港珠澳大橋海豚塔海上整體吊裝施工方案研究

劉 凱

(創輝達設計股份有限公司，湖南 長沙 410000)

港珠澳大橋江海直達船航道橋位于伶仃洋西灘，為中央單索面三鋼主塔斜拉橋，通航孔主跨258 m，根據設計圖紙[1]，主塔編號為138號、139號和140號。主塔順橋向外形呈“白海豚”狀，屬帶裝飾的異型鋼塔結構，工廠加工時將主塔從下往上分成Z0～Z12共13個節段，其中Z0節段長3.5 m，重約500 t，因橋位處海況復雜，臺風較多，分節段安裝施工工期長，且無法保證高空焊接質量。為優化海上施工方案，設計單位創新性地提出“將高空作業地面化，海上作業工廠化”的方案，將Z0節段工廠成型后單獨安裝在承臺頂面，其余主塔的Z1～Z12節段在工廠加工成整體段后由駁船運到施工現場，通過大型浮吊一次性起吊安裝在Z0節段上。考慮異型超重鋼主塔海上整體吊裝施工在國內外均無借鑒案例，施工單位選取施工條件相對較好的140號主塔做海上整體吊裝施工方案研究，140號主塔Z1～Z12整體吊裝段長105 m，重約2 560 t。

1 海上整體吊裝施工的控制因素

1)施工區域海況復雜：橋位處影響施工的熱帶氣旋主要集中在6月～10月，平均每年2.3個，極值年份達到6個，瞬時陣風6級～9級，極值瞬時陣風12級，潮汐為不規則半日潮混合潮型，漲潮時由外海漲向珠江口，水深約5 m～7 m，退潮時由珠江口退向外海，水深約3.5 m～5.5 m；2)施工區域船舶航線繁忙：橋位附近分布有九洲客運碼頭，通航的客運船舶較多，不能在施工區域長期禁航，施工船舶易受快速航行的客運船舶影響，上下浮動較大；3)異型塔整體吊裝難度大：140號主塔整體段長105 m，重約2 560 t，構件重心和機械設備應力精確計算較難，易受不確定因素影響，為保證安全，管理局對吊裝機械設備安全儲備富裕量的要求較高；4)吊裝期間船舶調度難度大：主塔整體段吊裝時需不斷調整平駁船和浮吊的錨位，錨艇易受既有錨位鋼絲繩的影響。

2 施工方案綜合比選

根據項目總工期和建安費的要求，結合海上整體吊裝施工的控制因素，初步提出兩個施工方案進行綜合比選：

施工方案一(抬吊豎轉方案)：主塔整體段在工廠加工好后，由“幸運海”平駁船運輸到施工海域，“長大海升”3 200 t浮吊和“正力”2 200 t浮吊首尾抬吊提升豎轉，轉體完成后，“正力”2 200 t浮吊脫鉤離場，“長大海升”3 200 t浮吊將主塔單獨吊裝就位。

此方案具有以下特點：1)平駁船上固定主塔的支架安裝方便，海上運輸穩定性高，受復雜海況的影響較小；2)兩艘浮吊首尾抬吊主塔，結構受力明確，不確定因素對主塔吊裝的影響較小，吊裝機械設備安全儲備富裕量大；3)主塔提升一定高度后，平駁船撤出施工水域，錨艇調整錨位的作業空間大，有助于加快主塔吊裝工作，需要申請的施工區域禁航時間較短；4)主塔吊裝期間，可監控構件變形的位置較多，吊裝作業安全保障度高；5)抬吊豎轉方案所需船舶較多，調度難度大，船舶租賃費用較高；6)抬吊豎轉方案需要增加下吊具和平衡梁，施工費用較高。

施工方案二(滑移豎轉方案)：主塔整體段在工廠加工好后，由“幸運海”平駁船運輸到施工海域，“長大海升”3 200 t浮吊單獨在上吊點處提升主塔，傾斜一定角度后，主塔底部開始緩慢滑移，滑移完成后，豎向提升主塔，將主塔吊裝就位。

此方案具有以下特點：1)為方便主塔底部滑移，平駁船甲板上安裝有不銹鋼板，此時固定主塔的支架安裝復雜，海上運輸穩定性差，受復雜海況的影響大；2)浮吊單獨滑移提升主塔，結構受力不明確，滑移前主塔底部易出現局部破壞，滑移后主塔易出現滑移速度過快，導致平駁船與浮吊相撞，不確定因素對主塔吊裝的影響較大，吊裝機械設備安全儲備富裕量小；3)主塔滑移完成且提升一定高度后，平駁船才能撤出施工水域，錨艇調整錨位的作業空間較小，不利于主塔的吊裝工作，需要申請的施工區域禁航時間較長；4)主塔吊裝期間，可監控構件變形的位置較少，吊裝作業安全保障度低；5)滑移豎轉方案所需船舶較少，調度難度小，船舶租賃費用低；6)滑移豎轉方案無需增加下吊具和平衡梁，施工費用較低。

