論文摘要

 

虎門二橋被譽為“世界第一跨度鋼箱梁懸索橋”,是目前世界在建規模最大的橋梁項目之一,其多項數據刷新了國內和世界橋梁發展史上的新紀錄。為建好這座“超級工程”,中交第二航務工程局有限公司(以下簡稱“中交二航局”)建設者引入裝配式施工法,即將構件進行工廠制造、現場拼裝的工藝,采用“短線匹配法”,順利完成了超3000榀節段箱梁的安裝施工,對虎門二橋建成通車,實現珠三角高質量發展、完善交通體系意義深遠。

 

 

虎門二橋設計全長12.891km,是世界上跨徑最長的鋼箱梁懸索橋(見圖1)。作為珠三角核心區內重要的過江通道,它包含了2座超千米懸索橋,建成后將有力地改善廣州南部跨越珠江的交通狀況,打破珠江口兩岸只有一個通道的“瓶頸”,有效緩解虎門大橋的通行壓力,是爭創“魯班獎”“詹天佑獎”的世界級懸索大橋。

中交二航局承建虎門二橋S3標段,主要施工內容包括大沙水道橋東塔、東錨、全線節段箱梁預制拼裝、中引橋、海鷗島互通橋及附屬工程等。其中,全線3533榀混凝土節段箱梁的預制拼裝具有箱梁結構復雜、安裝位置多等特點。中交二航局采用“短線匹配法”工藝實現全橋節段箱梁的裝配化預制拼裝施工,以良好的安裝進度及質量控制得到了業主、監理、設計等單位的高度認可。

 

裝配化之路

 

何為裝配化施工?它是一種將結構拆分為構件進行工廠制造、現場拼裝的工藝,可以顯著提高工程質量,加快現場施工速度,最大限度減少施工過程對既有環境及交通的干擾。

虎門二橋S3標段涵蓋的箱梁拼裝區域橫跨番禺區海鷗島,分布三地,包括騮東互通主線橋、西引橋、中引橋、海鷗島互通主線橋、東引橋共5個部分。如果采用傳統的移動模架現澆工藝進行節段箱梁施工,勢必會對珠江航道現有交通造成極大影響,同時點多面廣的特點也使混凝土的質量難以得到保證,技術人員經過多方對比之后,決定采用裝配化工藝中的“短線匹配法”進行節段箱梁施工(見圖2)。

“短線匹配法”裝配化施工是指將整孔節段箱梁設計成若干個標準節段,在預制工廠的預制臺座上,利用循環使用的模板系統逐榀匹配、流水預制,再利用船舶或車輛等運輸工具將節段箱梁運至安裝橋位,由架橋機、橋面吊機進行箱梁拼裝,并通過預應力將節段箱梁現場連接成橋的先進技術(見圖3,4)。

 

引進技術 引領創新

 

“短線匹配法”節段預制拼裝技術最先由法國工程師提出,并于20世紀在歐美等發達國家應用。2004年,中交二航局在國內首次將這項技術大規模引入蘇通大橋建設中,取得了非常顯著的經濟及社會效益,相比傳統移動模架現澆工藝,縮短施工工期7個月,節省開支上億元。通過蘇通大橋的實踐,中交二航局建橋團隊深刻認識到,掌握“短線匹配法”這項新技術的核心機密,將有力推動我國橋梁技術的發展。功夫不負有心人,通過深入實踐,在蘇通大橋建設完成時,中交二航局已經掌握了“短線匹配法”施工控制技術并自主研發了相應軟件,配制了性能優越的結構拼接膠,研發了系列化的架橋機產品等,一舉打破了國外公司在該項技術上的壟斷。

也許是嘗到了“短線匹配法”的甜頭,也許是建橋人的那股韌勁,中交二航局建橋團隊深知“不進則退”的道理。蘇通大橋之后,中交二航局不斷加快腳步,在隨后的江蘇崇啟大橋、南京第四長江大橋、廈漳跨海大橋以及文萊大摩拉島大橋等項目陸續采用了“短線匹配法”技術,并不斷攻克“緩和曲線節段梁預制拼裝”“超小曲線半徑梁架橋機架設”“大跨徑變截面節段梁預制及懸臂拼裝”等難題。2012年,中交二航局“短線匹配法”節段拼裝橋梁技術一舉奪得國家科技進步二等獎。

中交二航局將“短線匹配法”引入虎門二橋建設并成功運用,吸引行業內多家單位前來參觀交流,中交二航局裝配化建設橋梁的經驗也因此得到推廣。

 

精細運籌 標準制作

 

虎門二橋建設伊始,為確定最合理的箱梁構件劃分,中交二航局建橋團隊便開始對節段箱梁預制方案展開研究(見圖5,6)。從混凝土配制、鋼筋流水線綁扎到每個構件尺寸的確定,都需要做好詳細的規劃。虎門二橋墩頂節段梁包含橫隔梁,如果整個箱梁構件采用一體式的方法預制,其重量將超過300t,而陸地區域需用汽車式起重機進行墩頂梁的吊裝,如此大體量的箱梁吊裝,施工安全風險極高,可謂不可能完成的任務。為完成這個復雜的施工方案,中交二航局技術中心與建橋團隊通力合作,從多種方案中篩選出了“空心式墩頂塊”的方案,在預制工廠完成墩頂節段梁外殼預制,吊裝至墩頂后再澆筑填充部分混凝土。為確定混凝土外殼的合理厚度,技術人員采用1cm的迭代步驟計算了從20cm到50cm共幾十種厚度方案,以最優化的結果作為實施準則,保證結構安全的同時也方便了墩頂節段梁起吊。

