余杭特大橋鋼桁拱頂推施工安全管理研究

莫崇遷

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

鋼桁拱具有強度高、自重小、造型美觀和工業化程度高等優點，在公路、鐵路以及公鐵兩用橋中應用十分普遍。支架法、纜索吊裝法、懸臂拼裝法和頂推法為鋼桁拱橋施工的常用方法，這些方法各有其適用性。支架法受地質環境影響較大，主要適用于地質環境好的小跨徑橋型；纜索吊裝與轉體法可用于大跨徑鋼桁拱橋的建設，但存在施工工藝復雜，對場地要求高、線型控制難度大等技術難題。與上述工藝相比，頂推法具有受環境影響小、管理方便、機械化程度高、施工成本低等優點，在工程中的應用越來越廣泛[1]。然而，隨著橋梁跨徑的增大、結構形式的多樣化和復雜化，頂推法施工面臨著較大的施工風險。2019-09-01，安徽滁來全快速通道跨襄河在建大橋由于在頂推施工過程中鋼箱梁發生滑移，造成4人死亡、15人受傷以及上千萬元的直接經濟損失。相關學者對頂推施工開展了安全性研究，岳昊等[2]研究表明，臨時墩不均勻沉降將嚴重影響梁體的受力，并提出抽墊鋼板精調墩頂標高等措施避免不均勻沉降。王金良等[3]研究軸向偏位對鋼桁梁頂推施工的受力影響，提出首次頂推對桿件應力極值影響最為明顯等規律。曹樟海[4]對鋼箱梁頂推施工過程中常見風險源進行識別，并以長沙市機場大道主線橋鋼箱梁頂推施工項目為工程依托，采用層次分析法對各風險因素進行風險評估。目前，頂推法施工工藝多用于中小跨徑梁橋施工，對于結構復雜的鋼桁拱橋，可參考的工程案例少、施工難度大、施工風險高。基于此，本文對頂推施工工藝以及頂推施工過程中各工序風險情況進行大量調研，再根據本工程的施工特點，總結歸納施工過程中常見的施工風險來源以及相應的處理措施，為余杭特大橋鋼桁拱頂推過程安全施工保駕護航[5-8]。

1 工程概況

1.1 項目概況

余杭特大橋位于臨平區和余杭區，是規劃“杭州中環”的重要組成部分。該橋全長657 m，采用雙層橋面桁式鋼拱橋，上層橋共5聯：(3×29) m+(69+162+69) m+3×(3×30) m，橋面寬38 m。下層橋共4聯：(3×29) m+(69+162+69) m+2×(3×30) m，橋面寬48 m。橫橋向設兩片主拱，每片主拱為由上下兩根拱肋組成的桁拱體系，采用三角桁式，桿件均采用焊接連接。拱下弦軸線為二次拋物線，跨度為162 m，拱肋矢高38 m，矢跨比為1/4.26；拱上弦軸線為樣條曲線，跨度為300 m；在拱頂最高點處，上弦軸線較下弦軸線高4 m。全橋共設15對吊索，橋面系由正交異性橋面板(車行道)、橫梁、人非車道挑臂和檢修道挑臂組成。如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

1.2 頂推施工流程及施工工序

鋼桁拱頂推施工主要包含的施工工序如圖2所示。

(1)用龍門吊在支架上拼裝長56 m的鋼導梁及143 m主橋節段。安裝頂推系統，第一階段共設置24個滑塊(左右滑道各12套)，兩組水平液壓頂推裝置(每組兩個液壓千斤頂)。如圖3所示。

圖2 頂推施工流程圖

圖3 步驟一示意圖(m)

(2)試運行鋼梁頂推設備，并進行第一輪頂推，鋼梁整體向前頂進63 m。此時導梁頂推至第一個臨時墩，在臨時墩安裝兩個滑塊。懸臂共計36 m，導梁懸挑36 m，鋼梁懸挑0 m。如圖4所示。

圖4 步驟二示意圖(m)

(3)第二階段鋼梁拼裝，用龍門吊拼裝74 m主橋節段。安裝第二個臨時墩及5#墩頂推系統。如圖5所示。

圖5 步驟三示意圖(m)

