鋼箱梁大跨度懸臂跨越既有交通線施工技術研究與應用

張學進

上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080

城市快速路網建設已被國內外許多城市證實為緩解城市交通擁堵的有效途徑之一。特別是，高架快速路以其交通容量高、占地少、交通轉換效率高、路網及周邊溝通方便、經濟性好等特點成為城市快速路建設形式的首選[1]。然而，現階段城市高架橋梁地處城市核心區，施工面臨管網密集、交通繁忙、施工空間狹小、鄰近建（構）筑物眾多等實際問題，導致其對城市正常交通影響較大及所處的位置備受矚目。懸臂拼裝施工因其具有適合多跨梁施工的特點而越來越成為中心城區大跨度橋梁施工的首選，特別是橋梁跨度越大，懸臂拼裝的技術可行性和經濟性越明 顯[2]。本文結合上海市北虹路立交工程跨越中環線、蘇州河施工難點，針對施工期間需要保障城市骨架路中環線和蘇州河6級航道正常運行的需求，在傳統懸臂拼裝技術的基礎上再創新，提出了鋼箱梁大跨度懸臂拼裝施工成套技術，有效地解決了跨越施工對既有城市快速路或航道的影響，保證了施工安全并縮短了施工工期[3-5]。

1 工程概況

上海北虹路立交工程，地處上海市中心城區，沿線民居密集、交通繁忙，施工敏感點多、技術難度大、風險高。工程包括2條主線高架、7條匝道和1條人非橋。其中，主線N、主線S、匝道EE共4次跨越中環線，上部結構均為鋼箱梁，梁高1.8～3.5 m，跨中環線主跨長度45.006～ 65.000 m，具體涉及主線NK3—NK5、SK5—SK6，匝道EE5—EE7、EE16—EE19，平面示意如圖1所示，具體情況見表1；主線N、主線S、匝道EN、匝道NE及人非橋FEI共5次跨越蘇州河，上部結構均為鋼箱梁，梁高1.8～7.0 m，跨蘇州河主跨長度79.961～153.104 m，具體涉及主線NK13—NK18、SK15—SK18，匝道ENK1—ENK3、NEK7—NEK8，人非橋FEIK12—FEIK14。具體情況見表2。

2 施工方案比選

圖1 北虹路立交總平面

表1 北虹路立交跨中環線整體概況

表2 北虹路立交跨蘇州河整體概況

鋼箱梁的施工方法主要有支架法、頂推法、轉體法、懸臂拼裝法等，本節結合上海北虹路立交跨越中環線和蘇州河段的具體特點，特別是考慮到施工期間需要保障城市骨架路中環線和蘇州河6級航道正常運行的工程需求，以“低影響度”建造和“高效率、保暢通”為基本原則，進行施工方案比選，并制定科學合理的施工流程。

2.1 鋼箱梁跨中環線施工方案

北虹路立交跨中環線施工主要考慮盡量減少對中環線正常運營的干擾，因此跨中環線的關鍵節點是合龍段施工只能在夜間車流量較少的時間段內進行，施工期間中環線將臨時封交5 h，作業時間十分緊張；考慮中環線車輛的通行安全，必須提高防護等級，應采取有效措施防止高空墜物、焊渣掉落等；中環線為空心板梁簡支結構，無法承受大型安裝機械或搭設臨時支撐，鋼箱梁吊裝施工必須確保中環線結構安全。基于以上三方面的考慮，擬選用由中環線兩側全懸臂施工合龍、轉體法、滑移支架＋全地形車牽引就位安裝和懸臂段20～25 m采用750 t履帶吊整體合龍安裝4種施工方法，從施工周期、對中環線影響和對鋼箱梁結構影響3個方面對方案的可行性進行比選，具體情況詳見 表3。

表3 跨中環線施工方案比選

根據表3的比選結果，綜合考慮施工可行性、安全性以及對中環線的影響，故選擇懸臂段20～25 m采用750 t履帶吊大節段整體合龍安裝一次跨越中環線的施工方案?？缰协h鋼箱梁懸臂拼裝具體實施步驟為：先采用支架法安裝邊跨段（不帶翼板、防撞墻），并跨中環線懸臂段安裝20～25 m，跨中環合龍段在地面組拼，并安裝翼板、防撞墻，由750 t履帶吊整體大節段合龍安裝。根據以上施工方案，選定了具體施工設備與方法，見表4。

