靖远金滩黄河大桥施工关键技术

郑大运

(中铁大桥局第七工程有限公司 武汉 430056)

近年来，随着国民经济的飞速发展和西部大开发的深入，越来越多的矮塔斜拉桥出现在黄河中上游流域[1-2]。矮塔斜拉桥桥型介于连续梁桥和斜拉桥之间，与连续梁相比具有跨越能力大等优点；与斜拉桥相比具有施工简单、主梁刚度大等优点[3]。矮塔斜拉桥主要特点是主塔高度低、结构刚度大，适用于150～350 m跨径，因此在铁路领域广泛应用[4-5]。我国第一座矮塔斜拉桥——芜湖长江大桥于2000年建成，该桥为公铁两用[7]。2011年，我国建成第一座铁路预应力混凝土矮塔斜拉桥——京沪高铁津沪联络线特大桥[8-9]。

靖远金滩黄河大桥位于甘肃省白银市，为预应力混凝土矮塔斜拉桥，该区域水文地质条件差，施工期存在较大的河床冲刷，下部结构施工度汛难度大。该桥主梁较宽，采用多主桁挂篮进行施工，结构复杂，且该地区昼夜温差较大，主梁线形较为敏感，高次超静定结构施工线形控制难度大。文中对靖远金滩黄河大桥施工技术进行研究，提出适用于该地区施工期河床防护、深厚粉土和卵石土覆盖地层钻孔桩基础、超宽主梁施工，以及施工线形控制技术。

1 工程概况

靖远金滩黄河大桥工程位于甘肃省白银市靖远县城东，主桥为跨径布置100 m+168 m+100 m结构的预应力混凝土矮塔斜拉桥，结构采用塔梁固结、塔墩分离体系，其主桥桥型布置见图1。

图1 靖远金滩黄河大桥主桥桥型布置(尺寸单位：cm)

主桥主墩为直径2.2 m 的桩基础，最大桩长60 m，箱梁采用单箱五室斜腹板断面，顶板宽度为36.5 m，桥塔外形采用A形，总高30 m。

2 总体施工方案及施工难点

桥址位于黄河中上游地区，具有水深浅、汛期流速大、冲刷大等水文特点，河床上部覆盖层主要为粉土和卵石土，下部主要为砂岩，昼夜温差较大。施工过程中，由于航道不通航，搭建栈桥辅助全桥施工；主墩基础采用先平台、后围堰的施工方法；0号块采用支架法施工，其他主梁节段采用挂篮悬臂浇筑法施工；主塔采用翻模法进行施工，施工主塔的过程中同步施工主梁。施工难点如下。

1) 主墩表面覆盖较厚的粉土和卵石土，施工期冲刷较大，对于围堰、栈桥的施工存在较大的安全隐患。

2) 主墩采用旋挖钻机进行施工，需穿过8 m厚的卵石层，钻进过程中容易漏浆、塌孔，钻孔钻进难度大。

3) 主梁宽度36.5 m，采用六主桁的菱形挂篮进行施工，挂篮设计结构复杂。

4) 该地区昼夜温差大，主梁线形控制难度大。

3 施工关键技术

3.1 河床防护与栈桥设计

桥址区域覆盖粉土和卵石土，且分布不均，局部覆盖层仅4 m左右。当汛期来临时，实测最大流速达4.2 m/s，局部冲刷最大深度达8 m左右，为此采用了河床防护的施工方法，解决粉土地层栈桥施工期防冲刷的难题。桥址区域不通航，栈桥设计考虑机械设备的通行及混凝土的输送等功能，兼顾全桥施工，并考虑增大跨度，减少钢管桩插打的数量。

3.1.1河床防护

由于汛期水流速较大，采用常规的抛填碎石作为保护河床的护面结构，难以达到防冲刷的效果。基于本工程的地质特点，首先在栈桥桩附近抛设碎石作为基础的护面结构，其次采用粒径较大的碎石石笼对桩基础附近进行加固。石笼主要分布在栈桥桩周圈及主墩的上游侧区域，采用0.5 m×0.5 m×0.5 m正方体结构，成片石笼形成三角形或者U形的阻水结构。

经过现场实测，进行河床防护后，三角形或U形防护结构范围内河床冲刷将降低至1 m以内，主要冲刷分布在防护结构的外侧，整个施工期栈桥未受到汛期河床冲刷的影响，河床防护效果良好。

