上海长江大桥工程墩柱分节预制安装施工技术

2010-01-21闫明吉殷天军卞蜀陵别社安

中国港湾建设 2010年3期

关键词：台座墩柱台车

闫明吉，殷天军，卞蜀陵，别社安

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456；2.天津大学建筑学院，天津 300072）

1 工程概况

上海长江隧桥工程南起上海市浦东新区的五号沟，经长兴岛至崇明县的陈家镇，全长25.5 km。其中南港水域宽度约6.871 km，长兴岛陆域宽度约3.946 km，北港水域宽度约8.451 km。

上海长江隧桥工程采用“南隧北桥”方案，北港长江大桥长约10.3 km，南港长江隧道长约8.9 km，长兴岛和崇明岛接线道路共长约6.3 km，其平面位置如图1所示。

长江大桥非通航孔深水区长3 710 m，由一航局一公司负责桩基、承台和墩柱的施工。工程数量主要包括φ1 200 mm钢管桩1 200根、承台92座和墩柱92个。

墩柱为C40高性能混凝土空心薄壁墩结构，截面采用单箱单室，随桥墩跨度（70 m跨和105 m跨）的不同，墩柱的断面尺寸及高度等有所不同。墩柱的规格尺寸及数量见表1。

图1 上海长江隧桥工程平面位置图

表1 墩柱规格尺寸及数量汇总

根据施工能力，将墩柱分成1～4节，共216节。其中单节最大高度为13.7 m，重量约400 t。墩柱分节结构如图2所示。

2 工程特点

（1）墩柱单节段最高为13.7 m，采用立式预制一次浇注成型，模板支立及混凝土浇注、振捣难度大。

图2 墩柱分节结构图（以70 m跨中墩为例）

（2）墩柱重心高，稳性差，采用立式水平运输安全风险突出。

（3） 105 m跨的墩柱分成3节或4节预制安装，现浇湿接头混凝土将墩柱连为整体，墩柱的垂直度、上下节错牙控制无施工经验可借鉴，是一个技术难题。

3 施工总体部署

本工程预制场选在上海市横沙岛，原为长江口航道整治混凝土构件预制基地，主要预制半圆体沉箱，具有混凝土拌合站、出运码头、小临等基础设施。为预制墩柱，购置了400 t龙门吊。由于出运码头引桥的承载力和结构尺寸有限，龙门吊不能直接上码头，故设计制造了纵移平台车进行转运。墩柱运至出运码头后，用650 t起重船吊装上5 000 t深舱自航驳，由深舱驳运至施工现场，再用650 t起重船进行安装，现浇湿接头混凝土形成整体。

4 主要工序施工工艺

4.1 墩柱预制

墩柱采用立式预制法。混凝土台座布置在钢筋混凝土板基础上，其上设置钢台座。外模板由模板面板和桁架两部分组成，模板面板采用冷轧钢板，桁架采用型钢结构。内模板采用分节伞形收缩整体拼装内模，通过调整顶丝来改变模板外形尺寸。钢筋骨架由下至上一次绑扎成形。采用商品混凝土，由罐车运送，泵车布料入仓，分层振捣一次浇筑完成。

墩柱预制施工流程如图3所示。

图3 墩柱预制施工流程图

（1）墩柱台座

台座基础为8 m×6.5 m，厚30 cm的钢筋混凝土板结构。混凝土台座高度为1.20 m，宽0.58 m。

墩柱底端有1.10 m或1.35 m长的多根外伸钢筋，为此在混凝土台座上安装可移动式的钢台座。钢台座高度与外伸筋长度相同。钢台座用钢板及型钢加工而成，底模与台座连成一整体。底模采用δ10 mm钢板加工而成，按设计钢筋位置留70 mm×70 mm方孔，在方孔下补焊100 mm×100 mm钢板，并根据钢筋直径不同开φ50 mm和φ40 mm圆孔。为保证墩柱钢筋正确就位及钢台座拆除方便，在底模上设置定位卡，堵塞底模空洞。钢筋就位后，用海绵填充钢筋与模板间孔隙。

