无掩护外海装配式墩台高精度安装技术研究

殷天军，刘玉宝

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概况

翔安大桥（厦门第二东通道）工程海上航道桥墩台采用装配式施工。桥梁桥墩采用预制场工厂化预制，出运至海上，无掩护条件下浮吊吊装[1]。桥墩分为2节式墩台、3节式墩台2种类型。本项目2节式桥墩（承台+下节墩身、上节墩身）9座，3节式桥墩（承台+下节墩身、中节墩身及上节墩身）3座，共计27节。其中下节段（承台+下节墩身）共12节，最重2 366 t，高（4.5+21.6）m[2]。

2 墩台安装难点

1）墩台平面位置和倾斜度的安装精度要求高。倾斜度不大于H/3 000，且不大于30 mm，截面中心位置偏差不大于10 mm。2）墩台单件重量大，吊点设计难度大。3）装配式墩台安装止水难度大。墩台设计底标高为-4 m，最大高潮位时最大水头差为7.24 m，水压力较大，止水难度较大。

3 总体施工方案

3.1 墩台预制及出运

墩台在预制场进行工厂化集中预制，达到设计要求的存放期后，墩台通过预制场码头横纵滑移轨道移至临时坐底码头的半潜驳上[3]。墩台在滑移过程中进行吊装系统的安装调试。墩台运输至半潜驳上进行底节墩台的套箱安装及加固，随后由半潜驳运输墩台至安装现场等待安装。

3.2 墩台安装

海中桥梁采用钢管复合桩，施工并桩检完成后，对桩顶进行抄平及磨平，将抱箍安装处桩身四周清除干净，随后进行中间桩止水系统安放和边桩三维调位千斤顶及止水系统的安放。

起吊已装好止水套箱的下节墩台，对准钢管桩后进行下放，随后通过三维千斤顶和水下千斤顶的液压调位及限位，墩台参数满足设计要求后顶升并抱紧止水抱箍，检查无漏水情况后在落潮时浇筑C50水下速凝砂浆进行止水，具备后续干作业施工条件。

4 临时结构

4.1 吊索具

使用一航津泰浮吊及专用吊索具（图1）吊装厦门第二东通道墩台。使用下框架梁吊装下节墩台，此时吊具额载2 400 t。可更换下节吊具吊装更大墩身，此时上部通用吊具额载2 930 t。吊具吊装墩身时均使用缆索配合吊装。

图1 吊索具设计图Fig.1 Design drawing of spreader

吊具分为上吊具与下吊具，上下吊具之间使用钢丝绳连接，下吊具通过缆索连接承台。上吊具设置缆索，兼顾中上节吊具吊装，上下吊具配合进行底节承台安装。承台吊装时将承台整体吊起后从钢管桩顶套入，下吊具临时放置于钢管桩桩顶，做临时支撑结构。合理规划吊点布置位置，在2个后浇孔中间设置吊点，考虑混凝土抗压不抗拉的特性，吊点采用穿透承台后兜底形式，建模对承台的受力状态进行分析。每个吊点处设8根φ85 mm，材质为40CrNiMo，抗拉强度不小于980 MPa，屈服强度不小于835 MPa吊杆。每组吊点底部设置底锚板，吊杆拆除后周转使用[4]。

4.2 三维千斤顶

预制墩台的精确调位是利用承台4个角的钢管复合桩作为承台体系转换前的承重钢管，通过桩顶安装的4个三维千斤顶对承台进行精确调位，经过升降、侧滚、俯仰、横移、进退和回转等动作最终完成精确调位。通过三维千斤顶的调位，可使承台空间坐标位置精度控制在2 mm以内[5]。

4.3 水下千斤顶

水下千斤顶布置在4个角桩的预留孔内，每根桩均匀布置3个，消除了水流力作用下钢管桩摆动影响。

5 墩台安装工艺流程

5.1 准备工作

1）钢管桩表面处理

考虑需要给钢抱箍留有操作空间，应保证桩身表面干净，可利用刮船器清除桩身表面海洋生物，防止止水抱箍下放时对抱箍内侧胶皮造成破坏及止水过程中钢抱箍无法抱紧钢管桩从而导致止水失败。

2）顶升和止水系统安装

在角桩顶位置整体套入三维千斤顶，千斤顶顶托盘卡在钢管桩顶部，上下托盘之间通过钢棒连接。在角桩三维千斤顶工装上的预留槽内放置20 t顶升千斤顶，随后放置六角吊梁及通过精轧螺纹相连的3片钢抱箍悬挂其上，形成边桩的止水系统。

5.2 吊装系统和水下千斤顶安装

吊装系统、水下千斤顶选择在墩台养护完成后，在出运前进行安装。

5.3 墩台出运

墩台预制且混凝土达到设计强度后将装配式构件从装配式平台横纵移至储存区平台储存。装配好的墩台通过台车在轨道上横、纵移至码头前沿[2]，装船，封车加固，高潮起浮，使用拖轮傍拖半潜驳运输至现场。

5.4 起重船与半潜驳抛锚驻位

4 000 t浮吊提前在垂直桥轴线南侧驻位，运输墩台的半潜驳拖带至现场垂直轴线方向，在预安装的墩台轴线以南（船头朝南）起重船一侧驻位。

5.5 套箱安装施工

止水钢套箱采用拼装后整体安装工艺，首先在半潜驳上将套箱进行整体拼装。拼装好后在套箱底部设置高压缩量双峰止水带（10 kN/m压力下，压缩量不低于20 mm）。待船舶驻位后，缓缓吊起拼装好的钢套箱，从墩身套入至承台上方，在钢套箱自重作用下压缩止水带，实测双峰止水带压缩量约为20 mm。

