港珠澳大桥九洲航道桥主墩钢塔柱吊安技术

毕朝阳

(中铁交通投资集团有限公司，广西 南宁 530201)

1 工程概况

港珠澳大桥是我国境内连接香港、广东珠海和澳门的一项世纪工程，是目前世界上最长的跨海大桥。九洲航道桥是港珠澳大桥的组成部分，位于珠海侧浅水区，大桥采用双塔单索面钢混组合梁斜拉桥，主跨设单孔双向通航，桥跨布置为(85+127.5+268+127.5+85)m，全长693 m。全桥共6个桥墩，其中206号、207号墩为主塔墩，主塔采用“风帆”造型，斜拉索采用竖琴形布置。九洲航道桥布置见图1。

九洲航道桥主墩主塔采用钢混组合结构，由竖直的塔柱和弯曲的曲臂组成，塔高114.7 m，塔柱和曲臂自塔底至塔顶依次为：13.7 m混凝土塔柱、3 m钢混结合段和98.0 m钢塔柱。钢塔柱共分为8个吊装节段(一个主塔)，即下塔柱T0(钢混结合段),T1，T2，T3(塔梁固结段),曲臂B(三)～B(一)节段；上塔柱T4～T9阶段及曲臂A(一)～A(三)节段。九洲航道桥主塔钢塔柱节段分块见图2。

2 主塔施工总体方案研究

目前，水上(海上)斜拉桥钢主塔一般采用塔吊分节段进行吊装施工，这类施工方案具有临时结构投入少、施工操作简单、安装效率高的优点；同时，需要投入大型的塔吊设备，具有高空作业点多、现场焊接及涂装工作量大、设备费用投入大的缺点。主塔钢塔柱塔吊分节段吊装施工见图3。

港珠澳大桥九洲航道桥由于澳门机场航线经过桥址区域，桥位处的航空限制高程为+122.0 m，成桥后塔顶高程为+120.0 m，限高以下施工高度仅为2.0 m，采用塔吊辅助吊装的常规方法施工难以满足施工期航空限高的要求。因此，九洲航道桥在施工过程中，下塔柱采用分节段吊装方案，上塔柱施工主要研究了“临时支墩一次竖转”“大节段梁面提升竖转”以及“浮吊大节段整体吊装”三个方案[1]。

2.1 方案一：“临时支墩一次竖转”方案

该方案是在两边跨各设置一个临时墩，桥面以下的钢塔柱及曲臂采用浮吊分节段吊装，桥面以上部分钢塔柱及曲臂在工厂分节段加工制造完成后，按照“塔柱在上、曲臂在下”的方式组拼成大节段，整体浮运至桥位，利用大型浮吊起吊放置在下铰座分配梁上的垫块和临时墩上，通过三向调整装置将上塔柱上、下铰座对孔，插上销轴，形成钢塔临时转铰；安装横向抗风撑杆及竖转架，布置拽拉锚固系统及后锚索，整体竖转钢塔立柱和曲臂，焊接钢塔柱，完成钢塔柱整体转体施工。九洲航道桥主塔上塔柱一次竖转施工见图4。

2.2 方案二：“梁面提升竖转”方案

该方案是在主塔处桥面上设置上塔柱提升及空中翻身临时钢管支架以及滑道梁，桥面以上部分钢塔柱及曲臂在工厂分节段加工制造完成后，按照“塔柱在下、曲臂在上”的方式组拼成大节段，整体浮运至桥位，利用大型浮吊在桥位处水平起吊上塔柱至塔梁固结段顶面，顺桥向水平落至T3顶口临时支撑及滑移轨道临时支撑上，利用在梁面主塔位置处安装的钢管吊架上的连续千斤顶进行上塔柱提升及空中竖转作业，完成上塔柱的安装施工。九洲航道桥主塔上塔柱水平吊装、梁面提升竖转施工见图5。

