大型跨海桥梁下部结构高精度建设关键技术.pdf

大型跨海桥梁下部结构高精度建设关键技术刘玉宝1，2，李建如1，2，韦博2，3（1.中交一航局第一工程有限公司，天津300456；2.中交第一航务工程局有限公司，天津300461；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）摘要：装配式桥梁具有建造速度快、对环境影响低、施工质量可靠、节能环保等优点，是桥梁工程领域未来的重要发展方向。以厦门第二东通道项目为依托，开展了大型跨海桥梁下部结构高精度建设关键技术研究，针对潮差大、流速大、地质情况复杂、止水难度高以及施工精度要求高等项目施工过程中的重难点，研发了大潮差钢管桩高精度沉桩、大型墩台快速高质量预制、大水深预制墩台安装止水等关键核心技术。形成了一套适用于外海大型桥梁在复杂施工环境及因素下高精度沉桩、墩台高质量预制、高精度安装及快速止水的施工技术，支撑厦门二东通道主桥工程提前5个月通车运营，也可为类似工程提供借鉴。关键词：跨海桥梁；高精度建设；高精度沉桩；墩台预制安装中图分类号：U655.4文献标志码：A文章编号：2095-7874（2024）03-0086-05doi：10.7640/zggwjs202403016Key technologies for high-precision construction of substructures oflarge-scale sea-crossing bridgesLIU Yu-bao1,2,LI Jian-ru1,2,WEI Bo2,3（1.No.1 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China;2.CCCC First HarborEngineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;3.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）Abstract：Prefabricated bridges have the advantages of fast construction speed,low environmental impact,reliableconstruction quality,energy conservation and environmental protection,and are an important development direction in the fieldof bridge engineering in the future.Based on the Xiamen Second East Passage project,we have conducted research on keytechnologies for high-precision construction of the substructure of large-scale sea-crossing bridges.In response to the key anddifficult points in the construction process of projects with large tidal range,high flow velocity,complex geological conditions,high difficulty in water stopping,and high requirements for construction accuracy,we have developed key core technologiessuch as high-precision pile sinking of steel pipe piles with large tidal range,rapid and high-quality prefabrication of large piersand abutments,and installation and water stopping of prefabricated piers and abutments with large water depth.A set ofconstruction technologies suitable for high-precision pile sinking,high-quality prefabrication of piers and abutments,high-precision installation,and rapid water sealing of large offshore bridges in complex construction environments and factors hasbeen formed,which supports the Xiamen Second East Passage main bridge project to be opened to traffic 5 months ahead ofschedule,and can also provide reference for similar projects.Key words：sea-crossing bridges;high-precision construction;high-precision pile sinking;prefabrication and installation ofpiers and abutments中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第3期2024年3月Vol.44No.3Mar.2024收稿日期：2023-08-25修回日期：2024-01-24作者简介：刘玉宝（1980），河北承德人，高级工程师，副总经理，路桥工程专业。