钢台座就位后用水准仪检测其顶面四个角的高差，当平整度不满足规范要求则采用薄钢板将台座垫平。墩柱预制台座系统如图4所示。

（2）内模设计与安装

图4 墩柱预制台座系统

墩柱内模采用分节伞形收缩整体拼装，分节高度根据组合钢模板的规格尺寸定为90 cm；面板采用组合钢模板，横向围囹采用φ50脚手架钢管，竖向围囹采用10号槽钢；内撑为伞状骨架，伞轴杆采用φ90钢管，支杆采用φ50脚手架钢管。内模结构如图5所示。

图5 墩柱内模结构

内模安装采用吊机由下至上顺序逐层进行，分节模板之间使用螺栓连接固定。为防止模板间出现不吻合现象，每套模板分层进行编号，以防弄混。

（3）墩柱外模设计与安装

外模板由4片模板板面和桁架两部分组成。模板板面采用δ8冷轧钢板，加劲板采用δ8钢板及10号槽钢组成网格，网格间距按350 mm设计。模板桁架采用14号槽钢作为上下弦杆，使用63 mm×6 mm角钢连接上下弦杆形成桁架。

外模板安装采用吊机和龙门吊配合进行，安装顺序为先长边后短边，模板就位时用定位插钎协助就位后及时打好定位销，模板间垫2 mm厚的橡胶止水板，并上好模板间及模板桁架间的连接螺栓。

（4）浇注墩柱混凝土

墩柱混凝土由商品混凝土站采用强制式拌合机拌和，罐车运送，泵车布料入仓，每节墩柱一次浇注完成。

混凝土浇注前，墩柱内部沿周边安放8根串筒，避免混凝土落下时离散；布料时每层浇注厚度不大于30 cm；布料后使用加长变频式插入振捣器进行振捣，振捣手根据振捣棒上的刻度标示和内部照明设备对振捣进行观察和控制；浇注过程中分层减水，浇注至顶部时，清除浮浆，二次振捣、压面。

4.2 墩柱出运

墩柱出运包括陆上和水上运输两部分。陆上运输是指墩柱在预制场内及从预制场经过290 m长的引桥至码头的运输；水上运输是墩柱从码头装上驳船，运至大桥现场。墩柱的预制和运输均采取立式。墩柱混凝土达到预定强度后，从台座上出槽以及在预制场内的运输均由400 t龙门吊来完成，墩柱从预制场至码头的运输由纵移台车完成，墩柱水上运输由5 000 t深舱驳运输。

4.2.1 墩柱陆上运输

用龙门吊起吊运输的难度和风险相对较小，而采取台车立式长距离运输则存在较大的风险，国内尚无先例。其主要问题是墩柱高度大，断面尺寸相对较小，而且顶部尺寸大于底部尺寸，重心高；台车运距达290 m；受码头引桥结构限制，台车轨距仅6 m，轨顶不是绝对平整，台车运动难以达到匀速。因此，如何保证墩柱运输中的安全稳定，必须认真地分析和计算。

（1）台车运输时的稳定性分析

墩柱在台车上运输时，水平惯性力使墩柱失稳分3种情况：

一是墩柱和钢台座没有足够强度的连接，墩柱相对于钢台座倾倒；二是墩柱和钢台座与台车没有足够强度的连接，墩柱和钢台座相对于台车倾倒；三是墩柱、钢台座和台车整体倾倒。

墩柱用台车运输时在墩柱上所产生的水平惯性力主要有以下3种：

①牵引启动和制动加速度

绞车牵引台车运行和制动时，会使墩柱沿运行方向产生水平加速度。经计算选用25 t绞车，牵引启动产生的水平加速度小于墩柱沿牵引运动方向的临界失稳加速度。制动选用15 t绞车，制动产生的水平加速度也远小于墩柱沿运动方向的临界失稳加速度。