2.3 方案三：“浮吊大节段整体吊装”方案

该方案是桥面以上部分钢塔柱及曲臂在工厂分节段加工制造完成后，按照“塔柱在下、曲臂在上”的方式组拼成大节段，整体浮运至桥位，利用一大一小两台浮吊配合完成塔柱起吊、空中翻转，翻转塔柱至竖直状态后小浮吊退出，大浮吊绞锚前移将上塔柱吊至已安装主塔塔柱正上方，然后缓慢下放塔柱，距离T3节段顶位置一定距离时，减缓下放速度，利用牵引系统进行粗定位，下放过程中利用倒链配合将上塔柱导向板喂入下塔柱导向板凹口中，测量安装精度满足要求后安装节段间匹配件螺栓将塔柱临时锁定，吊机解钩，进行塔柱壁板焊接，完成上塔柱安装施工。该方案为了规避塔顶以上航空限高的限制，采用了双臂架大吨位浮吊，吊点设置在上塔柱整体节段重心以上一定范围，浮吊吊臂顶高程严格限制在+122.0 m 标高以下。九洲航道桥主塔上塔柱浮吊大节段整体吊装施工见图6。

对比以上三个方案，方案一“临时支墩一次竖转”方案具有制造精度高、工期短、现场焊接及涂装工程量小、效率高、高空作业少等优点；该方案的缺点是由于采用“曲臂在下，塔柱在上”的方式运输，钢塔整体大节段重心高，主塔运输安全风险大，同时，塔柱竖转施工操作复杂，横向稳定及竖转就位时抗倾覆控制难度较大。方案二“梁面提升竖转”方案除了具有方案一的优点外，由于该方案是采用“曲臂在上，塔柱在下”的方式进行组拼及运输，钢塔整体大节段重心低，主塔运输安全风险相对更小；方案二的缺点是临时钢结构投入较多，钢塔及主梁局部位置需要进行加强。方案三“浮吊大节段整体吊装”方案除了具有方案一及方案二的优点外，采用双臂架大吨位浮吊吊装施工还具有临时设施投入少的优点；该方案的缺点是浮吊吨位大，浮吊费用高，同时，钢塔柱利用两台浮吊进行空中翻转时受力较复杂，过程控制难度大等缺点。

在港珠澳大桥九洲航道桥主塔施工中，经过对各方案的详细验算和优缺点对比，最终选择方案二，即“梁面提升竖转”方案作为九洲航道桥钢主塔上塔柱的实施方案。

3 下塔柱施工

九洲航道桥主塔下塔柱包括T0～T3节段及曲臂B(一)～B(三) 节段，采用大吨位浮吊分节段吊装就位，节段吊装顺序依次为：塔柱T0节段→塔柱T1节段→塔柱T2节段→曲臂B(三)节段→曲臂B(二)节段→塔柱T3节段→曲臂B(一)节段。其中T0节段为钢混结合段，浮吊吊装后放置在混凝土塔柱顶的劲性骨架上，再利用三向调整设备进行精确定位；T3节段为塔梁固结段，采用设置墩旁托架进行临时支撑，为便于钢主梁(塔)节段架设时精确调整对位，在墩旁托架顶钢箱分配梁上设置纵横移千斤顶及竖向千斤顶，实现钢主梁(塔)的三向调节[2-3]。

4 上塔柱施工

4.1 上塔柱安装施工工艺流程

上塔柱安装施工工艺流程图见图7。

4.2 上塔柱提升竖转主要临时设施设计

九洲航道桥上塔柱吊装施工临时设施主要包括上塔柱提升及空中翻身钢管支架、滑移体系、滑移铰座等部分，另外还有吊具及吊耳、塔柱定位及导向等匹配件以及塔柱、主梁局部加固、施工操作平台等。

4.2.1 上塔柱提升及空中翻身钢管支架

九洲航道桥上塔柱整体大节段吊装施工采用设置钢管支架作为上塔柱提升竖转作业的受力结构，支架平面由8根钢管柱分布，每个钢管支架由左、右幅两个独立支架组成。每个独立支架由“4根φ1.0 m钢管+φ400 mm钢管联结系”组成格构式受压结构。钢管支架从梁面往上主要由垫块、垫梁、柱脚、钢管立柱、分配梁、连续千斤顶及钢绞线组成。上塔柱提升及空中翻身钢管支架总布置图见图8。

