大跨徑懸索橋貓道架設(shè)牽引系統(tǒng)施工技術(shù)

張 暉 徐永明 李志鵬

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧大連 116033)

1 引言

懸索橋以其跨越能力大、受力合理、能最大限度發(fā)揮材料強(qiáng)度、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)[1]，成為跨越千米級(jí)以上的海灣、江河、峽谷等障礙物最理想的橋型，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。牽引系統(tǒng)是大跨徑懸索橋上部結(jié)構(gòu)安裝施工的重要組成部分，而貓道牽引系統(tǒng)的架設(shè)則成為施工轉(zhuǎn)換的重要標(biāo)志。

貓道牽引系統(tǒng)施工，主要是進(jìn)行牽引索的架設(shè)，選擇技術(shù)先進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)、適用的先導(dǎo)索架設(shè)方法極為關(guān)鍵。傳統(tǒng)懸索橋先導(dǎo)索架設(shè)方法主要為水下牽引法、水面牽引法、拖船空中牽引法、分段牽引江中對(duì)接法、火箭拋射法、直升機(jī)牽引法及飛艇牽引法等，但均存在費(fèi)用大、施工難、對(duì)地形氣候水文條件要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工許可手續(xù)繁瑣等不利因素[2-3]。

中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司針對(duì)貓道架設(shè)牽引系統(tǒng)傳統(tǒng)施工工法存在的客觀不利因素，結(jié)合在建千米級(jí)跨徑長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目實(shí)際，著力解決提高工效、避免長(zhǎng)江航道封航、降低先導(dǎo)索過江安全風(fēng)險(xiǎn)等一系列難題，提出了采用工業(yè)級(jí)無人機(jī)架設(shè)先導(dǎo)索的施工工法，并成功應(yīng)用于湖北棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋。該工法在施工進(jìn)度、效益、安全、環(huán)保方面均取得了良好效果，可為類似工程的施工提供借鑒。

2 工程概況

(1)項(xiàng)目總體概況

棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋位于湖北省黃岡市和黃石市境內(nèi)，為雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，主跨1 038 m，一跨跨越長(zhǎng)江。懸索橋主纜跨度布置為340＋1 038＋305 m，錨碇間距離1 683 m，矢跨比為1/9。主纜橫橋向中心間距為34.5 m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為16 m。主塔采用門形框架式結(jié)構(gòu)，南岸塔高165 m，北岸塔高157 m。南岸錨碇采用擴(kuò)大地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，北岸錨碇采用擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式[4]。

懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工，在主纜中心線下方各設(shè)置一幅貓道，采用三跨連續(xù)式布置，線形與主纜安裝線形一致。貓道單幅寬度4 m，采用8根φ48 mm鋼絲繩承重索，承重索中心線與主纜空纜中心線豎向距離為1.5 m。貓道架設(shè)采用單線往復(fù)式牽引系統(tǒng)，上、下游各設(shè)置一套牽引系統(tǒng)。

(2)貓道牽引系統(tǒng)概況

貓道架設(shè)采用單線往復(fù)式牽引系統(tǒng)，沿主纜中心線布置，由兩岸的牽引卷揚(yáng)機(jī)、散索鞍支墩門架導(dǎo)輪組、塔頂導(dǎo)輪組、轉(zhuǎn)向支架、牽引索、拽拉器等組成[5]，主要用于提供貓道架設(shè)時(shí)托架承重索與定位索、貓道承重索、門架承重索、扶手索及貓道面網(wǎng)等安裝時(shí)所需的牽引力。貓道總體布置見圖1。

圖1 貓道總體布置(單位:m)

3 先導(dǎo)索牽引方案比選與確定

3.1 方案比選

懸索橋采用空中牽引法架設(shè)先導(dǎo)索的方法主要為拖船空中牽引法、火箭拋送法、飛艇牽引法及無人機(jī)牽引法等[6]。

(1)拖船空中牽引法

先導(dǎo)索由塔頂放出，拖船牽引使鋼絲繩懸掛在空中，隨著拖拉船前進(jìn)的同時(shí)，相應(yīng)放松先導(dǎo)索。拖船法主要適用于跨江河、湖海等水域的懸索橋施工，方法簡(jiǎn)單，易施工。但是該方法存在施工費(fèi)用大、對(duì)風(fēng)浪等水文條件要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工許可手續(xù)繁瑣等不利因素。