對兩個施工方案進行綜合比選，施工方案一(抬吊豎轉方案)在固定支架安裝、海上運輸、受復雜海況影響、結構受力、安全儲備富裕量、錨艇作業方便、吊裝工作所需禁航時間和監控變形的位置數量上比方案二(滑移豎轉方案)優越，且更符合管理局的要求，因此，選擇施工方案一(抬吊豎轉方案)作為異型超重主塔海上整體吊裝的推薦方案(見圖1，圖2)。

3 抬吊豎轉方案簡介

1)施工準備：清淤疏浚施工海域，協調“長大海升”3 200 t浮吊、“正力”2 200 t浮吊和“幸運海”平駁船就位，按紙上作業方案錨位下錨，確定是否存在作業沖突問題；

2)在“幸運海”平駁船上安裝固定支架，將中山基地工廠加工好的主塔整體段移運上船，臨時固定好；

3)加工主塔上、下吊具，運輸至主塔加工廠碼頭，用浮吊將吊具安裝在主塔整體段上；

4)在Z0節段四個角上安裝整體段外導向結構后，再在Z0，Z1節段上分別安裝20套臨時匹配件[2]；

5)結合天氣預報，“幸運海”平駁船從中山基地出發，經橫門東水道和淇澳島東側后，航行至港珠澳大橋施工橋位，海上行駛總航程約29海里；

6)先將“長大海升”的8個錨位布設就位，再布設“正力2200”的4個錨位，最后布設“幸運海”的4個錨位。就位后“幸運海”與“長大海升”的凈距10.64 m，與“正力2200”的凈距16.37 m；

7)“長大海升”主勾連接上吊具的4個吊點，“正力2200”主勾通過平衡梁連接下吊具的1個吊點；

8)將主塔抬吊提升至船舶甲板上方0.5 m處，靜置20 min，觀察有無異常情況，因抬吊時“幸運海”會同步上浮，故實際的主塔提升高度為1.7 m；

9)將主塔抬吊提升至船舶甲板上方10 m處，此時，“長大海升”吊重顯示為1 894 t，“正力2200”吊重顯示為1 291 t，收回“幸運海”布設的2處北錨，從南面將“幸運海”鉸錨撤離；

10)“正力2200”不動，“長大海升”分兩步提升上吊點[3]，主塔開始豎轉，第一次提升19.13 m，此時主塔塔尖開始進入臂架之間，塔尖外側與臂架的最小間距約為1.2 m，提升主塔上吊點階段參數變化見表1；

表1 提升主塔上吊點階段參數變化表

11)吊鉤鋼絲繩長度不變，分三步完成兩臺浮吊的變幅階段，變幅階段參數變化見表2；

表2 變幅階段參數變化表

12)保持“長大海升”的鋼絲繩提升速度不變，分三步完成上吊點垂直提升過程，每一步垂直提升前，“正力2200”先向前移動3 m，“長大海升”再提升主勾至相應高度，上吊點垂直提升階段參數變化見表3；

表3 上吊點垂直提升階段參數變化表

13)“長大海升”停止提升工作，“正力2200”先按步驟下放吊鉤，再前移相應距離，分七步完成鋼塔繞上吊點的豎向轉體過程，此時鋼塔底部距水面約2.1 m，“正力2200”下放吊鉤階段參數變化見表4；

表4 “正力2200”下放吊鉤階段參數變化表

14)安全拆除主塔下吊具吊點鋼絲繩；

15)“長大海升”橫橋向鉸錨，到達橋梁中心軸線位置，懸掛承臺頂上的順橋向牽引索，將主塔提升13 m后，再順橋向前移，主塔移至Z0節段上方后緩慢下放精確就位，安裝臨時匹配件；

16)依次解除上吊具的兩側旋轉端梁，將“長大海升”鉸錨退回原位，拖出施工水域，申請解除通航禁令；

17)安裝Z0與Z1節段間的連接板；

18)用浮吊分別拆除下吊具和上吊具，準備下一階段施工。

140號主塔成功精確就位圖見圖3。

4 結語

2015年8月23日，港珠澳大橋江海直達船航道橋140號主塔整體段一次性吊裝成功，耗時約10 h，比預期提前近3 h，驗證了凝聚各方建設者智慧和汗水的港珠澳大橋關鍵節點——異型超重主塔整體吊裝方案的可行性，為世界橋梁建設創造性地提供了中國智慧方案，完美地實現了將高空作業地面化，海上作業工廠化的設計初衷。