郑万铁路跨南水北调干渠钢管拱全自动竖转技术

2019-07-18李惠民

铁道建筑技术 2019年3期

李惠民

（中铁十八局集团第二工程有限公司河北唐山 064000）

1 工程概况

郑万铁路河南段张良镇跨南水北调干渠特大桥主桥采用（74+160+74）m预应力混凝土连续梁与钢管混凝土加劲拱肋组合结构体系，主梁采用预应力混凝土连续梁，立面位于6‰纵坡上，吊杆与梁面垂直，吊杆顺桥向间距为9 m，两道拱肋共设置15对双吊杆（见图1）。

图1 桥型布置

钢管拱轴线采用二次抛物线，计算跨径L＝160 m，计算矢高f＝32 m，矢跨比1／5。横桥向设置两道拱肋，拱肋中心距为11.8 m。施工矢高f＝32.12 m，拱肋采用外径φ1 000 mm、壁厚16 mm的钢管混凝土哑铃型截面，上下两钢管中心距为2.0 m，拱肋截面全高3.0 m。拱肋上下钢管之间连接缀板为厚度16 mm钢板，拱肋之间共设9道空间桁架式横撑，横撑采用4根φ450×12 mm主钢管和32根φ250×10 mm钢管（见图2）。

图2 拱肋、横撑截面（单位：mm）

2 钢管拱肋施工方案选择

传统的钢管拱桥主拱的施工方法归纳为缆索吊装法、水平转体施工法、满堂支架法、竖向转体施工法四种。

2.1 缆索吊装法

采用缆索吊装的方法为原拟采用的方法，原设计将主跨分5节段吊装合龙，每段吊装重约65 t。由工厂预制水运到位，天线起吊，塔机定位。该方法的施工工艺比较成熟，但需要大跨度、大吨位的缆机，造价较高，且受桥尾场地所限。

2.2 水平转体施工法

水平转体法施工与该桥结构形式不相适应，且施工采用先梁后拱顺序；如钢管拱采用水平转体，无平衡重墩，无法实施。

2.3 满堂支架法

满堂支架法施工需要大量的支架材料，造价高，现场拼焊易受外界因素的影响，主拱的质量无法得到保证，且工期长；南水北调干渠是国家重点输水干渠，对水质的要求非常高，干渠采取封闭式管理，任何在干渠空间范围内的施工作业都极易污染干渠水源，后果不堪设想。最终放弃此施工方法。

2.4 竖向转体施工法

通过专家论证，竖向转体施工可以克服上述方法的不足，是一种可行的方法。目前，国内采用竖向转体施工的拱桥有三峡、莲沱等大桥。郑万铁路跨南水北调干渠钢管拱主拱的吨位大（半拱275 t），预制的钢管拱肋在内场加工并预拼完成后，解体由汽车运输至工地现场，在已完成的主桥预应力混凝土连续梁梁面进行拼装，拼装完成后再进行竖向转体施工。本次竖向转体施工采用了目前国内最先进的全自动同步竖转提升液压设备及主塔架实时应力监测技术，目前在国内尚属首次。

3 钢管拱竖转施工方案

3.1 钢管拱竖向转体方案设计

竖转系统由竖转主塔、起重索、平衡索（用于平衡起重索塔顶水平力）、起重动力系统、缆风绳组成。竖转起重动力设置于边跨箱梁底板下。在大小里程主墩连续梁0#块上安装竖转塔架，塔顶设索鞍［1］，如图 3。

图3 竖转施工示意

竖转主塔立柱标准节采用 ø530×10+底节ø630×10钢管，平联采用ø329钢管焊接。竖转主塔位于拱座内侧，塔高48 m，截面为3.2 m×2.5 m。每个塔柱由4节组成，节间用法兰连结。起重索采用ø15.24＼1 860级高强度低松弛预应力钢绞线［2］。根据起重索计算索力竖转起重索19根／束，平衡索5根／束。

主拱竖转施工采用液压同步起重技术［3］。计算机控制液压同步起重系统由控制系统、承重系统、动力系统等组成。为了提高构件的安全性，在每台起重顶的进油油路都布置了油压传感器，实时监测每台起重顶的载荷变化情况。在起重过程中，计算机通过监测每台顶的载荷变化情况，准确地协调整个起重系统的载荷分配。如果起重顶的载荷有异常突变，则计算机会自动停机，并报警示意。

3.2 钢管拱竖转施工工艺

桥上拼装完成的两个半拱，竖转角度为20.2°（郑州半拱）和15.0°（万州半拱）。竖转施工顺序:先竖转万州端再竖转郑州端，内设导向装置导向合龙，留龙口不设合龙段［4］，龙口为20 mm宽焊缝。为保证竖转过程中对已完成的连续梁不产生影响，连续梁梁端加配重（3 450 kN）。

3.2.1 竖转主塔搭设

竖转主塔搭设采用桥上50 t吊车配合塔吊起吊，人工连接节间法兰螺栓，用扭力扳手紧固螺栓达到额定扭力。

为确保拼装过程竖转主塔的稳定，在塔架立柱二级横撑位置设置临时缆风绳。塔顶设永久缆风绳，大小里程侧主塔之间设压塔索。缆风绳采用φ22 mm钢丝绳，压塔索采用钢绞线。

