舟岱跨海大桥主通航孔桥双层防撞钢套箱快速安装技术*

党权交

(中交路桥建设有限公司，北京 100027)

1 工程概况

宁波舟山港主通道工程主线全长 27.969km，跨海桥梁(舟岱跨海大桥)长17.355km，连接舟山诸岛，建成后大桥与甬舟高速公路相连接，使舟山连岛工程总建设里程达86.68km，跨越8个岛屿，拥有10座大桥，成为世界上最长的连岛高速公路和世界上规模最大的跨海桥梁群。

舟岱跨海大桥主通航孔桥为三塔整幅钢箱梁斜拉桥，桥跨布置为(78+187+550+550+187+78)m=1 630m，是全线的控制性工程(见图1)。主梁采用带风嘴的扁平流线型截面钢箱梁；斜拉索采用高强度、低松弛平行钢丝，双索面空间索布置；索塔采用钻石型塔身，由下塔柱、中塔柱、上塔柱和下横梁组成；基础采用大直径钢管复合群桩、现浇承台及塔座。

图1 舟岱跨海大桥主通航孔桥桥型布置示意(单位：cm)

主通航孔桥共计3个主墩承台，均为同一规格，承台采用整体式六边形结构，外轮廓尺寸为 51m×32m(横向×纵向)，承台厚6.5m，采用C40海工混凝土，单个承台混凝土总方量8 861.45m3。承台采用有底防撞钢套箱施工，封底混凝土厚度2.3m，采用C35海工混凝土。

2 钢套箱结构设计

2.1 总体设计原则

1)钢套箱既作为承台的防撞结构，在发生船舶撞击时能起到缓冲、消能的作用，也作为承台浇筑施工时的围堰结构，一体两用，经济高效[1]。

2)在以钢套箱为主防撞结构基础上，在其外设置拱形橡胶护舷，起到辅助防撞作用，有效减缓船舶与钢套箱撞损。在设计船撞力下，橡胶护舷在吸收一定能量变形后，船撞力继续作用于钢套箱，钢套箱通过局部损坏进一步降低船撞力，达到桥梁基础结构自身能承受的力为止，从而起到保护桥梁结构的目的。

2.2 结构设计

防撞钢套箱的设计综合考虑了重力、浮力、潮流力、波流力、船舶碰撞力等荷载，防撞设施由内层防撞钢套箱与外层防撞钢套箱组合而成，内、外层防撞钢套箱采用螺栓连接，此设计为世界首创，防撞等级满足10万t级船舶通航要求。

2.2.1内层钢套箱结构

内层钢套箱由侧板结构、底板桁架、内支撑系统、悬吊系统、反压系统、水平限位与精调系统组成[2]。

1)侧板结构 钢套箱侧板结构总长约 63m、宽40m、高9.6m，顺桥向侧板厚4m，横桥向侧板厚6m，中间设变宽节段。主甲板、平台板、底板、舱壁、外侧板、内侧板厚取12mm；横向强框架骨材取 T12×320/14×110，弱框架骨材取└140×90×10，骨材端部采用圆弧过渡或肘板连接(见图2a)。

2)底板桁架及内支撑结构 钢套箱采用“侧包底”结构形式，底板面板长51m、宽32m、厚7.5mm。底板桁架高215cm，为H型钢和工字钢组合结构。钢套箱内设置1层钢管内支撑，内支撑采用φ820×10钢管，与钢套箱通过焊接连接成整体(见图2b)。

图2 钢套箱侧板、底板及内支撑结构

3)悬吊系统及反压系统结构 悬吊系统采用H型钢吊杆与桁架上弦杆进行焊接连接，通过扁担梁架在钢护筒上。悬吊系统与底板桁架一起加工完成，随钢套箱整体下放安装。反压系统由反压牛腿与反压杆2部分组成，其中反压牛腿直接焊接于悬吊系统的吊杆上。反压杆采用短节工字钢，待钢套箱就位后，立即将反压杆一端与钢护筒焊接牢固，另一端贴于反压牛腿上焊接牢固(见图3)。

