复杂山地环境下人行步道钢结构施工关键技术

刘思嘉 黎亚军 徐增武 戴超虎 刘艳华

中建五局第三建设有限公司 湖南 长沙 410004

在人类赖以生存的地球上，山地面积远远大于平地面积。中国山地面积约占陆地面积的50%[1]，且大部分城市为山地城市。与平地相比，其自然环境差异极大，山地建筑受地形、地貌、经济、功能等方面的综合约束，若沿袭平地建筑的施工技术方法来进行山地建筑建设和开发，则难以适应山地生态环境条件的多变性。因此，综合利用建筑所处的山形地貌，尽量契合山地的起伏变化，不去破坏原有地形、地貌和自然景观，因地制宜地使建筑成为融入环境中的有机景观，这成为山地建筑施工建造的首要目标。山地建筑已逐渐成为区别于平地建筑的另一种具有山地特色的建筑体系。

近年来，随着经济快速增长，旅游业蓬勃发展，人们对于山水休闲游憩的需求日益增长，城市景观生态建设逐渐成为城市发展的重要指导方向，利用城市周边现有的自然资源建设“休闲”“健身”“旅游”“娱乐”的山地人行步道成为再次发掘城市活力的有效手段。山地建筑大量建设，尤其是索道、步道、游客服务中心等大量采用钢结构形式。适当的步道建设可以避免极端事件对娱乐活动的负面影响，并在保护生物多样性等方面提供协同效益[2]。国内外一些城市在打造山地人行步道项目上进行了探索和尝试，如广州的“云道”、福州的“福道”、厦门的“绿道”、新加坡的南部山脊步道等。关于山地人行步道建设所面临的最大争议在于施工过程中对原始山体和自然资源的破坏，违背了人与自然和谐相处的基本理念。因此，在建设施工过程中，必须严格保护现有山地的地形地貌，施工过程中需要最大限度地降低对生态环境的影响，这意味着在施工线路上无法进行大面积开挖修路，亦无法采用现代化的机械设备进山施工，蜿蜒曲折的步道全线需要在接近原始山林的环境下作业，其施工难度不亚于各种横跨大江峡谷的大桥。且国内外对于山地步道建筑在建造技术、施工机具等方面缺乏系统性的梳理和研究，没有具体的施工技术指导方法。

1 工程概况

1.1 步道结构设计概况

珠海凤凰山山地步道项目位于凤凰山森林公园东南部，串联沿线城市公园及景观兴奋点，巧妙利用凤凰山地形修筑了1条揽山瞰海的慢行生态健康廊桥，全长约8.6 km，总用钢量约0.6万 t。主体结构形式为独柱墩钢板梁结构体系，整体走势沿山势而行。

钢结构系统可分为竖向独立钢柱、箱体梁及悬挑T形挑梁结构。独立钢柱采用圆型钢，最大型号为φ800 mm×32 mm，最大高度为15 m；箱体梁和悬挑T形加固挑梁结构桥面标准净宽度3.6 m，最大跨距16 m；基础部分根据地质情况不同，分别采用人工挖孔桩基础、岩石锚杆基础和微型钢管桩基础。桥墩与承台采用M48地脚螺栓连接，主梁为箱形，宽0.64 m、高0.70 m，主梁两侧设置T形加固悬挑次梁。全步道采用10.9S级M28高强螺栓栓接，间隔不超过64 m设置1道伸缩缝，桥墩与主梁分别采用焊接连接或橡胶支座连接（图1）。

图1 珠海凤凰山山地步道

1.2 施工环境概况

凤凰山山地步道项目（香山湖公园至海天公园段）位于香洲区主城区凤凰山山脉，最大海拔高度437 m，规划步道沿凤凰山山脉蜿蜒盘旋，西接香山湖公园、东至海天公园、南依梅华路、北邻大镜山水库，全长约8.6 km。现场原始地貌主要为低丘陵地貌，部分为山涧河谷地貌。

步道桥段所处山体为具有一定坡度的陡坡，沿线植被茂盛，巨石、悬崖遍布全线，材料运输及设备搬运极为困难（图2）。

图2 现场原始环境

2 工程特点和难点

2.1 山地环境复杂多样，施工难度大

项目地处林业用地，要求施工过程中将原始地貌及森林的影响降到最低，仅允许开挖宽3 m的临时便道。而山路崎岖，地质情况复杂，大部分施工线路的地质、地形情况尚不能满足临时便道开挖条件，造成人员通行、材料运输、机械进场难度极大。

