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天峨龙滩特大桥施工关键技术研发与应用进展

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西子 发表于 2021-9-9 17:30:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
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蜿蜒的红水河从广西壮族自治区河池市天峨县缓缓流过,碧波如镜。在静谧的河水之上,一座大桥犹如飞虹,跨越“雄关漫道”,连起两岸青山。* V5 F, Y8 l+ T& `
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) A0 M5 K. w9 e9 j  l- s! U* w5 u# u天峨龙滩特大桥是南丹至天峨下老高速公路的控制性工程,大桥位于河池市天峨县境内,跨越龙滩库区,距离龙滩水电站上游6公里处。天峨龙滩特大桥全长2488.55m,其中主桥长624m,采用上承式劲性骨架混凝土拱桥方案,计算跨径600m,桥面总宽24.5m,桥面主梁为12×40m预制T梁。两岸拱座均为明挖扩大基础,主桥拱肋节段采用缆索吊装斜拉扣挂工艺施工。主、扣塔采用分离式设计,吊塔安装于4#、7#主墩0#块上,扣塔安装于5#、6#主墩0#块上。
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. G# a( R8 ?8 }% A6 U6 }* _- G南丹岸左幅引桥为(4×40m)先简支后连续混凝土T梁+(72+135+72m)预应力混凝土连续刚构桥;下老岸左幅引桥分为左幅1#引桥和左幅2#引桥,其中左幅1#引桥为(72+135+72m)预应力混凝土连续刚构桥+3×(4×40m)先简支后连续混凝土T梁,左幅2#引桥为(3×40m)先简支后连续混凝土T梁+(76.5+143+143+76.5)m预应力混凝土连续刚构+2×(3×40m)先简支后连续混凝土T梁。南丹岸右幅引桥为(3×40m)先简支后连续混凝土T梁+(72+135+72m)预应力混凝土连续刚构桥,下老岸右幅引桥为(72+135+72m)预应力混凝土连续刚构桥+4×(4×40m)先简支后连续混凝土T梁+(76.5+143+143+76.5)m预应力混凝土连续刚构+2×(3×40m)先简支后连续混凝土T梁。
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* X3 h4 N' v3 [; v2 q制约超大跨径拱桥施工的关键因素
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施工组织管理
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# O% [! ]3 b2 `天峨龙滩特大桥桥址处于复杂陡峭山区,且位于龙滩自然保护区,施工工作面狭小,巨型古滑坡体、破碎的强风化泥质砂岩、顺层坡、局部裂隙发育等复杂地质情况给施工带来极大困难。结合实际现场情况,开展施工组织管理方案编制,在多方案比选的基础上确定,力求方案最优。
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) N8 G* _9 j, i$ {6 s针对场站划分建设、桩基、承台、连续刚构梁、T梁等一般分项工程,以及拱座基础施工,大体积混凝土浇筑,主拱肋梁制造、运输、安装,缆索吊装斜拉扣挂系统,管内混凝土灌注,拱肋外包混凝土浇筑等六大施工重难点进行了分析研究。同时,考虑工期、经济性、安全性等方面,结合人员、材料、机械等资源配置,提出一套合理科学可行的施组方案。6 T# t6 T% R; z0 O1 I  `
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基础施工
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# x( h- C, }* X针对拱座基础地基存在破碎的强风化泥质砂岩、顺层坡、局部裂隙发育等不良地质情况,研究基底注浆等创新技术。并且,开展大型基础快速施工技术研究,建立“勘察、设计、施工、监测”成套信息化施工关键技术系统。同时,针对拱座基础大体积混凝土易开裂问题,采用大掺量粉煤灰及水化热调控技术,制备了低温升抗裂大体积混凝土。在此基础上,采用数值仿真模拟和现场监测手段,对大体积混凝土浇筑过程中的混凝土温升规律进行研究,提出有效温控措施。
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钢管拱桁加工与制作
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超大跨径钢管混凝土劲性骨架加工制造的特点:制造周期长、工序多、累积误差大;材料级别高,结构分段焊接制造,焊接变形导致装配过程更加复杂且变形校正难度大;结构尺寸大、制造精度要求高;零部件形状尺寸多样,单元件的安装具有方向性,结构配套难度大。综合上述特点,600m级跨径的劲性骨架拱桥,劲性骨架的加工制造显得尤为重要。然而零部件加工误差累积、零部件安装误差累积、焊接变形累积、劲性骨架在受力之后的形变等各方面因素,影响着劲性骨架的精确合龙以及结构的安全。针对以上问题,有必要对各零部件的精确加工制造、各零部件的精确装配安装、焊接质量与焊接变形控制、拱肋线形控制等展开深入研究。
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600m跨径钢管拱桁的安装
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大桥位于天峨县龙滩自然保护区,两端坡高山陡,由于桥位水深达100多米,且主桥矢高125m,所以主桥劲性骨架安装采用悬臂拼装技术。考虑到外包混凝土施工,在拱肋安装时将底板模板以及钢筋一同与拱肋节段起吊安装,施工难度大,需要针对性的进行研究。