②轨道面不平整引起的加速度

当轨道面不平整，台车运行时会产生绕轨道轴线的偏转加速度，使墩柱产生垂直于轨道轴线的水平加速度。计算表明，当轨道面不平整时，台车运行在墩柱上产生的垂直于轨道轴线的水平加速度均很小。

③轨道接头有间距和高差引起的加速度

若将轨道接头处的高差控制在5 mm内，接头缝宽5 mm，台车经过该接头缝时会产生高差变化，使台车产生竖向加速度，同时台车轮受到冲击，使台车沿轨道轴线方向产生水平加速度。通过计算可知，当轨道接头处有间距和高差时，台车运行在墩柱上产生的垂直于轨道轴线的水平加速度较大，它会使底宽3.2 m及以下的墩柱失稳。

从上述分析可知，墩柱的失稳主要是侧向倾倒，需对墩柱采取必要的扶稳加固措施。

（2）墩柱扶稳方案措施

经分析计算采取3方面的扶稳措施：

①在墩柱底部的四角，各预埋4根直径32 mm的螺纹钢筋，将其同钢台座焊接，使钢台座和墩柱连接成整体。

②在钢台座底面的四角，各用2根直径30 mm的螺栓将钢台座与台车连接。

③在台车的两侧，各设2个支架，在每个支架距台车顶面2.0 m和5.5 m处设置顶撑丝杠，以提供维持墩柱稳定的水平支撑力和力矩。

墩柱的受力简图如图6所示。

图6 墩柱的受力简图

（3）支架设计

在台车顶面设4个支架，用于固定顶撑丝杠。支架高5.75 m，每个支架在台车顶面上的尺度为1.3 m×1.9 m，用钢板焊接而成，其结构如图7所示。经有限元计算分析，支架结构强度满足要求。

4.2.2 墩柱水上运输

（1）船舶选型

通过对施工进度及船机性能综合比选，选用了1条长91.5 m，宽15.3 m，深6.7 m，载重量5 000 t的自航式运输驳进行墩柱水上运输，一次最多可以装6节墩柱。

（2）墩柱装船

起重船和运输驳停泊在横沙预制场码头，墩柱由台车运至码头上，起重船起吊墩柱，吊放到运输驳加固支架预留的位置上，焊接固定，逐一检查合格后，运输驳船即可起锚解缆，将墩柱运往大桥施工现场。

图7 支架结构示意图（单位：m）

图8 承台上及墩柱节段顶面短柱布置图

4.3 墩柱安装

起重船和运输驳驻好位后，即可进行安装施工。墩柱起吊前，先将墩柱底部四角的8根φ32加固钢筋切断，解除钢台座和墩柱间的连接；起重船从驳船上缓慢吊起墩柱，同时用大锤敲打钢台座使其与墩柱底部脱离。

调整起重船船位及扒杆的角度，将墩柱吊至对应的承台上方，缓缓落钩，当其降低至距支撑短柱和导向短柱顶面45 cm时停止落钩，调整起重船扒杆和连接在墩柱上的缆绳，使墩柱对准导向装置缓慢下落，依靠导向装置使墩柱基本就位后停止落钩，测量人员进行偏位及垂直度观测。记录偏差，推算支撑点及导向点垫片厚度，将墩柱重新起吊少许，在相应导向短柱的支撑面上焊接同偏差数值厚度相等的钢板，再次将墩柱放下。垂直度使用安放在4个角的4个液压千斤顶进行调整，测量密切配合。垂直度满足设计要求后起重船落钩使墩柱完全落在支撑短柱上，同时临时焊接部分钢筋加固，每个角点各焊接4根φ32钢筋，安排起重人员卸钩进行下1节墩柱安装。

