上海長江大橋工程墩柱分節(jié)預制安裝施工技術(shù)

閆明吉，殷天軍，卞蜀陵，別社安

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.天津大學建筑學院，天津 300072）

1 工程概況

上海長江隧橋工程南起上海市浦東新區(qū)的五號溝，經(jīng)長興島至崇明縣的陳家鎮(zhèn)，全長25.5 km。其中南港水域?qū)挾燃s6.871 km，長興島陸域?qū)挾燃s3.946 km，北港水域?qū)挾燃s8.451 km。

上海長江隧橋工程采用“南隧北橋”方案，北港長江大橋長約10.3 km，南港長江隧道長約8.9 km，長興島和崇明島接線道路共長約6.3 km，其平面位置如圖1所示。

長江大橋非通航孔深水區(qū)長3 710 m，由一航局一公司負責樁基、承臺和墩柱的施工。工程數(shù)量主要包括φ1 200 mm鋼管樁1 200根、承臺92座和墩柱92個。

墩柱為C40高性能混凝土空心薄壁墩結(jié)構(gòu)，截面采用單箱單室，隨橋墩跨度（70 m跨和105 m跨）的不同，墩柱的斷面尺寸及高度等有所不同。墩柱的規(guī)格尺寸及數(shù)量見表1。

圖1 上海長江隧橋工程平面位置圖

表1 墩柱規(guī)格尺寸及數(shù)量匯總

根據(jù)施工能力，將墩柱分成1～4節(jié)，共216節(jié)。其中單節(jié)最大高度為13.7 m，重量約400 t。墩柱分節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 工程特點

（1）墩柱單節(jié)段最高為13.7 m，采用立式預制一次澆注成型，模板支立及混凝土澆注、振搗難度大。

圖2 墩柱分節(jié)結(jié)構(gòu)圖（以70 m跨中墩為例）

（2）墩柱重心高，穩(wěn)性差，采用立式水平運輸安全風險突出。

（3） 105 m跨的墩柱分成3節(jié)或4節(jié)預制安裝，現(xiàn)澆濕接頭混凝土將墩柱連為整體，墩柱的垂直度、上下節(jié)錯牙控制無施工經(jīng)驗可借鑒，是一個技術(shù)難題。

3 施工總體部署

本工程預制場選在上海市橫沙島，原為長江口航道整治混凝土構(gòu)件預制基地，主要預制半圓體沉箱，具有混凝土拌合站、出運碼頭、小臨等基礎設施。為預制墩柱，購置了400 t龍門吊。由于出運碼頭引橋的承載力和結(jié)構(gòu)尺寸有限，龍門吊不能直接上碼頭，故設計制造了縱移平臺車進行轉(zhuǎn)運。墩柱運至出運碼頭后，用650 t起重船吊裝上5 000 t深艙自航駁，由深艙駁運至施工現(xiàn)場，再用650 t起重船進行安裝，現(xiàn)澆濕接頭混凝土形成整體。

4 主要工序施工工藝

4.1 墩柱預制

墩柱采用立式預制法。混凝土臺座布置在鋼筋混凝土板基礎上，其上設置鋼臺座。外模板由模板面板和桁架兩部分組成，模板面板采用冷軋鋼板，桁架采用型鋼結(jié)構(gòu)。內(nèi)模板采用分節(jié)傘形收縮整體拼裝內(nèi)模，通過調(diào)整頂絲來改變模板外形尺寸。鋼筋骨架由下至上一次綁扎成形。采用商品混凝土，由罐車運送，泵車布料入倉，分層振搗一次澆筑完成。

墩柱預制施工流程如圖3所示。

圖3 墩柱預制施工流程圖

（1） 墩柱臺座

臺座基礎為8 m×6.5 m，厚30 cm的鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)。混凝土臺座高度為1.20 m，寬0.58 m。

