn)行精確定位；T3節(jié)段為塔梁固結(jié)段，采用設(shè)置墩旁托架進(jìn)行臨時(shí)支撐，為便于鋼主梁(塔)節(jié)段架設(shè)時(shí)精確調(diào)整對(duì)位，在墩旁托架頂鋼箱分配梁上設(shè)置縱橫移千斤頂及豎向千斤頂，實(shí)現(xiàn)鋼主梁(塔)的三向調(diào)節(jié)[2-3]。

4 上塔柱施工

4.1 上塔柱安裝施工工藝流程

上塔柱安裝施工工藝流程圖見(jiàn)圖7。

4.2 上塔柱提升豎轉(zhuǎn)主要臨時(shí)設(shè)施設(shè)計(jì)

九洲航道橋上塔柱吊裝施工臨時(shí)設(shè)施主要包括上塔柱提升及空中翻身鋼管支架、滑移體系、滑移鉸座等部分，另外還有吊具及吊耳、塔柱定位及導(dǎo)向等匹配件以及塔柱、主梁局部加固、施工操作平臺(tái)等。

4.2.1 上塔柱提升及空中翻身鋼管支架

九洲航道橋上塔柱整體大節(jié)段吊裝施工采用設(shè)置鋼管支架作為上塔柱提升豎轉(zhuǎn)作業(yè)的受力結(jié)構(gòu)，支架平面由8根鋼管柱分布，每個(gè)鋼管支架由左、右幅兩個(gè)獨(dú)立支架組成。每個(gè)獨(dú)立支架由“4根φ1.0 m鋼管+φ400 mm鋼管聯(lián)結(jié)系”組成格構(gòu)式受壓結(jié)構(gòu)。鋼管支架從梁面往上主要由墊塊、墊梁、柱腳、鋼管立柱、分配梁、連續(xù)千斤頂及鋼絞線組成。上塔柱提升及空中翻身鋼管支架總布置圖見(jiàn)圖8。

4.2.2 滑道系統(tǒng)

上塔柱在利用鋼管支架提升的時(shí)候，為了保證塔柱底口能夠平順滑動(dòng)，在橋面與塔柱底口之間布設(shè)滑移體系，滑道系統(tǒng)主要由墊塊(梁)、貝雷桁架結(jié)構(gòu)及滑道梁等組成?；缽南碌缴弦来魏簤|塊、貝雷梁、滑道梁三大部分。

4.2.3 滑移鉸系統(tǒng)

滑移鉸系統(tǒng)是塔柱在提升過(guò)程中輔助受力結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是上塔柱水平吊至梁面后T4節(jié)段端的臨時(shí)支撐點(diǎn)，由滑移鉸、滑座及反扣構(gòu)成?；沏q為φ1 000 mm×φ20 mm鋼管，鋼管局部灌注C30自密實(shí)混凝土，與鋼塔柱T4節(jié)段底口通過(guò)連接件采用12.9級(jí)M30高強(qiáng)螺栓連接，連接件之間采用雙面角焊縫焊接?；胺纯鄄捎貌馁|(zhì)Q345B厚度為20 mm鋼板制作，滑座頂部設(shè)置直徑為1 010 mm圓弧，滑移鉸內(nèi)切于滑座頂面圓弧，滑移鉸與滑座間填10 mm厚聚四氟乙烯板，減小滑行摩阻力，為防止滑座偏離滑道梁，滑座底部?jī)啥撕赶尬话?；反扣?nèi)徑為 1 020 mm，反扣與滑座間采用12.9級(jí)M30高強(qiáng)螺栓連接形成滑移系統(tǒng)?；沏q系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

4.2.4 吊具

上塔柱安裝施工過(guò)程中根據(jù)工況不同，分為兩種吊具：一是上塔柱由浮吊水平吊放至梁面設(shè)計(jì)位置過(guò)程中(后面簡(jiǎn)稱“海上吊裝”)使用的吊具；二是上塔柱梁面提升豎轉(zhuǎn)過(guò)程中(后面簡(jiǎn)稱“梁面提升豎轉(zhuǎn)”)使用的吊具及設(shè)備。