（1）支撑（导向）短柱

为准确定位安装墩柱节段，本工程采用在承台上和每节墩柱顶面长边设置4个支撑短柱，短边设置2个导向短柱。支撑短柱兼有导向作用，短柱采用预制场内预制，现场安装的方法。承台上及墩柱节段顶面短柱布置见图8。

（2）操作平台及楼梯

利用墩柱的4个矩形吊孔和两个透气孔支撑墩柱分节安装和湿接头混凝土浇注操作平台。操作平台不仅供操作人员施工，还要承载钢筋及接头外模板的重量。操作平台采用平面桁架结构，由4片组成，片间用螺栓连接，外侧面设护栏。

施工人员上下墩柱使用安装在墩柱侧面的楼梯，楼梯分节加工，每2 m设转接平台。搭设高度同操作平台，从下至上依次安装，采用法兰盘及螺栓连接，底部固定在承台上，中间部位利用墩柱透气孔，顶部使用型钢将楼梯与结构物连接。楼梯安装前先在承台上铺设胶皮板，防止楼梯磕碰承台及楼梯上锈蚀水污染承台表面。操作平台及楼梯如图9所示。

图9 操作平台及楼梯

4.4 墩柱湿接头施工

墩柱湿接头指墩柱与承台以及墩柱不同节段之间的连接接头，湿接头混凝土采用现浇施工工艺。墩柱节段之间的湿接头断面如图10所示。

为保证墩柱湿接头的工程质量，施工中采取了多项措施。

（1）调整湿接头断面尺寸

图10 墩柱湿接头断面

墩柱的壁厚为60 cm，湿接头部位墩柱内壁侧加宽使混凝土厚度增加至100 cm，以便施工人员到内部振捣。湿接头内侧高度由原设计的170 cm加高至205 cm，即湿接头混凝土的顶面比上节墩柱的底面高出50 cm，湿接头混凝土的底面比下节墩柱的顶面低15 cm，并与墩柱空腔内的水平隔板混凝土浇注成一体，起到很好的加强作用。

（2）采用科学合理的模板工艺

为了保证湿接头混凝土的内在质量和外观质量，根据墩柱的结构尺寸及预制安装后的外形特点，外模板采用了3种模板形式组合使用：平面部位采用薄钢板与竖向方木相结合的钢木模板；四角圆弧处采用特制钢模板；墩柱中间竖向凹槽处采用木模板。为适应墩柱表面及上下节墩柱间的高差变化，特采用外部支撑桁架与面板及竖肋不焊接为一体的顶丝结构，以其最终承受混凝土的侧压力。内模板采用组合钢模板拼装而成，内模板顶口高出上节墩柱底面50 cm便于增加混凝土压力。

（3）优化混凝土配合比设计，掺加聚丙烯晴纤维

为保证湿接头混凝土的强度及和易性，在其施工前进行配合比设计时做了多组试验，通过分析比较，选出最优化的混凝土配合比。为提高混凝土的抗裂性，特掺加了聚丙烯晴纤维，取得了良好的效果。

（4）严格控制湿接头混凝土的浇注质量

①对胶凝材料、砂石、外加剂等原材料加强检验，不合格的材料坚决不予使用；

②严格控制混凝土原材料的计量和拌和时间；

③控制好混凝土浇注下灰高度、分层厚度；

④对湿接头的不同部位，采用不同规格的振捣棒进行振捣，同时在混凝土终凝前由施工人员在表面铺木板，使用手锤轻砸，确保混凝土振捣密实；

⑤湿接头混凝土实施二次振捣，保证湿接头混凝土与墩柱的粘接质量。

（5）湿接头混凝土养护

湿接头内侧采用涂刷养生液方法养护；外侧白天人工洒水养护，晚上采用滴水法养护，即模板拆除后施工人员将集水桶吊放在墩柱顶面，在湿接头上方围绕一圈带孔的水管，通过阀门控制水的流量。