虎門二橋小半徑平曲線鋼箱梁安裝施工技術

朱小金，鮮亮，王博，楊敏，吳建軍

(中交二公局第五工程有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

虎門二橋起點東涌互通A匝道6#～8#墩上跨運營中的地鐵四號線和3條高壓油氣管線，平面位于半徑200 m的圓曲線上，縱坡為3.34%，成橋橋面為6%單向橫坡，采用2×46 m等高度鋼箱梁設計(圖1)。鋼箱梁采用頂底同坡直腹式單箱雙室結構(圖2)，通過整體旋轉和在鋼箱梁頂面設調平層實現橋面的橫坡。鋼箱梁頂寬10.3 m，底寬5.9 m，梁高2 m，總重為528 t。

圖1 鋼箱梁平面布置圖(單位：cm)

圖2 鋼箱梁橫斷面布置圖(單位：mm)

綜合考慮地鐵運行凈空、油氣管線防護、場地布置等環(huán)境因素，設計推薦采用從8#墩到6#墩進行頂推法施工，設置鋼導梁以減小頂推過程中主梁的撓度。

2 施工方案選擇

該項目具有以下特點：

(1)兩跨鋼箱梁同時上跨地鐵、高壓油氣管線，墩位緊貼地鐵或管線，可利用空間小，可投入的輔助措施嚴重受制于環(huán)境。除7#墩為與橋面斜交的板式墩外，其他均為圓柱墩，最小墩高達13 m，抗水平推力不足。

(2)受環(huán)境的制約，只能從高處(A8)往低處(A6)頂推。若是全部拼裝完成后再進行頂推，則拼裝階段和成橋階段的高差超6 m，需防止頂推過程中“溜坡”。

(3)曲線半徑太小，頂推過程中糾偏量大，糾偏頻繁，頂推設施需較好地兼顧橫向糾偏。

(4)鋼箱梁雖然頂、底面平行，但成橋狀態(tài)下，6#、8#墩支座處箱梁底板橫坡為6%，漸變至7#墩中心處底板橫坡為6.16%，大橫坡增大了鋼箱梁傾覆的風險，而橫坡的漸變性，增加了頂推施工的難度。

鑒于以上特點，采用傳統的拽拉法安裝存在以下不利因素：

(1)除7#墩外，無其他適合的拽拉反力點。

(2)拽拉法施工時，要盡可能降低梁底與滑道面之間的摩擦系數以減少拽拉力，而為防止頂推時 “溜坡”，則需考慮增大接觸面的摩擦系數，施工時很難取得平衡。

(3)每直線頂進100 mm，橫向偏位18 mm，拽拉法施工的橫向阻力或糾偏力大，鋼箱梁外腹板需要全部加強才能滿足糾偏要求。

(4)底板橫坡的漸變性，導致拽拉時滑道上的支墊相當繁瑣，增大了施工風險。

針對傳統拽拉法的不利因素，根據該工程的特點，研發(fā)適用于大縱橫坡、小曲線半徑的專用步履式千斤頂，采用步履式千斤頂頂推施工過孔+整體旋轉成坡的方法進行安裝。

較傳統的拽拉法，步履式頂推具有以下優(yōu)勢：

(1)由于步履式千斤頂屬于自平衡體系，頂推施工過程中水平力很小，可采用多點頂推。

(2)頂推施工時，通過豎向頂升頂在滑槽內的縱向移動來帶動鋼箱梁前移，因此在減小頂與滑槽之間摩擦系數的同時，可以增大頂升頂頂板與鋼箱梁之間的摩擦系數，防止“溜坡”；而頂升頂只有通過水平頂推頂的協助才能在滑槽內移動，自帶防滑功能，可控性強，安全有保障。

(3)自帶糾偏裝置，無需額外的糾偏措施，無需對鋼箱梁側面進行加強。

3 步履式千斤頂介紹

步履式千斤頂主要包括水平頂推頂、豎向頂升頂、橫向糾偏頂、滑槽、頂板、半球鉸、液壓泵站系統、分控制系統及總控系統等。位于半球鉸上方的頂板與鋼箱梁底接觸，半球鉸支撐在頂升頂上并可轉動，以適應縱橫坡及曲線梁安裝過程中的轉動。水平頂推頂通過拉壓桿與豎向頂升頂連接，通過頂推頂的推、拉實現頂升頂在滑槽內前進、后退，從而帶動頂板上方的鋼箱梁前進?；蹆仍O置四氟板、涂黃油，以減小摩擦力。兩套糾偏頂位于頂升頂的兩側，通過糾偏頂的橫向水平推力實現頂升頂的橫移，從而實現鋼箱梁的橫向糾偏(圖3、4)。步履頂和臨時荷載轉移墩的分離設計，也減輕了頂的自重。

