大跨度鋼管混凝土拱橋主拱施工安全風(fēng)險控制

白向龍,李金勝,李良清,王曉理

(中交一公局第四工程有限公司,廣西 南寧 530033)

0 引言

貴州作為我國一個溝壑縱橫的喀斯特地貌區(qū),需要大量的橋梁來溝通各地。同時,通過建造安全經(jīng)濟且輕盈美觀的大跨度橋梁,降低了對周邊土壤、植被和水資源的影響,保護了當(dāng)?shù)貎?yōu)良的生態(tài)環(huán)境。經(jīng)過多年的實踐,我國在鋼管混凝土拱橋建設(shè)上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗,形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)。但是作為對傳統(tǒng)橋梁施工技術(shù)的一種突破,在鋼管混凝土拱橋具體施工過程中如何控制風(fēng)險缺乏系統(tǒng)研究。本文將結(jié)合工程實例,以德余高速公路烏江特大橋為例,對施工中的安全風(fēng)險管控措施進行推廣,可為今后大跨度鋼管混凝土拱橋的施工提供經(jīng)驗參考。

1 工程概況

烏江特大橋是德江(合興)至余慶高速公路DYTJ-6標(biāo)的控制性工程,橋梁全長1 834 m,主橋采用跨徑為504 m的上承式鋼管混凝土變截面桁架拱橋,建成時是世界最大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋。拱軸線采用懸鏈線,拱軸線系數(shù)為2.2,矢高為90 m,矢跨比為1/5.278,為拱、梁、柱剛接協(xié)同受力體系。主拱肋采用由8根D1 400 mm鋼管,通過腹桿、橫聯(lián)和風(fēng)撐組成的等寬變高度空間桁架結(jié)構(gòu)。

主拱肋節(jié)段劃分按構(gòu)件運輸長度和吊重控制,從拱腳至拱頂共劃分為15個節(jié)段,全橋共60個節(jié)段,最大節(jié)段吊重為155 t。拱肋安裝采用纜索吊裝+斜拉扣掛的無支架施工方法,利用現(xiàn)有的墩柱布置纜索吊裝系統(tǒng)和斜拉扣掛系統(tǒng),采用纜塔、扣塔分離的方式,纜塔位于引橋24#墩、28#墩蓋梁上,扣塔位于交界墩主梁上,即25#墩、26#交界墩上。拱肋采用水上運輸,船只將吊裝節(jié)段運輸至橋位下方,然后采用纜索吊進行安裝。拱肋采用單節(jié)段安裝,由拱腳向拱頂依次對稱安裝,同步進行斜拉扣掛體系的施工,經(jīng)監(jiān)控監(jiān)測、溫度修正、調(diào)整內(nèi)力及線型后完成拱肋合龍。

2 施工安全設(shè)計

2.1 纜索吊裝系統(tǒng)

結(jié)合橋址區(qū)烏江兩岸的地形地貌特點,項目確定了引橋貫通后安裝纜索吊系統(tǒng)的施工順序,與同類型橋梁相比,極大地降低了纜索吊安裝過程中高處作業(yè)風(fēng)險,引橋橋面為施工作業(yè)提供了工作面,保證了安全文明施工。

烏江特大橋纜索吊裝系統(tǒng)包括纜索系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、錨碇和纜塔系統(tǒng)。兩岸纜塔分別布置于引橋24#墩和28#墩蓋梁上,采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段組拼為整體,塔架高70 m,采用鋼管、型鋼組成的桁架結(jié)構(gòu)。為降低纜塔左右兩側(cè)塔肢間的不平衡水平力,余慶側(cè)將錨碇布置在主橋34#橋臺橋軸線位置,設(shè)置為整體式錨碇,由于德江側(cè)設(shè)置成整體式錨碇受引橋干擾,故設(shè)置為沿橋軸線對稱布置于16#墩兩側(cè)的分離式錨碇。錨碇設(shè)計均為整體式重力錨碇,并輔助斜向巖錨。

