承建“世界第一跨”波司登大桥,是被誉为“壮乡交通建设铁军”的广西路桥施工队伍,把持以“钢管拱桥”施工为核心技术,被业界誉为“钢管拱桥施工王国”,先后优质、高效完成了上千公里的高等级公路和近二百座具有较大影响力的桥梁,包括在越南、孟加拉和厄瓜多尔等国均承接相关工程,积累的桥梁施工技术和取得的业绩均位居全国先进水平,不愧是一家国家公路工程施工总承包特级企业。广西路桥承建的杭州复兴大桥荣膺“鲁班奖”、“詹天佑奖”、“中国市政工程金杯奖”、“新中国成立60周年百项经典暨精品工程”等国家级大奖;承建广西邕宁邕江大桥、绍兴市曹娥江袍江大桥、安徽太平湖大桥等特大型桥梁也享誉中外。
在建设波司登大桥过程中,大桥建设技术团队大胆创新,攻克了一个又一个的技术难题,为大桥按时建成通车打下了坚实的基础。
一、欲与天公试比高
波司登大桥缆索吊装系统吊塔设计放置在扣塔上,采取“吊扣合一”形式。扣塔位于两岸拱座上,塔高分别为重庆岸144.9m,宜宾岸131m,塔距554m。如此高的扣塔高度不仅是广西路桥的一个新纪录,在同类型桥梁施工中也是非常罕见。在拱座施工之时,项目部已在酝酿其施工方案。原投标方案采用一个横跨扣塔的爬升式龙门吊机,立柱和主梁均采用N型万能杆件制作,使用的万能杆件较多。安装扣塔前,必须先拼装大型的万能杆件龙门吊机,其工作量已相当于安装1个扣塔,所消耗的材料和人工都非常高。为解决难题,由总公司冯智总工程师带颔公司专家组多次进驻项目,指导项目部制定扣塔施工方案。项目部曾提出过“多台塔吊散拼安装方案”,“卧拼竖转方案”,“旋转吊臂安装方案”等多个方案,但由于经济性、安全性与可操作性等原因,都被专家组否决。
最后,参考电力铁塔的安装方法,结合波司登大桥的实际情况,公司技术团队设计出了摇臂抱杆吊系统。其由位于扣塔中心的1根万能杆件立柱作为基本承重结构,立柱顶部的4副起重摇臂作为起重机构,摇臂通过连接套架可沿立柱上下滑动。同时,在4副摇臂下方的地面下埋设重力式混凝土锚碇,当其中1个摇臂起重时,另外3个摇臂通过钢丝绳捆绑锚固在锚碇上,控制立柱顶偏位。立柱用斜拉钢丝绳和水平腰缆连接到已安装完的扣塔上,减小立柱的弯矩,保持整个系统的稳定。利用变幅滑车组连接摇臂前端和上套架,通过收紧和放松滑车组的钢丝绳使摇臂端头抬起和放下,以调整起吊节段的位置。随着立柱的安装升高,起重摇臂随之提升,起吊安装相应高度的扣塔节段。
该方案经过公司专家组讨论,认为经济性较好,技术可行,并提出了一些建议。根据公司意见,项目细化了摇臂抱杆吊的设计,并将方案提交中国工程院院士郑皆连等组成的业主专家组评审。经过评审,专家一致同意采用摇臂抱杆吊的方案来安装扣塔。为此,缆索吊装施工前重大技术难题得以顺利解决。
二、长虹卧波
拱肋安装一直是钢管混凝土拱桥施工风险最高的一个环节,尤其是在波司登大桥,其拱肋矢高达111.11m,单节段长度达40m,重达200吨,挑战前所未有。之前,广西路桥使用缆索吊装系统起吊过节段最大不超过100吨,要起吊200吨重的拱肋,系统各部件都须重新设计。为保施工安全,还须克服以往缆索吊装系统存在的一些缺陷。
广西路桥以往的缆索吊装系统,横移装置一般设置在前后索鞍中间,采用卷扬机牵引。或者采用2台卷扬机在前后索鞍牵引,由于牵引力可能存在偏心,索鞍横移过程中经常卡在轨道上,横移较困难。而且波司登大桥位于长江水流较急处,而拱肋起吊要求运输拱肋的船舶横水流抛锚停泊,其风险较大,船只极易侧翻。
在困难面前,项目部与公司专家组合力攻坚,将缆索吊装系统设计为8根主索为一组,2组主索共同抬吊拱肋。同时,将主索垂度、塔架高度与宽度、起重与拖拉索的走线数目等细节进行了讨论。总公司技术中心主任陈光辉和二分公司黄金文总工等还为项目缆索吊装系统重新设计了跑车和索鞍。项目部将缆索系统进行计算分析,发现塔架立柱竖杆应力较大,但每个柱脚采用4只N1杆件仍不能满足要求。为此,负责塔架的魏华仍耐心地进行每一次验算,与大家冥思苦想,多次研究、变更塔架设计可行方案,对塔架每个柱脚采用8只N1杆件,并设计出了连接特殊节点板,使受力满足要求。至此,目前世界上最大的缆索吊装系统跃然出现在长江江畔上。
