港珠澳大桥海豚塔海上整体吊装施工方案研究

刘 凯

(创辉达设计股份有限公司，湖南 长沙 410000)

港珠澳大桥江海直达船航道桥位于伶仃洋西滩，为中央单索面三钢主塔斜拉桥，通航孔主跨258 m，根据设计图纸[1]，主塔编号为138号、139号和140号。主塔顺桥向外形呈“白海豚”状，属带装饰的异型钢塔结构，工厂加工时将主塔从下往上分成Z0～Z12共13个节段，其中Z0节段长3.5 m，重约500 t，因桥位处海况复杂，台风较多，分节段安装施工工期长，且无法保证高空焊接质量。为优化海上施工方案，设计单位创新性地提出“将高空作业地面化，海上作业工厂化”的方案，将Z0节段工厂成型后单独安装在承台顶面，其余主塔的Z1～Z12节段在工厂加工成整体段后由驳船运到施工现场，通过大型浮吊一次性起吊安装在Z0节段上。考虑异型超重钢主塔海上整体吊装施工在国内外均无借鉴案例，施工单位选取施工条件相对较好的140号主塔做海上整体吊装施工方案研究，140号主塔Z1～Z12整体吊装段长105 m，重约2 560 t。

1 海上整体吊装施工的控制因素

1)施工区域海况复杂：桥位处影响施工的热带气旋主要集中在6月～10月，平均每年2.3个，极值年份达到6个，瞬时阵风6级～9级，极值瞬时阵风12级，潮汐为不规则半日潮混合潮型，涨潮时由外海涨向珠江口，水深约5 m～7 m，退潮时由珠江口退向外海，水深约3.5 m～5.5 m；2)施工区域船舶航线繁忙：桥位附近分布有九洲客运码头，通航的客运船舶较多，不能在施工区域长期禁航，施工船舶易受快速航行的客运船舶影响，上下浮动较大；3)异型塔整体吊装难度大：140号主塔整体段长105 m，重约2 560 t，构件重心和机械设备应力精确计算较难，易受不确定因素影响，为保证安全，管理局对吊装机械设备安全储备富裕量的要求较高；4)吊装期间船舶调度难度大：主塔整体段吊装时需不断调整平驳船和浮吊的锚位，锚艇易受既有锚位钢丝绳的影响。

2 施工方案综合比选

根据项目总工期和建安费的要求，结合海上整体吊装施工的控制因素，初步提出两个施工方案进行综合比选：

施工方案一(抬吊竖转方案)：主塔整体段在工厂加工好后，由“幸运海”平驳船运输到施工海域，“长大海升”3 200 t浮吊和“正力”2 200 t浮吊首尾抬吊提升竖转，转体完成后，“正力”2 200 t浮吊脱钩离场，“长大海升”3 200 t浮吊将主塔单独吊装就位。

此方案具有以下特点：1)平驳船上固定主塔的支架安装方便，海上运输稳定性高，受复杂海况的影响较小；2)两艘浮吊首尾抬吊主塔，结构受力明确，不确定因素对主塔吊装的影响较小，吊装机械设备安全储备富裕量大；3)主塔提升一定高度后，平驳船撤出施工水域，锚艇调整锚位的作业空间大，有助于加快主塔吊装工作，需要申请的施工区域禁航时间较短；4)主塔吊装期间，可监控构件变形的位置较多，吊装作业安全保障度高；5)抬吊竖转方案所需船舶较多，调度难度大，船舶租赁费用较高；6)抬吊竖转方案需要增加下吊具和平衡梁，施工费用较高。

施工方案二(滑移竖转方案)：主塔整体段在工厂加工好后，由“幸运海”平驳船运输到施工海域，“长大海升”3 200 t浮吊单独在上吊点处提升主塔，倾斜一定角度后，主塔底部开始缓慢滑移，滑移完成后，竖向提升主塔，将主塔吊装就位。

此方案具有以下特点：1)为方便主塔底部滑移，平驳船甲板上安装有不锈钢板，此时固定主塔的支架安装复杂，海上运输稳定性差，受复杂海况的影响大；2)浮吊单独滑移提升主塔，结构受力不明确，滑移前主塔底部易出现局部破坏，滑移后主塔易出现滑移速度过快，导致平驳船与浮吊相撞，不确定因素对主塔吊装的影响较大，吊装机械设备安全储备富裕量小；3)主塔滑移完成且提升一定高度后，平驳船才能撤出施工水域，锚艇调整锚位的作业空间较小，不利于主塔的吊装工作，需要申请的施工区域禁航时间较长；4)主塔吊装期间，可监控构件变形的位置较少，吊装作业安全保障度低；5)滑移竖转方案所需船舶较少，调度难度小，船舶租赁费用低；6)滑移竖转方案无需增加下吊具和平衡梁，施工费用较低。

