港珠澳大橋江海直達(dá)船航道橋索塔吊裝工藝研究及應(yīng)用

麥權(quán)想

（港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519000）

1 工程概況

港珠澳大橋工程江海直達(dá)船航道橋采用中央單索面三塔鋼箱梁斜拉橋橋型，橋跨布置達(dá)994 m[1-2]。其主塔采用異形鋼索塔，結(jié)構(gòu)造型為“海豚”形狀，設(shè)計(jì)分段為Z0—Z12 節(jié)段，共計(jì)13 個(gè)節(jié)段；結(jié)構(gòu)主體分為主塔柱、副塔柱、聯(lián)系桿、裝飾塊、三角撐，見(jiàn)圖1。

目前國(guó)內(nèi)鋼索塔架設(shè)方案可分為整體安裝和節(jié)段分段安裝2 種主流施工方案[3]。整體安裝可分為浮吊整體吊裝、平移頂推加塔架整體提升豎轉(zhuǎn)等多種安裝法；節(jié)段分段安裝可分為浮吊分段吊裝、塔吊或塔架等施工方案。本文結(jié)合本項(xiàng)目所處施工環(huán)境、資源調(diào)研、項(xiàng)目特點(diǎn)及安全風(fēng)險(xiǎn)等因素[4]，系統(tǒng)介紹鋼索塔吊裝方案論證、吊裝演練、吊裝施工及施工監(jiān)控等全過(guò)程控制關(guān)鍵要素和應(yīng)用效果。

2 整體吊裝方案的確立

港珠澳大橋位于珠江口伶仃洋海域，氣候條件復(fù)雜，海洋環(huán)境腐蝕情況惡劣[5]。為減少海上施工工期，確保海上作業(yè)安全和鋼索塔耐久性要求，同時(shí)滿(mǎn)足本項(xiàng)目大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化的建設(shè)要求，江海橋鋼索塔Z1—Z12 節(jié)段設(shè)計(jì)為工廠整體拼裝，橋位一次性吊裝，見(jiàn)圖1。

江海橋鋼索塔整體段先后經(jīng)歷了塔架提升豎轉(zhuǎn)滑移、單浮吊起吊豎轉(zhuǎn)、雙浮吊抬吊空中豎轉(zhuǎn)等方案論證與比選，最終確定方案。

3 資源調(diào)研

3.1 調(diào)研要素

隨著國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)逐步向大跨度、外海環(huán)境縱深推進(jìn)，大型裝備制造水平提升，為橋梁四化理念的發(fā)展及應(yīng)用提供了保障。本橋鋼塔整體吊裝的核心裝備為起重船和運(yùn)輸船舶、塔架（可現(xiàn)場(chǎng)拼裝）和大噸位千斤頂?shù)?。?guó)內(nèi)現(xiàn)有起重船的關(guān)鍵性能指標(biāo)是否滿(mǎn)足施工環(huán)境和方案的需求，尚需進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研及全面評(píng)估。

3.2 調(diào)研結(jié)果

經(jīng)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)大型起重船能滿(mǎn)足整體吊裝的船舶包括一航津泰（起重能力4 000 t）、東海工7 號(hào)（起重能力2 600 t）等9 種類(lèi)型。結(jié)合鋼索塔吊裝特性和施工單位租賃難易情況，長(zhǎng)大海升、正力較為滿(mǎn)足吊裝條件，幸福海和寧海拖2001 較為滿(mǎn)足運(yùn)輸條件。塔架提升方案可采用8 臺(tái)550 t的連續(xù)千斤頂。

4 方案論證

4.1 調(diào)研分析

結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研情況，塔架整體提升加豎轉(zhuǎn)滑移和浮吊整體吊裝方案需進(jìn)行比選、論證，其中浮吊整體吊裝應(yīng)先后論證單浮吊和雙浮吊抬吊等施工方案。