4.2.2 滑道系统

上塔柱在利用钢管支架提升的时候，为了保证塔柱底口能够平顺滑动，在桥面与塔柱底口之间布设滑移体系，滑道系统主要由垫块(梁)、贝雷桁架结构及滑道梁等组成。滑道从下到上依次含：垫块、贝雷梁、滑道梁三大部分。

4.2.3 滑移铰系统

滑移铰系统是塔柱在提升过程中辅助受力结构，同时也是上塔柱水平吊至梁面后T4节段端的临时支撑点，由滑移铰、滑座及反扣构成。滑移铰为φ1 000 mm×φ20 mm钢管，钢管局部灌注C30自密实混凝土，与钢塔柱T4节段底口通过连接件采用12.9级M30高强螺栓连接，连接件之间采用双面角焊缝焊接。滑座及反扣采用材质Q345B厚度为20 mm钢板制作，滑座顶部设置直径为1 010 mm圆弧，滑移铰内切于滑座顶面圆弧，滑移铰与滑座间填10 mm厚聚四氟乙烯板，减小滑行摩阻力，为防止滑座偏离滑道梁，滑座底部两端焊限位板；反扣内径为 1 020 mm，反扣与滑座间采用12.9级M30高强螺栓连接形成滑移系统。滑移铰系统结构示意图如图9所示。

4.2.4 吊具

上塔柱安装施工过程中根据工况不同，分为两种吊具：一是上塔柱由浮吊水平吊放至梁面设计位置过程中(后面简称“海上吊装”)使用的吊具；二是上塔柱梁面提升竖转过程中(后面简称“梁面提升竖转”)使用的吊具及设备。

1)“海上吊装”用吊具。

采用浮吊进行海上吊装作业，吊点分两种类型，一侧利用上塔柱与扁担梁的连接销轴孔直接穿销轴连接钢吊带起吊，钢拉带为厚度60 mm、材质为Q345b钢板加工而成，两根一组，通过φ280 mm销轴与上塔柱和钢丝绳连接。另一侧采用吊梁方式起吊，吊梁为箱型梁结构，截面尺寸1 200 mm×800 mm，长度6.0 m，由材质Q235B钢板焊接而成。

2)“梁面提升竖转”用吊具。

上塔柱竖转提升采用钢绞线液压提升装备，由穿芯式油缸、液压泵站和控制柜组成。每个塔柱共设4个吊点。提升时，钢绞线一端与穿心顶油缸的上下锚相连，另一端为保证受力可靠传递，在提升钢绞线与三角连接板间设置锚箱结构，锚箱与钢绞线采用钢绞线穿心锚固，锚箱与三角连接板采用销轴连接，三角连接板采用销轴与扁担梁连接。三角板连接件为厚度60 mm、材质为Q690D钢板焊接而成的半封闭式结构，与塔柱扁担梁通过销轴连接，是上塔柱提升竖转过程中的直接承重结构。为保证塔柱在梁面提升后能够顺利翻转至竖直状态，扁担梁设置在上塔柱重心位置以上4.216 m(T6，T7节段分界线以上1.125 m)处。

4.3 上塔柱大节段竖转提升主要施工步骤

步骤一：

拼装内海侧钢管支架及滑道梁，在外海侧采用浮吊水平吊装主塔上塔柱整体大节段至主塔临时支撑处,设置抗风拉揽将主塔拉在钢主梁上。

步骤二：

拼装外海侧钢管立柱,安装提升系统，安装边跨侧30 t水平千斤顶，拆除抗风拉揽完成起吊前准备工作，见图10。

步骤三：

利用四台连续千斤顶同步提升钢塔，边跨侧30 t水平千斤顶配合作业，拆除钢塔T3节段顶的临时支撑，安装中跨侧30 t水平千斤顶。四台连续千斤顶同步提升钢塔沿滑道缓慢滑移，两台30 t水平千斤顶配合作业(如图11所示)。