对两个施工方案进行综合比选，施工方案一(抬吊竖转方案)在固定支架安装、海上运输、受复杂海况影响、结构受力、安全储备富裕量、锚艇作业方便、吊装工作所需禁航时间和监控变形的位置数量上比方案二(滑移竖转方案)优越，且更符合管理局的要求，因此，选择施工方案一(抬吊竖转方案)作为异型超重主塔海上整体吊装的推荐方案(见图1，图2)。

3 抬吊竖转方案简介

1)施工准备：清淤疏浚施工海域，协调“长大海升”3 200 t浮吊、“正力”2 200 t浮吊和“幸运海”平驳船就位，按纸上作业方案锚位下锚，确定是否存在作业冲突问题；

2)在“幸运海”平驳船上安装固定支架，将中山基地工厂加工好的主塔整体段移运上船，临时固定好；

3)加工主塔上、下吊具，运输至主塔加工厂码头，用浮吊将吊具安装在主塔整体段上；

4)在Z0节段四个角上安装整体段外导向结构后，再在Z0，Z1节段上分别安装20套临时匹配件[2]；

5)结合天气预报，“幸运海”平驳船从中山基地出发，经横门东水道和淇澳岛东侧后，航行至港珠澳大桥施工桥位，海上行驶总航程约29海里；

6)先将“长大海升”的8个锚位布设就位，再布设“正力2200”的4个锚位，最后布设“幸运海”的4个锚位。就位后“幸运海”与“长大海升”的净距10.64 m，与“正力2200”的净距16.37 m；

7)“长大海升”主勾连接上吊具的4个吊点，“正力2200”主勾通过平衡梁连接下吊具的1个吊点；

8)将主塔抬吊提升至船舶甲板上方0.5 m处，静置20 min，观察有无异常情况，因抬吊时“幸运海”会同步上浮，故实际的主塔提升高度为1.7 m；

9)将主塔抬吊提升至船舶甲板上方10 m处，此时，“长大海升”吊重显示为1 894 t，“正力2200”吊重显示为1 291 t，收回“幸运海”布设的2处北锚，从南面将“幸运海”铰锚撤离；

10)“正力2200”不动，“长大海升”分两步提升上吊点[3]，主塔开始竖转，第一次提升19.13 m，此时主塔塔尖开始进入臂架之间，塔尖外侧与臂架的最小间距约为1.2 m，提升主塔上吊点阶段参数变化见表1；

表1 提升主塔上吊点阶段参数变化表

11)吊钩钢丝绳长度不变，分三步完成两台浮吊的变幅阶段，变幅阶段参数变化见表2；

表2 变幅阶段参数变化表

12)保持“长大海升”的钢丝绳提升速度不变，分三步完成上吊点垂直提升过程，每一步垂直提升前，“正力2200”先向前移动3 m，“长大海升”再提升主勾至相应高度，上吊点垂直提升阶段参数变化见表3；

表3 上吊点垂直提升阶段参数变化表

13)“长大海升”停止提升工作，“正力2200”先按步骤下放吊钩，再前移相应距离，分七步完成钢塔绕上吊点的竖向转体过程，此时钢塔底部距水面约2.1 m，“正力2200”下放吊钩阶段参数变化见表4；

表4 “正力2200”下放吊钩阶段参数变化表

14)安全拆除主塔下吊具吊点钢丝绳；

15)“长大海升”横桥向铰锚，到达桥梁中心轴线位置，悬挂承台顶上的顺桥向牵引索，将主塔提升13 m后，再顺桥向前移，主塔移至Z0节段上方后缓慢下放精确就位，安装临时匹配件；

16)依次解除上吊具的两侧旋转端梁，将“长大海升”铰锚退回原位，拖出施工水域，申请解除通航禁令；

17)安装Z0与Z1节段间的连接板；

18)用浮吊分别拆除下吊具和上吊具，准备下一阶段施工。

140号主塔成功精确就位图见图3。

4 结语

2015年8月23日，港珠澳大桥江海直达船航道桥140号主塔整体段一次性吊装成功，耗时约10 h，比预期提前近3 h，验证了凝聚各方建设者智慧和汗水的港珠澳大桥关键节点——异型超重主塔整体吊装方案的可行性，为世界桥梁建设创造性地提供了中国智慧方案，完美地实现了将高空作业地面化，海上作业工厂化的设计初衷。