基于北斗精确定位系统的小半径曲线多跨连续钢箱梁智能化步履式顶推施工技术研究

罗元成

（贵州路桥集团有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

随着国家在基础建设领域不断投入，我国基础建设日益完善，从路网发展就可以看出，交通强国建设必然会引领一大批公路项目上马。随着路网建设的日趋完善，很多地方的交通建设旨在补短板，打通一些堵点，连接一些断头路。作为西部欠发展区域，贵州省在交通建设方面尤为重视。2015 年，西部率先实现县县通高速，在贵州省高速公路网加密规划出台以及《国务院关于支持贵州在新时代西部大开发上闯新路的意见》（国发〔2022〕2 号）发布后，贵州省的交通建设将迎来新的高速发展。但随之而来的是地形地貌更加复杂，施工条件更加恶劣，技术难度更加明显，将给建设者带来更大的挑战。特别是与既有高速公路、市政道路枢纽交叉搭接，跨越既有桥墩、房屋、管线等复杂区域，对桥梁施工技术提出了新挑战、新要求[1]。

一些公路枢纽工程匝道桥梁的匝道设计大多数处于小半径曲线上。当半径小于150m 时，桥梁无法采用架桥机安装；当桥梁墩高20～40m、跨径30m 内，可采用现浇箱梁方案；当跨径大于30m 时，常设计为钢箱梁结构。一般情况下，钢箱梁采用搭设临时支架，吊车分节段安装，但当桥址区周边地形复杂、空间受限，不具备吊车安装作业的条件，也不具备桥梁整跨提升条件时，迫不得已需要采用顶推施工。对于梁桥可采用传统顶推方式，在箱梁底铺设滑板，在后缘设置反力架进行顶推；对于曲线桥梁结构，采用传统方式不能对箱梁进行纠偏。着眼于顶推施工安全、工效，顶推施工工法面临新的工艺设备技术革命，即传统直线顶推工艺向曲线步履式顶推转变。随着科技水平不断提高，将更多能提升效益的科技，应用到工程实际中，如我国自主研发的北斗系统。

1 工艺原理

北斗精准定位系统智能化步履式顶推的基本原理是利用切线微分调整原理，计算顶推轨迹，将梁体运行轨迹录入控制系统，控制系统自动调整顶推系统中各千斤顶的行进速度。在梁体首尾两端安装北斗定位系统，在顶推过程中，利用北斗三维精准定位系统对梁体轴线位置进行实时监测，梁体的偏移和下挠实时显示在监控系统中，如偏移值超过规定值，监控系统向控制系统发出偏移数据，控制系统自动调整顶推系统各千斤顶速度，调整纠偏，直至梁体顶推到位（见图1）[2]。

图1 工艺流程拓扑图

2 工艺特点

其一，主动控制顶推的运行轨迹。利用切线微分调整原理，预先计算曲线形导梁与梁体的运行轨迹，将计算的运行轨迹数据录入控制系统，通过系统自动调整各顶推系统的顶推行进速度，使各顶推系统协同顶推，控制梁体在前行过程中始终与线路曲线拟合，使梁体整个顶程围绕设计曲线圆心转动，进行轴线定位控制。

其二，采用北斗精确定位系统实时监测梁体和下挠，并及时将监测数据反馈到控制指导纠偏程序工作，实现自动化纠偏，智能化安装，精度高。

其三，采用步履式多点支撑顶推，梁体受力均匀，不易变形；顶推速度快，每小时可顶推5m。

其四，顶推千斤顶两侧有横向纠偏千斤顶，随时对梁体进行纠偏；顶升千斤顶设置应力传感器，支点受力情况实时在监控系统中显示，使钢箱梁不至受力过大变形。

3 工程实例

3.1 工程概况

镇雄至赫章高速公路，赫章东互通G 匝道桥接B匝道桥，桥长367.5m，桥型为(47+55)m+（3×30）m 钢箱梁+2×30m+4×28mm 预应力混凝土T 梁桥梁。钢箱梁桥面宽9m，底板宽5m，第一联梁高2.5m，第二联梁高1.5m。该桥钢箱梁位于圆曲线上，半径为145m，纵坡为2.16%。G 匝道桥第3 跨位于已运营毕威高速正下方，毕威高速T 梁底标高与G 匝道桥桥面标高高差为5.9m。主线右幅、A 匝道桥下穿G 匝道桥底2跨，主线右幅、A 匝道桥桥面标高与G 匝道桥钢箱梁底标高高差为7.1m。主线左幅下穿G 匝道桥第3 跨，主线左幅桥面标高与G 匝道桥第3 跨钢箱梁底标高高差为8.4m。H 匝道路基挖方下穿G 匝道桥第5 跨，H匝道路面设计标高与G 匝道桥，第5 跨钢箱梁底标高高差为7.02m。桥梁第1、2 跨离原地面68～70m，第3跨离原地面20～40m，第4、5 跨离原地面10～20m。

