108
2019
年第4
9
卷第6期(总第2
6\"
期)
Bridge Construction, Vol. 49 # No. 6 # 2019 (Totally No. 260)
文章编号!003 — 4722(2019)06 — 0108 — 06
高原山区大跨度悬索桥关键施工方案研究
王睿
(川藏铁路有限公司,四川成都610045)
摘要:高原山区气候恶劣、交通不便、施工场地狭小,大跨度悬索桥施工工效低、施工控制难
度大,需对其关键施工方案进行研究。结合国内部分已建及在建山区大跨度悬索桥的施工实例,分 析该类桥梁的主要构件施工方法、智能化控制和施工监控。结果表明:桥塔可采用塔梁异步施工、 钢筋可采用分片安装;重力锚可推广应用无冷却水管温控技术;隧道锚推荐采用钻爆法机械化开 挖,可采用提斗式矿车出渣;猫道先导索推荐采用无人机飞行器架设;结合实际情况,主缆可选择循 环式或往复式牵引系统架设;钢梁推荐采用两侧缆索吊装;施工推荐采用智能化控制;施工监控中 需重点控制日照、温差等对主缆施工的影响。
关键词:高原山区;悬索桥;桥塔;锚碇;猫道;主缆;钢梁;智能化控制;施工监控 中图分类号:U448.25;U445
文献标志码:
A
Study of Key Construction Scheme for Long-Span Suspension
Bridge in Harsh Mountainous Region of Plateau
WANG Rui
(
Sichuan-Tibet RailwayCo., Ltd., Chengdu,
610045,
China)
port facilities, and the spaces for construction are very limited, which not only makes the construction of the long-span suspension bridge with low efficiency, but also increase the complexities in construction control. Therefore, the key construction schemes should be studied. Based on the engineering practices of the long-span suspension bridges that are under construction or have already been in service in China, the construction methods, intelligent control and construction monitoring and control for the main components of the bridge of such type are analyzed. The strate that the construction of the tower can be carried out independently from the construction of the girder and the reinforcement at different locations can also be installed independently. Thetemperature of the gravity anchor block during the construction process can be controlled using the cooling water pipes. The tunnel anchorage can be excavated by drilling and blasting and cleared by the bucket tipping mine cars. The UAVs are recommended to erect