為推進構件標準化制作,中交二航局建立了先進的預制工廠,包含鋼筋綁扎區、液壓模板區、預制構件養護區、構件存放區等劃分,各區緊密有機銜接,保證預制構件的流水化生產。中交二航局技術團隊還開發了基于BIM技術的節段梁預制廠生產管理系統,通過智能化系統對每個構件進行編號、定位,保證了預制質量的可追溯性及構件出運的合理性。

 

科技為骨 高效控制

 

預制構件拼裝成完整結構,怎樣保證其形狀與最初的設計一致,也是建設團隊面臨的一大難點。虎門二橋跨海鷗島段橋梁線形非常復雜,中引橋部分需在250m范圍內將橋梁的橫坡從2%變化到-3%,對于20m寬的箱梁來說,每1%的變化就是20cm的相對高差,這意味著虎門二橋的設計線形是肉眼可見的一種空間扭曲狀,可形象稱之為“游龍”。正是這種優美的曲線,讓拼裝成橋的每塊節段箱梁都是不規則的。中交二航局建橋團隊針對此種結構,耗費數月研究了預制臺座模板的剛度與穩定性,以及拼裝過程橋梁扭轉剛度等因素對成橋線形的影響,并通過貫通“短線匹配法”整個生產鏈的技術整合來消除可能產生的誤差。從模板系統的細化設計到結構膠的均勻涂抹,從匹配梁的位置調整方法到現澆混凝土連接等進行優化,實現預制拼裝過程中工人操作難度與普通預制構件施工基本無差別。

另一方面,為保證所有預制構件拼裝過程滿足高效、及時反饋的要求,建設團隊采用了中交二航局自主研發的“短線法節段梁施工控制視窗系統3.0”進行全過程控制。從構件預制階段開始,通過基于大數據分析的誤差處理技術和互聯網云端計算分析技術,精準控制每個節段的三維尺寸,使構件在便于制造的同時,可精確組裝成完整結構,精細化的施工控制使裝配式橋梁的施工如同“搭積木”一般簡潔,可使建橋團隊從容把握施工進度與精度。

 

立得規矩 終成方圓

 

虎門二橋采用懸臂拼裝工藝的箱梁節段最大重量達173.9t,相當于120輛小轎車的重量,為節段箱梁吊裝施工帶來巨大挑戰。采用逐孔拼裝工藝的箱梁整跨重量達1662t,這些重量全部由支撐于橋墩頂部的架橋機承受。施工安全問題猶如懸在建橋團隊頭頂的利劍,即使已經對方案進行多方復核,對設備進行反復檢驗,但1000多t的箱梁懸空吊裝,依然讓建設團隊戰戰兢兢、如履薄冰。橋梁構件體量大,嚴格的規章制度是施工安全的重要保障。在總結多方經驗的基礎上,經過業內專家多次審核,形成了中交二航局《節段梁預制拼裝施工細則》。

為提升和推廣裝配式橋梁施工技術,中交二航局技術人員采用理論分析、實際檢驗的方法對預制工廠的規劃設計、構件預制方案流程、節段箱梁拼裝架設、現澆混凝土節點連接、結構膠連接、裝配式結構預應力等技術進行了研究,并聯合同濟大學、西南交通大學、中交公規院、交通部公路科研所等單位開展工作,提出各工藝方法的設計施工標準,主編了中國交建《短線匹配法節段預制拼裝預應力混凝土橋梁設計施工技術規程》,參編了住建部《節段預制拼裝混凝土橋梁技術規范》。在虎門二橋,中交二航局作為主研單位編制了廣東省的地方標準《短線法預制拼裝橋梁施工技術規程》,真正使“短線匹配法”設計施工做到有章可循。

已故中國工程院院士范立礎曾表示,短線法預制拼裝技術的研發,突破國外技術壁壘,推動我國橋梁建設由傳統的勞動密集型、作業松散型向工廠化、機械化轉變。

截至2018年8月,中交二航局建橋團隊已成功完成超3000榀節段箱梁的預制拼裝施工(見圖7)。除成功運用“短線匹配法”實現虎門二橋裝配化施工外,建橋團隊積極創新工藝、創造施工亮點,在廣東省錨碇錨固系統中首次大規模采用成品索、節段梁環氧體外索應用。在東錨碇施工中刷新此前的國內單次混凝土澆筑方量紀錄。在海鷗互通主線橋中完成國內首次1300t架橋機縱移過現澆梁等。在虎門二橋建設中,中交二航局一直走在全線前列,在廣東省交通集團虎門二橋分公司的4次年度綜合評比中4次勇奪第一。裝配化工藝“花開”虎門二橋,既體現了中交二航局先進的建橋技術水平,同時也為推動建橋行業技術發展做出了突出貢獻。

目前,虎門二橋項目進展順利。橋梁基礎、下部結構施工已基本完成,上構施工全面開展。大沙水道橋鋼箱梁橋位焊接全部完成,涂裝工作已完成,正在進行貓道拆除工作。坭洲水道橋鋼箱梁吊裝、焊接作業已完成,正在進行主纜防護作業,項目將于2019年上半年建成通車。

 

文/中交第二航務工程局有限公司 張 政 巫興發

 

 

 

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