高速公路桥梁高墩施工工艺研究与分析

1 概述

我国高速公路的发展起步相对较晚，但近年来，我国高速公路的发展势头迅猛，截至2021年底，我国已建成11.7万公里高速公路，里程已位居世界第一。随着高速公路的飞速发展，在高原、山区、河谷等特殊地势地形建设高速公路的需求也逐渐增大，因此，高墩桥梁的需求和施工难度也逐步增高，如何安全、快速地施工桥梁高墩柱成为了桥梁施工的重要研究方向[1]。本文通过综述当前桥梁高墩柱爬模施工、滑模施工、翻模施工三种工艺进行分析，并对未来桥梁高墩柱施工工艺提出思考。

2 我国桥梁高墩的应用情况

随着我国高速路网的不断完善，越来越多的桥梁需要跨越山谷、河流，超过百米的墩高已屡见不鲜。为降低结构自重并同时满足截面尺寸要求、降低桥施工成本，空心薄壁墩应运而生，此类桥墩在满足力学、墩高等要求的同时，还能有效克服费工费料、质量差、施工慢及高空作业等困难[2]，实现了桥梁高墩轻质、经济、超高化发展。当前我国施工超过100m墩高的桥梁已屡见不鲜，表1列举了我国的部分高墩桥梁。

表1 部分高墩桥梁情况统计表

3 三种高墩柱施工技术特点

3.1 滑模施工技术特点

滑模施工是近年来从建筑剪力墙施工的滑升模板系统中改进而来的[3]。其原理是在混凝土结构中预埋支承杆以承担千斤顶和液压提升系统传来的荷载，千斤顶和液压提升系统会在混凝土达到设计强度后，带动模板沿支承杆方向不断爬升，实现边滑升边浇筑边成型（如图1所示）。

图1 滑模结构示意图

滑模施工具有施工速度快、成本低、占地小等优点。滑模系统主要由提升设备、操作平台、模板等部分组成。滑模施工的主要工序有：承台凿毛→钢筋安装→组装滑模→组装作业平台→安装安全防护系统→混凝土浇筑→养生→钢筋安装→模板滑升并循环至桥墩封顶（如图2所示）[4]。桥梁承台施工结束后，开始安装绑扎钢筋，拼装模板。滑模工艺主要采用钢模板，并用螺栓同提升架连接组成滑模系统。模板安装应遵循上口小、下口大的原则，并以模板高度的0.1%～0.3%范围控制好模板的单面倾斜度，且应确保模板上口以下2/3处的净间距与结构设计截面等宽[5]。浇筑的混凝土，其强度一般情况下在C40以上，坍落度控制在12～16cm范围内[6]，浇筑时应对称，进行单层浇筑厚度控制在20～30cm之间，每次浇筑结束后混凝土表面应距模板上缘10～15cm，并同步采用插入式振捣器振捣。待下层混凝土强度达到0.2～0.4MPa时，模板可以开始提升，但滑升频率要严格控制在1.5小时一次，每次滑升高度不得超过30cm[7]，每天滑升高度极限为5m，混凝土出模8h后进行养生。

图2 高墩滑模施工工艺

由于混凝土浇筑完成后，模板向上滑升的过程中混凝土材料会在内外模之间进行直接摩擦，造成桥梁墩柱表面粗糙、出现划痕的现象，对此，需在施工完成后对墩柱进行二次收紧和压光处理[8]。

3.2 翻模施工技术特点

翻模施工技术是由传统滑模演变而来[9]，主要是通过塔吊或液压系统实现模板循环上升并浇筑混凝土的施工工艺，由于该工艺具有墩身外观质量好、操作便捷、施工速度快、易纠偏等优势，目前在我国桥梁工程中得到广泛应用。由于近年来翻模施工工艺的不断发展完善，根据模板提升设备的不同可以主要分为塔吊翻模和液压翻模。

①塔吊翻模：模板及操作平台均由塔吊进行提升，主要施工方法为传统支架法和新型无支架法。其中支架法从支架搭设到墩柱施工到拆除支架共有12个步骤[10]如图3所示。

图3 支架法塔吊翻模施工步骤

无支架法施工与传统支架法相比具有施工便捷、模板稳定性、安全性较高，新旧混凝土衔接平滑等优势。其施工步骤为：前期模板调试→模板组装→安装塔吊→搭设钢筋劲性骨架→绑扎钢筋→安装内外模板→混凝土浇筑→塔吊提升工作平台→模板翻升→循环浇筑等，如图4所示。