the pilot cables of the catwalk. In accordance with the actual construction conditions , the main cables can be by the cyclical or to-and-fro traction systems. The steel girder segments can be installed with theaid of main cables from the two sides towards the midspan. The construction can be intelligently controlled. The construction monitoring and control should focus on the influence of solar radiation and temperature difference.
Key words: mountainous region of plateau; suspension bridge; tower; anchor block; catwalk; main cable; steel girder; intelligent control; construction monitoring and control
收作
稿者
日筒
期介
! 2019 — 07 — 23:王
睿
,高
级
工
程
师
,-
Abstract: The mountainous region of plateau features harsh climate conditions and poor trans
Email286504118@qq.com。
研究方向:桥梁施工管理。
高原山区大跨度悬索桥关键施工方案研究 王睿1引言
随着西部大开发的发展,西部地区高速公路、铁
路的建设日益加快。为跨越山区峡谷,出现了越来 越多的千米级大跨度公路悬索桥,如坝陵河大桥(主
跨1 088 m)、雅康高速公路泸定兴康大渡河大桥
m(主跨1100m)[1]、贵瓮高速清水河大桥(主跨1130
\"
龙江特大桥(主跨1196 m)、华丽高速公路金安
金沙江大桥(在建,主跨1 386 m);另外,悬索桥在 国内铁路上也首次应用,如丽香铁路金沙江特大桥 全长882.5 m,其主跨达660 m,建成后将创铁路大
跨度悬索桥多项世界纪录。由于西部山区地形及地 质条件十分复杂,交通条件差,气候恶劣,与内地平 原地区的桥梁建设有很多不同之处。通过对国内部 分已建及在建高原艰险山区悬索桥施工进行调查研 究,对其关键施工方案进行探讨,以期为高原山区悬 索桥施工提供参考。2
山区悬索桥施工重难点
(1) 桥位边坡陡峭,交通不便,施工场地有限,建设施建设 大。(2)
峡谷区域瞬间风速大,风场紊乱、无规临时结构抗风稳定性控制难度大。(3) 山区地质环境复杂,地层岩石复杂多变,发生山崩、滑坡、泥石流、岩爆、落石以及突泥等地质, 大。
(4) 高原山地空气稀薄,紫外线极强,给施工人 员带来严峻考验,施工工效较低。
(5) 桥梁一般横跨河谷,气候干燥,昼夜温差 大,混凝土保温、保湿养护要求高、难度大。(6)
大跨度悬索桥工程量大、施工周期长、工序 复杂,施工控制及监控难度大。3
关键施工方案研究
3.1桥塔 3. 1. 1
塔身
常规大型桥塔一般采用液压爬模施工。考虑施 工区域瞬间风速大的特点,为确保液压爬模系统的 安全性,可采用抗风、防风型液压爬模系统。如丽香
铁路金沙江特大桥主跨660 m[2],桥位位于万里长 江第一大峡谷虎跳峡,桥面距江面约250 m,最大瞬 时风速可达30m/s,为了确保桥塔液压爬模施工安 全,采用了抗风型液压爬模系统,施工效果良好。
桥位 昼夜温 大, 混凝土 温裂缝;气候干燥,风较大,易导致混凝土快速失水产
109
生干缩裂缝。脱模后及时进行包裹保温养护,能有 效控制温度裂缝的产生,必要时需要配置加热设备; 设置混凝土智能养护系统,利用传感器监测混凝土 的干湿度,系统自动对混凝土进行养护,可有效控制 混凝土干缩裂缝的产生。
