基于北斗精確定位系統的小半徑曲線多跨連續鋼箱梁智能化步履式頂推施工技術研究

羅元成

（貴州路橋集團有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

隨著國家在基礎建設領域不斷投入，我國基礎建設日益完善，從路網發展就可以看出，交通強國建設必然會引領一大批公路項目上馬。隨著路網建設的日趨完善，很多地方的交通建設旨在補短板，打通一些堵點，連接一些斷頭路。作為西部欠發展區域，貴州省在交通建設方面尤為重視。2015 年，西部率先實現縣縣通高速，在貴州省高速公路網加密規劃出臺以及《國務院關于支持貴州在新時代西部大開發上闖新路的意見》（國發〔2022〕2 號）發布后，貴州省的交通建設將迎來新的高速發展。但隨之而來的是地形地貌更加復雜，施工條件更加惡劣，技術難度更加明顯，將給建設者帶來更大的挑戰。特別是與既有高速公路、市政道路樞紐交叉搭接，跨越既有橋墩、房屋、管線等復雜區域，對橋梁施工技術提出了新挑戰、新要求[1]。

一些公路樞紐工程匝道橋梁的匝道設計大多數處于小半徑曲線上。當半徑小于150m 時，橋梁無法采用架橋機安裝；當橋梁墩高20～40m、跨徑30m 內，可采用現澆箱梁方案；當跨徑大于30m 時，常設計為鋼箱梁結構。一般情況下，鋼箱梁采用搭設臨時支架，吊車分節段安裝，但當橋址區周邊地形復雜、空間受限，不具備吊車安裝作業的條件，也不具備橋梁整跨提升條件時，迫不得已需要采用頂推施工。對于梁橋可采用傳統頂推方式，在箱梁底鋪設滑板，在后緣設置反力架進行頂推；對于曲線橋梁結構，采用傳統方式不能對箱梁進行糾偏。著眼于頂推施工安全、工效，頂推施工工法面臨新的工藝設備技術革命，即傳統直線頂推工藝向曲線步履式頂推轉變。隨著科技水平不斷提高，將更多能提升效益的科技，應用到工程實際中，如我國自主研發的北斗系統。

1 工藝原理

北斗精準定位系統智能化步履式頂推的基本原理是利用切線微分調整原理，計算頂推軌跡，將梁體運行軌跡錄入控制系統，控制系統自動調整頂推系統中各千斤頂的行進速度。在梁體首尾兩端安裝北斗定位系統，在頂推過程中，利用北斗三維精準定位系統對梁體軸線位置進行實時監測，梁體的偏移和下撓實時顯示在監控系統中，如偏移值超過規定值，監控系統向控制系統發出偏移數據，控制系統自動調整頂推系統各千斤頂速度，調整糾偏，直至梁體頂推到位（見圖1）[2]。

圖1 工藝流程拓撲圖

2 工藝特點

其一，主動控制頂推的運行軌跡。利用切線微分調整原理，預先計算曲線形導梁與梁體的運行軌跡，將計算的運行軌跡數據錄入控制系統，通過系統自動調整各頂推系統的頂推行進速度，使各頂推系統協同頂推，控制梁體在前行過程中始終與線路曲線擬合，使梁體整個頂程圍繞設計曲線圓心轉動，進行軸線定位控制。

其二，采用北斗精確定位系統實時監測梁體和下撓，并及時將監測數據反饋到控制指導糾偏程序工作，實現自動化糾偏，智能化安裝，精度高。

其三，采用步履式多點支撐頂推，梁體受力均勻，不易變形；頂推速度快，每小時可頂推5m。

其四，頂推千斤頂兩側有橫向糾偏千斤頂，隨時對梁體進行糾偏；頂升千斤頂設置應力傳感器，支點受力情況實時在監控系統中顯示，使鋼箱梁不至受力過大變形。

3 工程實例

3.1 工程概況

鎮雄至赫章高速公路，赫章東互通G 匝道橋接B匝道橋，橋長367.5m，橋型為(47+55)m+（3×30）m 鋼箱梁+2×30m+4×28mm 預應力混凝土T 梁橋梁。鋼箱梁橋面寬9m，底板寬5m，第一聯梁高2.5m，第二聯梁高1.5m。該橋鋼箱梁位于圓曲線上，半徑為145m，縱坡為2.16%。G 匝道橋第3 跨位于已運營畢威高速正下方，畢威高速T 梁底標高與G 匝道橋橋面標高高差為5.9m。主線右幅、A 匝道橋下穿G 匝道橋底2跨，主線右幅、A 匝道橋橋面標高與G 匝道橋鋼箱梁底標高高差為7.1m。主線左幅下穿G 匝道橋第3 跨，主線左幅橋面標高與G 匝道橋第3 跨鋼箱梁底標高高差為8.4m。H 匝道路基挖方下穿G 匝道橋第5 跨，H匝道路面設計標高與G 匝道橋，第5 跨鋼箱梁底標高高差為7.02m。橋梁第1、2 跨離原地面68～70m，第3跨離原地面20～40m，第4、5 跨離原地面10～20m。

