跨既有线钢箱梁顶推施工安全控制研究

赵红军

摘要：某立交桥在跨越既有铁路线时采用4跨连续钢箱梁的设计，钢箱梁施工采用顶推法。本文在分析该桥梁顶推法施工发展和技术特点的基础上，首先对施工过程中大概率出现的施工风险进行了辨识，并结合层次分析法理论，建立了施工安全风险评估的指标体系，包含4个二级指标以及15个三级指标。将施工风险等级划分为5个层次，再结合模糊数学理论，最终得到该桥梁在施工过程中处于中度风险级别。最后，针对安全风险分类中主梁风险的应力控制进行了介绍。

关键词：连续钢箱梁;顶推法;风险识别;层次分析法;安全评估

1 桥梁顶推法施工的发展及特点

1.1 顶推施工法溯源

在现代桥梁工程界，顶推施工法（Incremental launchi）的定义表述为“在桥头沿桥纵轴线方向，将逐段拼装（预制张拉）的梁段通过千斤顶向前推出使值就位的施工方法”，主要适用于中等跨径等截面梁、连续梁、拱桥、斜拉桥等的施工[1，2]。该方法思路可追溯至纵向拖拉施工，即用千斤顶代替卷扬机滑车组，用滑道梁等结果代替滚筒。最早施工顶推法进行施工的是1959年的奥地利，当时莱昂哈特（Leonhardt）教授提出该方并建造了阿格尔桥。时隔四年之后的委内瑞拉在建造卡罗尼河桥（中孔跨径为96m）时第二次使用了顶推法，并将钢导梁和临时墩首次引入施工过程。该桥的施工被工程界普遍认为是第一次严格意义的顶推施工法。次年，分段预制、逐段顶推和逐段接长等施工工艺的引入，使得顶推法得到了进一步的改进和发展。截止目前，据不完全统计，全球范围内已有千余座以上的桥梁的施工是采用的顶推法。而国内如佛山平胜大桥[3]、杭州九堡大桥[4]、郑州黄河公铁两用桥[5]等均在用该法进行施工。

保证梁体在千斤顶提供的一定顶推力的作用下能够在克服梁体与滑到之间的摩擦力向前移动时顶推法施工的关键所在。根据顶推方式，可将顶推法分为单点顶推和多点顶推。下图1所示为顶推法施工的一般流程。

1.2 顶推施工法特点

在施工环境、设备和技术要求以及施工控制等多个角度，顶推法与支架拼装法、转体法和悬臂拼装法等施工方法之间存在着明显的差异。顶推施工法除了具有可不中断交通的特点以外，还在以下几个方面表现出一定的优势[6]：

（1）桥梁节段可以在现场或工厂进行预制，结构的整体性好，制造质量施工管理可以得到保证，還可以节约劳动力，提高施工过程的机械化程度。

（2）对大型施工机械的要求程度较低，无需大量的脚手架等临时结构，施工造价较其他方式要低。

（3）施工过程中占用场地较少，环境和气候条件对施工的影响程度低;施工设备可多次循环周转使用。

此外，虽然临时结构（临时墩、导梁等）的布置增加了桥梁顶推施工的跨度，但是导梁的设计与安装、顶推精度和千斤顶的同步性、整体结构和局部的稳定性问题一直是顶推法施工的难度所在。

2层次分析法基本原理及一般步骤

2.1 层次分析法基本原理

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是将影响总决策的相关因素进行分解，一般情况下可划为目标、准则、方案等几个层次，其特点是采用了一定的标准以对人的主观判断进行了量化的，基于此对决策进行定性和定量分析。

该方法的首要目标就是解决人为主观因素对复杂问题问题的思考过程。即依据有较多经验决策者的判断，来评判各个衡量目标与能否实现的标准之间的相对重要程度。通过数学方法合理地给出每个影响因素对目标层的权重，最后利用权数求出各方案的优劣次序，以求解决决策问题层时的层次化、数量化。结合数学方法进行量性兼具的决策分析，旨在通过简单的方法来解决多目标、多准则复杂的决策问题。特别适用于人的主观定性判断和需要将决策结果进行精确量化计量的场合，其分析过程和结果具有很强的系统性和科学性[7]。

2.2 层次分析法一般步骤

以下4步为层次分析法的一般步骤：

（1）第一步是建立层次结构模型：根据决策目标、决策准侧以及决策对象三者之间的相互影响关系，一般情况下层次结构模型可以分为最高层、中间层以及最底层和三类。依次又称为目标层、因素层（准则层、指标层或约束层等）和方案层。

（2）第二步是要构造成对比较矩阵：借助矩阵来表示本层所有因素对上一指标层中某一个因素的相对影响的比较。采用相对尺度，以尽量减小性质不同的诸因素相互比较的困难，目的是为了避免在确定各指标间权重时仅给出定性结果。