钢筋安装方法有散装、分片安装、整体吊装等。 散装对起设备起重能力要求低,作业人员较多,劳动 强度高,尤其在高原缺氧的情况下,工效较低;整体 吊装对设备起重能力要求高,同时对钢筋节段制作、 整体吊装、高空对位及节段连接要求高,但高空作业 工作量少,劳动强度低,能充分体现工厂化、装配化、 标准化作业优势,工效较高;分片安装兼顾了两者的 优点。可从施工安全质量、工期要求、方案经济性等 方面进行比选,选择合适的钢筋安装方案。如贵州
鸭池河特大桥为主跨800 m钢桁梁斜拉桥,贵阳岸 桥塔高243.2 m,黔西岸塔高258.2 m,桥塔钢筋施 工采用索塔节段钢筋整体吊装施工技术。3.1.2 横梁
目前许多大型桥塔采用塔梁异步法施工3,该 方案可减少工序转换,工期较长的横梁施工不占主 线工期,极大缩短了施工总工期,优势明显。在工期
允许的条件下,塔梁同步施工更能有效确保钢筋接 头的质量,在部分桥梁施工中也有运用。为确保横 梁预应力施工质量,预应力张拉及压浆推荐采用智
能张拉及压浆系统进行施工控制。
3.2
大跨度悬索桥主缆拉力较大,大都采用地锚式 锚碇。地锚式锚碇常见形式主要有重力式锚及隧道 锚。我国山区大跨度悬索桥中常采用隧道锚,设计、 施工难度都较大。部分山区大跨度悬索桥隧道锚工
程实例如表1所示。3.2.1
施工
重力锚为大体积混凝土结构。高原山区河砂资 源匮乏,运输成本极高,建议采用机制砂配制大体积 混凝土,不仅节约资源、保护环境,还能节约施工成 本。单次混凝土浇筑方量大,为确保混凝土的连续 供应,混凝土拌和站宜有足够的混凝土原材料储备。
在混凝土中布置冷却水管,利用管中循环冷水 的流动带走混凝土内部产生的水化热,是防止温度 裂缝的主要措施4。另外,大体积混凝土采用无冷 却水管温控技术在国内悬索桥锚碇施工中也有成功 应用,节能环保且经济适用,值得推广应用。如遵义 至余庆高速公路飞龙湖乌江大桥为双塔单跨钢桁加
劲梁悬索桥,主跨680m,两岸均采用重力锚,其中
律, 易110桥梁建设
BridgeConstruction
2019, 49(6)
Tab表1部分山区大跨度悬索桥隧道锚工程实例 Suspens. 1 Engineeringi on Bridges Casesin Mountainousof Tunnel RegionAnchorages in Westernof Long-Span Ch ina
桥名
主跨
/m
隧道锚情况
华丽高速公路金安 1 386
两
岸金沙江大桥40
m
均为隧道锚,锚塞体长
贵州坝陵河大桥1 088西岸为隧道铺,铺体长40 m
雅康高速泸定兴康 1 100
雅
安
侧
为
隧
道
锚
,锚
塞
体
长
大渡河大桥
39. 2
m
香丽高速虎跳峡金 766
香格里拉
岸为隧道锚,锚塞
沙江大桥
体
长
30
m
丽香铁路金沙江特 660
两岸
均为隧道锚,锚塞体长
大桥
45
m侧 为
道 , 塞 体 长
高
特大桥
628
35
m
两
岸均为隧
道锚,玉溪岸锚 玉楚高速绿汁江大桥
780
塞体
长
50
楚
雄
岸
锚
塞
体
长
40
m
m,余庆岸重力锚长61. 32 m、宽43 m。该锚碇混凝土标
准饶筑层厚2
m,最大饶筑平面尺寸39. 38 m(长)X
20. 5 m(宽),最大单次浇筑量约585 m3,采用了无冷
却水管温控技术,确保了大体积混凝土质量。飞龙湖 乌江大桥余庆岸重力锚分层浇筑如图1所示。
Fig. 1 图1Cast i n飞龙湖乌江大桥余庆岸重力锚分层浇筑
forg YuqFeilonghu i ng-s i d eWujiang Gray i t y RiverAnchor Bridge
Block i n Layers
3. 2. 2
隧道锚施工
隧道锚为悬索桥重要受力结构,在隧道锚开挖 过程中,需最大限度地减少对围岩扰动,以确保结构 安全。目前隧道锚施工工艺主要采取钻爆法[5],部 分工程项目结合机械化进行开挖。对钻爆法机械
化、切石机十带破碎头挖掘机、悬臂式掘进机十切石