墩柱底端有1.10 m或1.35 m長的多根外伸鋼筋，為此在混凝土臺座上安裝可移動式的鋼臺座。鋼臺座高度與外伸筋長度相同。鋼臺座用鋼板及型鋼加工而成，底模與臺座連成一整體。底模采用δ10 mm鋼板加工而成，按設計鋼筋位置留70 mm×70 mm方孔，在方孔下補焊100 mm×100 mm鋼板，并根據(jù)鋼筋直徑不同開φ50 mm和φ40 mm圓孔。為保證墩柱鋼筋正確就位及鋼臺座拆除方便，在底模上設置定位卡，堵塞底模空洞。鋼筋就位后，用海綿填充鋼筋與模板間孔隙。

鋼臺座就位后用水準儀檢測其頂面四個角的高差，當平整度不滿足規(guī)范要求則采用薄鋼板將臺座墊平。墩柱預制臺座系統(tǒng)如圖4所示。

（2） 內(nèi)模設計與安裝

圖4 墩柱預制臺座系統(tǒng)

墩柱內(nèi)模采用分節(jié)傘形收縮整體拼裝，分節(jié)高度根據(jù)組合鋼模板的規(guī)格尺寸定為90 cm；面板采用組合鋼模板，橫向圍囹采用φ50腳手架鋼管，豎向圍囹采用10號槽鋼；內(nèi)撐為傘狀骨架，傘軸桿采用φ90鋼管，支桿采用φ50腳手架鋼管。內(nèi)模結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 墩柱內(nèi)模結(jié)構(gòu)

內(nèi)模安裝采用吊機由下至上順序逐層進行，分節(jié)模板之間使用螺栓連接固定。為防止模板間出現(xiàn)不吻合現(xiàn)象，每套模板分層進行編號，以防弄混。

（3）墩柱外模設計與安裝

外模板由4片模板板面和桁架兩部分組成。模板板面采用δ8冷軋鋼板，加勁板采用δ8鋼板及10號槽鋼組成網(wǎng)格，網(wǎng)格間距按350 mm設計。模板桁架采用14號槽鋼作為上下弦桿，使用63 mm×6 mm角鋼連接上下弦桿形成桁架。

外模板安裝采用吊機和龍門吊配合進行，安裝順序為先長邊后短邊，模板就位時用定位插釬協(xié)助就位后及時打好定位銷，模板間墊2 mm厚的橡膠止水板，并上好模板間及模板桁架間的連接螺栓。

（4） 澆注墩柱混凝土

墩柱混凝土由商品混凝土站采用強制式拌合機拌和，罐車運送，泵車布料入倉，每節(jié)墩柱一次澆注完成。

混凝土澆注前，墩柱內(nèi)部沿周邊安放8根串筒，避免混凝土落下時離散；布料時每層澆注厚度不大于30 cm；布料后使用加長變頻式插入振搗器進行振搗，振搗手根據(jù)振搗棒上的刻度標示和內(nèi)部照明設備對振搗進行觀察和控制；澆注過程中分層減水，澆注至頂部時，清除浮漿，二次振搗、壓面。

4.2 墩柱出運

墩柱出運包括陸上和水上運輸兩部分。陸上運輸是指墩柱在預制場內(nèi)及從預制場經(jīng)過290 m長的引橋至碼頭的運輸；水上運輸是墩柱從碼頭裝上駁船，運至大橋現(xiàn)場。墩柱的預制和運輸均采取立式。墩柱混凝土達到預定強度后，從臺座上出槽以及在預制場內(nèi)的運輸均由400 t龍門吊來完成，墩柱從預制場至碼頭的運輸由縱移臺車完成，墩柱水上運輸由5 000 t深艙駁運輸。

4.2.1 墩柱陸上運輸

用龍門吊起吊運輸?shù)碾y度和風險相對較小，而采取臺車立式長距離運輸則存在較大的風險，國內(nèi)尚無先例。其主要問題是墩柱高度大，斷面尺寸相對較小，而且頂部尺寸大于底部尺寸，重心高；臺車運距達290 m；受碼頭引橋結(jié)構(gòu)限制，臺車軌距僅6 m，軌頂不是絕對平整，臺車運動難以達到勻速。因此，如何保證墩柱運輸中的安全穩(wěn)定，必須認真地分析和計算。