3.2 施工难点

极限空间：G 匝道四周地形较陡，立交层间净空6m，空间受限，上跨的毕威高速已通车；主线T 梁须先架，否则钢箱梁安装后，T 梁桥机不能工作；采用桥机、履带吊等其他方式安装钢箱梁，第2、3 跨无法安装就位；钢箱梁位于圆曲线上，且圆曲线半径小，为145m，精确纠偏难度大；采用顶推施工工艺，第一联、第二联不等跨，箱梁高度不一致，单节段吊重70t，单跨重280t；钢箱梁位于营运毕威高速下，在建镇赫高速主线、A 匝道、H 匝道上方，施工干扰大；钢箱梁跨度大，最大跨度达到55m。

3.3 主要施工工艺及操作要点

3.3.1 总体思路

根据桥位地形以及工程实际情况综合考虑，通过比选技术可行、经济合理、安全可靠、质量保证等方面要求，采用北斗精确定位系统步履顶推施工工艺。G匝道钢箱梁在第4～5 跨搭设拼装及顶推平台，从大桩号往小桩号方向顶推（下坡），在操作平台搭设支架，并在各墩柱顶搭设顶推平台，安装顶推千斤顶。使用汽车吊在路基上吊装加工段到操作平台上，焊接拼装成梁段，拼装一段顶推一段，然后循环拼装及顶推工序，完成钢梁架设。

3.3.2 导梁设计

为了主梁尽快过跨，减少顶推过程中钢箱梁的应力与变形，在主梁的前端设导梁。一般导梁长度为最大跨度的0.6～0.7 倍。导梁主体结构为左右2 个变截面工字形钢板梁，纵向呈曲线形，分节段以曲代曲，确保顶推过程中能顺利上墩。导梁节段间采用栓接，根部与钢主梁第一联A 节段焊接连接。在导梁前端预留一个槽口，像鼻子状，俗称“鼻梁”，鼻梁高度设计应大于导梁和钢箱梁跨墩的下挠高度。连接导梁时，千斤顶在“鼻梁”处将导梁顶起并同步向前滑行，将导梁底送达顶升千斤顶上。

3.3.3 钢箱梁、导梁加工制作

正式加工前，开展原材料试验、焊工考核、工艺评定，加工完成，经试拼装及验收合格后，方可运至现场投入使用。

3.3.4 支架搭设

（1）拼装支架基础采用C20 混凝土条形基础，立柱采用φ630×10mm 钢管，横联采用I20 工字钢连接，横梁采用双拼I56a 工字钢，横梁上纵向搭设I20a 工字钢作为纵梁，在纵梁顶面铺设一层5mm 厚钢板。

（2）墩顶落梁支架根据墩柱尺寸设计。墩柱形式为空心薄壁墩，落地支架成本较大时，可在墩顶预埋钢板焊接三角架，作为受力顶推及落梁支架。在支架上，安置顶推系统和落梁系统。

3.3.5 钢箱梁拼装

拼装精度采用全站仪放样，焊接采用二氧化碳保护焊，所有焊缝经探伤检测，合格率达100%。

3.3.6 钢箱梁顶推

（1）智能化步履式顶推系统的组成。智能化步履式顶推系统包括四大部分：顶推单元、液压泵站、控制系统、监控系统。顶推单元的各种千斤顶通过高压油管与液压泵站连接，传感器通过信号线与控制系统连接，同时，各分控系统之间、分控系统与总控中心之间通过通信电缆连接，组成整套的步履式顶推系统。

（2）顶推施工。步骤一：导梁、第一联A 节段及B节段拼装；步骤二：顶推30m，拼装第一联C、D 节段；步骤三：顶推52.4m，拼装第一联E-H 节段及第二联A 节段；步骤四：顶推48.1m，拼装第二联B-D 节段；步骤五：顶推48.3m，拼装第二联E-G 节段；步骤六：将第一联顶推到设计位置；步骤七：拆除导梁，并将第一联与第二联切割，将连接部分切除；步骤八：第一联落梁，将第二联顶推到设计位置并落梁。

（3）横向纠偏。顶推设备自带横向自动纠偏功能，在顶推过程中，北斗系统实时对梁体位置进行测量，计算梁体的实际中心线与设计中心线的偏移量。在主控中心操作屏幕上，输入偏移量，系统在下一行程顶推中，进行自动动态纠偏，确保梁体按规定轨迹范围运动。钢箱梁平曲线处于圆弧曲线上，圆弧外侧弧长较内侧弧长长，即圆弧外侧的顶推距离较内侧大。顶推系统的控制程序在设计时已充分考虑，在顶推过程中，根据外、内侧圆弧长度，按比例设定外、内侧顶推单元每个行程的顶推距离。在顶推过程中，使外侧的顶推单元较内侧的顶推单元水平顶推距离大些确保梁体安装精度。

