大跨度鋼管混凝土拱橋主拱施工安全風險控制

白向龍,李金勝,李良清,王曉理

(中交一公局第四工程有限公司,廣西 南寧 530033)

0 引言

貴州作為我國一個溝壑縱橫的喀斯特地貌區,需要大量的橋梁來溝通各地。同時,通過建造安全經濟且輕盈美觀的大跨度橋梁,降低了對周邊土壤、植被和水資源的影響,保護了當地優良的生態環境。經過多年的實踐,我國在鋼管混凝土拱橋建設上已經積累了豐富的經驗,形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術。但是作為對傳統橋梁施工技術的一種突破,在鋼管混凝土拱橋具體施工過程中如何控制風險缺乏系統研究。本文將結合工程實例,以德余高速公路烏江特大橋為例,對施工中的安全風險管控措施進行推廣,可為今后大跨度鋼管混凝土拱橋的施工提供經驗參考。

1 工程概況

烏江特大橋是德江(合興)至余慶高速公路DYTJ-6標的控制性工程,橋梁全長1 834 m,主橋采用跨徑為504 m的上承式鋼管混凝土變截面桁架拱橋,建成時是世界最大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋。拱軸線采用懸鏈線,拱軸線系數為2.2,矢高為90 m,矢跨比為1/5.278,為拱、梁、柱剛接協同受力體系。主拱肋采用由8根D1 400 mm鋼管,通過腹桿、橫聯和風撐組成的等寬變高度空間桁架結構。

主拱肋節段劃分按構件運輸長度和吊重控制,從拱腳至拱頂共劃分為15個節段,全橋共60個節段,最大節段吊重為155 t。拱肋安裝采用纜索吊裝+斜拉扣掛的無支架施工方法,利用現有的墩柱布置纜索吊裝系統和斜拉扣掛系統,采用纜塔、扣塔分離的方式,纜塔位于引橋24#墩、28#墩蓋梁上,扣塔位于交界墩主梁上,即25#墩、26#交界墩上。拱肋采用水上運輸,船只將吊裝節段運輸至橋位下方,然后采用纜索吊進行安裝。拱肋采用單節段安裝,由拱腳向拱頂依次對稱安裝,同步進行斜拉扣掛體系的施工,經監控監測、溫度修正、調整內力及線型后完成拱肋合龍。

2 施工安全設計

2.1 纜索吊裝系統

結合橋址區烏江兩岸的地形地貌特點,項目確定了引橋貫通后安裝纜索吊系統的施工順序,與同類型橋梁相比,極大地降低了纜索吊安裝過程中高處作業風險,引橋橋面為施工作業提供了工作面,保證了安全文明施工。

烏江特大橋纜索吊裝系統包括纜索系統、起升系統、牽引系統、錨碇和纜塔系統。兩岸纜塔分別布置于引橋24#墩和28#墩蓋梁上,采用標準節段組拼為整體,塔架高70 m,采用鋼管、型鋼組成的桁架結構。為降低纜塔左右兩側塔肢間的不平衡水平力,余慶側將錨碇布置在主橋34#橋臺橋軸線位置,設置為整體式錨碇,由于德江側設置成整體式錨碇受引橋干擾,故設置為沿橋軸線對稱布置于16#墩兩側的分離式錨碇。錨碇設計均為整體式重力錨碇,并輔助斜向巖錨。

纜索吊構造結合吊裝工況設計為主吊系統和工作吊系統兩種類型,每種類型均設計2套吊裝系統。卷揚機及控制室均布置于余慶側錨錠系統處,卷揚機固定采用預埋鋼板焊接。以主吊系統為例,單套主吊跨中設計額定吊重為160 t,計算均布荷載和集中荷載下各繩索的受力情況,纜索吊裝系統(主吊)安全系數通過計算如表1所示。

表1 纜索吊(主吊)繩索安全設計表

主吊系統的主要功能是主拱肋安裝,工作吊系統主要用于節段之間橫撐、K撐及施工期間小型機具、材料和構件的運輸。主拱肋安裝時左幅主吊吊裝下游拱肋,右幅主吊吊裝上游拱肋,確保吊裝中起重繩為垂直起吊。兩幅拱圈間橫撐、K撐采用工作吊吊裝,與主吊作業互不干擾。