1)“海上吊裝”用吊具。

采用浮吊進(jìn)行海上吊裝作業(yè)，吊點(diǎn)分兩種類(lèi)型，一側(cè)利用上塔柱與扁擔(dān)梁的連接銷(xiāo)軸孔直接穿銷(xiāo)軸連接鋼吊帶起吊，鋼拉帶為厚度60 mm、材質(zhì)為Q345b鋼板加工而成，兩根一組，通過(guò)φ280 mm銷(xiāo)軸與上塔柱和鋼絲繩連接。另一側(cè)采用吊梁方式起吊，吊梁為箱型梁結(jié)構(gòu)，截面尺寸1 200 mm×800 mm，長(zhǎng)度6.0 m，由材質(zhì)Q235B鋼板焊接而成。

2)“梁面提升豎轉(zhuǎn)”用吊具。

上塔柱豎轉(zhuǎn)提升采用鋼絞線液壓提升裝備，由穿芯式油缸、液壓泵站和控制柜組成。每個(gè)塔柱共設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)。提升時(shí)，鋼絞線一端與穿心頂油缸的上下錨相連，另一端為保證受力可靠傳遞，在提升鋼絞線與三角連接板間設(shè)置錨箱結(jié)構(gòu)，錨箱與鋼絞線采用鋼絞線穿心錨固，錨箱與三角連接板采用銷(xiāo)軸連接，三角連接板采用銷(xiāo)軸與扁擔(dān)梁連接。三角板連接件為厚度60 mm、材質(zhì)為Q690D鋼板焊接而成的半封閉式結(jié)構(gòu)，與塔柱扁擔(dān)梁通過(guò)銷(xiāo)軸連接，是上塔柱提升豎轉(zhuǎn)過(guò)程中的直接承重結(jié)構(gòu)。為保證塔柱在梁面提升后能夠順利翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，扁擔(dān)梁設(shè)置在上塔柱重心位置以上4.216 m(T6，T7節(jié)段分界線以上1.125 m)處。

4.3 上塔柱大節(jié)段豎轉(zhuǎn)提升主要施工步驟

步驟一：

拼裝內(nèi)海側(cè)鋼管支架及滑道梁，在外海側(cè)采用浮吊水平吊裝主塔上塔柱整體大節(jié)段至主塔臨時(shí)支撐處,設(shè)置抗風(fēng)拉攬將主塔拉在鋼主梁上。

步驟二：

拼裝外海側(cè)鋼管立柱,安裝提升系統(tǒng)，安裝邊跨側(cè)30 t水平千斤頂，拆除抗風(fēng)拉攬完成起吊前準(zhǔn)備工作，見(jiàn)圖10。

步驟三：

利用四臺(tái)連續(xù)千斤頂同步提升鋼塔，邊跨側(cè)30 t水平千斤頂配合作業(yè)，拆除鋼塔T3節(jié)段頂?shù)呐R時(shí)支撐，安裝中跨側(cè)30 t水平千斤頂。四臺(tái)連續(xù)千斤頂同步提升鋼塔沿滑道緩慢滑移，兩臺(tái)30 t水平千斤頂配合作業(yè)(如圖11所示)。

步驟四：

提升鋼塔至設(shè)計(jì)位置(鋼塔T4節(jié)段底部距離T3節(jié)段頂3.3 m)，調(diào)整鋼塔至豎直狀態(tài)，拆除滑靴。同步下放鋼塔，上塔柱與下塔柱對(duì)位完成后，進(jìn)行焊接施工完成鋼塔柱安裝。

4.4 塔柱安裝過(guò)程中的定位措施

為保證鋼塔柱安裝的順利進(jìn)行，采取在鋼塔柱上設(shè)置導(dǎo)向裝置、精調(diào)裝置及匹配件臨時(shí)鎖定等措施，實(shí)現(xiàn)鋼塔柱精準(zhǔn)就位。

4.4.1 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)粗定位

上塔柱安裝時(shí)由于塔柱本身高度較高，截面尺寸較大，容易受風(fēng)力影響擺動(dòng)，為保證上塔柱在吊裝過(guò)程中能夠順利下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并完成匹配件連接，需在T3節(jié)段上口設(shè)置導(dǎo)向系統(tǒng)，新增導(dǎo)向設(shè)置于T3頂口內(nèi)側(cè)四角處，采用箱型結(jié)構(gòu)，高度990 cm，其中604 cm伸出T3節(jié)段頂口，并設(shè)置斜向坡度，作為初步導(dǎo)向，便于塔柱順利下放，上塔柱下口至T3節(jié)段上方約1 m位置時(shí)，緩慢下放，確保節(jié)段底口順利滑入導(dǎo)向板達(dá)到初步對(duì)位[4-5]。