圖3 步履式千斤頂三維圖和效果圖

液壓泵站采用電動機驅動一臺負載敏感變量泵，從變量泵輸出的油液經過比例多路閥。由比例閥控制進入各個回路油液的通、斷及流量大小，驅動多臺千斤頂同時工作，從而實現頂升、移動及糾偏動作。

圖4 步履式千斤頂縱軸線坡面圖

控制系統采用分布式計算機網絡控制系統，由1個主控臺、若干個現場控制器、若干傳感器、若干數據線及控制線組成。主控計算機根據各種傳感器采集到的位移和壓力信號，按照一定的控制程序和算法，決定油缸的動作順序，除了控制集群千斤頂的統一動作之外，還控制各頂的同步性，完成集群千斤頂的協調工作。

同一橋墩上以左邊1#頂為主動點及比較基準，右邊2#頂為隨動點并與1#頂比較，同墩兩側同步精度控制在4 mm之內。以A8墩左邊1#頂為主動點及比較基準，其余橋墩的千斤頂與之比較，各墩同步精度控制在5 mm之內。

較常規(guī)的步履頂，該專用設備的最大優(yōu)勢在于頂板與頂升頂之間布置有球鉸結構，可以同時適應縱坡、橫坡和曲線扭轉的需要，可始終保持鋼箱梁與千斤頂頂板之間全面接觸，球鉸的大小和轉動角度可以根據需要進行設計。

4 安裝工藝

4.1 總體安裝思路

為降低施工難度，按先解決曲線和縱坡問題、再解決橫坡問題的思路進行鋼箱梁安裝。

第一步：設不帶橫坡、只有3.34%縱坡的拼裝平臺，平臺布置在R=200 m曲線上；鋼箱梁在拼裝平臺上焊接完成后采用步履式千斤頂頂推。

第二步：頂推到位后落梁，在落梁過程中利用步履式千斤頂整體旋轉箱梁至橫坡滿足設計要求，安裝支座，澆筑整體層，完成鋼箱梁的安裝。

4.2 導梁形式的確定

導梁采用工字形板梁形式，布置2片鋼板梁分別與鋼箱梁的兩條邊腹板相連，2片鋼板梁之間通過橫向聯系連接成整體。導梁設計長度為30 m，為頂推跨徑L的0.65倍。導梁根部最大慣性矩I1=0.059 m4，主梁的最大慣性矩I2=0.561 m4，導梁與主梁剛度比為I1E/(I2E)=I1/I2=1/9.5。

由于主梁位于平曲線上，且曲線半徑較小，選擇直線形導梁還是與主梁同半徑的曲線導梁，不僅關系到受力安全，還關系到施工的方便性。

(1)直線導梁

按照規(guī)范，對于平曲線連續(xù)梁頂推施工，導梁宜設置成直線形，與主梁連接處偏轉一定的角度，使導梁前端的中心落在設計線形的中線上，如圖5所示。因此導梁與主梁端面之間的夾角為85.7°，導梁中心線的運動軌跡為主梁中心線圓弧對應的30 m弦長的運動軌跡線，弦弧差為56 cm,如圖6所示。

圖5 直線導梁布置示意圖(實線為最終狀態(tài)，虛線為初始狀態(tài))

圖6 導梁中心線與橋軸線之間的弦弧差(單位：cm)

(2)曲線導梁

將導梁按照與主梁同半徑的曲線制作和安裝，使導梁的運動軌跡與主梁的運動軌跡始終相同,如圖7所示。

圖7 曲線導梁布置示意圖(實線為最終狀態(tài)，虛線為初始狀態(tài))

(3)對比

直線導梁與曲線導梁優(yōu)缺點對比見表1。

表1 兩種方案優(yōu)缺點對比

由表1可知：從受力和安裝的角度考慮，直線導梁優(yōu)于曲線導梁；從頂推過程中支撐點的布置考慮，曲線導梁優(yōu)于直線導梁。根據現場條件，從施工方便性考慮，選擇曲線導梁。