(2)火箭拋送法

火箭拋送法以火箭為動(dòng)力源，確定火箭的落點(diǎn)方位，通過工作繩將先導(dǎo)索和火箭連接，利用發(fā)射后的慣性牽引實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)索的跨越。該方法無需封航，但落點(diǎn)精度低[7]。

(3)無人機(jī)牽引法

無人機(jī)架設(shè)先導(dǎo)索，通過無人機(jī)牽引極細(xì)繩索連接大橋兩塔，再利用卷揚(yáng)機(jī)以小繩牽引大繩的方式，逐級(jí)遞換大直徑牽引索。無人機(jī)牽引先導(dǎo)索過江，施工操作簡(jiǎn)便，能精準(zhǔn)到達(dá)預(yù)先設(shè)定位置，架設(shè)過程中安全風(fēng)險(xiǎn)低，較傳統(tǒng)空中牽引方法操作時(shí)間短，施工過程中勞動(dòng)力需求少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、自動(dòng)化程度高、施工效率高[8]；不受地形限制，無須采取封航、封路等交通管制措施，不影響長(zhǎng)江航道正常航運(yùn)，施工干擾小。

3.2 架設(shè)方案確定

結(jié)合千米級(jí)跨徑長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目實(shí)際，為保證提高工效、避免長(zhǎng)江航道封航、降低先導(dǎo)索過江安全風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)研究決定采用無人機(jī)架設(shè)先導(dǎo)索法。

4 下游牽引系統(tǒng)施工

(1)邊跨牽引索架設(shè)

牽引索(φ36 mm鋼絲繩)從錨碇后方布置的25 t主牽引卷揚(yáng)機(jī)引出后，采用塔頂10 t卷揚(yáng)機(jī)將牽引索經(jīng)錨碇門架導(dǎo)輪組牽拉至塔頂，并臨時(shí)錨固在塔頂門架立柱上。

(2)先導(dǎo)索架設(shè)

采用一臺(tái)工業(yè)級(jí)六軸無人機(jī)牽引φ2.5 mm韓國絲先導(dǎo)索過江，無人機(jī)在南塔頂起飛，在北塔頂接收先導(dǎo)索，先導(dǎo)索到位后臨時(shí)錨固到塔頂門架上。選定晴好天氣，在南岸塔頂啟動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行試飛確認(rèn)。正式牽引前，通知航道安全維護(hù)單位進(jìn)行施工水域航道安全警戒，觀察員在北塔下橫梁上就位，配備望遠(yuǎn)鏡觀察先導(dǎo)索過江過程中的垂度(繩索垂度控制在110～140 m之間)，并及時(shí)反饋信息。先導(dǎo)索φ2.5 mm韓國絲繩盤放置在小放線架上，將繩頭與無人機(jī)相連，待收到指令后起飛。緩慢啟動(dòng)無人機(jī)，勻速緩慢飛行牽引φ2.5 mm韓國絲繩頭由南岸下游塔頂至北塔下游塔頂后，將先導(dǎo)索臨時(shí)錨固到北岸塔頂門架上，并將繩頭連接在收線盤上。整個(gè)先導(dǎo)索過江歷時(shí)大約10 min(見圖2)。

圖2 無人機(jī)牽引過程

(3)過渡索逐級(jí)置換

牽引系統(tǒng)中跨過渡索包括 φ3.5 mm、φ6 mm、φ12 mm、φ16 mm杜邦絲牽引繩及φ16 mm、φ24 mm鋼絲繩牽引索。其中二級(jí)索φ3.5 mm杜邦絲繩索采用人工牽引過江，其余繩索采用卷揚(yáng)機(jī)牽引過江完成置換。

在北岸塔頂將φ3.5 mm杜邦絲放置在放線架上，將繩頭引出并與φ2.5 mm韓國絲繩頭相連接。兩岸統(tǒng)一指揮，開始人工牽引，北岸塔頂放索，南岸塔頂同步收索，觀察員在下橫梁上觀察繩索垂度。過渡索置換牽引過程中，控制放索速度與收索速度基本一致，保證跨中垂度可控。后續(xù)利用相同的方法，通過六次往復(fù)牽引替換過渡索，最終將2＃主牽引索(φ36 mm鋼絲繩)牽拉至南岸塔頂。