3.2 施工難點

極限空間：G 匝道四周地形較陡，立交層間凈空6m，空間受限，上跨的畢威高速已通車；主線T 梁須先架，否則鋼箱梁安裝后，T 梁橋機不能工作；采用橋機、履帶吊等其他方式安裝鋼箱梁，第2、3 跨無法安裝就位；鋼箱梁位于圓曲線上，且圓曲線半徑小，為145m，精確糾偏難度大；采用頂推施工工藝，第一聯、第二聯不等跨，箱梁高度不一致，單節段吊重70t，單跨重280t；鋼箱梁位于營運畢威高速下，在建鎮赫高速主線、A 匝道、H 匝道上方，施工干擾大；鋼箱梁跨度大，最大跨度達到55m。

3.3 主要施工工藝及操作要點

3.3.1 總體思路

根據橋位地形以及工程實際情況綜合考慮，通過比選技術可行、經濟合理、安全可靠、質量保證等方面要求，采用北斗精確定位系統步履頂推施工工藝。G匝道鋼箱梁在第4～5 跨搭設拼裝及頂推平臺，從大樁號往小樁號方向頂推（下坡），在操作平臺搭設支架，并在各墩柱頂搭設頂推平臺，安裝頂推千斤頂。使用汽車吊在路基上吊裝加工段到操作平臺上，焊接拼裝成梁段，拼裝一段頂推一段，然后循環拼裝及頂推工序，完成鋼梁架設。

3.3.2 導梁設計

為了主梁盡快過跨，減少頂推過程中鋼箱梁的應力與變形，在主梁的前端設導梁。一般導梁長度為最大跨度的0.6～0.7 倍。導梁主體結構為左右2 個變截面工字形鋼板梁，縱向呈曲線形，分節段以曲代曲，確保頂推過程中能順利上墩。導梁節段間采用栓接，根部與鋼主梁第一聯A 節段焊接連接。在導梁前端預留一個槽口，像鼻子狀，俗稱“鼻梁”，鼻梁高度設計應大于導梁和鋼箱梁跨墩的下撓高度。連接導梁時，千斤頂在“鼻梁”處將導梁頂起并同步向前滑行，將導梁底送達頂升千斤頂上。

3.3.3 鋼箱梁、導梁加工制作

正式加工前，開展原材料試驗、焊工考核、工藝評定，加工完成，經試拼裝及驗收合格后，方可運至現場投入使用。

3.3.4 支架搭設

（1）拼裝支架基礎采用C20 混凝土條形基礎，立柱采用φ630×10mm 鋼管，橫聯采用I20 工字鋼連接，橫梁采用雙拼I56a 工字鋼，橫梁上縱向搭設I20a 工字鋼作為縱梁，在縱梁頂面鋪設一層5mm 厚鋼板。

（2）墩頂落梁支架根據墩柱尺寸設計。墩柱形式為空心薄壁墩，落地支架成本較大時，可在墩頂預埋鋼板焊接三角架，作為受力頂推及落梁支架。在支架上，安置頂推系統和落梁系統。

3.3.5 鋼箱梁拼裝

拼裝精度采用全站儀放樣，焊接采用二氧化碳保護焊，所有焊縫經探傷檢測，合格率達100%。

3.3.6 鋼箱梁頂推

（1）智能化步履式頂推系統的組成。智能化步履式頂推系統包括四大部分：頂推單元、液壓泵站、控制系統、監控系統。頂推單元的各種千斤頂通過高壓油管與液壓泵站連接，傳感器通過信號線與控制系統連接，同時，各分控系統之間、分控系統與總控中心之間通過通信電纜連接，組成整套的步履式頂推系統。

（2）頂推施工。步驟一：導梁、第一聯A 節段及B節段拼裝；步驟二：頂推30m，拼裝第一聯C、D 節段；步驟三：頂推52.4m，拼裝第一聯E-H 節段及第二聯A 節段；步驟四：頂推48.1m，拼裝第二聯B-D 節段；步驟五：頂推48.3m，拼裝第二聯E-G 節段；步驟六：將第一聯頂推到設計位置；步驟七：拆除導梁，并將第一聯與第二聯切割，將連接部分切除；步驟八：第一聯落梁，將第二聯頂推到設計位置并落梁。

（3）橫向糾偏。頂推設備自帶橫向自動糾偏功能，在頂推過程中，北斗系統實時對梁體位置進行測量，計算梁體的實際中心線與設計中心線的偏移量。在主控中心操作屏幕上，輸入偏移量，系統在下一行程頂推中，進行自動動態糾偏，確保梁體按規定軌跡范圍運動。鋼箱梁平曲線處于圓弧曲線上，圓弧外側弧長較內側弧長長，即圓弧外側的頂推距離較內側大。頂推系統的控制程序在設計時已充分考慮，在頂推過程中，根據外、內側圓弧長度，按比例設定外、內側頂推單元每個行程的頂推距離。在頂推過程中，使外側的頂推單元較內側的頂推單元水平頂推距離大些確保梁體安裝精度。