5.6 墩台吊装

1）墩台吊装窗口

墩台吊装属海上大吨位起重作业，受风浪、水流影响很大，安装前收集气象信息，根据气象水文情况选择墩台吊装作业时间。浮吊适合吊装墩台的水文、气象条件如表1所示。

表1 浮吊吊装墩台条件Table 1 Conditions for hoisting pier by floating crane

2）吊座连接

一航津泰吊持吊具缓慢移船至墩台上方，从墩身套入，缓慢下放吊具，操作人员辅助将吊索浇注头套入吊座耳板之间，穿入销轴，并锁好端头处止退卡环。

3）墩台起吊

缓慢起钩，从500 t起吊以300 t为一级，逐级加载[6]，继续起升直至承台完全从台车上离开10 cm，持荷静置5 min，吊装过程中观察吊具受力状态及墩台状态，直至安放完成。通过倾角传感器观测墩台垂直度，通过调整两钩吨位使承台垂直度不低于1/300。

4）浮吊下落墩台

通过实时（测量）控制系统及倾角传感器指挥调整浮吊臂杆角度及船位，使墩台底面位于待安装钢管桩三维千斤顶顶面50 cm左右，中心与群桩中心偏差在±30 cm以内，然后缓慢下落墩台，确保墩台准确套入钢管桩[3]。最终使吊具支撑结构准确落于三维千斤顶工装上。检查三维千斤顶上的支垫牢固稳定后，缓慢下落浮吊吊钩，解除上下吊具之间的约束，最后吊离上吊具[7]。

5.7 墩台调位

1）墩台调位标准

墩身竖向倾斜度偏差不大于H/3 000，且不大于30 mm；墩身截面中心位置与设计位置偏差值不大于10 mm[8]。

2）墩台调位施工

通过在墩身大方向侧布设测量用反光贴，并在墩顶提前设置纵横向轴线，通过墩身反光片计算现场墩身垂直度及偏位，调位技术人员根据偏位数据，按照先调整平面位置，再调整高程和垂直度的原则调整三维千斤顶。调整结束后，三维千斤顶竖向顶自锁，水下顶顶紧，防止墩身出现偏位。

5.8 墩台止水

墩台调位完成后，在潜水员的止水和配合下，分别提升角桩桩顶和中间桩桩顶20 t千斤顶，将组片抱箍提升至承台底面，潜水员水下将组片式抱箍耳板使用水下液压扳手初打紧，继续提升抱箍，至抱箍顶面单峰止水带压缩量不低于30 mm，将组片式抱箍打紧，实现承台底面和钢管桩侧壁的止水，见图2。在落潮时，在后浇孔内浇筑速凝砂浆，待止水砂浆达到20 MPa以上强度后，后浇孔内抽水作业。

图2 抱箍止水原理图Fig.2 Principle diagram of water stop of hoop

6 吊具监测

吊具监测选取起吊、移位、进孔、就位4个持续动作。

1）吊装过程中的微应变监测时程曲线如图3所示，起吊后应变变化随逐级加载有较好的对应关系，移位时内力在附近达到较大值，随后内力保持相对平稳，在下放入孔内后内力结构体系发生变化，内力有对应的突变，随后保持稳定。

吊装过程中的应力数值为应变×弹性模量，结合图3可以看到，受力体系转变以后，跨中弯曲应力最大值为49.50 MPa，小于强度设计值，说明结构系统有较高的安全储备，体系稳定可靠，同时也说明了吊具结构的冗余量过大，造成了不经济的情况，可根据本次的监测结果进行吊具结构的优化设计。

图3 微应变监测时程曲线Fig.3 Time history curve of micro-strain monitoring

2）倾斜监测设置2个方向，其中倾角01方向为下框架梁主梁垂直方向，倾角02方向对应下框架梁主梁轴向方向，吊装过程中的倾角监测时程曲线如图4所示。根据倾角监测结果，起吊后吊具吊绳收紧程度略有差异导致轻微的倾斜角度，逐级加载过程中，吊具保持之前姿态，在移位初期进行倾斜调整，由于吊机只能调整一个方向的倾斜，经过调整倾角02方向基本水平，倾角01方向约0.40°的倾斜，当墩身入孔时倾角变化较为明显，墩台就位后倾角01方向倾斜显著减小。

图4 倾角监测时程曲线Fig.4 Time history curve of obliquity monitoring

3）加速度设置2个方向，其中加速度01方向为下框架梁主梁垂直方向，加速度02方向对应下框架梁主梁轴向方向，吊装过程中的加速度监测时程曲线见图5。根据加速度监测结果，墩台吊运过程中吊具加速度小于0.049 m/s2，后续吊装过程中可适当加快墩身移动速度以提高安装进度，并且在吊装过程中还能减小潮位带来的影响。

图5 加速度监测时程曲线Fig.5 Time history curve of acceleration monitoring

7 结语

无掩护外海装配式墩台高精度安装技术在翔安大桥（厦门第二东通道）工程的成功应用，对海上装配化技术有重要的推动作用。此技术能够完成外海域大潮差环境下桥梁装配化墩台安装施工作业，实现了安装的高精度控制，同时利用了厂内预制墩台的标准化生产优点，又避免了海上长时间作业的安全风险，保证了安装质量。