(4)下游牽引系統(tǒng)形成

將2＃主牽引索(φ36 mm鋼絲繩)牽拉至南岸塔頂后，在南岸塔頂通過拽拉器將1＃主牽引索與2＃主牽引索連接成一體。北岸下游塔頂2＃主牽引索(φ36 mm鋼絲繩)與塔頂門架臨時(shí)錨固后，采用南塔下游塔頂門架上兩臺(tái)10 t卷揚(yáng)機(jī)同步牽拉收緊塔頂兩側(cè)φ36 mm鋼絲繩牽引索，再利用南塔下游塔吊將1＃牽引索提起并放入塔頂門架導(dǎo)輪組中，然后解除塔頂門架兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩與牽引索的臨時(shí)連接。利用北塔下游塔頂門架上兩臺(tái)10 t卷揚(yáng)機(jī)同步牽拉收緊塔頂兩側(cè)φ36 mm鋼絲繩牽引索，利用塔吊將2＃牽引索提起并放入塔頂門架導(dǎo)輪組中，再解除塔頂門架兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩與牽引索的臨時(shí)連接[9]。

啟動(dòng)南、北兩岸錨碇后方下游25 t主牽引卷揚(yáng)機(jī)，調(diào)整牽引索的垂度和張力，確保牽引索線形符合設(shè)計(jì)要求。試運(yùn)行符合要求后，即形成下游貓道架設(shè)的單線往復(fù)式牽引系統(tǒng)(見圖3～圖4)。

圖3 下游牽引系統(tǒng)形成

5 上游牽引系統(tǒng)施工

下游牽引系統(tǒng)形成后，分別將南、北岸上游錨碇后方25 t卷揚(yáng)機(jī)φ36 mm鋼絲繩引出，采用塔頂10 t卷揚(yáng)機(jī)將牽引索經(jīng)錨碇門架導(dǎo)輪組牽拉至上游塔頂并臨時(shí)錨固。

采用北岸下游塔頂卷揚(yáng)機(jī)牽拉臨時(shí)錨固在塔頂?shù)纳嫌螤恳到y(tǒng)φ36 mm鋼絲繩牽引索，經(jīng)單向滑輪轉(zhuǎn)向牽拉至下游塔頂，與下游牽引索拽拉器連接后，牽拉過江至南岸下游塔頂，再經(jīng)轉(zhuǎn)向牽拉至上游塔頂，通過拽拉器與先行臨時(shí)錨固在塔頂?shù)哪习渡嫌螤恳到y(tǒng)φ36 mm鋼絲繩牽引索連為一體。牽引完成后，將上游牽引索橫向蕩移，先蕩移南塔側(cè)，再蕩移北塔側(cè)[10]。蕩移作業(yè)時(shí)，利用下游塔頂門架上的10 t卷揚(yáng)機(jī)配合上游錨碇后25 t主牽引卷揚(yáng)機(jī)同步、協(xié)同牽拉作業(yè)，將上游牽引索從下游逐步蕩移過渡至上游設(shè)計(jì)位置[11]，與上游塔頂門架上的卷揚(yáng)機(jī)臨時(shí)錨固、拉緊，然后解除下游塔頂卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩與上游牽引索的臨時(shí)連接(見圖5～圖6)。

圖4 下游牽引系統(tǒng)試運(yùn)行

圖5 上游牽引索牽引過江

圖6 上游牽引索蕩移

牽引繩入導(dǎo)輪組采用上游塔頂門架上兩臺(tái)10 t卷揚(yáng)機(jī)同步牽拉收緊塔頂兩側(cè)φ36 mm鋼絲繩牽引索后，利用塔吊將牽引索分別提起并放入塔頂門架導(dǎo)輪組中，然后解除塔頂門架兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩與牽引索的臨時(shí)連接。試運(yùn)行符合要求后，即形成上游貓道架設(shè)的單線往復(fù)式牽引系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋采用無人機(jī)牽引先導(dǎo)索在不封航的情況下飛越長(zhǎng)江，通過過渡繩多次置換，繼而完成貓道架設(shè)牽引系統(tǒng)的施工。該施工技術(shù)方案應(yīng)用成本低、工效高、安全環(huán)保，在今后跨越千米級(jí)海灣、江河、峽谷等大跨徑懸索橋貓道架設(shè)牽引系統(tǒng)的施工中具有一定的借鑒和推廣價(jià)值[12]。