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$ \4 |; M% P4 k& b针对桥位区域地形陡峭,围绕600m跨径钢管劲性骨架顺利吊装进行系统研究设计,天峨龙滩特大桥共48个节段,其中节段最长为30.5m,最重为169t。为顺利将拱肋节段起吊到指定位置安装,结合现场地形以及桥梁自身特点,对缆索吊运系统的总体布置进行研究,确定系统的起重能力、吊塔位置、地锚位置及形式等等,从而解决拱肋吊装问题。
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2.斜拉扣挂系统
; J' V  q4 d: V) o3 U由于现场地形限制,大桥无法实现吊扣合一的布置,因此还需针对斜拉扣挂系统进行设计,研究确定扣索张拉端、锚固端以及扣塔位置及构造,并通过计算,确定扣索根数及张拉力,从而确定扣地锚的布置,实现拱肋节段的安装和固定。
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提出“桩基承台+超长锚索”扣地锚组合体系,总结出一套巨型古滑坡堆积体中超长锚索的施工工艺。在保证承台水平力控制的前提下,提出合理科学的扣挂施工工序,建立一套完整的“桩基承台+超长锚索”组合式扣地锚施工技术。
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- ]/ h0 S7 I8 j3.拱肋悬臂快速拼装技术0 |3 U5 u8 ?& C
为实现拱肋快速安装,采用悬臂拼装技术,通过对拱肋安装过程进行研究,优化运输、吊装以及施工,实现一天完成一个节段的安装,提高施工效率。8 J! M* N- j5 A/ o& Z
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9 i8 p. c9 M; V. n! O0 E8 ?4.索塔位移控制技术" ?* P0 G. N. e7 m) g
天峨龙滩特大桥采用装配式重型塔架,在拱肋安装过程中,由于主索、扣索前后角度不同,使塔架产生位移,影响塔架的稳定性、安全性以及拱肋安装质量。为解决以上问题,对塔架位移控制技术进行研究,将塔架位移控制在安全范围内。$ f- P0 U6 N4 x4 x
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4 T/ p2 e9 q, G# j9 S3 e$ M6 m5.拱桁线形控制方法% l1 T& z- v) ~. u$ ^+ R9 V
为提高拱肋安装效率和施工质量,对拱肋线形的有效控制进行研究,通过建立有限元模型,以拱肋在整个安装过程中张拉一次为原则进行计算,解决大跨径拱桥施工过程中存在的扣索索力均匀性较差、线形调整繁琐、线形偏差较大等问题。7 X0 c3 X0 I" `
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6.拱肋抗风研究# T8 s$ K+ S* A4 y0 d3 R$ a8 H* I
在拱肋吊装期间,风速以及风向对拱肋节段的安装具有较大的影响,通过对拱肋安装顺序,拱脚封铰时机的选择进行研究,减小风对系统的影响,提高系统可控性和安全性。
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外包混凝土浇筑
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# ?. I# a; E" L/ X1 W, \7 {天峨龙滩特大桥劲性骨架拱肋节段的顺利合龙,仅拉开了大桥重难点建设的序幕,外包混凝土的施工,将主宰大桥建设的成败。大桥拱顶径向截面高8m,拱脚劲性截面高12m,拱肋合龙后,需将2.6万m3的混凝土外包在拱肋包裹,形成大桥最终的受力主体。大跨径外包混凝土的最大难点是:不均衡的加载致使结构失稳或混凝土开裂,以及如何进行高空施工这两个问题。针对这些问题,将从两个方面研发了外包混凝土多环多段浇筑工艺及装备。
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1 O: U9 s/ J7 m, E; X6 V& q: {一方面研发多环多段浇筑工艺,解决不均衡加载引起的混凝土开裂问题。工艺研发的总体思路为:竖向分环,减小加载的荷载,利用已浇筑环的强度,增加降低骨架的受力,提高安全储备;纵向分段,分析拱肋受力控制点的影响线,以相互平衡为原则确定各分段的浇筑顺序,必要时,增设调载索进行调控,控制结构的瞬时应力,实现外包混凝土的安全浇筑。: e, E+ u- m# X' E& s9 p
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另一方面研发外包混凝土模架装备,解决高空倾斜施工混凝土等难题。装备研发的思路为:以高空作业地面化为原则,底模在拱肋吊装节段同时安装,减少高空作业量。拱肋为变截面,以外包混凝土施工段为单元,设计易于安拆、调整的模板单元,确定模板的吊运移动路径,再结合设计悬吊式组合式脚手架,解决高空作业施工作业平台问题。  E2 S, D4 U  O/ {1 a9 w$ Y( j
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外包混凝土多环多段浇筑工艺及装备,是天峨龙滩特大桥主要受力结构施工成败的关键,工艺的创新及装备的研制,将大大促进大桥的高质量建设。同时,采用自动化监测技术,对三万立方米外包混凝土浇筑过程拱桁变形进行监测,揭示其内力变形规律,并提出相应的控制措施。# P* P3 z# v! W: F* z# e/ R  X
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' l2 B7 O5 N' c关键技术的应用新进展% f. ?" F  q# v, E0 x7 y( v# w
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超大跨径拱桥基础的施工控制
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" G  \  S! B# E5 Y' b! ^$ ?, Z南丹岸一侧的浇筑材料为C30混凝土;方量为16805.5m3;下老岸一侧的拱座、基础浇筑材料分别为C40、C30混凝土,拱座基础总浇筑方量为23380.0m3,拱座总浇筑方量为9267.0m3,均采用分层浇筑施工工艺。+ X( s% R4 Y2 t% `