3.1.2栈桥设计

由于河道施工期不通航，施工栈桥布置横跨整个河道，栈桥宽度8 m，满足施工车辆双向通行和100 t履带吊走行作业空间，并作为混凝土的输送通道。钢栈桥总长为384 m，基础采用直径×壁厚为1 000 mm×10 mm钢管桩。由于打桩困难及为了减小河床冲刷，通过在贝雷梁设置加强弦杆加强栈桥设计，提升其跨越能力，并减少水中墩的数量。栈桥标准跨径设计为18 m，布置为三跨一联18.1 m+18 m+18.1 m，栈桥立面布置图见图2。

图2 栈桥标准跨立面图(单位：mm)

3.2 钻孔桩基础施工

钻孔桩施工要穿越粉土、卵石土、坚硬岩层等多种复杂地层，钻进难度大，坍孔风险较高。采用旋挖钻机进行钻孔施工。根据地质情况，分级钻孔施工：①当孔位处地质条件较好，地层分布均匀，岩层易钻进时，可直接采用直径1.5 m→2.2 m二级成孔施工；②当孔位处地质条件较差，岩层钻进较为困难时，采用直径1.5 m→2.0 m→2.2 m三级成孔施工；③孔位处地质条件复杂，地层分布不均，岩层钻进难度困难时，采用直径1.5 m→1.8 m→2.2 m三级成孔施工。钻进过程中配置常规的截齿双门钻斗，还准备适用于大直径卵石层的的单门钻斗和单头螺旋钻头、适用于基岩和卵砾石的截齿筒钻、截齿双门钻斗。

由于穿越卵石层时，易出现坍孔、漏浆等情况，采取钠基膨润土优质泥浆护壁，并兼以护筒跟进，解决了这一施工难题。泥浆性能指标见表1。

表1 泥浆各项指标

3.3 挂篮设计与施工

主梁宽36.5 m，挂篮(见图3)设计为六主桁结构，并设置横联连成整体，大幅提升挂篮整体刚度。

图3 挂篮示意图(单位：mm)

3.3.1挂篮设计

由于采用悬臂施工，为保证主梁的结构安全，对于挂篮的自重有一定的要求，挂篮结构需尽量轻巧，因此设计为六主桁整体桁架结构，限重的同时获得较大的整体刚度。

挂篮主要由菱形桁架、提吊系统、模板系统、走行系统、锚固系统和张拉操作平台等6部分组成。在6片主桁架下的有6道走行轨道，轨道为II形型截面。走行过程中，通过一套计算机集中控制系统控制6套走行设备，使各主桁同步走行，保证安全。

通过有限元分析软件建立整体模型(见图4)，选取3个最重主梁节段和走行工况进行检算，最大主梁节段质量达到720 t。

图4 有限元分析模型

由计算分析可知，各杆件应力和挠度均满足要求，建模分析结果见表2。对于超宽挂篮设计，除上述计算外，重点关注其走行抗倾覆稳定性。

表2 建模分析结果

3.3.2对称悬臂浇筑与合龙施工

对称悬臂浇筑过程与其他连续梁桥挂篮浇筑施工方法相近。在主梁悬臂浇筑过程中，确保主梁线形平顺、正确是首位，施工中以标高控制为主。立模标高的合理确定起着决定性的作用。浇筑前一般要设置一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形(竖向挠度)。其计算公式为

Hlmi=Hsji-∑f1i-∑f2i-

f3i-f4i-f5i-fgl

式中：Hlmi为i阶段立模标高；Hsji为i阶段设计标高；∑f1i为由本阶段及后续施工阶段主梁节段自重在i阶段产生的挠度总和；∑f2i为由张拉本阶段及后续施工阶预应力在i阶段引起的挠度；f3i为混凝土收缩、徐变在i阶段引起的挠度；f4i为施工临时荷载在i阶段引起的挠度；f5i为取使用荷载在i阶段引起的挠度的50%；fgl为挂篮变形值。

