空间异型独柱塔施工方案研究

王照伟，李刚，徐德志，郑和晖

（1.黄茅海跨海通道管理中心，广东 珠海 519000；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；4.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040；5.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507）

0 引言

黄茅海跨海通道工程作为深中通道西延线，将成为珠海、中山、江门三市区域高速路网的重要组成部分，进一步加强粤港澳大湾区的互联互通。项目全长31.22 km，其中跨海段长14.35 km，主桥为主跨720 m三塔斜拉桥（黄茅海大桥）和主跨700 m双塔斜拉桥（高栏港大桥），均采用空间曲面异型独柱塔及分体式钢箱梁。独柱塔最高达254.871 m，由塔底18 m直径的圆形依次变化至中塔柱13 m×10 m的圆端形（壁厚2 m）、上塔柱直径8.5～11 m的圆形（壁厚1.5～1.2 m），共划分为44节段，标准节段长6 m，见图1。项目位于崖门水道入海口，6—9月台风高发，最大风速超过42 m/s，安全渡台为重要建设目标，独柱塔建造位于项目关键线路，工期压力大，快速化建造需求高。

图1 独柱塔线形及截面（cm）Fig.1 Linear and cross-section of single-column tower（cm）

异型独柱塔施工面临如下难点：主塔采用空间曲面，线形变化频繁，爬模系统适应难度大；项目渡台风险大、工期紧凑，需采用工业化建造理念，提升独柱塔施工工效。

1 爬模系统适应性分析

1.1 爬架适应性

混凝土桥塔作为典型的高耸结构，可采用爬模法、提模法、滑模法等工艺进行施工，其中以操作简便、爬升安全平稳、速度快的爬模法应用最为广泛。对于常规截面形式的塔柱，液压爬模多采用固定数量的双轨道架体，通过不断微调轨道倾角及承重架的长度，实现截面收分的要求。本项目主塔截面圆曲线直径从18 m变化至8.5 m，且曲率不断发生变化，爬模系统需适应空间曲面的线形变化，若采用固定数量的架体，承重架的尺寸将由截面最小的中塔柱进行控制，上下塔柱节段需在架体间频繁安拆并改制搭板，安全风险高且影响工效。为使固定数量的架体沿截面均匀布置，爬轨需沿曲线径向不断变化，爬轨轨迹将呈现空间扭曲状态，实施难度及安全风险均较高。

为适应独柱塔线形变化并降低爬升风险，需灵活调整架体的数量，爬架系统可采用图2所示的“标准块+变化块”的方式进行收分，截面两侧的三组架体为标准块，顶底部的架体为变化块。标准块的数量及位置均相对固定，通过螺旋撑杆进行微调，变化块的数量及爬轨间距可根据现场情况进行灵活调整。

图2 架体收分方案（cm）Fig.2 The collection and distribution scheme of climbing frame（cm）

总体而言，爬轨调整属于连续的微小变化，架体能适应整体线形变化，且爬升安全风险可控[1-2]。

由于主塔各截面的曲率均不相同，爬轨与塔壁的间隙也在不断变化，若间隙过大，则锚锥处于弯剪受力状态，加大了爬模系统的安全风险。为增强爬轨的适应性，爬轨的布置曲线可取最大及最小截面的均值，当爬轨沿13.25 m直径的圆曲线进行布置时，可适应全塔直径8.5～18 m的截面变化，爬轨锚板与壁体的最大间隙仅2.1 cm，锚锥基本处于直剪受力状态，爬升系统安全可靠，见图3。上述分析表明，爬架能适应主塔整体及局部线形的变化，具备较好的实施性。

图3 轨道适应性分析（cm）Fig.3 Adaptability analysis of climbing scaffold（cm）

1.2 模板适应性

对于造型独特的混凝土桥塔，多采用“以折代曲”模板或全覆盖钢模，前者如赤石大桥、水东湾大桥，后者如猎德大桥、昂船洲大桥（中上塔柱）[3-7]。全覆盖钢模制作安装难度大，单塔措施费较常规木模高约2 700万，且需定期维护，经济性差。可调圆弧模板具有便于制造、可灵活调整等优点，由胶合面板、竖向木梁和带调节螺栓的横肋组成，通过调整螺栓间距实现面板弧度的调整，进而适应主塔的复杂线形变化，在阳逻长江大桥、新建东北铁路通道等工程中得到应用。本项目独柱塔线形复杂，通配钢模造价过高，常规组合模板改制工作量大、工效低，综合考虑施工可行性、加工质量、工效及成本，采用可调圆弧模板方案。

为满足截面收分要求，模板系统采用图4所示的“标准块+变化块”结构，标准块模板根据弦高误差进行小范围改制，变化块模板全塔通配。模板分块尺寸直接影响塔身线形拟合精度，综合考虑拟合精度、模板运输及吊装难度，结合同类项目的实施经验，标准块宽度暂定为3 m。

图4 模板配置示意图Fig.4 Schematic diagram of formwork configuration

根据JTG/T 3650—2020《公路桥涵施工技术规范》的规定，模板制作容许的正负累计偏差为1 cm[8]。考虑到相邻节段的线形差异较小，标准块可在相邻的数个节段内通用，以减少模板投入。经初步测算，下塔柱曲率变化大，标准块可连续使用3个节段（无需改制），中上塔柱高度斜率变化小，标准块可连续使用7个节段。中上塔柱为先变小后变大的同心圆截面，可考虑将中上塔柱模板进行周转，即中塔柱模板倒置后用于上塔柱。