纜索吊構(gòu)造結(jié)合吊裝工況設(shè)計為主吊系統(tǒng)和工作吊系統(tǒng)兩種類型,每種類型均設(shè)計2套吊裝系統(tǒng)。卷揚機及控制室均布置于余慶側(cè)錨錠系統(tǒng)處,卷揚機固定采用預(yù)埋鋼板焊接。以主吊系統(tǒng)為例,單套主吊跨中設(shè)計額定吊重為160 t,計算均布荷載和集中荷載下各繩索的受力情況,纜索吊裝系統(tǒng)(主吊)安全系數(shù)通過計算如表1所示。

表1 纜索吊(主吊)繩索安全設(shè)計表

主吊系統(tǒng)的主要功能是主拱肋安裝,工作吊系統(tǒng)主要用于節(jié)段之間橫撐、K撐及施工期間小型機具、材料和構(gòu)件的運輸。主拱肋安裝時左幅主吊吊裝下游拱肋,右幅主吊吊裝上游拱肋,確保吊裝中起重繩為垂直起吊。兩幅拱圈間橫撐、K撐采用工作吊吊裝,與主吊作業(yè)互不干擾。

2.2 斜拉扣掛系統(tǒng)

烏江特大橋主拱最大懸臂拼裝長度達237 m,通過合理的斜拉扣掛系統(tǒng)布置及施工安裝程序,達到安全高效施工的目標(biāo)。烏江特大橋扣掛系統(tǒng)由交界墩及扣塔、錨碇、扣背索等三部分組成,兩岸扣塔分別位于25#、26#交界墩位置。

全橋設(shè)計錨碇共12個,兩岸錨碇各6個,扣背索采用φs15.2 mm鋼絞線組成,兩岸GL1～GL9拱肋節(jié)段分別扣掛于交界墩上,GL10～GL15分別扣掛于兩岸扣塔。拱肋吊裝完畢后,扣背索采用平衡張拉工藝,通過模型計算完成扣背索索力安全系數(shù)設(shè)計,并按照設(shè)計完成拱肋懸臂扣掛。詳見表2。

表2 拱肋扣索索力及鋼絞線使用數(shù)量表

3 風(fēng)險控制措施

3.1 吊裝管控

3.1.1 吊裝設(shè)施管理

纜索吊系統(tǒng)安裝完后,由項目部組織參建各方對纜索吊系統(tǒng)進行綜合驗收,包含主要結(jié)構(gòu)件、錨定體系、吊索具和各類安全限位系統(tǒng)。纜索吊主要構(gòu)件連接采用栓焊結(jié)合體系,高強螺栓采用扭矩法進行質(zhì)量檢查,結(jié)構(gòu)件、吊耳等位置焊縫全部經(jīng)無損探傷合格后方可進入下道工序。因纜索吊累計繩索長約90 000 m,引進VTS6D-F250型鋼絲繩電腦探傷儀,在線檢測鋼絲繩內(nèi)外部斷絲、磨損、銹蝕、變形、松股、跳絲、材質(zhì)變化等各種缺陷,確保吊裝系統(tǒng)的整體安全性。

纜索吊驗收中做好單側(cè)起吊和整體抬吊試運行工作,主吊試運行采用設(shè)計荷載的50%、100%、110%和125%逐級加載方式進行,動態(tài)觀測塔頂位移、主索垂度、后錨以及各轉(zhuǎn)向滑輪、跑車、吊具運轉(zhuǎn)情況,發(fā)現(xiàn)異常及時停止并分析原因。詳見表3。

表3 纜索吊試運行表

纜索吊系統(tǒng)全部完成后按照屬地原則報當(dāng)?shù)靥貦z系統(tǒng)登記備案,作業(yè)人員為按照特種設(shè)備市場監(jiān)管局統(tǒng)一考核的操作和指揮人員,并根據(jù)工作特點將主吊和工作吊分開設(shè)置操作間。全體人員必須經(jīng)項目部考核合格后方可上崗作業(yè)。

