大跨徑懸索橋貓道架設牽引系統施工技術

張 暉 徐永明 李志鵬

(中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司 遼寧大連 116033)

1 引言

懸索橋以其跨越能力大、受力合理、能最大限度發揮材料強度、造價經濟等特點[1]，成為跨越千米級以上的海灣、江河、峽谷等障礙物最理想的橋型，在橋梁建設中得到了廣泛的應用。牽引系統是大跨徑懸索橋上部結構安裝施工的重要組成部分，而貓道牽引系統的架設則成為施工轉換的重要標志。

貓道牽引系統施工，主要是進行牽引索的架設，選擇技術先進、安全、經濟、適用的先導索架設方法極為關鍵。傳統懸索橋先導索架設方法主要為水下牽引法、水面牽引法、拖船空中牽引法、分段牽引江中對接法、火箭拋射法、直升機牽引法及飛艇牽引法等，但均存在費用大、施工難、對地形氣候水文條件要求高、安全風險大、施工許可手續繁瑣等不利因素[2-3]。

中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司針對貓道架設牽引系統傳統施工工法存在的客觀不利因素，結合在建千米級跨徑長江大橋項目實際，著力解決提高工效、避免長江航道封航、降低先導索過江安全風險等一系列難題，提出了采用工業級無人機架設先導索的施工工法，并成功應用于湖北棋盤洲長江公路大橋。該工法在施工進度、效益、安全、環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)項目總體概況

棋盤洲長江公路大橋位于湖北省黃岡市和黃石市境內，為雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，主跨1 038 m，一跨跨越長江。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，吊索順橋向標準間距為16 m。主塔采用門形框架式結構，南岸塔高165 m，北岸塔高157 m。南岸錨碇采用擴大地下連續墻基礎，北岸錨碇采用擴大基礎結構形式[4]。

懸索橋上部結構施工，在主纜中心線下方各設置一幅貓道，采用三跨連續式布置，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。貓道架設采用單線往復式牽引系統，上、下游各設置一套牽引系統。

(2)貓道牽引系統概況

貓道架設采用單線往復式牽引系統，沿主纜中心線布置，由兩岸的牽引卷揚機、散索鞍支墩門架導輪組、塔頂導輪組、轉向支架、牽引索、拽拉器等組成[5]，主要用于提供貓道架設時托架承重索與定位索、貓道承重索、門架承重索、扶手索及貓道面網等安裝時所需的牽引力。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先導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牽引法等[6]。

(1)拖船空中牽引法

先導索由塔頂放出，拖船牽引使鋼絲繩懸掛在空中，隨著拖拉船前進的同時，相應放松先導索。拖船法主要適用于跨江河、湖海等水域的懸索橋施工，方法簡單，易施工。但是該方法存在施工費用大、對風浪等水文條件要求高、安全風險大、施工許可手續繁瑣等不利因素。

(2)火箭拋送法

火箭拋送法以火箭為動力源，確定火箭的落點方位，通過工作繩將先導索和火箭連接，利用發射后的慣性牽引實現先導索的跨越。該方法無需封航，但落點精度低[7]。

(3)無人機牽引法

無人機架設先導索，通過無人機牽引極細繩索連接大橋兩塔，再利用卷揚機以小繩牽引大繩的方式，逐級遞換大直徑牽引索。無人機牽引先導索過江，施工操作簡便，能精準到達預先設定位置，架設過程中安全風險低，較傳統空中牽引方法操作時間短，施工過程中勞動力需求少、勞動強度低、自動化程度高、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，不影響長江航道正常航運，施工干擾小。

