跨既有線鋼箱梁頂推施工安全控制研究

趙紅軍

摘要：某立交橋在跨越既有鐵路線時采用4跨連續鋼箱梁的設計，鋼箱梁施工采用頂推法。本文在分析該橋梁頂推法施工發展和技術特點的基礎上，首先對施工過程中大概率出現的施工風險進行了辨識，并結合層次分析法理論，建立了施工安全風險評估的指標體系，包含4個二級指標以及15個三級指標。將施工風險等級劃分為5個層次，再結合模糊數學理論，最終得到該橋梁在施工過程中處于中度風險級別。最后，針對安全風險分類中主梁風險的應力控制進行了介紹。

關鍵詞：連續鋼箱梁;頂推法;風險識別;層次分析法;安全評估

1 橋梁頂推法施工的發展及特點

1.1 頂推施工法溯源

在現代橋梁工程界，頂推施工法（Incremental launchi）的定義表述為“在橋頭沿橋縱軸線方向，將逐段拼裝（預制張拉）的梁段通過千斤頂向前推出使值就位的施工方法”，主要適用于中等跨徑等截面梁、連續梁、拱橋、斜拉橋等的施工[1，2]。該方法思路可追溯至縱向拖拉施工，即用千斤頂代替卷揚機滑車組，用滑道梁等結果代替滾筒。最早施工頂推法進行施工的是1959年的奧地利，當時萊昂哈特（Leonhardt）教授提出該方并建造了阿格爾橋。時隔四年之后的委內瑞拉在建造卡羅尼河橋（中孔跨徑為96m）時第二次使用了頂推法，并將鋼導梁和臨時墩首次引入施工過程。該橋的施工被工程界普遍認為是第一次嚴格意義的頂推施工法。次年，分段預制、逐段頂推和逐段接長等施工工藝的引入，使得頂推法得到了進一步的改進和發展。截止目前，據不完全統計，全球范圍內已有千余座以上的橋梁的施工是采用的頂推法。而國內如佛山平勝大橋[3]、杭州九堡大橋[4]、鄭州黃河公鐵兩用橋[5]等均在用該法進行施工。

保證梁體在千斤頂提供的一定頂推力的作用下能夠在克服梁體與滑到之間的摩擦力向前移動時頂推法施工的關鍵所在。根據頂推方式，可將頂推法分為單點頂推和多點頂推。下圖1所示為頂推法施工的一般流程。

1.2 頂推施工法特點

在施工環境、設備和技術要求以及施工控制等多個角度，頂推法與支架拼裝法、轉體法和懸臂拼裝法等施工方法之間存在著明顯的差異。頂推施工法除了具有可不中斷交通的特點以外，還在以下幾個方面表現出一定的優勢[6]：

（1）橋梁節段可以在現場或工廠進行預制，結構的整體性好，制造質量施工管理可以得到保證，還可以節約勞動力，提高施工過程的機械化程度。

（2）對大型施工機械的要求程度較低，無需大量的腳手架等臨時結構，施工造價較其他方式要低。

（3）施工過程中占用場地較少，環境和氣候條件對施工的影響程度低;施工設備可多次循環周轉使用。

此外，雖然臨時結構（臨時墩、導梁等）的布置增加了橋梁頂推施工的跨度，但是導梁的設計與安裝、頂推精度和千斤頂的同步性、整體結構和局部的穩定性問題一直是頂推法施工的難度所在。

2層次分析法基本原理及一般步驟

2.1 層次分析法基本原理

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是將影響總決策的相關因素進行分解，一般情況下可劃為目標、準則、方案等幾個層次，其特點是采用了一定的標準以對人的主觀判斷進行了量化的，基于此對決策進行定性和定量分析。

該方法的首要目標就是解決人為主觀因素對復雜問題問題的思考過程。即依據有較多經驗決策者的判斷，來評判各個衡量目標與能否實現的標準之間的相對重要程度。通過數學方法合理地給出每個影響因素對目標層的權重，最后利用權數求出各方案的優劣次序，以求解決決策問題層時的層次化、數量化。結合數學方法進行量性兼具的決策分析，旨在通過簡單的方法來解決多目標、多準則復雜的決策問題。特別適用于人的主觀定性判斷和需要將決策結果進行精確量化計量的場合，其分析過程和結果具有很強的系統性和科學性[7]。

2.2 層次分析法一般步驟

以下4步為層次分析法的一般步驟：

（1）第一步是建立層次結構模型：根據決策目標、決策準側以及決策對象三者之間的相互影響關系，一般情況下層次結構模型可以分為最高層、中間層以及最底層和三類。依次又稱為目標層、因素層（準則層、指標層或約束層等）和方案層。

（2）第二步是要構造成對比較矩陣：借助矩陣來表示本層所有因素對上一指標層中某一個因素的相對影響的比較。采用相對尺度，以盡量減小性質不同的諸因素相互比較的困難，目的是為了避免在確定各指標間權重時僅給出定性結果。