（4）导梁上墩。在顶推过程中，钢导梁前端悬臂下挠。在钢导梁将要到达下一桥墩顶推单元时，由于钢导梁底部低于顶推单元的顶升千斤顶顶面，钢导梁跨不上顶升千斤顶，故需采取一定措施，帮助导梁上跨，步骤如下：

一是导梁到达顶升千斤顶附近时，停止顶推，安装滑箱及千斤顶；二是千斤顶顶起导梁，使导梁底部高于顶推单元的顶升千斤顶顶面；三是继续顶推，千斤顶托着导梁在滑箱上滑动，一个行程结束后，如导梁尚未完全处于顶推单元顶升千斤顶上，在顶推单元水平顶反力座上垫钢板，千斤顶缩缸复位；四是继续顶推，直至导梁底部完全处于顶推单元顶升千斤顶上方；五是顶推单元顶升千斤顶伸缸，直至滑箱上的千斤顶卸载脱空，拆除千斤顶及滑箱，安装临时支墩[3]。

（5）导梁及支架拆除。当第一联梁体顶推就位后，可拆除导梁。从导梁前端向后端逐步拆除导梁，拆除吊装设备为随车吊。在匝道桥面上进行吊装拆除，其余支架拆除遵循以下原则：拆除顺序从上至下进行；拆除前，做好支架杂物及地面障碍物清理。落架脱模宜各跨同时均匀分次卸落。拆除作业由上至下逐层拆除，严禁上下同时作业。在拆除过程中，及时拆除运走已经松开连接的配件，避免误扶、误靠。

（6）落梁。其一，准备工作：梁体顶推到位后，落在各墩的垫梁上，由垫梁支撑梁体质量。拆除顶推单元，将顶推单元的顶升千斤顶拆下，作为落梁千斤顶使用。拆除顶推平台，腾出空间布置落梁千斤顶，每墩上布置2 台。安装落梁千斤顶前，在承台上铺一层水泥浆，在砂浆上铺2cm 钢板，找平。使用水平仪检测钢板上表面的平面度，误差不得大于2mm，保证落梁千斤顶与墩柱垂直，并安装好支座。其二，落梁施工方法：落梁千斤顶进油，活塞贴紧钢箱梁后千斤顶加压，将梁体顶起；梁体底部脱离垫梁后，千斤顶停止进油，液压锁锁紧千斤顶保压；墩上操作人员拆除垫梁上层垫块（如有需要换成不同厚度组合钢垫板）；落梁千斤顶回油，使梁体回落至垫梁上；千斤顶继续回油，使千斤顶顶上垫板脱离梁体底部；墩上操作人员拆除上层顶上垫板。以上为一个落梁循环，如此反复循环，直至落梁到位[4]。

4 社会效益

采用步履式顶推，社会效益明显：一是降低了作业人员的劳动强度，改善了施工作业环境，降低了职业病发生率；二是降低了特高支架施工安全风险；三是改善了钢箱梁节段对接的环向焊缝焊接作业条件，进一步提高了焊接质量；四是减少了临时设施，降低了对周边环境影响，减少环境修复工作。

5 应用效果

该工程实例于2021 年8 月开始启动步履式顶推工作。搭设拼装支架，布设顶推单元；钢箱梁首批节段拼装焊接完成后，开始顶推；顶推长度共计192m，平均顶推速度为5m/h。在顶推过程中，千斤顶水平分力小，支架稳定性高。导梁在最大悬臂状态下，下挠值与设计计算相符，最大应力满足规范要求。采用北斗精确定位系统实时监测梁体偏移，并及时将监测数据反馈到控制系统，指导纠偏程序工作。安装精度高，顶推就位后，钢梁轴线与理论值仅偏差6mm。将伸缩缝处空间宽度扩大至80cm，两联梁体在伸缩缝处临时连通，底板腹板加工成整体。第一联就位后，进入箱体切割时，空间大，操作方便。该工法具有很好的推广应用价值。

6 结语

总之，北斗定位系统对提高小半径曲线多跨连续钢箱梁工程的开展有着很重要的帮助。在该工程中通过北斗精准定位系统的有效应用，可以为项目的顶推开展提供切实的保障。今后桥梁项目开展时还要加强对北斗定位系统的研究，结合桥梁项目的需求，做好方案的制订以及优化，提高定位参数，为项目的实施提供帮助。