太原通达桥改造工程悬索桥施工关键技术

孙国一

（中交一公局集团有限公司，北京 100024）

0 引 言

从20世纪90年代初开始，中国在悬索桥方面发展迅速，其中主跨为1 385m的江阴大桥与主跨为1 377m的香港青马大桥在世界大跨径桥梁中名列前茅。悬索桥具有构造形式简单、受力明确、跨径大的特点，材料耗费少，桥梁造价低，主要应用于大跨径、地质条件复杂的地区［1－6］。太原通达桥改造工程主桥采用四跨单塔自锚式悬索桥结构，上跨汾河，索塔高123.471m，跨径为416m，工期仅为12个月。主塔承台基坑支护采用无内支撑圆形钢板桩围堰、系梁矩形钢板桩围堰、外侧降水井施工方案，将原索塔混凝土结构调整为以钢结构为主的索塔结构，吊装时充分考虑影响因素，提高安装精度，满足设计要求；主桥钢箱梁和自锚梁施工时，采用钢管、贝雷、碗扣支架法组合形式，满足了施工要求；在主梁未合龙前架设牵引索，施工猫道和主缆，为平衡设牵引索、施工猫道和主缆产生的水平分力，利用自锚梁底以及边墩和过渡墩顶的阻尼耳板，临时固定连接件，达到临时锚固的效果。先架设主桥钢梁，待合龙后架设主缆，最后张拉吊索，形成悬索体系。该项技术的成功实施，打破了自锚式悬索桥传统的施工工序，提升了总体施工效率，达到了预期目标。

1 工程概况

通达桥改造工程主桥跨越汾河两岸，地处平坦的洪积平原。工程地质分区属于太原盆地次稳定工程地质亚区。施工范围内高程介于770.12～780.49m之间，最大高差为10.37m。因太原位于地震8度区，设计时按抗震结构进行设计。

通达桥改造工程主桥采用四跨单塔自锚式悬索桥结构，跨径布置为36m＋133m＋208m＋39m，东西两侧各设置一个辅助墩和一个过渡墩。主桥结构体系采用四跨连续全漂浮体系，如图1所示。

图1 主桥总体立面布置

2 关键施工技术

2.1 索塔承台

2.1.1 索塔承台结构优化

原投标设计索塔承台底标高较低，为了便于围堰、基坑开挖及后续承台施工，将承台整体上抬，调整桩长，索塔整体高度降低，这样既方便施工，也便于压缩工期。同时，将承台结构进行了调整，去掉了顶面倒角设计，如图2、3所示。

图2 投标设计索塔承台立面布置

图3 施工设计索塔承台立面布置

2.1.2 索塔承台围堰施工

索塔承台呈哑铃型，尺寸为29m×81m×6m，左右幅承台间设置一道长33m、宽10m、高6m的横系梁，如图4所示。

索塔承台顶标高为773.7m，其所处位置临近汾河主河道，最小直线距离不到10m。承台施工期间为雨季，汾河常态情况下水面高程为770.0m左右，但遇大雨会急涨，地下水位较稳定。根据水面和承台基坑底标高，确定承台周边地面标高为773m，承台基坑开挖5.2m。

图4 主塔承台结构

为了保证主桥索塔关键线路施工，特将单个承台混凝土施工明确为一次浇筑，这样便于承台钢板桩围堰设计和施工。多层多次承台及围堰内支撑施工，不管是对工期还是对成本都有较大影响［7－10］。因此，承台基坑围护方案为无内支撑圆形钢板桩围堰、系梁矩形钢板桩围堰、外侧降水井施工方案。由于主塔承台属于大体积混凝土结构，为避免产生温度裂缝及收缩裂缝，单个承台与连接8m长系梁及3m×6m的过渡倒角一起施工，中间系梁横桥向12m长单独施工，两侧剩余2.5m宽设置2个后浇带，如图5～7所示。