机十带破碎头挖掘机3种施工方案进行研究。钻爆法机械化(方案1)。经同类型隧道锚施工 调查分析,影响隧道锚工效的关键工序是系统锚杆 钻孔作业,该工序占用的时间较长。可采用智能凿 岩台车进行锚杆钻孔及炮眼打孔作业,采用履带式 潜孔钻机进行管棚施工,尽量采用机械化代替人工 作业,以解决工效较低的问题。
切石机+带破碎头挖掘机(方案2)。围岩四周 采用破碎头进行破碎,为切石制造出水平作业面;在 有临空面的情况下,采用双刀切石机进行纵、横向分 块锯切,在锯切过程中同时采用破碎头的挖掘机从 临空处分块剥离已切割后岩石;在锯切机无法锯切 的小空间处采用挖掘机配破碎头进行修整处理。悬臂式掘进机十切石机十带破碎头挖掘机(方 案3)前端拱顶部分采用悬臂式掘进机开挖,后端 侧墙、仰拱部分采用方案2施工。3种隧道锚的施 工方案对比如表2所示。由表2可知,推荐采用钻 爆法机械化快速施工,以提高洞内作业工效及安 全性。
Tab. 2 表2Comparison隧道锚施工for Tunnelof Anchorage
Excavation方案对比
Schemes
方案
优点
缺点
施
工灵
活
,可以适应各种
爆
破
对
围
岩
稳
定
影
响
大
;超
方
案
1
岩层$工艺
成
熟
,可
实
施
欠挖控制难度大
性
强
$—
次性投入小
开挖过程对围岩影响极 小
;铺塞体底部成台阶
方
案
2
状,加大
抗滑移系数;避 工效
岩石
影响
大
免
爆
破
过
程
中
设
备
出
洞
,
提高工作效率
一
次性投入大;空间狭小, 方
案
3
方
2
设
备
尺
寸
大
,周
转
困
难
$工
效受岩石强度影响较大
由于隧道锚的倾角均较大,洞内可采用挖掘机 装渣,用矿车将洞渣运出隧道锚外[6]。为提高洞渣 运输效率,在施工场地允许的条件下,可在单侧隧道
锚设置2条出渣轨道,利用绞车将矿车拽拉到洞外; 另外,洞内机械设备进出洞也可利用绞车将设备在 轨道上运输。
高原山区大跨度悬索桥关键施工方案研究 王睿隧道锚坡度大,运输途中容易撒料,可研究采用 提斗式矿车出渣。提斗式矿车被绞车牵引出洞后, 减速通过洞口轨道支架,到达卸料点后,矿车后方底 部被牵引整体倾斜,弃渣自动卸入运渣车。如玉楚 高速公路绿汁江大桥主跨=@〇m,大桥两岸锚碇均 采用隧道锚,其中玉溪岸隧道锚长度为92 m,锚塞 体长度为5\"?,锚塞体底面坡度5%°,为提高出渣效 率,采用提斗式矿车出渣。绿汁江大桥玉溪岸隧道 锚出渣系统布置如图2所示。
Fig图
2绿汁江大桥玉溪岸隧道锚出渣系统布置
. 2Tunnel Configuration Anchorage of ofDredging Lvzhijiang System River for Bridge
Yuxi-Side 3.3猫道
猫道是悬索桥上部结构施工中重要的临时结 构[7],猫道架设首要任务是架设先导索。目前猫道 先导索架设方法有船舶牵弓I、人工拽拉、火箭拋送、 热气球牵弓丨、飞艇牵弓丨、直升飞机牵弓丨、无人机飞行 器牵引等。其中,随着无人机飞行器牵引先导索过 江的施工方法在保腾高速龙江特大桥首次取得成功 应用后,由于其具有体积小、重量轻、操控简单、安全 高效、不受地形影响、无需封闭交通、成本低、落点精 准等优点,该方法在后续多座大跨度悬索桥先导索 架设中得到应用。部分大跨度悬索桥先导索架设工 程实例如表3所示。
Tab表
3部分大跨度悬索桥先导索架设工程实例
. 3 EngineeringLong-Span Cases of Pilot Bridge
Cable Erection Suspensionof
桥名
主跨/m建成年份
架设形式香丽高速公路虎跳峡 金沙江大桥
766
建
船舶牵引
丽香铁路金沙江大桥660建
人工拽拉四渡河大桥
9002009 年火箭拋送镇胜高速坝陵河大桥1 0882009 年飞艇牵引西堠门大桥
1 6502009 年直升飞机牵引保腾高速龙江特大桥1 196
2016 年无人机飞行器牵引
贵阳至瓮安高速清水 大桥
1 130
2016
年无人机飞行器牵引高 大渡
大桥