（1）臺車運輸時的穩(wěn)定性分析

墩柱在臺車上運輸時，水平慣性力使墩柱失穩(wěn)分3種情況：

一是墩柱和鋼臺座沒有足夠強度的連接，墩柱相對于鋼臺座傾倒；二是墩柱和鋼臺座與臺車沒有足夠強度的連接，墩柱和鋼臺座相對于臺車傾倒；三是墩柱、鋼臺座和臺車整體傾倒。

墩柱用臺車運輸時在墩柱上所產(chǎn)生的水平慣性力主要有以下3種：

①牽引啟動和制動加速度

絞車牽引臺車運行和制動時，會使墩柱沿運行方向產(chǎn)生水平加速度。經(jīng)計算選用25 t絞車，牽引啟動產(chǎn)生的水平加速度小于墩柱沿牽引運動方向的臨界失穩(wěn)加速度。制動選用15 t絞車，制動產(chǎn)生的水平加速度也遠小于墩柱沿運動方向的臨界失穩(wěn)加速度。

②軌道面不平整引起的加速度

當軌道面不平整，臺車運行時會產(chǎn)生繞軌道軸線的偏轉(zhuǎn)加速度，使墩柱產(chǎn)生垂直于軌道軸線的水平加速度。計算表明，當軌道面不平整時，臺車運行在墩柱上產(chǎn)生的垂直于軌道軸線的水平加速度均很小。

③軌道接頭有間距和高差引起的加速度

若將軌道接頭處的高差控制在5 mm內(nèi)，接頭縫寬5 mm，臺車經(jīng)過該接頭縫時會產(chǎn)生高差變化，使臺車產(chǎn)生豎向加速度，同時臺車輪受到?jīng)_擊，使臺車沿軌道軸線方向產(chǎn)生水平加速度。通過計算可知，當軌道接頭處有間距和高差時，臺車運行在墩柱上產(chǎn)生的垂直于軌道軸線的水平加速度較大，它會使底寬3.2 m及以下的墩柱失穩(wěn)。

從上述分析可知，墩柱的失穩(wěn)主要是側(cè)向傾倒，需對墩柱采取必要的扶穩(wěn)加固措施。

（2）墩柱扶穩(wěn)方案措施

經(jīng)分析計算采取3方面的扶穩(wěn)措施：

①在墩柱底部的四角，各預埋4根直徑32 mm的螺紋鋼筋，將其同鋼臺座焊接，使鋼臺座和墩柱連接成整體。

②在鋼臺座底面的四角，各用2根直徑30 mm的螺栓將鋼臺座與臺車連接。

③在臺車的兩側(cè)，各設2個支架，在每個支架距臺車頂面2.0 m和5.5 m處設置頂撐絲杠，以提供維持墩柱穩(wěn)定的水平支撐力和力矩。

墩柱的受力簡圖如圖6所示。

圖6 墩柱的受力簡圖

（3） 支架設計

在臺車頂面設4個支架，用于固定頂撐絲杠。支架高5.75 m，每個支架在臺車頂面上的尺度為1.3 m×1.9 m，用鋼板焊接而成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。經(jīng)有限元計算分析，支架結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

4.2.2 墩柱水上運輸

（1） 船舶選型

通過對施工進度及船機性能綜合比選，選用了1條長91.5 m，寬15.3 m，深6.7 m，載重量5 000 t的自航式運輸駁進行墩柱水上運輸，一次最多可以裝6節(jié)墩柱。

（2） 墩柱裝船

起重船和運輸駁停泊在橫沙預制場碼頭，墩柱由臺車運至碼頭上，起重船起吊墩柱，吊放到運輸駁加固支架預留的位置上，焊接固定，逐一檢查合格后，運輸駁船即可起錨解纜，將墩柱運往大橋施工現(xiàn)場。

圖7 支架結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m）

圖8 承臺上及墩柱節(jié)段頂面短柱布置圖

4.3 墩柱安裝

起重船和運輸駁駐好位后，即可進行安裝施工。墩柱起吊前，先將墩柱底部四角的8根φ32加固鋼筋切斷，解除鋼臺座和墩柱間的連接；起重船從駁船上緩慢吊起墩柱，同時用大錘敲打鋼臺座使其與墩柱底部脫離。