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图1 两岸拱座结构形式4 J3 |0 I7 ~% z# j: N& h0 P& |
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" q0 G' R8 R" J# Y0 W6 {$ V8 j& U; ~大体积混凝土温度控制,首先需要优化配合比设计,增加矿物材料、粉煤灰,减少水泥用量;加入内养生剂,控制混凝土水化热的过程;其次,加强原材温度控制,提前备料,现场设置水泥中转存放仓,提前备水泥,降低拌和时水泥温度。
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8 t: k; L* P6 r9 y5 F* R) `采用数值仿真模拟和现场监测手段,对大体积混凝土浇筑过程中的混凝土温升规律进行研究,实施过程有效温控。以南丹岸拱座为例,如图2所示。
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(a)南丹岸拱座温度数值模拟0 b2 f1 U) X( B: D; Q' \
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(b)浇筑过程中温度变化曲线" R( {6 b5 a) \: j
图2 南丹岸拱座大体积混凝土温控措施
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) I- J% h% l0 O- u+ c/ C(a)南丹岸拱座( o4 ~3 i9 W- s1 M5 ]  n. V) t
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(b)下老岸拱座
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精确加工制造钢管拱桁
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采用“筒节→单元件→片装→卧拼装”的施工工序进行节段加工,然后进行“1+3”的卧式耦合进行总装预拼。对各零部件的精确加工制造、各零部件的精确装配安装、焊接质量与焊接变形控制、拱肋线形控制等进行严格把控。# P0 v2 ^" K, A3 r
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(a)筒节2 N  L( ]5 ^  W  q2 e, _# Z6 k
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(b)单元件
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(c)片装
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(d)卧拼装
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两岸主墩施工
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4#~7#主墩高度分别为77.04m、116.26m、116.26m、75.04m,吊塔安装于4#、7#主墩0#块以上,扣塔安装于5#、6#主墩0#块以上。
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% D! S. @* D1 K+ D& H% i0 T# F(a)南丹岸4#、5#墩
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(b)下老岸6#、7#墩7 z1 D6 d: G8 O1 M6 M3 P) j
图5  4#~7#主墩进展情况$ @0 C: F% l6 e' S5 A3 ?
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天峨龙滩特大桥计算跨径达到600m,是世界上跨度最大的拱桥。从1980年主跨390m的克罗地亚克尔克大桥建成,到1997年主跨420m的重庆万州长江大桥建成,再到2016年主跨445米的沪昆高铁北盘江特大桥(已建成最大跨径的劲性骨架混凝土拱桥)建成,混凝土拱桥跨径增大55米足足用了接近36年。按照同类拱桥跨径增大的速率,天峨龙滩特大桥不仅仅是世界最大跨径的拱桥,更将成就混凝土拱桥的“百年跨越”,然而实现“百年跨越”更需“百倍钻研”。从施工角度来看,大桥建设条件差、工期紧、跨度大、施工工序复杂,在施工组织、加工安装控制精度等方面提出了前所未有的挑战,建设过程新材料、施工控制措施效果仍有待多方面验证。' k# h+ z* i4 N- t2 n0 o
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2 L9 f- H, J$ w针对特大桥施工过程中的重难点进行分析,研究相对于的施工技术,建立一整套600m跨劲性骨架混凝土拱桥的建造关键技术,确保特大桥安全、高质量的建成。同时将极大推动世界拱桥建设技术的发展,为我国在山区修建铁路、公路、国家战略工程川藏铁路、中国——东盟通道建设提供重要支撑。
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本文刊载 / 《桥梁》杂志
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作者 / 侯凯文 罗小斌9 O4 q0 e! M: [
作者单位: P6 S% Q: r1 y" n7 u' W( _8 Z$ N
广西路桥工程集团有限公司8 F6 |5 m7 k# V
南丹至天峨下老高速天峨龙滩特大桥项目经理部
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