图3 悬吊系统及反压系统结构示意

4)水平限位与精调系统 水平限位与精调装置由支撑平台、支挡牛腿、支垫型钢、顶杆和千斤顶组成。支撑平台采用型钢焊接于钢护筒内，并在其上焊接支挡牛腿。顶杆在专业钢结构厂家加工制造，顶杆端头设置滚轴，防止对钢套箱精调和限位过程中破坏防腐涂层。提前将顶杆、千斤顶和支垫型钢存放在支撑平台上，以便钢套箱下放时将顶杆顶出钢护筒，对钢套箱的平面位置进行纠偏和精调。在钢套箱下放到位完成受力转换后，将千斤顶顶紧，起到水平限位作用(见图4)。

图4 水平限位与精调系统结构示意

2.2.2外层钢套箱结构

索塔外层防撞钢套箱总长约70.2m、总宽为47.2m、高度为10.4m，顺桥向及横桥向两侧钢套箱宽度为3.5m。为了施工及安装方便，钢套箱分为8个节段，节段间采用高强螺栓连接。主甲板、平台板、底板、舱壁、外侧板、内侧板厚取12mm；横向强框架骨材取T12×320/14×110，弱框架骨材取└140×90×10，骨材端部采用圆弧过渡或肘板连接。节段连接板厚20mm，平板橡胶厚4mm。外钢套箱结构总重1 100t，单块最大重117t。

3 主要安装方法

3.1 准备工作

3.1.1设备选型

1)内层钢套箱一次性吊重达1 500t，选用2 600t起重船“东海工7” 作为钢套箱的吊装设备，起重船起重性能为：仰角70°，荷载(2×6 500+2×6 500)kN，吊幅33.1m，起升高度90m；仰角65°，荷载(2×6 500+2×6 500)kN，吊幅40.1m，起升高度84.8m。由此可知，起重船在仰角65°、吊幅40m、起升高度84.8m时，完全能满足项目内层钢套箱起吊、安装要求[3]。

2)外层钢套箱分块吊装最大重约120t，选用250t全回转起重船“中源2号”作为外层钢套箱安装设备，起重船起重性能为：仰角45°，荷载1 400kN，吊幅34m，起升高度50m；仰角50°，荷载1 600kN，吊幅31m，起升高度52m。由此可知，起重船在仰角45°、吊幅34m、起升高度50m时，完全能满足外层钢套箱起吊、安装要求。

3.1.2吊索具选型

1)内层钢套箱采用起重船整体下放，设置8个吊点，起吊高度50m。对吊装工况进行建模验算，单个吊点竖向受力为1 830kN，按实际吊装仰角70°反算单根吊绳受力为1 960kN。如选用额载2 000kN的钢丝绳，单根钢丝绳重高达10t，海上安装不便。因此，综合比选下，选择更轻便且受力性能满足要求的“迪尼玛绳”即φ128高分子聚乙烯吊带，单根破断力≥15 000kN，安全储备系数k=15 000kN÷1 960kN=7.65>6,且质量仅为0.75t，人工即可安装到位。

2)外层钢套箱块段均采用4根钢丝绳起吊，单根块段最大质量按120t计算，则单个吊点受力为300kN，按钢丝绳与钢套箱面最不利夹角65°反算，钢丝绳受力330kN，按6倍安全系数选用钢丝绳，则单根钢丝绳破断拉力为2 000kN，选用直径≥60mm纤维芯钢丝绳。钢丝绳共计需4根，单根绳长11m，误差±5cm。

3)设计“双耳板+加劲肘板”式钢套箱吊耳，配合φ175特制销轴，销轴采用40Cr合金钢，经调质后可用屈服强度极限值为490MPa，完全满足吊装需要。与常规大型吊装采用大吨位卸扣相比，此次销轴配合吊耳设计更经济(见图5)。

图5 钢套箱吊耳

4)设计一种“对称式吊点转换钢套箱异形吊具”，吊具采用Q345钢材加工而成，较常规大型吊装专用吊架而言，用钢量小，结构轻巧，安装方便。经采用有限元分析软件构建实体模型验算后，满足此次钢套箱吊装要求(见图6)。