調(diào)整起重船船位及扒桿的角度，將墩柱吊至對應的承臺上方，緩緩落鉤，當其降低至距支撐短柱和導向短柱頂面45 cm時停止落鉤，調(diào)整起重船扒桿和連接在墩柱上的纜繩，使墩柱對準導向裝置緩慢下落，依靠導向裝置使墩柱基本就位后停止落鉤，測量人員進行偏位及垂直度觀測。記錄偏差，推算支撐點及導向點墊片厚度，將墩柱重新起吊少許，在相應導向短柱的支撐面上焊接同偏差數(shù)值厚度相等的鋼板，再次將墩柱放下。垂直度使用安放在4個角的4個液壓千斤頂進行調(diào)整，測量密切配合。垂直度滿足設計要求后起重船落鉤使墩柱完全落在支撐短柱上，同時臨時焊接部分鋼筋加固，每個角點各焊接4根φ32鋼筋，安排起重人員卸鉤進行下1節(jié)墩柱安裝。

（1） 支撐 （導向） 短柱

為準確定位安裝墩柱節(jié)段，本工程采用在承臺上和每節(jié)墩柱頂面長邊設置4個支撐短柱，短邊設置2個導向短柱。支撐短柱兼有導向作用，短柱采用預制場內(nèi)預制，現(xiàn)場安裝的方法。承臺上及墩柱節(jié)段頂面短柱布置見圖8。

（2） 操作平臺及樓梯

利用墩柱的4個矩形吊孔和兩個透氣孔支撐墩柱分節(jié)安裝和濕接頭混凝土澆注操作平臺。操作平臺不僅供操作人員施工，還要承載鋼筋及接頭外模板的重量。操作平臺采用平面桁架結(jié)構(gòu)，由4片組成，片間用螺栓連接，外側(cè)面設護欄。

施工人員上下墩柱使用安裝在墩柱側(cè)面的樓梯，樓梯分節(jié)加工，每2 m設轉(zhuǎn)接平臺。搭設高度同操作平臺，從下至上依次安裝，采用法蘭盤及螺栓連接，底部固定在承臺上，中間部位利用墩柱透氣孔，頂部使用型鋼將樓梯與結(jié)構(gòu)物連接。樓梯安裝前先在承臺上鋪設膠皮板，防止樓梯磕碰承臺及樓梯上銹蝕水污染承臺表面。操作平臺及樓梯如圖9所示。

圖9 操作平臺及樓梯

4.4 墩柱濕接頭施工

墩柱濕接頭指墩柱與承臺以及墩柱不同節(jié)段之間的連接接頭，濕接頭混凝土采用現(xiàn)澆施工工藝。墩柱節(jié)段之間的濕接頭斷面如圖10所示。

為保證墩柱濕接頭的工程質(zhì)量，施工中采取了多項措施。

（1）調(diào)整濕接頭斷面尺寸

圖10 墩柱濕接頭斷面

墩柱的壁厚為60 cm，濕接頭部位墩柱內(nèi)壁側(cè)加寬使混凝土厚度增加至100 cm，以便施工人員到內(nèi)部振搗。濕接頭內(nèi)側(cè)高度由原設計的170 cm加高至205 cm，即濕接頭混凝土的頂面比上節(jié)墩柱的底面高出50 cm，濕接頭混凝土的底面比下節(jié)墩柱的頂面低15 cm，并與墩柱空腔內(nèi)的水平隔板混凝土澆注成一體，起到很好的加強作用。

（2）采用科學合理的模板工藝

為了保證濕接頭混凝土的內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量，根據(jù)墩柱的結(jié)構(gòu)尺寸及預制安裝后的外形特點，外模板采用了3種模板形式組合使用：平面部位采用薄鋼板與豎向方木相結(jié)合的鋼木模板；四角圓弧處采用特制鋼模板；墩柱中間豎向凹槽處采用木模板。為適應墩柱表面及上下節(jié)墩柱間的高差變化，特采用外部支撐桁架與面板及豎肋不焊接為一體的頂絲結(jié)構(gòu)，以其最終承受混凝土的側(cè)壓力。內(nèi)模板采用組合鋼模板拼裝而成，內(nèi)模板頂口高出上節(jié)墩柱底面50 cm便于增加混凝土壓力。