2.2 现场施工组织管理和安全控制难度大

工程区域跨度大，分项多，工序多，且山路地形条件差，各施工工种及机械之间的配合极其困难，统筹规划科学的施工组织管理使工程能够高效、有序推进的重要保证，同时确保施工安全和质量。

由于山路地势较高，步道沿线多处于陡峭地段，使得安全通道及操作平台布置困难，施工安全要求高、风险大，安全防护难度大；地处茂密山林，施工过程中，不可避免地出现动火作业，且水源补给多位于山脚，消防安全管理要求高，难度大。

2.3 吊装难度大

山路地形复杂，坡高路陡，施工区域无法采用常规吊装机械设备进场施工，单一构件重，且体量大。山地林区内需采用特殊吊装作业工具进行安装，施工难度大，安全隐患风险高。

3 施工关键技术

3.1 箱体梁桥面分段吊装技术

3.1.1 关键施工设备选择

针对步道栈桥结构特点及现场施工条件，调研分析了公路、铁路系统施工过程中常采用的架桥机安装方案，其施工作业面至少需达到2个标准段的长度，且需借助已安装完成的柱墩作为支撑点。

在地形复杂的山势环境下，无法满足使用要求，且步道极小的曲率半径亦无法满足其行驶条件。综合考虑结构形式及施工条件的局限性，研发了一种适用于山地栈桥工程项目的桥面吊装设备，大大提升了施工进度，提高了施工质量和施工安全（图3）。

图3 桥面轨道式起重机施工

3.1.2 关键施工措施

目前，对于桥梁合龙施工技术，一般采用顶推法[3-4]、配切法[5]及配切-顶推结合法[6]。由于山地地形条件差，施工环境受限，且综合考虑经济效益和施工便利性，采用桥面吊分段吊装的施工技术。

本项目进行了多次桥面吊装工况分析和行驶工况模拟，确定了设备自重、设备尺寸、起重性能、最小转弯半径、行驶坡度、运载能力等关键因素，同时需考虑设备的安装拆卸和符合人机工程学的各种要求，融合了工程、机械、力学、遥感等多专业问题，联合设备厂家进行了设备设计、研发。项目最终定型适用于山地钢结构人行步道安装的桥面轨道式起重机和遥控轨道式运梁小车（后称“桥面吊”和“运梁小车”）。桥面吊设备自重为14 t，16 m作业半径起重量3.5 t。

其主要特点为：桥面吊由轨道平车和吊装系统组成，可在用热轧H型钢铺设的轨道上行驶，吊装作业时，桥面吊锚固于已安装完成的柱顶，通过吊装系统依次吊装下一跨的柱、梁及次构件，然后铺设轨道向前行驶至下一跨柱顶，继续重复吊装；运梁小车采用遥控操作，利用桥面吊轨道行驶，在线路上往返运输材料（图4）。

图4 桥面吊装施工示意

桥面吊行驶轨道需要承担上部设备荷载，并将其均匀传递至桥梁结构，是保证施工安全的主要措施。因此，需确保其具有一定的强度且与结构自身能够可靠连接固定，同时便于安拆。

轨道选用HW294 mm×302 mm× 12 mm×12 mm型钢，铺设于钢梁两侧的T形挑臂上，轨道纵向间距为1.8 m，挑臂横向间距为1 m，轨道与T形挑臂之间采用U形卡扣＋压板组合将轨道下翼缘板的左右两侧均夹持于T形挑臂上，每根挑臂与轨道搭接部位均采用夹具固定，经计算分析，具备良好的夹持效果，结构简单轻巧，安拆便捷（图5）。

图5 桥面钢轨加固断面示意

3.1.3 桥面吊施工过程分析

采用有限元设计和分析软件Midas施工仿真模拟桥面吊行进和吊装过程，通过上部结构整体承重状态改良节点形式和调整施工方法。

桥面吊行进过程中，其自重全部由结构钢梁及挑臂承担，其行进过程产生的振动荷载约等于其自重的1.3倍[7]，当其行进至跨中时，为最不利工况。主梁与柱考虑为刚接，挑臂与主梁采用高强螺栓连接，轨道采用错缝焊接连接为连续梁，模拟分析结果显示：桥面吊行进过程中钢梁跨中最大挠度为26 mm，挠跨比[8]为1/615＜1/400；结构构件最大应力比为0.83，可知桥面吊行进过程中构件满足容许应力305 MPa限值要求，行走工况结构受力满足要求。