图6 钢套箱吊具有限元分析实体模型

5)外层钢套箱吊装采用卸扣配合钢丝绳进行，卸扣规格额载≥500kN，卸扣数量≥8个，4个用于吊装，4个用于绳长调节。

3.2 内层钢套箱安装

3.2.1钢套箱装船

驳船由拖轮协助驶入码头系泊，尾部顶靠码头，甲板中心线与发运区中心线对齐。根据潮位调整驳船吃水，待船甲板平面与码头平齐前，在船甲板与码头间敷设钢板作为过桥板，选择船甲板平面比装船码头平面高150mm时，6台64轴线的组合式模块车将钢套箱移向驳船甲板，通过驳船压载系连续对船尾排出/压进压载水，船首压入/排出压载水，保持船尾甲板平面和码头平面平齐，直至钢套箱全部移运至驳船甲板上。钢套箱在驳船上绑扎固定后，模块车退回码头，解开船舶与码头的系缆，运输船驶离码头。

3.2.2钢套箱运输

内层钢套箱采用“振驳25” 运输，配置2艘拖轮，主拖轮为2200HP “振航拖8”，位于驳船前方，配120m拖缆(φ88丙纶长丝线)软拖；副拖轮1400HP“振航拖5”，位于驳船一侧，除提供拖航动力外，协助主拖轮控制方向。累计运输航线8.8n mile(1n mile=1 852m)，运行时间约3h。

3.2.3钢套箱安装

3.2.3.1船舶抛锚就位

船舶进入施工现场后，严格按设计图纸进行抛锚定位，由于桥址区分布一条海底缆线，船舶抛锚剐蹭管线风险极大，采用“GPS精确定位抛锚技术”保护海底管线，抛锚精度高，锚位偏差控制在6m以内。

起重船顺桥向停靠在安装墩一侧(横流抛锚，船舶自带8个锚，稳定性满足要求)。驳船横桥向停泊在起重船正前方，采用缆绳临时固定于桩基钢护筒上。

3.2.3.2吊索安装

由于钢套箱吊索采用高分子聚乙烯吊带——迪尼玛绳，单根绳重仅0.75t，待起重船放下主钩后，人工即可拖拽安装，将环形吊带的一头装入吊耳槽内即可安装销轴固定。

3.2.3.3钢套箱试吊

8个吊点均安装无误后，起重船即可上提主钩逐渐收紧索具，使“称重器”上的各主钩吊力逐渐均匀增加。300t级分5级进行钢套箱试吊，每增加一个级别，技术人员对吊索受力情况、底座脱空情况、结构焊接情况进行检查，无问题后即可继续增加吊点力，直至钢套箱完全被吊起，静置10min，完成试吊。

3.2.3.4钢套箱下放

钢套箱正式起吊后，驳船率先撤离施工区域。起重船通过调整锚缆使钢套箱逐渐接近安装位置，在接近安装位置时注意调整钢套箱的高度和平面位置，使钢套箱处于安装位置的正上方[4]。

技术人员在各自区域内观察底板开孔与钢护筒对位情况，过程中起重船通过绞锚进行微调，确认桩位与孔位对应后即可下达下放指令。下放过程中注意观察底板与钢护筒剐蹭情况，如剐蹭严重，则需再次调整钢套箱姿态[5]。

钢套箱下放至悬吊系统位于钢护筒槽口上方时，停钩。测量人员观测钢套箱的平面位置与理论位置的偏差，并通过起重船微调保证悬吊系统的扁担梁位于钢护筒槽口的正上方。同时，顶升出钢护筒内的顶杆，对钢套箱平面位置进行限位固定。

继续下放钢套箱直至起重船吊钩受力为7 000kN，此时套箱自重已开始由吊钩受力逐步转为悬吊系统受力，技术人员逐孔检查扁担梁与钢护筒内牛腿之间是否有间隙，如有间隙，通过塞填2，3，5mm厚钢板确保牛腿受力均匀、无脱空现象。起重船继续落钩直至完全松钩，复测钢套箱平面位置及高程，满足要求后，解除钢套箱顶面吊耳处迪尼玛绳，起重船起锚拖离施工水域。

钢套箱下放到位后，立即开始进行反压杆与钢护筒之间的焊接工作，保证钢套箱在涌浪作用下的稳定性。至此完成钢套箱安装工作。

3.2.3.5防撞护栏安装

“装配式防撞钢套箱护栏”采用卡扣固定于钢套箱顶面的消波孔上，固定牢固可靠，安拆方便。在内层钢套箱安装完成后，开始进行护栏安装，保证施工人员生命安全，便于开展后续工作(见图7)。

