天峨龙滩特大桥施工关键技术研发与应用进展

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: n6 k* {$ I* m5 _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。
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. C* G- P" [0 c0 m  c7 q2 x0 a! `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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  j' E' N, |/ D+ J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。


制约超大跨径拱桥施工的关键因素

施工组织管理

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0 |3 P; B0 w- p' A4 I, Z0 b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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3 `' a0 D6 s8 n: C! R! w1 w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。
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基础施工

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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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1.缆索吊运系统
" B) B* O$ {. E) z- c, ]: P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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( Z$ z+ b) i8 _4 B. H& E2.斜拉扣挂系统
3 G8 R6 @) X- b& T8 m# b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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6 F1 i. j0 D9 A9 E9 \* q9 y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。


3.拱肋悬臂快速拼装技术
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。
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# I7 E0 H) g( Y! o  C9 j' _4.索塔位移控制技术
/ W: H) B3 T% l: {7 G* H& w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。
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5.拱桁线形控制方法
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。


6.拱肋抗风研究
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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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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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。


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。


8 p& q3 z2 s9 a4 W; M6 g  l3 @  N7 R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。


关键技术的应用新进展
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超大跨径拱桥基础的施工控制

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1 _/ Y; D" N4 `7 O4 J+ z2 y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。


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图1 两岸拱座结构形式
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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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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。

（a）南丹岸拱座温度数值模拟
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5 N/ Y" h/ K4 j! ^（b）浇筑过程中温度变化曲线
图2 南丹岸拱座大体积混凝土温控措施

（a）南丹岸拱座
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（b）下老岸拱座
图3 两岸拱座浇筑完成

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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。
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1 Z! C7 S7 [# ^6 K（a）筒节
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: L+ h' g, K* ~! u  q$ J0 Z（b）单元件
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: k* U6 `' f3 @（c）片装

（d）卧拼装
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两岸主墩施工

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: g* f. `- n' t( F8 i4#～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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（a）南丹岸4#、5#墩
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) @, B" Y; O4 ]# q! ]+ S（b）下老岸6#、7#墩
图5  4#～7#主墩进展情况
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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。
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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
2021年 第3期 总第101期
  O; Z4 N( S6 _作者 / 侯凯文 罗小斌
7 `; ]* G: V  j3 c6 Z9 X作者单位
( b% ?/ A( T3 H; ~: @  _3 O9 K广西路桥工程集团有限公司
- J  x" q/ b" h9 q( n4 ~* `# |南丹至天峨下老高速天峨龙滩特大桥项目经理部