2.2 斜拉扣掛系統

烏江特大橋主拱最大懸臂拼裝長度達237 m,通過合理的斜拉扣掛系統布置及施工安裝程序,達到安全高效施工的目標。烏江特大橋扣掛系統由交界墩及扣塔、錨碇、扣背索等三部分組成,兩岸扣塔分別位于25#、26#交界墩位置。

全橋設計錨碇共12個,兩岸錨碇各6個,扣背索采用φs15.2 mm鋼絞線組成,兩岸GL1～GL9拱肋節段分別扣掛于交界墩上,GL10～GL15分別扣掛于兩岸扣塔。拱肋吊裝完畢后,扣背索采用平衡張拉工藝,通過模型計算完成扣背索索力安全系數設計,并按照設計完成拱肋懸臂扣掛。詳見表2。

表2 拱肋扣索索力及鋼絞線使用數量表

3 風險控制措施

3.1 吊裝管控

3.1.1 吊裝設施管理

纜索吊系統安裝完后,由項目部組織參建各方對纜索吊系統進行綜合驗收,包含主要結構件、錨定體系、吊索具和各類安全限位系統。纜索吊主要構件連接采用栓焊結合體系,高強螺栓采用扭矩法進行質量檢查,結構件、吊耳等位置焊縫全部經無損探傷合格后方可進入下道工序。因纜索吊累計繩索長約90 000 m,引進VTS6D-F250型鋼絲繩電腦探傷儀,在線檢測鋼絲繩內外部斷絲、磨損、銹蝕、變形、松股、跳絲、材質變化等各種缺陷,確保吊裝系統的整體安全性。

纜索吊驗收中做好單側起吊和整體抬吊試運行工作,主吊試運行采用設計荷載的50%、100%、110%和125%逐級加載方式進行,動態觀測塔頂位移、主索垂度、后錨以及各轉向滑輪、跑車、吊具運轉情況,發現異常及時停止并分析原因。詳見表3。

表3 纜索吊試運行表

纜索吊系統全部完成后按照屬地原則報當地特檢系統登記備案,作業人員為按照特種設備市場監管局統一考核的操作和指揮人員,并根據工作特點將主吊和工作吊分開設置操作間。全體人員必須經項目部考核合格后方可上崗作業。

主拱起吊過程中,采用主吊按照≤2 m/min的起升速度緩慢起吊,起吊后安全員做好兩岸纜索吊投影區域內的人員、船只和車輛管控,禁止無關人員逗留。為確保吊裝過程連續可控,吊裝前需組織電力部門排查設備供電網絡,并配備2臺800 kW發電機做吊裝應急儲備。主拱肋到達安裝高度后啟動牽引索系統,按照≤3 m/min的速度往兩岸移動。嚴禁起吊過程中起升和牽引系統同時啟動。吊裝過程中需密切關注突發大風、強降雨和雷電等天氣情況,確保吊裝到位后能準確安裝。主拱每日吊裝前做好纜索吊的日常檢查工作,重點部位包括錨錠滑移情況、鋼絲繩連接與固定、卷揚機固定、索鞍等,并在正式吊裝前空載運行檢查。

3.1.2 水上作業管理

烏江特大橋主拱肋利用了烏江航道進行轉運,在纜索吊主吊下方固定船位后,垂直起吊進行安裝。吊裝前,由項目物設部門對水運船只安全作業條件開展核查,核查內容包括適航條件、配員情況、船舶檢驗和人員證書等。作業前邀請當地海事部門參與,共同做好船員和水上作業人員的培訓與教育。施工作業過程中所有人員一律佩戴好救生衣。

根據主拱肋吊運特點,船只采用500噸級內河運輸船,并使用300 t的混凝土配重塊壓載,提高了船舶吃水深度,降低船舶重心,并增強了主拱肋運輸穩定性。烏江航道目前仍屬于四級航道,頻繁有社會船只航行,給主拱肋轉運和吊裝帶來安全風險。施工前提前與當地水上交通管理部門聯系,由當地航道管理部門發布航行通告,提醒過往船只降低船速。同時,上下游各500 m處設置一艘警戒船和江岸警示標牌,船舶間建立統一的通信網絡,利用船舶聲響信號做好吊運期間的應急聯絡。