1 1002018
年无人机飞行器牵引
111
3.4主缆3. 4. 1
主缆架设方法
目前,主缆索股架设主要采用循环式牵引系统、
往复式牵引系统,2种牵引系统对比如表4所示。
Tab表
4
主缆索股架设牵引系统对比
. 4 ComparisonErection of Tractionby PPWSSystems Method
in Main Cable
牵优点
缺点循环式卷扬机投入少,适用于跨径较小牵引力小;需要增的悬索桥
设
往复式
不需设置平衡重系统;牵引力较
大,适用于跨径较大的悬索桥
卷扬机投入较多
结合总体工期安排,在充分考虑施工成本的情 况下,可根据需要选择主缆索股牵引系统的形式。 如保腾高速龙江特大桥为主跨1196 m钢箱梁悬索 桥,大桥单根主缆由169根索股组成,采用双线往复 式牵引系统,全桥采用4台30t牵引卷扬机,43 d
完成了全桥主缆索股架设。3. 4. 2
主缆线形调整
为避免日照及现场昼夜温差大的影响,主缆线 形调整应在温度稳定的夜间进行。由于高原山区温 差大,需采取措施防止主缆索股在索鞍处产生滑移。 3.5钢梁
大跨度悬索桥加劲梁一般采用钢箱梁或钢桁 梁。加劲梁梁型的选取受桥址区运输条件、加劲梁 受力需求、抗风稳定性、工程造价等多种因素的影 响。由于西部山区运输条件较差,大部分大跨度悬 索桥采用钢桁梁的结构形式。部分山区大跨度悬索 桥钢桁梁工程实例如表5所示。
Tab表
5
部分山区大跨度悬索桥钢桁梁工程实例
Span. 5 SuspensionEngineering Cases of Steel Truss Girders of Long- Bridges in Some Mountainous Regions
桥名
主跨/m
加劲梁形式
华丽高速公路金安金沙江大桥1 386钢桁梁阳 至瓮 高 大桥1 130钢桁梁雅康高速泸定大渡河大桥1 100钢桁梁镇胜高速坝陵河大桥
1 088
钢桁梁香丽高速公路虎跳峡金沙江大桥766钢桁梁金沙江金东大桥
730钢桁梁丽 铁路 沙江大桥660钢桁梁杭瑞高速北盘江大桥
636
钢桁梁
3.5.1 钢桁梁 设方
目前,山区大跨度悬索桥钢桁梁常用架设方式 有缆索吊装法[8]、轨索滑移法[]、桥面吊机悬臂拼装 法[10]等。部分大跨度悬索桥钢桁梁架设工程实例 表
6
示 。
112桥梁建设
BridgeCo/structio/
2019, 49(6)
Tab表 M MEngineering部分大跨度悬索桥钢桁梁架设工程实例 .of Long-Span Cases Suspensionof Steel Truss Bridges
Girder Erection
桥名
主跨跨径
/m
钢梁吊重八
设方
丽香铁路
索
,
660
640
金沙江大桥
吊装088
桥
面
吊
机
悬
臂
拼
装
坝陵河大桥1 70
,轨
索
滑
移
法
,整节段
矮寨大桥1 176200
吊装
以上3种典型的架设方法中,缆索吊装法应用 最多;桥面吊机悬臂拼装法及轨索滑移法应用均较 少。小跨度、平行主缆、钢梁节段重量轻的悬索桥可 研究带载走行缆载吊机方案,以解决钢梁起吊点受 限的问题。根据国内既有桥梁施工经验,推荐采用 缆索吊装法。
3.5.2单侧及两侧缆索吊装方法
根据钢梁拼装场设置的数量,对单侧及两侧缆索 吊装方法进行研究。单侧吊装是在单侧设置钢梁拼 装场,吊装中跨钢梁时均在单侧取梁。两侧吊装是在 两岸均设置钢梁拼装场,吊装中跨钢梁时在两岸分别 取梁。单侧及两侧缆索吊装方法对比如表7所示。
Tab.表7 7 Comparison单侧及两侧缆索吊装方法对比 and fromof HoistingTwo Sides
from One Side
吊
装
方
法优点 缺点
钢
梁在两侧集中拼
若
不
配
置
旋
转
吊
具
,拼
装
场
两侧缆装,单侧场地可较小
;
需
设
置
在
合
龙
口
的
正
上
方
;
索吊装
缆索吊
两
侧
取
梁
,工
拼装场设备投入稍大
效
高
,总工期较短
吊
装另外一侧钢梁时,已架 钢梁
侧
中
侧
钢
梁阻碍天车走行,需配置 ,