4.3 頂推施工流程

施工前，完成對地鐵和油氣管線的防護，防護措施滿足施工要求。由于墩頂尺寸小，搭設墩旁支架安放千斤頂。

在A8墩大樁號側搭設60 m長的鋼箱梁拼裝平臺，如圖8所示。千斤頂布置在圓弧的切線方向,如圖9所示。

圖8 拼裝平臺、墩旁支架及步履千斤頂立面布置圖

圖9 拼裝平臺、墩旁支架及步履千斤頂平面布置圖(單位：mm)

鋼箱梁分節(jié)吊裝至拼裝平臺上進行焊接，采用步履式千斤頂進行頂推、就位。頂推時，利用控制系統調控各頂同步作業(yè)，碎步慢走，及時糾偏，施工過程中做好相應的應變、應力監(jiān)測；頂推到位后，調整好縱坡和平面位置，拆除影響落梁的設施，準備落梁,如圖10所示。

圖10 鋼箱梁頂推到位

4.4 落梁

將步履式千斤頂由頂推狀態(tài)調整至落梁狀態(tài)，如圖11所示。利用步履式千斤頂將鋼箱梁落至底板貼近墩頂支座時暫停落梁，實施鋼箱梁的整體旋轉施工。待旋轉至A6、A8墩支座處頂底板橫坡為6%時停止旋轉，實測鋼箱梁頂面橫坡滿足要求后，將鋼箱梁落至支座頂面，再次復測無誤后進行支座的安裝和頂面混凝土的澆筑，完成安裝施工。

圖11 落梁千斤頂平面布置圖

5 實施情況

第一階段鋼箱梁的拼裝長度為54 m，10 d共頂推43.2 m，平均每天頂推4.32 m；第二階段9 d共頂推44.8 m，平均每天頂推4.98 m。頂推時，按內弧行程∶外弧行程=300 mm∶310 mm控制，每次最大行程310 mm。每個行程實測鋼箱梁橫向偏位3～4 mm，每天糾偏一次。

鋼箱梁旋轉時，鎖定A6、A8內側步履頂不動，以此兩頂連線作為旋轉軸，其他位置的頂升頂頂起鋼箱梁使其圍繞旋轉軸旋轉，如圖12所示。旋轉過程中，旋轉半徑的不一樣導致各處千斤頂的行程不一樣。在旋轉之前，根據旋轉半徑算好各自相匹配的行程，防止頂升的不同步而導致脫空，甚至引起鋼箱梁破壞或傾覆。為確保安全，旋轉時要求各頂實際行程與理論行程之差控制在5 mm內。

圖12 落梁時旋轉軸示意圖(單位：mm)

施工過程中，單點的最大水平糾偏力為10.26 t；單點的最大豎向頂升力為313.92 t，滿足監(jiān)控計算控制值332.83 t(誤差為±10%)要求，此時對應的水平頂推力為10.55 t、摩擦系數為0.034。頂推過程中摩擦系數為0.02～0.12，糾偏過程中摩擦系數為0.04～0.07。

實測數據顯示:頂推過程中的摩擦系數最大值偏大，最小值偏小。分析原因是在頂進過程中，半球鉸通過其轉動來適應曲線的同時，也帶動了豎向頂升頂在滑槽內的偏位，使滑槽側壁對豎向頂升頂的縱向移動產生阻力，導致摩擦系數偏大；在正常頂進過程中，由于有下坡的存在，減少了水平頂推力，導致摩擦系數偏小。

根據摩擦系數分析可知:旋轉過程中箱梁在自重作用下有帶動豎向頂升頂在滑槽內滑動的趨勢。因此在旋轉之前，利用兩側橫向糾偏頂固定豎向頂升頂。

頂推時對導梁底板應力進行了監(jiān)測，根據監(jiān)測數據顯示，底板實測應力與理論計算值基本相同，如圖13所示。落梁完成后，實測鋼箱梁頂面高程與理論高程基本一致，最大誤差在2 mm以內。

圖13 導梁底板應力實測值與理論值對比

6 結語

虎門二橋東涌互通A 匝道橋是同時具備大縱坡、大橫坡、小半徑平曲線鋼箱梁頂推施工案例，在國內外極為罕見，施工環(huán)境惡劣，安全風險巨大。施工采用步履式千斤頂成功完成200 m曲線半徑箱梁頂推安裝施工，成橋后各項指標滿足設計及規(guī)范要求，為類似工程的實施積累了施工經驗，具有很好的借鑒作用。