桥面吊在柱顶进行吊装时，其支腿下方的T形挑臂挠度变形过大，需要进行加固处理，从永临结合的角度出发，将支腿下方的T形挑臂采用HI50 mm×150 mm×10 mm×14 mm型钢加强挑臂进行替换（图6）。

图6 加强挑臂替换模型

采用有限元分析软件进行分析，取最大吊装工况荷载作用下（桥面吊16 m半径吊质量为3.5 t），吊臂转向至与支腿对角线重合时，其吊臂下方的支腿压力值最大，其值为207.8 kN。模拟分析结果显示：加强H型钢挑臂的最大应力比为0.65，最大挠度值为5.06 mm，不超过次梁挠度允许值l/250，故桥面吊在柱顶作业时，其支腿下方的加强挑臂承载力满足要求。

标准段钢柱与梁底支座采用焊接连接，分联段位置梁底设计为滑动支座连接，梁底支座置于柱顶橡胶垫板上，无侧向支撑措施，当位于分联段钢柱顶作业时，除将分联段两侧钢梁采用临时码板连接成整体外，还需设置侧向临时支撑防止钢梁发生倾覆。由于山地环境特殊，侧向临时支撑考虑依附于现有结构设置，采用热轧HW175 mm×175 mm×7.5 mm×11 mm型钢焊接于柱身（图7），对4个支腿下方的加强挑臂进行支撑，加固箱体梁分联处节点。

图7 分联处节点强化措施

采用有限元分析软件验算此加固措施稳定性，取最大吊装工况荷载进行分析（桥面吊16 m半径吊质量为3.5 t），当吊臂转向至垂直于桥梁方向作业时，为最不利工况，此时吊臂下方的支腿压力值之和为199.3 kN，建立整体结构模型进行验算，其强度满足要求。箱体梁最大挠度为32 mm，跨度为16 m，挠跨比为1/500＜1/400；分联处箱体梁结构构件最大应力比为0.82，分联处连接板最大压应力为212 MPa，满足容许应力305 MPa限值要求，故桥面吊在分联处吊装工况结构受力满足要求。

3.1.4 施工重点和难点分析

1）山地步道全长约8.6 km，桥形线路复杂，桥面钢梁采用高强螺栓连接，施工测量精度要求极高。由于现场山高林密，信号较差，若使用GPS放点，则误差较大；若使用全站仪测量，需进行多次转点，亦会产生较大的累计误差，对于测量作业的影响极大。因此，精准测量定位是施工的重点和难点。

2）本项目山地步道设计标准段跨度为16 m，因受山地地形环境限制，大型机械吊装机械无法进场，且步道栈桥连续小曲率半径的弯道较多，需对桥面箱体梁进行分段划分。钢梁在进行吊装节段划分时，综合考虑到构件运输、吊装半径、节点连接要求、桥面吊站位尺寸等因素是施工的重点。

3）现场安装采取分段吊装拼接，为了避免已安装的桥面构件由于悬挑过大，致使构件挠度过大，导致构件安装不便或连接节点失效。必须在施工不利的山地条件下采取支撑架系统，用以支撑悬挑节段构件结构安全。合理设计适应施工环境的支撑系统，保证施工阶段支撑体系和桥体结构整体稳定性和安全是施工的重点。

3.2 主要施工技术措施

1）综合考虑到现场桥面吊的作业工况要求、复杂的施工环境以及对接节点操作便捷性等因素，本项目将步道钢结构的安装作业流程具体拟订如下：锚栓预埋→起步段安装（含桥面轨道）→桥面吊及运梁小车安装→钢柱吊装→跨中段钢梁吊装→柱顶段钢梁吊装→次构件吊装→轨道及加固措施吊装→桥面吊向前推进→重复下一跨柱梁的吊装作业。

2）针对桥梁测量定位的要求高，而全桥位于线路复杂的山地环境，对于施工测量的影响大的特点，本项目在施工前首先使用静态测量技术，在沿线通视位置建立测量控制点，确保控制点之间直线距离不超过300 m，施工过程中再根据现场实际情况，使用2″级全站仪进行测量定位或对控制点进行加密后引测，在钢梁安装过程中，对柱顶段钢梁的对接点进行准确测量定位后，再固定梁柱节点。