主拱起吊過程中,采用主吊按照≤2 m/min的起升速度緩慢起吊,起吊后安全員做好兩岸纜索吊投影區(qū)域內(nèi)的人員、船只和車輛管控,禁止無關(guān)人員逗留。為確保吊裝過程連續(xù)可控,吊裝前需組織電力部門排查設(shè)備供電網(wǎng)絡(luò),并配備2臺800 kW發(fā)電機做吊裝應(yīng)急儲備。主拱肋到達安裝高度后啟動牽引索系統(tǒng),按照≤3 m/min的速度往兩岸移動。嚴禁起吊過程中起升和牽引系統(tǒng)同時啟動。吊裝過程中需密切關(guān)注突發(fā)大風(fēng)、強降雨和雷電等天氣情況,確保吊裝到位后能準(zhǔn)確安裝。主拱每日吊裝前做好纜索吊的日常檢查工作,重點部位包括錨錠滑移情況、鋼絲繩連接與固定、卷揚機固定、索鞍等,并在正式吊裝前空載運行檢查。

3.1.2 水上作業(yè)管理

烏江特大橋主拱肋利用了烏江航道進行轉(zhuǎn)運,在纜索吊主吊下方固定船位后,垂直起吊進行安裝。吊裝前,由項目物設(shè)部門對水運船只安全作業(yè)條件開展核查,核查內(nèi)容包括適航條件、配員情況、船舶檢驗和人員證書等。作業(yè)前邀請當(dāng)?shù)睾Ｊ虏块T參與,共同做好船員和水上作業(yè)人員的培訓(xùn)與教育。施工作業(yè)過程中所有人員一律佩戴好救生衣。

根據(jù)主拱肋吊運特點,船只采用500噸級內(nèi)河運輸船,并使用300 t的混凝土配重塊壓載,提高了船舶吃水深度,降低船舶重心,并增強了主拱肋運輸穩(wěn)定性。烏江航道目前仍屬于四級航道,頻繁有社會船只航行,給主拱肋轉(zhuǎn)運和吊裝帶來安全風(fēng)險。施工前提前與當(dāng)?shù)厮辖煌ü芾聿块T聯(lián)系,由當(dāng)?shù)睾降拦芾聿块T發(fā)布航行通告,提醒過往船只降低船速。同時,上下游各500 m處設(shè)置一艘警戒船和江岸警示標(biāo)牌,船舶間建立統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò),利用船舶聲響信號做好吊運期間的應(yīng)急聯(lián)絡(luò)。

3.2 扣掛安裝管控

主拱肋吊裝到位后,首節(jié)段采用固定支架進行位置精調(diào),后續(xù)節(jié)段均為高空對接,涉及受力體系轉(zhuǎn)換、高空作業(yè)和張拉錨固等諸多風(fēng)險點。主要過程為:在節(jié)段連接法蘭盤處打入沖釘及連接螺栓進行對中調(diào)整,螺栓孔對中后,迅速安裝法蘭盤螺栓,對稱進行緊固,安裝一側(cè)吊鉤卸載,并同步逐根穿扣索張拉。按照扣掛系統(tǒng)受力分析,扣背索同步張拉至設(shè)計值50%后完成吊鉤卸載。GL2～GL6節(jié)段根據(jù)偏位安裝風(fēng)纜,GL7～GL15節(jié)段隨扣索一起掛在拱肋上,作為主要抗風(fēng)措施。

拱肋扣索的安裝與拱肋吊裝同步作業(yè)存在空間交叉,在施工中存在一定安全風(fēng)險?？鬯鳡恳瞎昂笮枧c現(xiàn)場動焊點保持安全距離,動火作業(yè)嚴格執(zhí)行審批程序,明確好作業(yè)監(jiān)護人,防止鋼絞線因動焊損傷發(fā)生應(yīng)力集中,張拉過程中發(fā)生破斷?？鬯鲝埨^后須做好對錨點附近的保護,防止其他作業(yè)干擾。主拱臨時用電線路按照三級配電、兩級保護原則布設(shè),拱上線路沿拱肋檢修梯步護欄外側(cè)布置,與平臺交叉點設(shè)置套管保護,預(yù)防絕緣層破壞發(fā)生觸電傷害事件。各級平臺分設(shè)動力開關(guān)箱與照明開關(guān)箱,嚴禁設(shè)備線路沿梯步內(nèi)側(cè)敷設(shè),干擾人員通行并帶來觸電漏電風(fēng)險。