4.4.2 精調(diào)定位裝置

在已安裝鋼塔柱節(jié)段頂口部位安裝定位調(diào)整工裝，實(shí)現(xiàn)待安裝塔柱定位及調(diào)位。定位調(diào)整工裝和設(shè)備主要包括手搖式千斤頂和設(shè)置在T3節(jié)段頂口四角“新增導(dǎo)向”上布設(shè)的橫橋向和縱橋向水平支撐，支撐采用鋼板焊接 。

4.4.3 匹配件

在塔柱焊接制造時(shí)在T4節(jié)段下口及T3節(jié)段上口壁板內(nèi)側(cè)焊接匹配件用于塔柱安裝過(guò)程中精確定位及定位完成后臨時(shí)鎖定，安裝過(guò)程中采用雙層鑄鋼鋼鍥塊結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整和控制匹配件，鋼鍥塊的高差可調(diào)性(高差調(diào)整范圍為200 mm～215 mm)使上塔柱高程精確調(diào)整及其安裝的垂直度得到保證，保證了匹配件所承受壓力的有效傳遞。

5 施工注意事項(xiàng)

1)鋼管立柱、墊塊、墊梁、吊具及銷(xiāo)軸等臨時(shí)設(shè)施的制造及安裝應(yīng)保證其精度滿足要求。

2)鋼管支架拼裝完成后，應(yīng)對(duì)支架系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢查驗(yàn)收工作。檢查的主要項(xiàng)目?jī)?nèi)容為：a.全部桿件與節(jié)點(diǎn)拼裝是否正確；b.螺栓是否上滿擰緊；c.立柱根部錨固點(diǎn)連接情況；d.支架傾斜及總體偏位是否符合要求。

3)吊裝施工時(shí)，應(yīng)詳細(xì)掌握潮位、氣象等的現(xiàn)狀和施工期間的發(fā)展趨勢(shì)，吊裝工作盡可能選擇高潮位且作業(yè)點(diǎn)風(fēng)速10 m/s以下，無(wú)雨霧天氣，且溫差變化較小的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行。

4)吊裝施工前，應(yīng)做好機(jī)具準(zhǔn)備，主要是吊具的安裝、調(diào)試檢查(包括吊梁、銷(xiāo)軸、鋼拉帶及鋼絲繩等)以及定位型鋼的安裝檢查，并應(yīng)檢查和清潔塔柱接觸端面和滑靴螺栓連接質(zhì)量，使之達(dá)到規(guī)定要求，作業(yè)時(shí)不得污染。

5)塔柱起吊、調(diào)整、下放整個(gè)過(guò)程中需配備有經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)人員，起吊時(shí)嚴(yán)格按照信號(hào)員指令執(zhí)行，避免發(fā)生安全事故。

6)在上塔柱上安裝傾斜儀，并派專(zhuān)人時(shí)時(shí)監(jiān)控吊裝過(guò)程中上塔柱的雙向傾斜情況，當(dāng)超出施工規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)立即停止施工，調(diào)整至符合要求后再繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)施工。

7)上塔柱豎轉(zhuǎn)就位后，按照先里側(cè)、后外側(cè)的順序進(jìn)行焊接，所有焊縫采用對(duì)稱、同方向、同步進(jìn)行，以控制焊接變形。在焊接過(guò)程中，對(duì)角變形量、標(biāo)高、水平度、垂直度進(jìn)行的測(cè)量觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況暫停，及時(shí)調(diào)整焊接順序進(jìn)行特殊處理。

6 結(jié)語(yǔ)

港珠澳大橋九洲航道橋主塔鋼塔柱安裝，通過(guò)多方案研究和比選，最終選擇下塔柱分節(jié)段吊裝、上塔柱梁面整體提升豎轉(zhuǎn)的方案進(jìn)行安裝施工，成功的規(guī)避了塔頂航空凈空的限制要求。同時(shí)，在主塔梁面豎轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)采用計(jì)算機(jī)控制液壓同步提升技術(shù)，做到了提升過(guò)程中的荷載均衡和位移同步，順利、安全的完成了九洲航道橋的鋼塔柱安裝，為港珠澳大橋九洲航道橋如期建成創(chuàng)造了有利條件。