对称悬臂浇筑和边跨直线段施工完毕后进行合龙施工。合龙时按照先边跨、再中跨的顺序。悬臂主梁节段浇注完毕，拆除悬臂挂篮，并在悬臂端的水箱中加水以设平衡重。合龙口锁定采用“预埋槽钢+连接槽钢+预埋槽钢”三段式结构。合龙段混凝土浇注过程中，按新浇注混凝土的重量分级卸去平衡重(即分级放水)，保证平衡施工。边跨合龙完成后即解除主墩0号块临时锚固，因7号主墩主支座为固定支座、8号主墩主支座为单向支座(横向限位)，8号主墩解除临时锚固后，增加临时纵向限位挡块。

3.4 施工控制

矮塔斜拉桥在悬臂施工阶段是超静定结构，合龙过程中如不施加额外的压重，成桥后内力状态一般不会出现较大偏差，因此矮塔斜拉桥施工控制的主要目标是控制主梁的线形。监控过程中根据施工中实测到的结构反应修正计算模型中的参数值，以使计算模型在与实际结构磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律。在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数辨识过程，整个控制系统就成为自适应控制系统，自适应控制体系见图5。

图5 自适应施工控制体系

施工监控模型结构离散遵循以下3个基本原则：①计算模型应尽量符合实际结构受力特点，以保证解的正确性；②保证结构几何不变性，特别是在综合复杂的转化过程中更应注意，同时要避免出现与实际结果受力不符的多余约束；③在合理模拟的前提下，减少不必要的节点数目，以缩短计算时间，减少后处理工作量。根据设计图纸所示施工阶段及需完成工作量将本桥划分为90个施工阶段，本桥计算模型示意见图6。

图6 本桥计算模型示意

在每1个主梁节段布置1个测试断面(测试断面距离梁端头约50 cm)，在测试断面主梁节段布设10个监测点，中间2个位于主梁中心线顶板和底板位置，另外8个对称布置于外侧腹板顶板和底板位置处。这样可以观测箱梁横向变形及是否发生扭转变形，并且可以相互验证测量成果的可靠性和精度。

在每个施工循环过程结束均对已完成的主梁节段进行全面的测量，分析实际施工结果与预计目标的误差，从而及时对已出现的误差进行调整，在达到要求的精度后，才能对下一施工循环做出预报。在每一施工步骤中制订了如下的误差控制水平。

1) 挂篮定位标高与预报标高之差控制在0.5 cm以内。

2) 纵向预应力钢束张拉完成后，如梁端测点标高与理论标高之差超过±0.5 cm，需进行研究分析误差原因，通过调整索力或调整后续主梁节段标高进行偏差调整。

通过对各阶段线形调整，成桥桥面标高见图7，主桥梁高与理论值最大偏差值为28 mm，满足规范要求的±L/5 000=34 mm。

图7 梁顶高差对照图

为了掌握各施工阶段结构内力的变化情况以及与计算结果的符合程度，保证在施工过程中结构各控制截面内不致出现过大应力而危及结构安全，对各施工阶段结构各控制截面的应变进行监测。结合计算分析结果，对测试断面及测点布置进行优化、调整，选取结构受力最不利处进行监测。主塔上的测点布置选定在塔柱底端前后各1个，7号墩、8号墩共布置4个测试断面。主梁上的测点布置选定在主梁1号段，8号段，共布置8个测试断面。以主塔根部2号截面为例，通过对主要截面应力控制，该截面实测应力结果见图8，成桥应力与设计值偏差在20%以内。

图8 2号截面应力时程图

采用振弦式传感器法与振动频率法测试拉索力，索力均匀性绝大部分控制在2%以内，索力均匀性有超限的现象，2%～5%区间超限股数为41，超限率为11.2%，≥±5.0%区间超限股数为14，超限率仅为3.81%。超限主要原因是单孔锚梅花垫片与钢绞线之间存在摩阻的缘故，因本桥斜拉索为环氧涂层钢绞线，较其他钢绞线直径偏大，为此定制了内径为17.5 mm的梅花垫片，在此基础上进行索力测试的效果明显改善。成桥后全桥整索索力最大偏差为-3.24%，而且索力偏差均为负值，究其原因是频谱法索力系数取值偏小，经调整后，索力偏差均在±3.0%之间波动，满足规范要求。

4 结语

本文结合靖远金滩黄河大桥工程施工研究了黄河中上游流域矮塔斜拉的施工关键技术，提出基于抛填碎石+石笼护面结构的河床防护，设计多主桁整体菱形挂篮结构，制定适用于矮塔斜拉桥超宽主梁的施工自适应控制体系，为后续类似桥梁工程施工提供了参考和借鉴。