為保障主拱肋安裝過程中的連續(xù)性,壓縮工序時間,避免夜間施工增加風(fēng)險,扣背索安裝應(yīng)提前牽引就位,拱肋扣點錨箱提前1 d于鋼拼場地安裝。鋼絞線長度達到一定時,受自重和風(fēng)力影響易干擾施工,穿索過程中必須逐孔逐根進行?？郾乘鲝埨捎米詣舆B續(xù)預(yù)警智能張拉設(shè)備,可實現(xiàn)鋼絞線快速收緊和均勻預(yù)緊、扣背索的對稱平衡張拉。

3.3 高空作業(yè)管控

烏江特大橋主拱安裝包括拱肋對接、風(fēng)撐安裝、高栓施擰、防腐噴涂等多道工序,且全部屬高空作業(yè),高處墜落風(fēng)險極高。主拱作業(yè)人員進場作業(yè)前由項目部組織進行高血壓、心臟病等常規(guī)篩查,日常利用職業(yè)健康體檢儀進行監(jiān)測,人員身體條件須滿足作業(yè)強度要求。

主拱橋?qū)俚葘捵兏叨瓤臻g桁架結(jié)構(gòu),高處作業(yè)平臺采取逐個設(shè)計、逐個驗收方式,做好結(jié)構(gòu)驗算和焊縫檢查,嚴控平臺作業(yè)人數(shù)。平臺設(shè)計中巧用BIM技術(shù)輔助設(shè)計模型,并開展可視化安全技術(shù)交底,每名作業(yè)工人都能掌握高處平臺作業(yè)風(fēng)險應(yīng)對方法。檢修步梯和護欄受主拱連接包板焊接影響需臨時拆卸,在這一過程中利用小鋼管護欄隨拆隨防,降低人員通行墜落風(fēng)險。

4 風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警

烏江特大橋風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警體系包含纜索吊監(jiān)測、扣掛系統(tǒng)監(jiān)測和工點視頻監(jiān)控等多個模塊,通過不同監(jiān)測方法相互比對,真實反映風(fēng)險預(yù)警情況。設(shè)立三級預(yù)警機制,依據(jù)不同預(yù)警情況分別發(fā)送給相應(yīng)風(fēng)險管控人進行處理。

纜索吊監(jiān)測主要包括對纜索吊系統(tǒng)錨錠的水平位移、纜塔偏位、主索張力和運行超限情況等進行監(jiān)控。運用5G傳輸技術(shù)實時進行數(shù)據(jù)采集,后臺信息中心對監(jiān)測數(shù)據(jù)建立臺賬,并及時將監(jiān)測情況上傳控制中心,定期進行分析總結(jié),制定風(fēng)險控制措施。針對纜塔偏位、錨錠位移等關(guān)鍵指標(biāo),利用人工測量復(fù)核,確保監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差在可控范圍內(nèi),實現(xiàn)風(fēng)險的動態(tài)有效預(yù)警。

扣掛系統(tǒng)的監(jiān)測包括對扣背索索力,扣塔偏位、扣塔應(yīng)力、后錨滑移、拱肋應(yīng)力等的監(jiān)測,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控數(shù)據(jù)化。拱肋懸臂扣掛施工中,因拱肋安裝、風(fēng)撐連接和連接包板焊接等多工序作業(yè),全橋拱上作業(yè)人員可多達40人,整體安全風(fēng)險極高。拱肋扣掛結(jié)構(gòu)監(jiān)測過程中結(jié)合全自動測量機器人、三維激光掃描等創(chuàng)新技術(shù),全天候?qū)袄呓Y(jié)構(gòu)安全性進行監(jiān)測,監(jiān)測成果為拱肋的安全快速施工提供了極其重要的數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)語

烏江特大橋有著地形復(fù)雜、交通不便、不可控因素多等特點,安全風(fēng)險控制難度極大。通過對該大橋主拱實施各項風(fēng)險控制措施,安全風(fēng)險信息得以實時監(jiān)測,為項目安全風(fēng)險管理體系提供有效支撐。在風(fēng)險管理的同時,完善的風(fēng)險識別體系和健全的分級管控責(zé)任機制必不可缺,本文系統(tǒng)總結(jié)了烏江特大橋主拱施工過程中的各類風(fēng)險管控措施,可為后續(xù)同類型橋梁建設(shè)提供參考。