4.2 塔架整體提升及豎轉(zhuǎn)滑移方案

4.2.1 設(shè)計(jì)理念

該方案主要由塔架提升系統(tǒng)和滑移系統(tǒng)兩大部分組成，其中塔架提升系統(tǒng)安裝在主墩承臺(tái)；滑移系統(tǒng)設(shè)置在運(yùn)輸駁船上，主要由滑移軌道、滑座、頂推千斤頂和橫向限位裝置4 部分組成。通過(guò)滑移系統(tǒng)將鋼索塔頂推至主墩承臺(tái)上，通過(guò)提升系統(tǒng)把鋼塔整體提升，再通過(guò)一升一降配合實(shí)現(xiàn)鋼塔豎轉(zhuǎn)，調(diào)位后完成安裝。

4.2.2 系統(tǒng)組成細(xì)部構(gòu)造

塔架設(shè)計(jì)支架高44 m、塔架高76 m。支架采用橫橋向?qū)ΨQ(chēng)布置，由立柱、平聯(lián)、斜撐組成。塔架由4 個(gè)立柱組成，橫橋向間距20 m，縱橋向間距32 m，設(shè)3 道桁架式平聯(lián)，塔架頂部設(shè)置箱型縱橫梁，布置8 臺(tái)550 t 連續(xù)千斤頂組成的提升系統(tǒng)。為釋放彎矩，上下箱梁底部互相鉸接，如圖2 所示。

圖2 鋼塔提升轉(zhuǎn)體布置Fig.2 Arrangement of hoisting and rotating of steel cable tower

4.2.3 施工工藝流程

鋼索塔在拼裝廠拼裝完成，通過(guò)平駁船臥運(yùn)至橋位現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)整體豎轉(zhuǎn)滑移系統(tǒng)將鋼索塔滑移到位后，通過(guò)塔架提升系統(tǒng)完成豎轉(zhuǎn)安裝就位。

4.3 單浮吊起吊豎轉(zhuǎn)

4.3.1 設(shè)計(jì)理念

該方案主要由大型起重船、滑移系統(tǒng)和錨樁三大部分組成。其中，大型起重船結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研情況，可選擇起重能力達(dá)3 200 t 的長(zhǎng)大海升號(hào)等起重船；滑移系統(tǒng)設(shè)置在運(yùn)輸駁船上，主要由滑道、滑靴、牽拉或頂推裝置等3 部分組成；增設(shè)2 個(gè)錨樁連接駁船確保穩(wěn)定；浮吊將鋼索塔提升滑移豎轉(zhuǎn)后提升脫離運(yùn)輸駁船，浮吊繼續(xù)前移、校準(zhǔn)下放鋼塔完成吊裝。

4.3.2 系統(tǒng)組成細(xì)部構(gòu)造

滑移系統(tǒng)設(shè)置：幸福海平駁船甲板上布設(shè)2道縱向滑軌，間距3.96 m，每條滑軌高約1 230 mm、寬800 mm，長(zhǎng)約106 m；平駁船上共設(shè)4 臺(tái)拖拉電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，工作負(fù)荷16 t，采用φ28 mm 鋼絲繩，容繩量1 200 m；滑靴設(shè)置在鋼塔底部。

錨樁設(shè)置：在平駁船船首位置提前插打2 個(gè)錨樁，每個(gè)錨樁采用鋼管和型鋼拼裝組合而成。

4.3.3 施工工藝流程

鋼索塔運(yùn)輸?shù)綐蛭滑F(xiàn)場(chǎng)拋錨定位后，通過(guò)斜拉鋼塔方式把吊臂角度從63.5°調(diào)整到65°，進(jìn)入主鉤垂直提升階段，穩(wěn)步滑移提升鋼塔、加載平駁船水量，反復(fù)進(jìn)行，如圖3 所示，鋼塔起升到水平夾角80°后，主鉤停止起升，駁船通過(guò)調(diào)載和牽拉設(shè)備移動(dòng)鋼塔根部，將鋼塔荷載緩慢過(guò)渡到浮吊全部承擔(dān)。此時(shí)拆除滑靴，浮吊繼續(xù)提升至鋼塔離平駁船頂面15 cm 后絞錨穩(wěn)步前移，移至鋼塔底部與Z0 節(jié)段頂部水平偏差3.1 m 時(shí)，浮吊上兩側(cè)40 t 卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)鋼索塔進(jìn)行牽引調(diào)直后豎向下放就位完成吊裝[6]。

圖3 浮吊豎轉(zhuǎn)滑移Fig.3 Vertical sliding by floating crane

4.4 雙浮吊抬吊豎轉(zhuǎn)