3.2 扣掛安裝管控

主拱肋吊裝到位后,首節段采用固定支架進行位置精調,后續節段均為高空對接,涉及受力體系轉換、高空作業和張拉錨固等諸多風險點。主要過程為:在節段連接法蘭盤處打入沖釘及連接螺栓進行對中調整,螺栓孔對中后,迅速安裝法蘭盤螺栓,對稱進行緊固,安裝一側吊鉤卸載,并同步逐根穿扣索張拉。按照扣掛系統受力分析,扣背索同步張拉至設計值50%后完成吊鉤卸載。GL2～GL6節段根據偏位安裝風纜,GL7～GL15節段隨扣索一起掛在拱肋上,作為主要抗風措施。

拱肋扣索的安裝與拱肋吊裝同步作業存在空間交叉,在施工中存在一定安全風險。扣索牽引上拱后需與現場動焊點保持安全距離,動火作業嚴格執行審批程序,明確好作業監護人,防止鋼絞線因動焊損傷發生應力集中,張拉過程中發生破斷。扣索張拉過后須做好對錨點附近的保護,防止其他作業干擾。主拱臨時用電線路按照三級配電、兩級保護原則布設,拱上線路沿拱肋檢修梯步護欄外側布置,與平臺交叉點設置套管保護,預防絕緣層破壞發生觸電傷害事件。各級平臺分設動力開關箱與照明開關箱,嚴禁設備線路沿梯步內側敷設,干擾人員通行并帶來觸電漏電風險。

為保障主拱肋安裝過程中的連續性,壓縮工序時間,避免夜間施工增加風險,扣背索安裝應提前牽引就位,拱肋扣點錨箱提前1 d于鋼拼場地安裝。鋼絞線長度達到一定時,受自重和風力影響易干擾施工,穿索過程中必須逐孔逐根進行。扣背索張拉采用自動連續預警智能張拉設備,可實現鋼絞線快速收緊和均勻預緊、扣背索的對稱平衡張拉。

3.3 高空作業管控

烏江特大橋主拱安裝包括拱肋對接、風撐安裝、高栓施擰、防腐噴涂等多道工序,且全部屬高空作業,高處墜落風險極高。主拱作業人員進場作業前由項目部組織進行高血壓、心臟病等常規篩查,日常利用職業健康體檢儀進行監測,人員身體條件須滿足作業強度要求。

主拱橋屬等寬變高度空間桁架結構,高處作業平臺采取逐個設計、逐個驗收方式,做好結構驗算和焊縫檢查,嚴控平臺作業人數。平臺設計中巧用BIM技術輔助設計模型,并開展可視化安全技術交底,每名作業工人都能掌握高處平臺作業風險應對方法。檢修步梯和護欄受主拱連接包板焊接影響需臨時拆卸,在這一過程中利用小鋼管護欄隨拆隨防,降低人員通行墜落風險。

4 風險監測預警

烏江特大橋風險監測預警體系包含纜索吊監測、扣掛系統監測和工點視頻監控等多個模塊,通過不同監測方法相互比對,真實反映風險預警情況。設立三級預警機制,依據不同預警情況分別發送給相應風險管控人進行處理。

纜索吊監測主要包括對纜索吊系統錨錠的水平位移、纜塔偏位、主索張力和運行超限情況等進行監控。運用5G傳輸技術實時進行數據采集,后臺信息中心對監測數據建立臺賬,并及時將監測情況上傳控制中心,定期進行分析總結,制定風險控制措施。針對纜塔偏位、錨錠位移等關鍵指標,利用人工測量復核,確保監測數據誤差在可控范圍內,實現風險的動態有效預警。

扣掛系統的監測包括對扣背索索力,扣塔偏位、扣塔應力、后錨滑移、拱肋應力等的監測,實現結構安全監控數據化。拱肋懸臂扣掛施工中,因拱肋安裝、風撐連接和連接包板焊接等多工序作業,全橋拱上作業人員可多達40人,整體安全風險極高。拱肋扣掛結構監測過程中結合全自動測量機器人、三維激光掃描等創新技術,全天候對拱肋結構安全性進行監測,監測成果為拱肋的安全快速施工提供了極其重要的數據支撐。

5 結語

烏江特大橋有著地形復雜、交通不便、不可控因素多等特點,安全風險控制難度極大。通過對該大橋主拱實施各項風險控制措施,安全風險信息得以實時監測,為項目安全風險管理體系提供有效支撐。在風險管理的同時,完善的風險識別體系和健全的分級管控責任機制必不可缺,本文系統總結了烏江特大橋主拱施工過程中的各類風險管控措施,可為后續同類型橋梁建設提供參考。