图4 无支架法塔吊翻模施工示意图

②液压翻模：一种通过对爬模施工、翻模施工、滑模施工进行总结研究、去粗取精后形成的高墩柱施工技术[11]。由模板系统、闭合梁系统、模板拆装系统、外支架系统、提升系统、防坠系统、操作平台、养护系统、钢筋绑扎平台组成，通过该系统可以实现模板的单面或多面翻升[12～13]。该技术较传统塔吊翻模施工技术具有安全性高、质量可控、作业速度快、成本优化等优势，容易施工各方人员掌握和使用。该技术在遵绥高速公路延长线的应用中，当浇筑混凝土初凝后即可进行翻升，相比之下爬模施工则要求混凝土达到设计强度的70%且≥20MPa后才允许爬升，体现出该技术对混凝土强度要求低、施工便捷、迅速的特点。此外，该技术无需专用预埋件，墩柱截面较小时，可将模板拉杆设为工具式拉杆，较爬模施工技术和滑模施工技术减少了材料用量和用工量，有效降低了成本。其施工步骤如图5所示。

图5 液压翻模施工步骤

3.3 爬模施工技术特点

爬模施工需要由模板系统、提升系统和操作平台系统构成。爬模技术相较于翻模、滑模施工技术的操作难度较大、步骤流程相对较多，除了要使用液压千斤顶进行提升外，还需单独构建上下爬架。其原理是通过将模板、操作平台和爬架连接成系统，以预埋在混凝土中的爬锥螺杆为导轨，将模板系统采用液压千斤顶沿导轨方向顶升至墩柱施工位置，混凝土浇筑过程中，爬锥预埋件可承担竖向荷载，模板对拉杆承担混凝土浇筑侧向荷载，如图6所示。

图6 爬模结构示意图

爬模施工工艺可以边爬升边浇筑，能够有效确保墩柱的整体性，除施工进度较快外，其模板系统还能从基础底板或任意层组装使用，并且所有模板都具备脱模器，脱模便捷；爬升装置、液压设备、模板均可重复使用，有效节约了成本，提高了施工效率；相较于翻模施工技术具有较高的安全性。具体施工步骤如图7所示。采用该技术施工高墩柱过程中，由于全部负荷都由预埋件传递到墩身承载，因此对混凝土的施工质量有较高要求，混凝土浇筑前要对预埋件位置进行校核是求，在混凝土浇筑过程中要对称浇筑、分层振捣，保证混凝土入模均匀。在标准浇筑模板高度内分四层浇灌，一般当混凝土强度达到1.2MPa后可以开始进行脱模，脱模后养护10h可以进行模板爬升[14]。模板爬升要由具备操作资格的专业人员操作设备，实时对爬升压力和动力进行调整，确保顶升油缸向上顶升的稳定、持续。当爬升行程达到1.5m时，应暂停爬升，并对爬架进行调整后再继续爬升。[15]

图7 爬模施工技术步骤

4 模板系统方案比选（见表2）

表2 三种高墩施工模板系统方案成本及效率分析

从表2分析可知，三种高墩施工技术各有优劣。其中，单套液压爬模技术的模板系统总价最高，分别是滑模系统和翻模系统的3.95倍和3.37倍。翻模施工技术是三种高墩施工技术中心脱模最快的，平均1～3小时可以完成脱模，爬模脱模速度次之，滑模脱模所需时间最长；然而，在施工进度方面，滑模速度最快，能够以每小时0.2m、每天4.8m的速度进行混凝土浇筑，这是由于滑模施工技术在底层混凝土达到0.2～0.4MPa时，模板就可以开始提升，而爬模施工技术要求混凝土达到设计强度的70%且≥20MPa后才允许爬升，对混凝土的强度依赖较大，翻模施工技术在混凝土初凝后即可进行翻升，因此施工速度较爬模施工具备一定优势。在用工数量方面，滑模施工技术所需不同工种工人数量最大，平均需要38人，翻模需要30人，爬模由于其自动化程度更高、模板重复利用率高等特点，大幅降低了所需用工数量，仅需要14人即可完成高墩柱施工，爬模技术所需的用工数量少，在一定程度上也增大了该施工技术的安全性。

5 结语

三种高墩施工模板技术的优缺点综合分析结果可见表3。在桥梁高墩柱施工的全过程中，滑模施工技术相比于其他两种施工技术具备经济投入最小、施工速度最快、施工安全有保障的特点，能够适应目前我国高速公路建设工程快速发展的需求。然而，近年来滑模施工技术几乎没有得到改善，目前，由于滑模施工过程中混凝土粘模严重，混凝土外观质量差等缺点，已被我国交通运输部于2020年列入《公路水运工程淘汰危及生产安全施工工艺、设备和材料目录》中被限制使用的施工工艺中。因此，在保持滑模施工技术既有优点的前提下，继续完善施工工艺，探索滑模施工过程中混凝土外观质量病害的解决方案，对我国高速公路桥梁建设的发展具有重要意义。

表3 三种高墩施工模板系统方案成本及效率分析