(4)進行第二輪頂推，鋼梁整體向前頂推45 m，導梁落于第二個臨時墩上，主要懸挑部分為臨時墩跨中部分，懸挑長度為70 m，平臺上鋼梁長度為147 m。如圖6所示。

圖6 步驟四示意圖(m)

(5)第三輪頂推，鋼梁整體向前頂推45 m，導梁落于5#主墩上，主要懸挑部分為臨時墩跨中部分，懸挑長度為70 m，平臺上鋼梁長度為147 m，如圖7所示。

圖7 步驟五示意圖(m)

(6)拼裝剩余83 m鋼梁及拱肋，完成拱肋合龍。如圖8所示。

圖8 步驟六示意圖(m)

(7)第四輪頂推，向前頂進54 m，主橋前端支點落于5#墩，拆除導梁。如圖9所示。

圖9 第四輪頂推示意圖(m)

2 頂推施工安全風險識別(表1)

表1 施工風險識別表

3 頂推施工安全風險管控

3.1 頂推過程中關鍵設施控制措施

(1)作業平臺。作業平臺安裝位置和高程應精準，且應有足夠的強度與剛度。余杭特大橋拼裝平臺經計算最大應力為187.45 MPa，較Q354鋼材具有較大安全富余，最大變形為16.45 mm，小于規范限值17.5 mm，滿足規范對剛度的要求。如圖10所示。

(2)臨時墩。臨時墩強度和剛度應滿足要求。經計算，臨時墩強度最大值為208.02 MPa，較Q345鋼材有較大安全富余，墩高近80 m，最大位移為26.5 mm，小于規范限值200 mm，剛度較大。如圖11所示。

(a)平臺的強度

(b)平臺的剛度圖10 作業平臺的強度與剛度計算云圖

(a)臨時墩的強度

(b)臨時墩的剛度圖11 臨時墩的強度和剛度計算云圖

(3)導梁。導梁剛度應使得導梁離開墩柱時的負彎矩值與主梁使用時最大負彎矩的比值滿足要求，通常控制在0.15～0.3。本項目計算值為0.25，滿足要求。

(4)橫向限位系統。施工過程中，應及時對鋼桁拱的橫向偏位進行糾偏，可在軌道上適當設置橫向限位裝置。

(5)滑道。既要嚴控滑道的標高，尤其是對支反力大的滑道標高進行控制，也要對滑道頂部縱向適當設置預坡。此外，在滑道頂部可適當設置滑板或墊塊，以提高施工安全性。

3.2 頂推啟動和運行施工控制措施

應合理地在橋墩上設置千斤頂，并在設計范圍內進行頂升施工，避免鋼桁拱出現“爬行”狀況，確保施工安全。各墩柱縱向偏位應滿足規范和設計要求，應在橋墩上設置觀察點，定期對施工過程中的位移變化進行觀測，確保施工安全。詳見圖12。

圖12 頂推系統設計示意圖

3.3 誤差監控防范措施

應對整個頂推施工過程進行有限元仿真計算分析，為確保結構計算的準確性，計算過程應由不同人員分別進行單獨計算并對比計算結果，或采用不同的有限元軟件分別進行計算對比。在確保結構安全的前提下，在河兩側布設觀測點，隨時觀測鋼桁拱和橋墩軸線偏差。在頂推施工過程中，如果軸向偏差過大，需及時調整，以確保施工安全。

3.4 防鋼桁拱“爬行”控制措施

(1)采取“分級調壓、集中控制、高差限位”的頂推措施，根據摩阻力的大小，取頂推力等于或略大于摩阻力，然后計算出分配至每個墩柱上的頂推力大小，應將各墩柱頂推力與摩阻力限值控制在一定差值范圍內。

(2)應預先考慮頂推施工過程中，橋墩結構發生的各種破壞，并做好安全儲備，減少頂推施工鋼桁拱“爬行”帶來的不利影響。

4 結語

本文以余杭特大橋為依托工程，對頂推施工過程中關鍵設施、頂推啟動和運行、誤差監控以及防止鋼桁拱爬行等施工風險進行安全識別，并提出了相應的安全管控措施，可為鋼桁拱頂推施工順利進行打好基礎。