图5 承台无内支撑圆形钢板桩、系梁方形围堰、降水井平面布置

图6 承台混凝土浇筑

在围堰施工过程中，对钢板桩围堰实施插打过程监测、基坑深度及基底监测、钢板桩围堰漏水现象的监测、基坑开挖过程中钢板桩及围檩支撑系统的变形监测［11－112］。

图7 承台浇筑后安装塔座

2.2 索塔

2.2.1 索塔结构优化

初步设计施工图中原索塔整体为混凝土结构，为了满足本工程的整体施工进度，将其整体调整为以钢结构为主的索塔结构。

2.2.2 索塔吊装施工

本桥索塔塔高123.471m，桥面以上高度为112.586m。钢拱塔竖向结构自下而上分为：承台预埋锚固支架、钢混结构段、纯钢结构段、横梁结构段、塔冠装饰段，如图8所示。

图8 索塔结构

结合设计节段划分情况，将钢拱塔划分成76个吊装节段；结合运输条件情况，将吊装节段再次沿纵向划分成207个运输分块。单次吊装最大重量约156.3t，吊装钢结构统一采用XGC800SHB履带吊安装作业。

在索塔钢结构吊装过程中面临的问题主要是：工程结构体量大、工期紧；主塔钢结构高度较高，高空作业安全风险大；主塔控制精度方面要求较高，在安装时既要考虑塔身倾斜应力对塔身应变的影响，又要考虑日照、温度、风速等环境因素对塔身安装精度的影响。为解决上述问题，主要采取以下措施。

（1）明确吊装时间。从索塔钢结构起吊到定位完成，平均需要6h的时间，为了保证定位尽可能地少受外界因素影响，尤其是日照对钢结构的影响，选择在早上太阳光照前完成节段的定位。

（2）定位调整。通过钢塔节段上、下端临时连接板进行固定，连接形式采用栓接；可通过在塔身侧面临时安装千斤顶对钢柱接头的扭转偏差进行校正，如图9、10所示。钢塔节段定位完成后，将临时连接板焊死。

图9 垂直调节

图10 水平调节

（3）增加焊接工作面，形成多工序交叉作业。为充分保证工程施工质量，根据本工程桥塔的结构特点和现场施工条件，并结合构件运输条件，采取“节段整体拼装制作，沿纵向分割，形成2个运输分段；现场节段纵向小合龙形成3m高分段，再将2个3m高的分段合龙成6m高吊装立体分段”的施工思路。

吊装后的钢塔节段主要焊接工作为：水平环焊缝和壁板竖向加劲板连接焊缝。单个焊缝工作时间分别为1d和1.5d。

原方案为：环焊缝和连接焊缝施工完成后，再进行下一个节段的吊装。为了提高整体施工功效，经多方讨论，将方案调整为：环焊缝焊接完成后，即可进行下个节段的吊装，吊装过程中进行上个节段竖向连接焊缝的施工。为了保证钢塔箱室内的施工人员安全，在每2节钢塔节段外侧设置通风孔道，以利于空气循环。

2.3 钢箱梁及自锚梁施工

主桥钢箱梁全长317.4m，横向宽47.5m，功能断面宽度为43.5m，锚索区、风嘴布置在箱梁两侧各2m处。吊索锚点间为单箱三室截面，中间箱宽32m，边箱宽5.75m，共设置4道腹板。箱梁顶面设2%的双向横坡，桥梁对称中心线处梁高3.5 m，如图11所示。

因主桥钢箱梁总体工程量大，为了加快加工制造速度，特选择了3个专业加工单位施工。经加工制造单位深化设计后，总共分为100个加工、吊装节段，其中吊装最大重量约为156t。主桥东侧钢箱梁节段划分如图12所示。

图11 钢塔节段二次组装

图12 主桥东侧钢箱梁分段布置

锚固跨混凝土箱梁段（简称自锚梁）位于立交变宽段范围内，西岸梁宽47.5～63.698m，东岸梁宽47.5～54.36m，跨径布置为西岸36m＋11.8m、东岸39m＋11.8m，采用单箱多室斜腹板断面形式。西岸梁高为3.4～6.0m，东岸梁高为3.4～5.5m，钢混结合段梁高3.5m。自锚梁与钢箱梁有2m钢混结合段。

钢箱梁吊装及自锚梁混凝土均采用支架法施工。自锚梁箱室区采用碗扣支架法，锚固区采用钢管支架法，跨暗涵区采用钢管、贝雷、碗扣支架法，钢箱梁采用钢管支架法，如图13、14所示。