3）为了解决箱体梁节段合理划分的难题，通过对施工过程进行模拟分析，将每一跨标准段16 m钢梁划分为7 m＋9 m组合，跨中段吊装半径小，按9 m一节在工厂制作，柱顶段吊装半径大，按7 m一节在工厂制作。由于分联段的钢梁在伸缩缝断开，在工厂加工时使用临时码板连接成7 m整体，安装完成后再将临时码板割除；通过运输模拟分析，长度9 m钢梁在桥面运输时，可有效避开桥梁两侧障碍物，长度7 m的钢梁能够满足桥面吊的站位要求，所有分段质量均能满足吊装要求。钢梁拼接位置全部采用“高强螺栓＋双夹板”连接，可大量减少动火作业面。

4）通过对各工况条件下施工过程计算分析得出悬挑段挠度，若不采取支撑措施，其最大挠度将达到31.3 mm，悬挑端前端挠度过大将会影响后续钢梁对接，因此需对此状态下的钢梁进行临时支撑措施。

因此，综合考虑现场情况，支撑体系设计为类似于斜拉桥的“索塔＋拉索”形式，减少悬挑段的挠度。索塔采用高度为1.5 m的HW294 mm×302 mm×12 mm× 12 mm型钢，拉索采用3 t的手拉葫芦。悬挑段安装完成后，吊车暂不松钩，使用手拉葫芦连接索塔和悬挑段、固结段钢梁上的吊耳，然后收紧手拉葫芦，对悬挑梁进行反向提升，再将索塔拉锚至已安装完成的钢梁吊耳上，使钢梁、索塔、拉索互相支撑形成空间结构，加强钢梁平面内的刚度，使其形成一个稳固的支撑体系。有限元挠度分析结果表明：设置“索塔＋拉索”支撑体系，手拉葫芦的拉力施加至10 kN时，悬挑段最大挠度在3.07 mm以内，满足后续钢梁的对接安装要求。

5）为确保桥面吊在施工作业过程中的整体安全性，在每次吊装作业时，还增加了吊车与钢柱之间的锚固措施，采用手拉葫芦将桥面吊锚固于柱底，锚固方式为：采用4套5 t的手拉葫芦，一端连接于桥面吊机身设置的拉环上，另一端反向斜拉锚固至柱脚加劲肋预留孔上，每次作业前，收紧手拉葫芦，将桥面吊彻底固定于柱顶后方可进行吊装（图8）。

图8 桥面吊柱脚加强锚固措施

4 施工安全保证措施

山地步道施工时，所面临的主要风险源包括：森林防火风险、高空作业风险和机械设备伤害风险。

4.1 森林防火风险措施

钢结构工程施工不可避免地会出现动火作业，而山地自然环境对火源极为敏感，因此在施工过程中做好防火措施极为重要。在实施过程中主要采取以下防火措施：

1）从设计源头尽量减少焊接节点，钢梁及上部所有次构件全部采用螺栓连接。

2）严格控制火源进山，在各入口设置门岗，集中暂存火种。

3）全线提前布设永临结合的消防水。

4）严格落实动火申请制度，每个作业点设置专职看火员，配备足够的灭火设备。

5）动火作业前，提前浇水湿润周围场地，采用全封闭的接火措施。

4.2 高空作业风险措施

施工过程中的高空作业风险主要采取以下防护措施：

1）随桥面安装进度，在桥下满拉防火安全网。

2）沿桥面两侧设置高度略低于运梁车的生命线。

3）各入口以梯笼作为垂直通道，桥面作为施工便道。

4.3 机械设备伤害风险措施

对于施工过程中的机械设备伤害风险，主要采取以下防护措施：

1）吊装作业前，严格按要求设置临时措施。

2）运梁小车往返过程中，桥面严禁人员通行，运输构件必须绑扎牢靠。

3）桥面吊在有坡度的桥面作业时，必须设置前后车挡，避免滑车。

4）设备定期进行保养检查。

5 结语

珠海凤凰山步道项目自立项之初，就明确了对原始森林公园“低干扰，轻介入”的建设理念，要求建设施工过程中要将对原始生态的影响降到最低。针对复杂山地环境条件和结构特点，本文对步道工程施工中的关键技术措施进行了详细的阐述，这些措施有效确保了工程的顺利推进，保证了施工安全和质量，取得了良好的社会经济效益，可为类似项目提供参考。