图7 装配式护栏安装照片

3.3 外层钢套箱安装

3.3.1钢套箱装船

外防撞钢套箱采用块段装船发运，运输船舶停靠港池，使用300t门式起重机直接吊装装船，节段采用钢墩多点支撑(与运输船焊接固定)，钢墩布置在运输船结构加强处，以保证节段支承处不产生局部变形，充分考虑运输船横向重心点位置及纵向支撑位置，便于荷载向其他方向扩散以提高甲板单位面积承载力。同时，保护节段涂装面，在节段与运输船支撑位置和固定位置采用塑料薄膜或聚氨酯橡胶等防护措施。

为避免破坏结构和涂装，设计无损绑扎结构，即利用吊装吊耳，再设计制作部分工装，配合使用。用重型花篮螺栓和钢丝绳拉紧，整体段共8个绑扎点，每个点2个花篮螺栓，每个花篮螺栓预紧力为60kN，共计横向绑扎力为960kN。所有绑扎结构与梁段涂装面接触处均包裹防火布，防止破坏涂装层。

3.3.2钢套箱运输

外层钢套箱运输选用“腾峰8号”作为钢套箱运输设备，载重2 200t，单次最多运输2个块段。从增洲船厂至钢套箱安装点，全程约8.8n mile，沿途航道水深满足船舶航行要求。船舶平均航速3～5n mile/h，航行时间2～3h。

3.3.3钢套箱安装

1)船舶抛锚就位 起重船进入施工现场后，严格按设计图纸进行抛锚定位，250t全回转起重船配置4根锚绳，交叉抛锚，尽量减少占用航道宽度。运输船为自航式船舶，无须抛锚。

2)吊索具安装 外层钢套箱安装选用4根钢丝绳，一端挂钩，另一端通过卸扣与钢套箱临时吊耳连接。采用人工进行卸扣及钢丝绳安装工作。

3.3.4钢套箱块段安装

外层钢套箱块段上卸扣安装完成，起重船即可上提主钩逐渐收紧索具，解除钢套箱块段侧向临时固定装置(钢丝绳+卸扣)，逐步使起重船主钩受力。

钢套箱正式起吊，通过回转起重船臂杆使钢套箱块段位于理论位置上方。起重船逐渐落钩，通过人工牵引使钢套箱块段逐渐接近安装位置。外层钢套箱块段上的挂腿双耳板与内层钢套箱顶面连接板匹配。

起重船落钩，通过手拉葫芦精调钢套箱块段位置，逐步使外层钢套箱挂腿受力。找准合适位置，插入螺杆，安装垫片和螺母，钢套箱块段安装到位。

外层钢套箱块段之间通过高强螺栓连成整体，内、外层钢套箱之间通过挂腿和高强螺栓连接。在钢套箱安装到位后进行高强螺栓施拧工作(见图8)。

图8 内、外层钢套箱连接挂腿

3.4 快速施工成效

3.4.1施工工效分析

1)内层防撞钢套箱及底板桁架全部在专业钢结构厂家进行加工制造，现场无须搭设钢套箱拼装平台，悬吊系统支承在桩基钢护筒上。单个内层钢套箱安装到位仅需1d，3个主墩内层钢套箱10d内全部安装到位；较以往采用现场逐块拼装形式，减少了平台搭设和现场拼装工作，极大地缩短了现场工作时间，缩短了工期。

2)外层防撞钢套箱在专业钢结构厂家进行加工完成，并提前与内层钢套箱之间完成了预拼装。在承台施工完成后，选择合适时机进行外层钢套箱块段安装，不占用主体结构工期，对施工进度无影响。

3.4.2经济效益分析

此双层钢套箱安装技术省去了钢套箱拼装平台搭设施工，节省搭设和拆除人工费用，缩短工期约2个月，节省船舶、设备租赁费用和油耗投入。吊装用吊索具可周转使用，并可通过改制用于辅助墩和过渡墩钢套箱吊装，降低了成本。

4 结语

海上桥梁工程施工，受风浪、潮流等影响较大，为确保钢套箱顺利安装，应以“提高后场加工质量，缩短现场安装时间”为前提进行相关设备的选型和结构设计。实践证明，宁波舟山港主通道项目主通航孔桥防撞钢套箱施工采用的“内层钢套箱整体安装+外层钢套箱逐块安装”施工工艺取得了显著成果。