侧场
大
$
索
旋
转吊具,吊具结构
复
杂
;单
装场设备投入稍小
侧
取
梁
,工
效
稍
低
,工期较长
由表7可知,推荐采用两侧缆索吊装方法。3.6智能化控制
山区大跨度悬索桥施工中将智能化控制系统分 为四大类:集中控制类、生产管理类、质量监管类、安 全管控类。集中控制类主要包括液压爬模远程控 制、拌和站远程控制、隧道锚出渣智能控制、缆索吊 智能控制、塔柱智能养护、大体积混凝土温控智能控
制系统等。生产管理类主要包括设备GPS监控、智 能张拉压浆、钢筋加工自动化、高栓扭矩智能采集、 班组智慧工卡、档案管理、安全行为积分系统等。质 量监管类主要包括桥梁健康监测、边坡自动监测、试 验室智能质量管理、应力位移监测系统等。安全管 控类主要包括执法记录仪、隐患排查、实名制管理、
VR安全教育体验、多媒体工具箱、特种设备管理、
智慧用电管理系统等。如华丽高速公路金安金沙江 大桥主跨1 386 m(1],其钢桁梁采用缆索吊进行吊 装,缆索吊跨径1 386 m、额定吊重220 t。缆索吊智 能操控系统采用卷扬机智能化联动控制施工,将缆 索吊的各项数据反馈至卷扬机控制系统,达到智能 化联动控制,有效提高钢梁的安装精度;安装温度、 湿度、应力、位移传感器和视频监控系统,采集实时 数据,通过平台展示采集的数据,进行数据对比,实 现数据可视化监管和智能化控制。3.7施工监控
高原山区^度悬索桥施工监控需注意以下几点%!)日照对主缆扭转的影响。向阳面太阳直射 主缆表面温度要远高于背阴面的主缆温度,主缆的 线形和内力对温度变化比较敏感,从而导致主缆天 顶线发生扭转,索夹安装时也将产生偏转,需加强监 测分析并对测量数据作适当修正。
(2)大温差对主缆索股索力的影响。在基准索 股及一般索股架设过程中,由于边跨与锚跨的长度 相差很大,锚跨索股长度短且近似为直线,在大温差 的影响下,锚跨索力变化更明显,导致与边跨的不平 衡力增大,在散索鞍自立前要采取措施防止索股在 散索鞍处滑移。
!)大温差对主缆缠丝导人力的影响。当环境 温度发生变化时,主缆因热传导滞后影响温度变化
较慢,而主缆外围的缠丝则随环境温度变化较快。 若导人缠丝拉力未考虑大温差的影响,则可能会导 致外围缠丝“松弛”或“胀断”。计算时要考虑大温差 的影响,以选取合适的缠丝导人力。4
结论
高原山区桥梁工程施工难度极大,影响因素众 多,给建设者带来了诸多的困难和挑战。本文通过 对高原山区大跨度悬索桥关键施工方案的研究,针 对主塔及横梁、重力锚、隧道锚、猫道、主缆、钢桁梁 施工及智能化控制、施工监控提出建议%
!)为实现快速化施工,桥塔可采用塔梁异步 施工、钢筋分片绑扎吊装技术提高工效;可采用抗 风、防风型液压爬模系统,并配合智能顶升技术,确 保施工安全;可利用混凝土智能养护系统以有效控 制混凝土裂纹。
(2)重力锚应加强大体积混凝土施工质量控 制,可推广应用无冷却水管温控技术,节能环保且经
用&
高原山区大跨度悬索桥关键施工方案研究 王睿(3)为提高隧道锚施工工效及质量,推荐采用 钻 进行开 ,采用提斗式矿 渣。
!)结合实 ,推荐采用 行 设
猫道先导索;根据实际工期及经济比选,可选择循环
往
牵
设主缆。
!)
推荐采用缆索
设主跨
钢梁;在施工场地允
下,推荐两侧均设置钢梁
场进行
,以
工期。
!)
可提前研究智能控制技术,以有效提高施
工安全、质量及工效,构建智慧工地,实现施工信息 化管理。
!)
高原山区大跨度悬索桥施工有别于一般地
区,应加强施工监控,尤其要考 、温
主
缆施工的影响。
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H
1966—王睿
1988,男,高级工程师
年毕业于石家庄铁道大学桥 梁 ,工学学士,2001年毕业于
中南财经政法大学工商管理
,
获硕士学位。研究方向:桥梁施工 WANG Rni
E-mail理
:286504118@qq. com
(编辑:赵兴雅)
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