4.4.1 設(shè)計(jì)理念

該方案主要由2 臺(tái)大型起重船直接進(jìn)行抬吊后，在空中進(jìn)行轉(zhuǎn)體安裝就位。其中1 臺(tái)起重船作為主吊裝設(shè)備，其起重能力需滿(mǎn)足整塔重量要求，1 臺(tái)起重船作為輔助吊裝設(shè)備，主要用于鋼塔轉(zhuǎn)體，姿態(tài)調(diào)整。鋼塔出運(yùn)到橋位后，連接上下吊點(diǎn)，雙浮吊同步提升鋼塔后，運(yùn)輸駁船離場(chǎng)，雙浮吊在空中完成鋼塔豎轉(zhuǎn)，解除下吊點(diǎn)連接，輔助船撤離現(xiàn)場(chǎng)，由主吊船完成后續(xù)吊裝作業(yè)。

4.4.2 起重船系統(tǒng)組成細(xì)部構(gòu)造

實(shí)際施工時(shí)，選擇額定起重能力3 200 t 的海升號(hào)作為主浮吊，額定起重能力2 200 t 的正力起重船作為副浮吊。其中，長(zhǎng)大海升號(hào)前后主鉤中心間距5.375 m，橫向雙臂架中心間距24 m，甲板兩側(cè)共布設(shè)2 臺(tái)400 kN 移動(dòng)絞車(chē)，橫向間距42 m，滿(mǎn)載吃水6.5 m；正力號(hào)長(zhǎng)94 m，寬40 m，型深7.8 m，4 個(gè)主鉤起重能力4×550 t，滿(mǎn)載吃水4.5 m。起重時(shí)，海升號(hào)掛扣上吊具，采用抗彎扭性能強(qiáng)、吊裝工藝方便的箱梁式結(jié)構(gòu)，正力號(hào)掛扣下吊具，采用桁架式結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 吊點(diǎn)位置圖Fig.4 Diagram of lifting points

圖5 鋼索塔空中豎轉(zhuǎn)Fig.5 Vertical turning of steel cable tower in air

4.4.3 施工工藝流程

鋼索塔出運(yùn)到吊裝現(xiàn)場(chǎng)后，2 艘起重船與平駁船呈一字形布置，拋錨定位后進(jìn)行上下吊點(diǎn)連接，檢查無(wú)誤后進(jìn)行鋼索塔抬吊豎轉(zhuǎn)，整個(gè)過(guò)程共分為5 個(gè)階段，先后為鋼索塔整體提升階段、主吊點(diǎn)單獨(dú)起升階段、浮吊變幅階段、正力配合主吊點(diǎn)起升階段、正力下放并前移配合鋼索塔完成豎轉(zhuǎn)階段。鋼索塔豎轉(zhuǎn)完成后解除下吊點(diǎn)連接，由海升絞錨移船到安裝位置，通過(guò)浮吊上的卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)鋼索塔進(jìn)行牽引調(diào)校后下放鋼塔完成吊裝。

4.5 方案比選論證

從施工難度、安全、工期及成本等方面對(duì)鋼索塔3 種吊裝施工方案進(jìn)行綜合對(duì)比，具體分析見(jiàn)表1。

通過(guò)比選，雙浮吊抬吊豎轉(zhuǎn)方案成本雖稍高于其他方案，但更符合本項(xiàng)目施工環(huán)境和推行的四化建設(shè)理念，后續(xù)施工均圍繞該方案進(jìn)行組織[7]。

5 組織實(shí)施關(guān)鍵控制要求

5.1 界面協(xié)調(diào)

由于江海直達(dá)船航道橋鋼索塔吊裝由土建單位負(fù)責(zé)，鋼索塔制造、運(yùn)輸由鋼結(jié)構(gòu)單位負(fù)責(zé)，存在界面協(xié)調(diào)問(wèn)題，協(xié)調(diào)核心要素主要在于鋼索塔供吊時(shí)間表、鋼索塔出運(yùn)姿態(tài)、吊具匹配設(shè)計(jì)、制造和安裝等[8]。