（3）第三步是对层次进行单排序及其一致性检验。将判断矩阵（记作A）的最大特征根lmax进行归一化处理的结果记为W。W中各元素的含义式同一层次的指标对于上一层次某个指标的相对重要程度的排序权值。此外最大特征值和与之相对应的特征向量是每个矩阵必须求解的参量，并对该参量进行一致性检验（包括一致性指标、随机一致性指标以及一致性比率）。在检验通过的情况下，特征向量W即为权向量;否则另需构造比较矩阵并进行分析。

（4）第四步是计算总排序权向量并对其进行一致性检验。该过程需要计算的是计算最下层对最上层总排序的权向量。在检验通过的情况下，则可按照总排序权向量表示的结果进行决策。否则需要对一致性比率高的判断矩阵高的元素的值进行调整，重新进行分析。

3 工程背景

某立交桥采用跨径为（23+42+35+30）m的连续钢箱梁，且需要跨域铁路线，而该铁路线在保证华北与西北的联通方面发挥着不可替代的作用。施工期间保证该铁路线的正常营运是决定采用何种施工方案的第一要素，因此钢箱梁桥在跨线部位整体上采用顶推法进行施工。

结合工厂制造的节段大小、现场场地的实际情况和所搭建的临时支架的承载能力，并考虑到顶推过程中钢箱梁的配重问题，沿桥轴线自西向东将钢箱梁分成9段（A1～A9）焊接，其中16#墩～18#墩之间为顶推段，其余段为支架拼装段，下图2所示为钢箱梁的分段示意。整体施工流程为：首先在临时搭设的支架上拼装由工厂分块预制的钢箱梁，由汽车吊调整就位后进行焊缝的连接以及焊缝焊接质量的检查，待检查合格后向前顶推至预订位置，此后循环该过程，直至全部钢箱梁拼装顶推就位。最后进行落梁施工以及二期桥面等附属结构的施工。

4 安全风险评价指标体系的建立

4.1 顶推施工风险识别及评价指标体系的选取

施工过程中一旦发生安全事故，不仅会造成人员伤亡和经济的损失，还会带来一系列十分恶劣的社会影响。钢箱梁在跨线顶推施工过程中，不仅要确保施工自身的安全，还要保证施工过程不会对既有线路的安全运营产生不利的影响。因此在施工前要结合工程实际情况对有可能产生的风险进行预估，并对不同风险所带来危害的影响程度有一定的量化比较，以便于采取一定响应的措施多风险进行主动防御和控制。这也是桥梁施工过程中至关重要的一步。

通过结合设计以及现场情况结合对钢箱梁的施工特点进行分析，并基于专家调查和以往的工程案例，总结在施工过程中出现概率较大且需重点考率的风险因素并进行筛选，其风险因素主要可以分为4类，即：①主梁风险;②既有线、周边设施以及环境风险;③施工设施风险;④其他风险。基于此，通过对目标分解法和层次分析法构造出下图2所示的包括4个一级指标和15个二级指标的钢箱梁顶推施工安全风险评估体系。

4.2 钢箱梁顶推阶段施工风险评价

以上述第3节工程背景为依托，从对现场施工人员、管理人员和专家的调查结果出发，基于层次分析法对该桥梁施工过程中的风险进行评估。图2所示的各安全风险层次中各风险类别的权重见下表1。

本文将风险等级划分为5级，依次为高风险、较高风险、中度风险、较低风险、低风险，用V={0.9，0.7，0.5，0.3，0.1}依次表示各风险危害程度，划分等级及其描述见下表2。

5 结论

目前在橋梁建造过程中发生安全风险事故的案例屡见不鲜，尤其在大跨度复杂结构桥梁的施工中。在跨越既有线路方面，不仅桥梁本身的施工会出现一系列风险，此外还会对既有线的安全运营带来一定的威胁。本文以某连续钢箱梁的顶推施工为工程背景，采用层次分析法对施工过程中的风险进行了分析，旨在为同类桥梁施工风险的评估和控制提供参考。

参考文献

[1]赵人达，张双洋. 桥梁顶推法施工研究现状及发展趋势[J].中国公路学报，2016，29（02）：32-43.

[2]封晓平. 桥梁顶推法施工的现状及发展趋势[J].交通世界，2018（27）：122-123.

[3]李新华. 大跨度钢箱梁斜拉桥顶推施工中的关键技术研究[D].西南交通大学，2013.

[4]邵长宇. 九堡大桥组合结构桥梁的技术构思与特色[J].桥梁建设，2009（06）：42-45.

[5]董政，张鹏. 郑州黄河公铁两用桥主桥钢桁梁支架拼装及顶推技术[J].铁道标准设计，2010（09）：66-69.

[6]贾红兵. 钢箱梁步履式顶推法施工关键技术研究[D].长安大学，2019.

[7]卫毅. 基于不确定层次分析的模糊综合评判在斜拉桥施工风险评估中的应用[D].长沙理工大学，2017.