2.3.1 支架基础

支架法原基础设计均为钢管桩基础，但是受建筑垃圾回填土的影响，自锚梁区域范围内无法进行桩基础施工，最终选用换填土、扩大基础的方案，而钢箱梁支架基础受后期汾河蓄水的影响，拔除钢管施工时间过长，且材料成本太高，因此改为成本更小的CFG桩基础，如图15、16所示。

2.3.2 支架支撑体系过渡部位处理

（1）不同地质、不同重量、不同支撑结构受压后，支架整体变形会不一致，从而导致梁体裂纹、裂缝的产生。同时自锚梁平面面积较大，浇筑完成后，整体的收缩徐变会比较明显，为了降低以上影响，在箱室段和锚固区之间设置1m宽的后浇带。

（2）预拱度纵向和横向分别设置，同时根据不同支撑体系设置不同的预拱度。根据结构受力情况分别设置碗扣支架和钢支架预拱度。

2.3.3 不均匀沉降处理措施

（1）将碗扣支架基础与钢支架基础单独设置，确保两者沉降能自由释放，防止因沉降不均导致的结构开裂；同时在基础交接位置的碗扣支架底部加设工字钢，降低因后期不均匀沉降可能对结构产生的影响。

图13 西岸自锚梁钢管支架立面布置

图14 西岸自锚梁钢管、贝雷、碗扣支架立面布置

图15 自锚梁支架横断面布置

（2）锚固区箱梁自重较大，因此支架基础采用预压方式，让基础沉降提前发生，减少施工过程中的非弹性变形，防止结构因不均匀沉降而产生开裂。

2.4 主桥上部结构施工

为了保证主桥总体施工进度，确保在主梁无法合龙的情况下进行主缆架设，选择墩梁固结法进行主缆和主梁同步施工。

2.4.1 墩梁固结总体施工方案

本工程主桥为全漂浮体系，设计单位于自锚梁结构设计时在墩梁之间设置了纵向和横向的阻尼器，最大阻尼力为300t。阻尼器布置如图17所示。

图17 自锚梁底阻尼器平面布置

主缆空缆状态作用于梁体结构的水平拉力最大，经核算，空缆状态下主缆及猫道单侧单个锚固点的最不利水平拉力为4 000kN，则单侧自锚梁（双锚点）的总体水平拉力为8 000kN。

单侧自锚梁2个墩共有9个纵向阻尼器，阻尼器结构底座等结构均能满足抵抗水平拉力的要求。同时，设计方和监控方对自锚梁下的墩身、承台以及桩基等永久结构进行了结构安全性计算，采用主缆及主梁同步施工法，当上下部结构均在安全范围以内且在主梁合龙前，将主梁双向顶推，使墩身、承台及桩基达到受拉以前状态，满足整体结构线形及内力的要求。

利用阻尼器墩顶和梁底的底座设置纵向连接杆件，将自锚梁和墩身临时固结，如图18所示。

图18 临时固定连接件布置

2.4.2 施工技术措施

在主梁未合龙前架设牵引索、施工猫道和主缆，为平衡牵引索、施工猫道和主缆产生的水平分力，采取以下措施。

（1）浇筑自锚梁段混凝土，并将后浇带浇筑完成。

（2）利用自锚梁底以及边墩和过渡墩顶的阻尼耳板，临时固定连接件，达到临时锚固的效果。

（3）将墩顶支架以及边跨支架落架，确保梁体重量通过支座有效传递给桥墩，达到压重的效果。

（4）通过在支座处设置应变片压力传感器，确保梁体压重能有效平衡掉水平力对桥墩产生的弯矩。

（5）待主梁安装完成后解除梁墩的临时连接。

3 结 语

通达桥改造工程于2018年4月10日正式开工建设，截至发稿前主桥主缆架设施工完成，体系转换完成，第三方监控单位对自锚梁位移、变形及主桥整体应力、整体桥形进行了检测，并出具了监控报告，桥梁总体线型及应力变化均在设计要求范围内。通过对施工工序的合理优化，打破传统施工方法进行体系转换，加强了安装精度的控制，使通达桥主桥整体工期缩短近12个月，减少临时结构投入成本近800余万元；在保证施工工期的同时，进一步提高了施工质量和细节把控能力，尤其是在主桥施工过程中克服了工期紧、专业加工周期短、工序转换快等多方面不利因素，解决了施工技术方面的诸多难点，圆满完成了各项施工任务。