索鞍横移是广西路桥缆索吊装系统的特点,通过横移,可减少主索架设的数量,否则,就须在上下游各布置2套主索,费用将增加1倍。但如果横移不顺利,横移占用时间较长,对工期来说也有不利影响。为避免以往横移系统出现的问题,项目部通过思考和改进,采用在前后索鞍各布置1个滑车组同时进行牵引,同时将卷扬机钢丝绳串联到一起,使前后索鞍的牵引力平衡,保证前后索鞍同步移动。这个小小的改进使索鞍的横移变得十分容易,索鞍从下游横移到上游所花的时间不超过2个小时,对施工的工期基本没有影响。
运输船的停泊及拱肋起吊是整过拱肋吊装首要解决的问题。为保安全,运输船必须顺水流方向停靠,但拱肋为顺船长度方案装船,与安装方向垂直,无法进行起吊安装。负责拱肋制作运输的武船重工提出了在水中搭建平台,在平台上将拱肋旋转90°到顺桥方向,再起吊安装。该方案得到了项目部的认可,但还须解决拱肋旋转的问题。经过反复研究,项目部又设计了一套旋转吊钩。拱肋运到工地后,运输船紧靠定位平台停泊。用缆索系统旋转吊钩将拱肋吊起,旋转90°至顺桥方向,放到定位平台上,拆除旋转吊钩,再用前后扁担梁重新起吊拱肋,然后运输到位安装。
三、 真空灌注迎喝彩
钢管混凝土拱肋是大桥受力的主要结构,而管内混凝土灌注的好坏又起决定性的作用。公司在以往大跨径钢管混凝土拱桥的管内混凝土灌注中,用泵机将混凝土从拱脚向上压注,直至拱顶,通过拱顶的排气管将气体和浮浆排出,使混凝土达到饱满密实。但由于拱顶段往往较平缓,混凝土灌注至拱顶段时,几乎沿水平方向流动,而钢管顶部悬浮着空气,混凝土不能将该部分气体全部挤出,从而使钢管顶部产生脱空。我们以往的做法是在钢管顶部开1排小孔进行排气,但排气作用有限,不能根本解决脱空问题。
为解决该问题,提高钢管混凝土质量,中国工程院院士郑皆连在一次视察工地时提醒项目部,可以借鉴预应力孔道真空辅助灌注的方法,将钢管抽真空后再进行混凝土灌注。虽然我们从院士的思路中得到启发,但毕竟拱肋比预应力管道要大许多倍,实际操作中须解决的问题还多。
根据真空辅助灌注的思路,项目经过反复研究,结合公司的指导意见,设计完成了一套真空辅助灌注系统。该系统由灌注设备、抽真空装置、密封装置、检测装置和排浆装置组成。施工方法为:首先将钢管密封,采用大功率抽真空泵将钢管内空气抽出,达到设计的负压后,然后停止抽真空,启动混凝土泵机,将混凝土向上压注。灌注过程中定时检查钢管内的负压,如发现真空度上升到临界点,则重新启动抽真空泵,将钢管内负压重新抽到设计负压。待混凝土灌满拱顶出浆管后,才拆除抽真空设备。
该方法的使用,使钢管内混凝土的脱空情况得到了有效改善,导致脱空的因素很多,虽然抽真空还无法完全避免脱空,但在钢管混凝土的施工技术上,我们又迈出了前进的一步。钢管混凝土灌注期间,郑皆连院士带领多位交通部的专家前来参观,大家均对真空辅助灌注方案表示了肯定和赞扬。该施工方法已经获得2013年国家发明专利。
四、天堑变通途
波司登大桥的桥面梁为钢梁,每个节段由纵横向钢梁组成,单个节段的最大重量为123吨。其重量比拱肋小得多,将格子梁逐段吊起后穿入吊杆内,逐段施拧接头的高强螺栓,焊接接头钢板,最后在跨中合龙即可成桥。但看似简单的格子梁吊装仍有其复杂。首先,并不是所有节段都可从水面垂直起吊穿入吊杆,两岸各有3个节段在岸上,且不在拱肋下方。格子梁节段必须从船上吊起,穿过拱肋后移动到岸上安装,但两条拱肋内侧的间距比所需安装的格子梁的宽度小。其次,标准段格子梁的宽度比拱肋外边距小,从外侧起吊则起重钢丝绳会严重摩擦到拱肋;从内侧起吊则受横撑阻挡,无法纵向运输。
不过这点技术上困难已不能阻挡项目前进的脚步,项目部经过研讨、制定出了详细可行的施工方案,“略施小计”就安装了两岸的岸上节段。那就是,安装时,将格子梁从运输船上吊起后,利用2组起重绳的不同步提升,使格子梁产生1个倾斜角度,斜着从拱肋内侧穿过,然后纵移到岸上安装。
标准段格子梁的安装也不在话下,项目部设计了格子梁吊装的专用吊具,将其用螺栓连接到格子梁两侧,把格子梁的宽度接宽,以便使用缆索吊装系统从拱肋外侧起吊格子梁。格子梁安装前,运输船开到桥下抛锚固定,将吊具安装到格子梁两侧,然后吊点将梁吊起穿入吊杆内,穿入接头临时螺栓定位,调整好线形后旋紧吊杆螺母,同时拧紧接头高强螺栓。最后,拆除吊具,转到下一节段上使用。
“长江两岸春潮涌,巴蜀山川竞繁荣”。如今已建成的波司登大桥正以“世界第一跨”的昂扬姿态屹立于世界拱桥之林,成为万里长江畔的一颗璀璨明珠!
(广西路桥总公司 杨占峰 供稿)