3.2 架設方案確定

結合千米級跨徑長江大橋項目實際，為保證提高工效、避免長江航道封航、降低先導索過江安全風險，經研究決定采用無人機架設先導索法。

4 下游牽引系統施工

(1)邊跨牽引索架設

牽引索(φ36 mm鋼絲繩)從錨碇后方布置的25 t主牽引卷揚機引出后，采用塔頂10 t卷揚機將牽引索經錨碇門架導輪組牽拉至塔頂，并臨時錨固在塔頂門架立柱上。

(2)先導索架設

采用一臺工業級六軸無人機牽引φ2.5 mm韓國絲先導索過江，無人機在南塔頂起飛，在北塔頂接收先導索，先導索到位后臨時錨固到塔頂門架上。選定晴好天氣，在南岸塔頂啟動無人機進行試飛確認。正式牽引前，通知航道安全維護單位進行施工水域航道安全警戒，觀察員在北塔下橫梁上就位，配備望遠鏡觀察先導索過江過程中的垂度(繩索垂度控制在110～140 m之間)，并及時反饋信息。先導索φ2.5 mm韓國絲繩盤放置在小放線架上，將繩頭與無人機相連，待收到指令后起飛。緩慢啟動無人機，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，將先導索臨時錨固到北岸塔頂門架上，并將繩頭連接在收線盤上。整個先導索過江歷時大約10 min(見圖2)。

圖2 無人機牽引過程

(3)過渡索逐級置換

牽引系統中跨過渡索包括 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，其余繩索采用卷揚機牽引過江完成置換。

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。后續利用相同的方法，通過六次往復牽引替換過渡索，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)與塔頂門架臨時錨固后，采用南塔下游塔頂門架上兩臺10 t卷揚機同步牽拉收緊塔頂兩側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輪組中，然后解除塔頂門架兩臺卷揚機鋼絲繩與牽引索的臨時連接。利用北塔下游塔頂門架上兩臺10 t卷揚機同步牽拉收緊塔頂兩側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輪組中，再解除塔頂門架兩臺卷揚機鋼絲繩與牽引索的臨時連接[9]。

啟動南、北兩岸錨碇后方下游25 t主牽引卷揚機，調整牽引索的垂度和張力，確保牽引索線形符合設計要求。試運行符合要求后，即形成下游貓道架設的單線往復式牽引系統(見圖3～圖4)。

圖3 下游牽引系統形成

5 上游牽引系統施工

下游牽引系統形成后，分別將南、北岸上游錨碇后方25 t卷揚機φ36 mm鋼絲繩引出，采用塔頂10 t卷揚機將牽引索經錨碇門架導輪組牽拉至上游塔頂并臨時錨固。

采用北岸下游塔頂卷揚機牽拉臨時錨固在塔頂的上游牽引系統φ36 mm鋼絲繩牽引索，經單向滑輪轉向牽拉至下游塔頂，與下游牽引索拽拉器連接后，牽拉過江至南岸下游塔頂，再經轉向牽拉至上游塔頂，通過拽拉器與先行臨時錨固在塔頂的南岸上游牽引系統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，再蕩移北塔側[10]。蕩移作業時，利用下游塔頂門架上的10 t卷揚機配合上游錨碇后25 t主牽引卷揚機同步、協同牽拉作業，將上游牽引索從下游逐步蕩移過渡至上游設計位置[11]，與上游塔頂門架上的卷揚機臨時錨固、拉緊，然后解除下游塔頂卷揚機鋼絲繩與上游牽引索的臨時連接(見圖5～圖6)。

圖4 下游牽引系統試運行

圖5 上游牽引索牽引過江

圖6 上游牽引索蕩移

牽引繩入導輪組采用上游塔頂門架上兩臺10 t卷揚機同步牽拉收緊塔頂兩側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輪組中，然后解除塔頂門架兩臺卷揚機鋼絲繩與牽引索的臨時連接。試運行符合要求后，即形成上游貓道架設的單線往復式牽引系統。

6 結束語

棋盤洲長江公路大橋采用無人機牽引先導索在不封航的情況下飛越長江，通過過渡繩多次置換，繼而完成貓道架設牽引系統的施工。該施工技術方案應用成本低、工效高、安全環保，在今后跨越千米級海灣、江河、峽谷等大跨徑懸索橋貓道架設牽引系統的施工中具有一定的借鑒和推廣價值[12]。