以下塔柱为例，对于1—3号节段，1号节段与2号节段的底口弦高差为0.47 cm，2号节段与3号节段的底口弦长弦高差为0.54 cm。下塔柱10—12号节段的线形变化大，若采用3 m标准块模板，弦长误差范围为1.11～1.42 cm，标准块长度缩短至2 m后，弦长误差可减少至0.57 cm。各节段模板编号、尺寸信息、拟合误差等信息如表1所示，各节段的拟合误差均控制在1 cm以内，标准块总面积约1 650 m2，变化块面积约为800 m2，主塔模板面积合计约2 450 m2。

表1 标准块模板统计Table 1 Statistics of standard block formwork

1.3 工艺试验

为验证模板收分方案的实际精度，选取中塔柱1/4部分进行局部足尺工艺试验。试验段由上下2个节段组成，底部节段高6 m，上部节段高3 m，塔壁厚1.5 m。模板系统由内外模板、拉杆、工作平台组成，外模采用可调圆弧模板，内模采用整体造型木模板。可调圆弧模板采用2.1 cmWISA面板、H200背肋、双拼槽钢围檩，围檩与面板间设置可调节螺杆，进行局部线形调整。

可调圆弧模板的高度为3 m，下节段浇筑完毕后，将模板周转至上节段。试验块浇筑并养护完成后进行整体及局部偏差测量，上下节段间的错台小于2 mm，表面平整度偏差小于3 mm，整体线形平顺且外观质量优良，说明可调模板能适应主塔线形的变化。

2 钢筋部品方案分析

目前，桥塔钢筋主要采用现场绑扎工艺，绑扎时间占节段工期的60%左右，存在人员投入多、工效低、精度差等问题。鸭池河大桥、南沙大桥及伶仃洋大桥等项目开始逐步应用钢筋部品及钢筋网片方案，将部分钢筋绑扎作业转移至地面，减少现场绑扎及焊接工作量，提升钢筋工程的工效和质量，实现钢筋工业化建造[9-10]。

主塔按6 m节段划分时，统计各区段钢筋部品及钢筋网片的最大吊重，网片由外向内的4层（不含拉钩筋）分别命名为外1、外2、内1和内2，吊重统计结果见表2和表3。整体部品工业化程度更高，但其吊重及刚度较大，吊装、运输及现场调位难度大，对精度要求高；钢筋网片工业化程度相对较低，但吊重及刚度相对较小，便于运输、吊装及调位。对于下塔柱及中上塔柱，分别讨论整体部品及钢筋网片方案的可行性。

表2 钢筋部品统计Table 2 Statistics of reinforced bar parts

表3 钢筋网片重量统计Table 3 Weight statistics of steel mesh t

2.1 下塔柱部品可行性

国内尚无弧形钢筋部品生产线，本项目的整体部品需采用胎架法制作。以下塔柱底部截面为例，其1/4圆弧最外侧与最内侧的环向为123 cm（图5），径向偏差为40 cm，不同节段间均存在较大的曲率差异，导致胎架通用性差，部品及网片制作难度大、经济性差。若采用直网片，现场需将直网片线形调整至设计曲率，最外侧1/4网片需调位92次（单个节段调位1 332次），最大水平间距达到2.83 m（图6），调位难度大且工效低。

图5 内外网片差异（1/4）（cm）Fig.5 Differences between inner and outer meshes(1/4)（cm）

图6 直网片调位（1/4）（cm）Fig.6 Straight mesh adjustment(1/4)（cm）

考虑到现场调位精度低，直螺纹套筒难以满足连接需要，若采用容差更大的锥套进行连接，将增加近700万元的成本。对于下塔柱，弧形网片难以制作，直网片现场调位难度大，故下塔柱不宜采用部品方案。

2.2 中上塔柱部品可行性

中上塔柱由圆端形过渡至圆形，线形变化相对简单，钢筋竖向倾角（1°～3°）小于鸭池河大桥塔柱钢筋倾角（4°～8°），可采用短线匹配法进行部品制造，通过直螺纹套筒进行连接，单节段钢筋安装工效可从2.5 d压缩至12 h左右。

部品对接误差受制造精度和吊装变形的影响，在提升制造精度的同时，还需控制吊装过程中的变形值，减小现场对接及调位工作量，提升部品安装工效。以单层部品为例，分别开展四点吊、八点吊及十六点吊分析，三者最大变形量分别为15.12 cm、0.62 cm及0.20 cm，八点吊即可满足锥套及直螺纹套筒的偏差要求。

3 结语

针对黄茅海通道空间异型独柱塔的建造，通过方案研究及比选、工艺试验及有限元分析，开展爬架及模板系统适应性分析、钢筋部品可行性研究，得到如下结论：

1）独柱塔截面尺寸变化大，固定数量的架体难以适应塔身线形的变化，可采用“固定架体+活动架体”的收分方案，固定架体沿直径13.25 m的圆截面均匀布置，活动架体根据线形变化进行灵活调整，爬升系统可适应主塔整体及局部线形的变化。

2）全覆盖钢模方案的临时投入及后期维护费用高昂，推荐采用可调圆弧模板及“标准块+变化块”的收分方案，针对下中上塔柱分别提出模板配置方案，拟合误差均控制在1 cm以内，满足规范要求。

3）开展模板适应性的工艺试验，试验段整体线形平顺且外观质量优良，节段间错台小于2 mm，表面平整度偏差小于3 mm，说明可调圆弧模板方案可应用于现场施工。

4）下塔柱线形变化频繁，网片制作及安装难度大，推荐采用现场绑扎方案；中上塔柱线形变化相对较小，可采用分块部品方案，结合八点吊工艺，可将吊装变形控制在0.62 cm左右，可大幅降低现场调位及连接难度。