2.2 鋼箱梁跨蘇州河施工方案

上海北虹路立交跨蘇州河施工期間需要保證航道正常通行，施工區域河道寬約為50 m，考慮蘇州河為6級航道，施工期間河道通航寬度不應小于25 m；跨蘇州河段鋼箱梁高度范圍為1.8～7.0 m，屬于變高曲線橋，與蘇州河大角度斜交，受緊鄰中環線、長寧路等構筑物影響，考慮橋梁特殊結構與施工場地限制，轉體法、頂推法等方案在本工程應用受限；考慮蘇州河沿線橋梁通行高度的限制，水上作業只能選擇小于160 t級的浮吊。基于以上施工限制因素，擬采用轉體法、頂推法、懸臂拼裝法施工工藝，從施工周期、對蘇州河航道影響、施工方向和對鋼箱梁結構影響等4個方面對方案的可行性進行比選，詳見表5。

表4 北虹路立交鋼箱梁跨中環線具體施工方法與設備

表5 跨中環線施工方案比選

根據表4的比選結果，綜合考慮施工可行性、安全性以及對蘇州河航道的影響，選用懸臂拼裝法施工，具體實施步驟如下：首先采用350 t履帶吊施工岸上及部分鄰近岸邊的邊跨段（支架法）；然后，采用160 t級浮吊施工水上懸臂段和合龍段（水中臨時支架＋懸臂法），施工過程中除人非橋均不帶翼板和防撞墻；最后，進行翼板和防撞墻施工。其中，對于超高的鋼箱梁采用上下分段制作與運輸的方法，節段整體地面拼裝完成后再進行吊裝；合龍段施工時航道臨時封閉。根據以上施工方案選定了具體施工設備與方法，見表6。

3 鋼箱梁大跨懸臂拼裝關鍵技術

3.1 鋼箱梁節段劃分

鋼箱梁節段劃分主要考慮構件的運輸路線、運輸設備能力、現場作業設備起重吊裝性能、現場作業可實施空間懸臂端施工變形控制等[6-7]。構件運輸采用陸運與水運結合的方式?？紤]構件運輸路線沿線的限高、限寬、限載等因素，公路運輸鋼箱梁節段尺寸綜合控制在40 m（長）×6 m（寬）×4.2 m（高）以內，超高構件在高度方向進行分段、超寬構件在寬度方向進行分段；水路運輸鋼箱梁節段尺寸綜合控制在38 m（長）×6.1 m（高）以內，寬度方向主線鋼箱梁沿梁寬劃分為3個節段，人非橋鋼箱梁整體加工、匝道鋼箱梁沿梁寬劃分為3個節段?；谝陨弦蛩兀撓淞旱木唧w分段情況如下：

表6 北虹路立交鋼箱梁跨蘇州河具體施工方法與設備

1）公路運輸高度在4.2 m以下、水路運輸高度在6.1 m以下的鋼箱梁分段以箱體為獨立單元，兩側翼板單獨分段或一側翼板單獨分段（圖2）。

圖2 標準截面箱體縱向分段示意

2）公路運輸高度在4.2 m以下的超寬截面鋼箱梁根據箱室進行橫向分段，并且兩側翼板單獨分段。橫向斷縫處采用“Z”字形搭接接口（圖3、圖4）。

圖3 主線S超寬段縱向分段示意

3）公路運輸安裝節段箱體高度超過4.2 m和水路運輸安裝節段箱體高度超過6.1 m的需要豎向分段，分縫避開腹板加勁肋（圖5）。

圖4 EEK14超寬段縱向分段示意

圖5 超高段箱體豎向分段示意

3.2 鋼箱梁拼裝定位

鋼箱梁拼裝定位施工包括：鋼箱梁節段地面拼裝、吊裝姿態控制以及就位固定等3個方面。

3.2.1 鋼箱梁節段地面拼裝

鋼箱梁節段地面拼裝采用特制的拼裝胎架，拼裝胎架由φ300 mm鋼管支墩搭設而成，支墩設有調平鋼板。鋼箱梁節段拼裝時，胎架設置在平整堅實的場地上，必要時通過鋼板或路基箱調平?？紤]到鋼箱梁的線形問題，支墩采用不同高度（0.2、0.3、0.6、1.0 m），可疊層使用，但疊層數量應≤2層；考慮鋼箱梁整體受力情況，對支墩布設數量有嚴格限制，具體見表7。