3.2.2 吊索具连接安装

安装顺序:前缆风绳安装—压塔索—平衡索安装—起重索安装。

起重索钢绞线在连续梁梁面进行下料和编号，先将起重索的前端与扣点吊具连接，塔吊配合用卷扬机牵引起重索逐根放入塔顶鞍座中［5］，然后将起重索末端穿入同步千斤顶中。牵引过程中应防止钢绞线束扭转，索鞍处钢绞线单层摆放，钢绞线必须有序穿入千斤顶内，并对钢绞线束进行疏导，确保钢绞线顺直。

3.2.3 起重索预紧

为使整束起重索各钢绞线受力均衡，用YDC240Q单根千斤顶对扣索钢绞线逐根进行预紧，确保竖转时各根钢绞线受力均匀。平衡索、起重索的预紧应同步进行，以保证前后钢索对钢塔提供基本对等的张拉力。

在竖转塔上设置倾斜观测表，并标明刻度，利用经纬仪观测控制表，然后利用千斤顶对钢绞线进行预紧，观测钢塔顶部位移，利用平衡索千斤顶预紧钢绞线，调整钢塔侧倾状态。

3.2.4 竖转测量与应力控制

（1）测量控制网布设

钢管拱竖转共布置4个观测站组成控制网［6］。分别位于小里程墩位、大里程墩位左右侧约200 m处。

塔顶及钢管拱前端共布置8个控制点，主要监控钢管拱竖转阶段、合龙阶段合龙口处拱的标高、拱轴线偏差及塔架位移和扭转情况，为及时调整平衡索确保塔架竖直度提供数据支持［7］。各观测站所有数据报指挥室数据分析师，分析师对数据进行整理分析，并将分析结果及时反馈总指挥。

（2）应力监测控制

主塔立柱的底部、中部及顶部安装了外贴式应变片［8］，每个塔架上安装了48个应变片；在起重索收紧之前，将所有应变片位置所受荷载情况进行检测，并在竖转过程中实时检测塔架立柱的荷载变化情况，确保竖转过程塔架结构受力安全。

3.2.5 试转

启动同步液压起重系统收紧牵引索逐级增加牵引力，直至主拱脱离拼装支墩30 cm。同时观察竖转主塔顶端位移，适时调整主塔平衡索，使竖转主塔保持竖直。静停12 h，安排专人对塔顶进行检查，无异常后，进行正式竖转施工［9-10］。试转过程中密切观察竖转主塔顶端位移和竖转主塔变形，如出现异常查清原因后处理；试转过程中时刻监控钢拱线形和内力变化。

3.2.6 竖转、合龙

（1）竖转作业

首先，大里程侧钢管拱起重索同步张拉至临界最大竖转索力1 667 kN，钢管拱前端缓慢向上产生位移；然后，测量控制组对左右钢管拱前端高差、塔架竖直度进行观测，应力观测组对竖转的钢管拱及塔架进行应力检测。

各观测站所有数据报指挥室数据分析师，分析师对数据进行整理分析，并将分析结果及时反馈总指挥，如无异常情况，继续进行下一张拉行程的竖转。竖转完成后，重复测量及分析。如竖转过程中钢管拱前端左右两侧相对高差大于20 mm，及时调整相对标高较低的起重索的索力，使钢管拱前端左右两侧相对高差满足规范要求［11］。

重复上述操作，直至先将大里程侧钢管拱竖转至设计标高+2200 mm，然后小里程侧钢拱提升至设计高度+500 mm处；回转下放大里程侧钢拱，使大小里程的钢管拱处于同一标高，过程中要随时调整塔架竖直度。

（2）合龙施工

首先，大小里程两拱肋下放前，测量控制组提供数据调整拱肋左右两侧的前端标高（拱肋左右两侧的前端标高误差0～+20 mm；相对误差不大于5 mm），调整拱轴线偏位（合龙对应两弦管相对误差20 mm）。

将4台全自动液压设备调整为同步控制，同步下放两半拱，且下放速度为2 mm／s，每同步下放6 mm停顿一次，并安排专人在合龙口位置检查和量测合龙口的变化、轴线的偏差及相互间的相对高差变化。无异常情况，重复操作至合龙口之间相距50 mm左右，停止同步控制系统，采用单侧钢管拱单束起重索点动对接，每次点动位移量不超过4 mm，严防回转下放量过大，造成两半拱相撞，酿成事故［12］。下放至设计高度，测量控制组检查合龙标高、拱轴线偏位及拱圈的线形；各检测数据符合要求后，在龙口焊接临时码板定位。另在温度10℃～18℃依次焊接龙口焊缝及拱脚处镶补段。

钢管拱焊接完成后，按20%为一级，分级松放起重索，同时调整塔架顶位移，直至起重索拉力回零。拆除塔架、筑拱脚固结混凝土。