5.1.1 鋼索塔供吊時(shí)間表

鋼索塔吊裝是項(xiàng)目關(guān)鍵線(xiàn)路，因此土建單位和鋼結(jié)構(gòu)制造單位在制定項(xiàng)目總體計(jì)劃時(shí)，都必須圍繞此線(xiàn)路制定相匹配的施工計(jì)劃。

5.1.2 鋼索塔出運(yùn)姿態(tài)

起重船的吊裝方向與鋼塔出運(yùn)的姿態(tài)息息相關(guān)，鑒于江海直達(dá)船航道橋橋跨分布（見(jiàn)圖6），斜拉橋采用先邊跨合龍?jiān)僦锌绾淆埖氖┕そM織方案，吊裝作業(yè)時(shí)，供起重船駐位布錨的作業(yè)空間僅為2 個(gè)通航孔道的寬度，為此，應(yīng)以起重船駐位方向來(lái)協(xié)調(diào)鋼索塔出運(yùn)姿態(tài)。

圖6 江海橋橋跨分布Fig.6 Distribution of bridge spans over river-sea direct ship channel

5.1.3 吊具匹配設(shè)計(jì)、制造及安裝

上吊具設(shè)計(jì)、制造及安裝由土建單位完成；下吊具設(shè)計(jì)、制造由土建單位完成，安裝由鋼結(jié)構(gòu)單位完成。吊點(diǎn)位置需做局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)受力需設(shè)計(jì)單位審核，加強(qiáng)工裝由鋼結(jié)構(gòu)單位完成，2 個(gè)監(jiān)理單位完成監(jiān)造和聯(lián)合驗(yàn)收工作。

5.2 吊裝演練

鋼索塔為超大超重異形不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)，吊裝難度極大，吊裝工作不具可逆操作，需一步吊裝到位，為確保鋼索塔吊裝過(guò)程質(zhì)量和安全，鋼索塔吊裝前進(jìn)行吊裝演練，本項(xiàng)目共進(jìn)行了4 次吊裝演練，空載、帶載各2 次。

通過(guò)演練熟悉鋼索塔吊裝流程、船舶配合協(xié)調(diào)性和同步性；檢驗(yàn)吊裝組織機(jī)構(gòu)及指揮信號(hào)系統(tǒng)；推算鋼索塔吊裝的時(shí)長(zhǎng)；檢驗(yàn)海上風(fēng)浪流潮影響程度，明確吊裝工況條件和吊裝時(shí)機(jī)。

5.3 施工監(jiān)測(cè)

控制好鋼索塔的空中姿態(tài)是鋼索塔抬吊成功的保障，抬吊期間需時(shí)刻對(duì)浮吊軸線(xiàn)，浮吊主鉤高度及吊具傾斜度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。軸線(xiàn)監(jiān)測(cè)可在雙浮吊同一軸線(xiàn)上分別布設(shè)2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)反復(fù)監(jiān)測(cè)防止軸線(xiàn)偏位；主鉤高度監(jiān)測(cè)可在主鉤正反面粘貼反光用全站儀全程監(jiān)測(cè)高差值；吊具傾斜度監(jiān)測(cè)可使用SHDL 雙軸傾斜儀在吊裝過(guò)程中對(duì)吊具傾斜角度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]。

6 應(yīng)用效果

在參建各方的共同努力下，港珠澳大橋江海直達(dá)船航道橋3 個(gè)鋼索塔已成功吊裝。通過(guò)江海直達(dá)船航道橋施工總體布局和主要施工方案優(yōu)化，提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率和質(zhì)量，減少了設(shè)備投入和現(xiàn)場(chǎng)管理難度，節(jié)約了成本，減少了環(huán)境污染，縮短了施工工期，充分滿(mǎn)足了四化理念的要求，為今后類(lèi)似跨海橋梁施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

7 結(jié)語(yǔ)

港珠澳大橋江海直達(dá)船航道橋索塔吊裝工藝的成功實(shí)施實(shí)現(xiàn)了海上作業(yè)安全可控的目標(biāo)，顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益，確保了工程進(jìn)度和質(zhì)量。該吊裝施工工藝為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，彌補(bǔ)了橋塔整體吊裝技術(shù)的空白，為同類(lèi)型橋梁建設(shè)的技術(shù)控制和管理監(jiān)控提供了重要參考價(jià)值。