（4）導梁上墩。在頂推過程中，鋼導梁前端懸臂下撓。在鋼導梁將要到達下一橋墩頂推單元時，由于鋼導梁底部低于頂推單元的頂升千斤頂頂面，鋼導梁跨不上頂升千斤頂，故需采取一定措施，幫助導梁上跨，步驟如下：

一是導梁到達頂升千斤頂附近時，停止頂推，安裝滑箱及千斤頂；二是千斤頂頂起導梁，使導梁底部高于頂推單元的頂升千斤頂頂面；三是繼續頂推，千斤頂托著導梁在滑箱上滑動，一個行程結束后，如導梁尚未完全處于頂推單元頂升千斤頂上，在頂推單元水平頂反力座上墊鋼板，千斤頂縮缸復位；四是繼續頂推，直至導梁底部完全處于頂推單元頂升千斤頂上方；五是頂推單元頂升千斤頂伸缸，直至滑箱上的千斤頂卸載脫空，拆除千斤頂及滑箱，安裝臨時支墩[3]。

（5）導梁及支架拆除。當第一聯梁體頂推就位后，可拆除導梁。從導梁前端向后端逐步拆除導梁，拆除吊裝設備為隨車吊。在匝道橋面上進行吊裝拆除，其余支架拆除遵循以下原則：拆除順序從上至下進行；拆除前，做好支架雜物及地面障礙物清理。落架脫模宜各跨同時均勻分次卸落。拆除作業由上至下逐層拆除，嚴禁上下同時作業。在拆除過程中，及時拆除運走已經松開連接的配件，避免誤扶、誤靠。

（6）落梁。其一，準備工作：梁體頂推到位后，落在各墩的墊梁上，由墊梁支撐梁體質量。拆除頂推單元，將頂推單元的頂升千斤頂拆下，作為落梁千斤頂使用。拆除頂推平臺，騰出空間布置落梁千斤頂，每墩上布置2 臺。安裝落梁千斤頂前，在承臺上鋪一層水泥漿，在砂漿上鋪2cm 鋼板，找平。使用水平儀檢測鋼板上表面的平面度，誤差不得大于2mm，保證落梁千斤頂與墩柱垂直，并安裝好支座。其二，落梁施工方法：落梁千斤頂進油，活塞貼緊鋼箱梁后千斤頂加壓，將梁體頂起；梁體底部脫離墊梁后，千斤頂停止進油，液壓鎖鎖緊千斤頂保壓；墩上操作人員拆除墊梁上層墊塊（如有需要換成不同厚度組合鋼墊板）；落梁千斤頂回油，使梁體回落至墊梁上；千斤頂繼續回油，使千斤頂頂上墊板脫離梁體底部；墩上操作人員拆除上層頂上墊板。以上為一個落梁循環，如此反復循環，直至落梁到位[4]。

4 社會效益

采用步履式頂推，社會效益明顯：一是降低了作業人員的勞動強度，改善了施工作業環境，降低了職業病發生率；二是降低了特高支架施工安全風險；三是改善了鋼箱梁節段對接的環向焊縫焊接作業條件，進一步提高了焊接質量；四是減少了臨時設施，降低了對周邊環境影響，減少環境修復工作。

5 應用效果

該工程實例于2021 年8 月開始啟動步履式頂推工作。搭設拼裝支架，布設頂推單元；鋼箱梁首批節段拼裝焊接完成后，開始頂推；頂推長度共計192m，平均頂推速度為5m/h。在頂推過程中，千斤頂水平分力小，支架穩定性高。導梁在最大懸臂狀態下，下撓值與設計計算相符，最大應力滿足規范要求。采用北斗精確定位系統實時監測梁體偏移，并及時將監測數據反饋到控制系統，指導糾偏程序工作。安裝精度高，頂推就位后，鋼梁軸線與理論值僅偏差6mm。將伸縮縫處空間寬度擴大至80cm，兩聯梁體在伸縮縫處臨時連通，底板腹板加工成整體。第一聯就位后，進入箱體切割時，空間大，操作方便。該工法具有很好的推廣應用價值。

6 結語

總之，北斗定位系統對提高小半徑曲線多跨連續鋼箱梁工程的開展有著很重要的幫助。在該工程中通過北斗精準定位系統的有效應用，可以為項目的頂推開展提供切實的保障。今后橋梁項目開展時還要加強對北斗定位系統的研究，結合橋梁項目的需求，做好方案的制訂以及優化，提高定位參數，為項目的實施提供幫助。