步骤四：

提升钢塔至设计位置(钢塔T4节段底部距离T3节段顶3.3 m)，调整钢塔至竖直状态，拆除滑靴。同步下放钢塔，上塔柱与下塔柱对位完成后，进行焊接施工完成钢塔柱安装。

4.4 塔柱安装过程中的定位措施

为保证钢塔柱安装的顺利进行，采取在钢塔柱上设置导向装置、精调装置及匹配件临时锁定等措施，实现钢塔柱精准就位。

4.4.1 导向结构粗定位

上塔柱安装时由于塔柱本身高度较高，截面尺寸较大，容易受风力影响摆动，为保证上塔柱在吊装过程中能够顺利下放至设计标高，并完成匹配件连接，需在T3节段上口设置导向系统，新增导向设置于T3顶口内侧四角处，采用箱型结构，高度990 cm，其中604 cm伸出T3节段顶口，并设置斜向坡度，作为初步导向，便于塔柱顺利下放，上塔柱下口至T3节段上方约1 m位置时，缓慢下放，确保节段底口顺利滑入导向板达到初步对位[4-5]。

4.4.2 精调定位装置

在已安装钢塔柱节段顶口部位安装定位调整工装，实现待安装塔柱定位及调位。定位调整工装和设备主要包括手摇式千斤顶和设置在T3节段顶口四角“新增导向”上布设的横桥向和纵桥向水平支撑，支撑采用钢板焊接 。

4.4.3 匹配件

在塔柱焊接制造时在T4节段下口及T3节段上口壁板内侧焊接匹配件用于塔柱安装过程中精确定位及定位完成后临时锁定，安装过程中采用双层铸钢钢锲块结构来调整和控制匹配件，钢锲块的高差可调性(高差调整范围为200 mm～215 mm)使上塔柱高程精确调整及其安装的垂直度得到保证，保证了匹配件所承受压力的有效传递。

5 施工注意事项

1)钢管立柱、垫块、垫梁、吊具及销轴等临时设施的制造及安装应保证其精度满足要求。

2)钢管支架拼装完成后，应对支架系统进行全面的检查验收工作。检查的主要项目内容为：a.全部杆件与节点拼装是否正确；b.螺栓是否上满拧紧；c.立柱根部锚固点连接情况；d.支架倾斜及总体偏位是否符合要求。

3)吊装施工时，应详细掌握潮位、气象等的现状和施工期间的发展趋势，吊装工作尽可能选择高潮位且作业点风速10 m/s以下，无雨雾天气，且温差变化较小的时段内进行。

4)吊装施工前，应做好机具准备，主要是吊具的安装、调试检查(包括吊梁、销轴、钢拉带及钢丝绳等)以及定位型钢的安装检查，并应检查和清洁塔柱接触端面和滑靴螺栓连接质量，使之达到规定要求，作业时不得污染。

5)塔柱起吊、调整、下放整个过程中需配备有经验的信号人员，起吊时严格按照信号员指令执行，避免发生安全事故。

6)在上塔柱上安装倾斜仪，并派专人时时监控吊装过程中上塔柱的双向倾斜情况，当超出施工规定范围时，应立即停止施工，调整至符合要求后再继续进行后续施工。

7)上塔柱竖转就位后，按照先里侧、后外侧的顺序进行焊接，所有焊缝采用对称、同方向、同步进行，以控制焊接变形。在焊接过程中，对角变形量、标高、水平度、垂直度进行的测量观测，发现异常情况暂停，及时调整焊接顺序进行特殊处理。

6 结语

港珠澳大桥九洲航道桥主塔钢塔柱安装，通过多方案研究和比选，最终选择下塔柱分节段吊装、上塔柱梁面整体提升竖转的方案进行安装施工，成功的规避了塔顶航空净空的限制要求。同时，在主塔梁面竖转过程中，通过采用计算机控制液压同步提升技术，做到了提升过程中的荷载均衡和位移同步，顺利、安全的完成了九洲航道桥的钢塔柱安装，为港珠澳大桥九洲航道桥如期建成创造了有利条件。