（3）優(yōu)化混凝土配合比設計，摻加聚丙烯晴纖維

為保證濕接頭混凝土的強度及和易性，在其施工前進行配合比設計時做了多組試驗，通過分析比較，選出最優(yōu)化的混凝土配合比。為提高混凝土的抗裂性，特摻加了聚丙烯晴纖維，取得了良好的效果。

（4）嚴格控制濕接頭混凝土的澆注質(zhì)量

①對膠凝材料、砂石、外加劑等原材料加強檢驗，不合格的材料堅決不予使用；

②嚴格控制混凝土原材料的計量和拌和時間；

③控制好混凝土澆注下灰高度、分層厚度；

④對濕接頭的不同部位，采用不同規(guī)格的振搗棒進行振搗，同時在混凝土終凝前由施工人員在表面鋪木板，使用手錘輕砸，確保混凝土振搗密實；

⑤濕接頭混凝土實施二次振搗，保證濕接頭混凝土與墩柱的粘接質(zhì)量。

（5）濕接頭混凝土養(yǎng)護

濕接頭內(nèi)側(cè)采用涂刷養(yǎng)生液方法養(yǎng)護；外側(cè)白天人工灑水養(yǎng)護，晚上采用滴水法養(yǎng)護，即模板拆除后施工人員將集水桶吊放在墩柱頂面，在濕接頭上方圍繞一圈帶孔的水管，通過閥門控制水的流量。

5 施工中出現(xiàn)的問題及采取的措施

早期施工的濕接頭混凝土發(fā)現(xiàn)在短柱和“凹槽”部位出現(xiàn)豎向裂紋，分布比較有規(guī)律，絕大多數(shù)裂紋寬度小于0.2 mm。經(jīng)過認真分析，認為是綜合原因所致：

（1）混凝土在初期水化熱反應時，混凝土內(nèi)部溫度升高，而混凝土表面溫度較低，由于內(nèi)外溫差使混凝土產(chǎn)生脹縮變形，當混凝土表面拉應力超過混凝土抗拉強度時，即產(chǎn)生裂縫。

（2）由于墩座及濕接頭混凝土均屬于“填充”性質(zhì)的混凝土，墩柱的上下端面及支撐短柱位置對混凝土均產(chǎn)生約束，混凝土在水化熱溫升的作用下，發(fā)生體積膨脹時受到了約束，導致裂縫產(chǎn)生。

（3）墩柱在“凹槽”部位形狀發(fā)生了突變，因水化熱溫升和內(nèi)外溫差，混凝土發(fā)生脹縮時在這個部位應力集中產(chǎn)生裂縫。

采取的主要措施有：

（1） 水平箍筋由原設計的φ16間距150 mm調(diào)整為φ12間距75 mm。

（2）延長拆模時間至7 d，現(xiàn)場加強養(yǎng)護，冬季施工時在模板外噴涂保溫材料，加強混凝土保溫工作，拆除模板后立即用塑料布圍裹。

（3）混凝土中添加同濟大學技術(shù)合作企業(yè)生產(chǎn)的高彈性模量的“MPH-IB復合型工程防裂纖維”。

（4）濕接頭混凝土原材料中取消了膨脹劑。

采取以上措施后，濕接頭混凝土的裂縫數(shù)量明顯減少。

6 結(jié)語

上海長江大橋深水區(qū)非通航孔墩柱采用分節(jié)預制安裝施工工藝，安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成了整個工程。該施工工藝系國內(nèi)首創(chuàng)，為我國江、海上橋梁墩柱施工開辟了一條新的途徑。但在今后類似工程施工中對分節(jié)安裝與現(xiàn)澆濕接頭混凝土的細節(jié)還需不斷地深化、完善。

[1]朱治寶.杭州灣跨海大橋大型預制墩柱的施工技術(shù)[J].橋梁建設，2004，（5）：50-52.

[2]劉忠友.傘形內(nèi)模及翻板底模在杭州灣大橋墩柱預制中的應用[J].交通工程建設，2006，（1）：51-53.