（3）第三步是對層次進行單排序及其一致性檢驗。將判斷矩陣（記作A）的最大特征根lmax進行歸一化處理的結果記為W。W中各元素的含義式同一層次的指標對于上一層次某個指標的相對重要程度的排序權值。此外最大特征值和與之相對應的特征向量是每個矩陣必須求解的參量，并對該參量進行一致性檢驗（包括一致性指標、隨機一致性指標以及一致性比率）。在檢驗通過的情況下，特征向量W即為權向量;否則另需構造比較矩陣并進行分析。

（4）第四步是計算總排序權向量并對其進行一致性檢驗。該過程需要計算的是計算最下層對最上層總排序的權向量。在檢驗通過的情況下，則可按照總排序權向量表示的結果進行決策。否則需要對一致性比率高的判斷矩陣高的元素的值進行調整，重新進行分析。

3 工程背景

某立交橋采用跨徑為（23+42+35+30）m的連續鋼箱梁，且需要跨域鐵路線，而該鐵路線在保證華北與西北的聯通方面發揮著不可替代的作用。施工期間保證該鐵路線的正常營運是決定采用何種施工方案的第一要素，因此鋼箱梁橋在跨線部位整體上采用頂推法進行施工。

結合工廠制造的節段大小、現場場地的實際情況和所搭建的臨時支架的承載能力，并考慮到頂推過程中鋼箱梁的配重問題，沿橋軸線自西向東將鋼箱梁分成9段（A1～A9）焊接，其中16#墩～18#墩之間為頂推段，其余段為支架拼裝段，下圖2所示為鋼箱梁的分段示意。整體施工流程為：首先在臨時搭設的支架上拼裝由工廠分塊預制的鋼箱梁，由汽車吊調整就位后進行焊縫的連接以及焊縫焊接質量的檢查，待檢查合格后向前頂推至預訂位置，此后循環該過程，直至全部鋼箱梁拼裝頂推就位。最后進行落梁施工以及二期橋面等附屬結構的施工。

4 安全風險評價指標體系的建立

4.1 頂推施工風險識別及評價指標體系的選取

施工過程中一旦發生安全事故，不僅會造成人員傷亡和經濟的損失，還會帶來一系列十分惡劣的社會影響。鋼箱梁在跨線頂推施工過程中，不僅要確保施工自身的安全，還要保證施工過程不會對既有線路的安全運營產生不利的影響。因此在施工前要結合工程實際情況對有可能產生的風險進行預估，并對不同風險所帶來危害的影響程度有一定的量化比較，以便于采取一定響應的措施多風險進行主動防御和控制。這也是橋梁施工過程中至關重要的一步。

通過結合設計以及現場情況結合對鋼箱梁的施工特點進行分析，并基于專家調查和以往的工程案例，總結在施工過程中出現概率較大且需重點考率的風險因素并進行篩選，其風險因素主要可以分為4類，即：①主梁風險;②既有線、周邊設施以及環境風險;③施工設施風險;④其他風險。基于此，通過對目標分解法和層次分析法構造出下圖2所示的包括4個一級指標和15個二級指標的鋼箱梁頂推施工安全風險評估體系。

4.2 鋼箱梁頂推階段施工風險評價

以上述第3節工程背景為依托，從對現場施工人員、管理人員和專家的調查結果出發，基于層次分析法對該橋梁施工過程中的風險進行評估。圖2所示的各安全風險層次中各風險類別的權重見下表1。

本文將風險等級劃分為5級，依次為高風險、較高風險、中度風險、較低風險、低風險，用V={0.9，0.7，0.5，0.3，0.1}依次表示各風險危害程度，劃分等級及其描述見下表2。

5 結論

目前在橋梁建造過程中發生安全風險事故的案例屢見不鮮，尤其在大跨度復雜結構橋梁的施工中。在跨越既有線路方面，不僅橋梁本身的施工會出現一系列風險，此外還會對既有線的安全運營帶來一定的威脅。本文以某連續鋼箱梁的頂推施工為工程背景，采用層次分析法對施工過程中的風險進行了分析，旨在為同類橋梁施工風險的評估和控制提供參考。

參考文獻

[1]趙人達，張雙洋. 橋梁頂推法施工研究現狀及發展趨勢[J].中國公路學報，2016，29（02）：32-43.

[2]封曉平. 橋梁頂推法施工的現狀及發展趨勢[J].交通世界，2018（27）：122-123.

[3]李新華. 大跨度鋼箱梁斜拉橋頂推施工中的關鍵技術研究[D].西南交通大學，2013.

[4]邵長宇. 九堡大橋組合結構橋梁的技術構思與特色[J].橋梁建設，2009（06）：42-45.

[5]董政，張鵬. 鄭州黃河公鐵兩用橋主橋鋼桁梁支架拼裝及頂推技術[J].鐵道標準設計，2010（09）：66-69.

[6]賈紅兵. 鋼箱梁步履式頂推法施工關鍵技術研究[D].長安大學，2019.

[7]衛毅. 基于不確定層次分析的模糊綜合評判在斜拉橋施工風險評估中的應用[D].長沙理工大學，2017.