表7 鋼箱梁節段拼裝支墩布設數量

鋼箱梁節段地面拼裝根據操作高度的不同配有不同的安裝操作平臺，地面拼裝時，采用φ48 mm×3 mm的盤口式腳手架搭設雙排移動操作平臺，平面間距為1 200 mm×600 mm，豎向步距600 mm，操作平臺層搭設走道板及滿鋪阻燃板，外側設防護網，掃地桿距地坪20 cm（圖6）；操作高度≤5 m的梁段采用移動腳手架作為焊接平臺；操作高度＞5 m的梁段采用登高車作為焊接平臺。

圖6 翼板地面安裝操作平臺斷面

3.2.2 鋼箱梁節段吊裝姿態控制

在鋼箱梁節段拼裝時，主箱梁三維空間拼裝精度控制包括高程位置和平面位置控制兩部分。高程控制主要是對比主箱梁上監控點高程與理論高程的差異；平面位置控制主要是對比監控點的二維平面實際坐標與理論坐標的差異，從而實現鋼箱梁節段的精確定位拼裝。箱梁翼板安裝的關鍵是線形控制，主要是通過調整主箱梁各個節段的縱向坡度與橫向坡度實現。

鋼箱梁節段吊裝時，通過節段監控點理論坐標進行粗定位；吊裝姿態通過改變吊具的長度進行調整，其中合龍段通過合理布設吊點，依靠節段整體重心進行姿態調整；鋼箱梁節段吊裝就位后進行精確定位，通過調整橋面板間的連接碼板位移進行節段水平位置調整，之后再進行高程位置調整。

3.2.3 鋼箱梁節段就位固定

懸臂段鋼箱梁拼裝頂板采用工裝、底板采用對接牛腿。懸臂段工裝采用厚20 mm的Q345鋼材焊接，每個工裝對接板預留3個φ35 mm的螺栓孔，螺桿采用φ32 mm的10.9級承壓型連接高強度螺栓，每個螺栓的抗拉強度為280 kN、抗剪力為170 kN。每個懸臂拼接斷面配置2套工裝（圖7）。

圖7 懸臂段工裝結構設計示意

3.3 鋼箱梁大跨度懸臂拼裝受力分析

鋼箱梁大跨懸臂在拼裝過程中，其結構內力會實時發生變化，由于懸臂拼裝存在結構體系轉換的現象，施工過程中必須保證結構內力、懸臂端下撓等在結構安全范圍內。為此，以主線N跨中環段進行了大跨懸臂結構受力分析。主線N跨中環施工流程為：中環線西側N5—N3支架法施工91 m→中環線西側N3—N2懸臂施工14 m，總懸臂長度20 m→合龍段施工39.8 m（圖8）。

圖8 主線N跨中環施工流程示意

圖9為由東向西懸臂施工20 m的模型圖，合龍段荷載為914 kN。計算結果如下：變形69 mm；最大應力－90 MPa；支座不出現受拉情況；按1/300考慮，懸臂20 m時，最大允許變形67 mm，基本滿足要求；應力較大，宜再適當減小懸臂距離。

3.4 鋼箱梁落架與體系轉換

支座焊接完成后，進行整聯鋼箱梁的整體落架。落架前先分離臨時支撐，由上至下先拆除橫梁系，松開側向連接系，再松開法蘭連接，逐節拆除鋼管支撐，鋼管支撐采用橋面卷揚機配合汽車吊勻速緩慢放置在地面上，最后集中運離橋位。

非標準裝配式支架拆除采用氣割方式，先拆除連接系，再逐根吊離橋位。拆除順序由上至下，拆除過程中臨時支撐上不允許站人及承重。

整聯鋼箱梁臨時支撐拆除后，完成整聯體系轉換。對橋面標高進行落架后復測，校驗成橋的拱度，然后進入橋面系施工。

4 工程應用效果

上海北虹路立交作為北橫通道與中環線的全互通立交，局部結構的空間結構達到了4層，施工過程中困難重重。通過應用大跨度鋼箱梁懸臂拼裝施工成套技術，順利地完成了“四跨中環線、五跨蘇州河”的施工任務，實現了施工期間中環線與蘇州河航道不停運，最大限度地減少了施工對城市運營的干擾，為后續中心城區高架橋梁的新增、改建提供了有益的工程借鑒和技術儲備，也為未來在不斷交情況下進行高架立交橋的建設提供了參考。