E-mail：2024年第3期图2可伸缩移动导向架模型Fig.2Scalable mobile guide frame model0引言随着社会进步及我国综合国力的不断提升，对大型跨海桥梁的建设要求越来越高，桥梁功能、景观和结构形式需求均在不断提高，桥梁施工工期、施工噪声污染等成为桥梁工程建设必须考虑的重要因素1-2。相较于传统现浇混凝土桥梁建造技术施工周期长、人力资源占据多、现场施工标准化程度不高、机械使用效率低等缺点3，预制装配式技术具有构件生产标准、现场安装快速便捷、质量可靠安全性高、施工节能环保等优势，可以降低对环境和既有交通道路的影响，提升品质和安全质量、文明施工水平，是我国桥梁建设行业的发展趋势4-5。然而海上施工往往面临潮差大、流速大、地质情况复杂、止水难度高等问题，并且跨海桥梁装配施工仍然存在很多缺陷和风险，对人员、材料、设备、工艺要求更高，传统的施工技术都有各自缺点，关键技术可复制性较差，不能适用于工程项目的技术要求。本文以厦门第二东通道项目为依托，开展大型跨海桥梁下部结构高精度建设关键技术研究，研究过程将结合当地施工环境条件，从钢管桩打设、墩台构件预制、安装、止水等建设全过程进行探索，保证在施工气象窗口内高效率、高精度完成大型跨海桥梁工程建设，对于后续跨海桥梁施工技术的发展能起到一定的推动和借鉴作用。1工程概况厦门第二东通道作为交通强国福建先行示范重点项目，海中桥梁长度3.27 km，如图1所示。跨海桥梁桩基采用钢管复合桩，桥梁上部结构采用钢箱梁，下部结构采用预制装配式结构。钢管桩、承台、墩身、盖梁在预制场内进行预制，由半潜驳运输至现场进行安装。桥梁承台采用C45海工高耐久性混凝土，承台在桩基对应位置预留后浇孔；墩身及盖梁采用C50海工高耐久性混凝土，墩身为薄壁空心结构，盖梁为实心结构。厦门第二东通道设计作为高速公路兼具城市快速路功能，受航空限高、白海豚保护、通航要求等影响，建设条件复杂，为此工程积极研究新工法，应用新工艺，开发了大潮差钢管桩高精度沉桩技术、大型墩台快速高质量预制技术、大水深预制墩台安装止水技术等关键技术，解决了施工中的各种难题。2大潮差钢管桩高精度沉桩技术厦门第二东通道桥墩基础采用大直径变截面钢管复合桩，深海区的桥墩基础均采用无栈桥水上平台法进行施工。海中施工区域潮差大、潮水涨落速度快，施工船舶定位精度较难控制；并且海底地势起伏明显、覆盖层较浅，钢管桩自沉入泥后稳桩困难，为保证钢管桩的沉桩精度，在施工全过程采用三层可伸缩移动导向架，配合船舶自动锚缆高精度调整系统，对钢管桩进行限位沉桩，并实时对钢管桩进行沉桩监测和测量控制。2.1三层可伸缩移动导向架针对复杂海域条件下的钢管桩进行可打性分析，采用浮吊+导向架+振动锤+液压冲击锤组合的技术进行钢管桩的施沉作业。根据海中区地质情况、设备参数性能和钢管桩长度等因素，研发三层可伸缩移动导向架，如图2所示，将移动导向架焊接在打桩船船舷上，保证钢管桩在任何潮位均能在2层抱桩臂限位下沉桩。导向架高度设置为7.5 m，分层高度为3.5 m和4 m，采用液压伸缩抱桩臂，将抱桩臂设计成2排3层，在沉桩过程中锤组通过导向架进行时，收回1层抱桩臂，剩余抱桩臂对钢管桩进行限位，并实现通过抱桩臂两侧液压设备对钢管桩偏位进行调整。液压伸缩系统 抱桩臂结构主体框架图1厦门第二东通道跨海桥梁Fig.1Xiamen Second East Passage See-crossing Bridge刘玉宝，等：大型跨海桥梁下部结构高精度建设关键技术87中国港湾建设2024年第3期2.2船舶自动锚缆高精度调整系统为实现大潮差环境下船舶高精度自动驻位，研发船舶自动锚缆高精度调整系统，如图3所示。根据船舶GPS定位系统提供的船舶当前位置坐标和目标桩位坐标，实时计算得到船舶各个缆绳实际长度的调整量，由锚机控制系统通过锚机卷筒的收放输出，调整缆绳的长度和拉力实现精准定位，平面精度可控制在依5 cm内，提高施工效率。2.3沉桩测量控制系统为控制钢管桩沉桩精度，基于RTK-GPS定位系统、SICK LMC500激光扫描仪研发了沉桩测量控制系统，实时对钢管桩垂直度及偏位进行监控，在临时施工平台上架设2台全站仪，利用极坐标法复核钢管桩垂直度及偏位6。大潮差钢管桩高精度沉桩技术实现了平面偏位小于5 cm，垂直度不大于1/300的高精度沉桩要求。3大型墩台快速高质量预制技术相比于港珠澳大桥，本项目预制墩台的钢筋采用双层环氧涂层，防腐要求高，布置更加密集，给加工、安装及混凝土浇筑等工序增加了施工难度，为此开发了墩台预制控制技术。预制构件具有截面大、水泥用量大、内外温差大、温度收缩应力大等特点，容易导致混凝土产生裂缝，影响工程质量，运用大体积混凝土抗裂技术有效解决了这一难题。3.1墩台预制控制技术研究高性能环氧钢筋涂层喷涂技术，引进环氧喷涂生产线进行自主化涂层喷涂生产，对钢筋原材加热、粉末喷涂、涂层冷却等工艺进行优化7。提出环氧钢筋存放、环氧钢筋加工设备防护、施工过程等用于环氧钢筋成品涂层保护工艺措施。将贝雷架应用在变断面大跨度实心盖梁模板桁架，充分实现模板的通用性和周转性，节约施工成本，提高预制施工效率和安全性8，如图4所示；采用等离子切割模板面开牙口，设计专用橡胶圈及后浇孔自动开合模板，实现承台密集钢筋连接精确定位及模板快速支拆9；设计干接缝模板，保证预制墩台预制竖向垂直精度小于H/3 000的设计要求（H为预制墩台高度），同时控制预应力粗钢筋竖向偏位控制在5 mm之内，提高了预制构件施工质量。3.2大体积混凝土抗裂技术针对大体积混凝土抗裂技术进行研究，通过仿真分析得出温度场和温度应力场分布情况，采取优化增设冷却水管数量的措施降低内部温度，有效控制混凝土最高温度，降低复杂结构大截面混凝土开裂风险，提高预制构件施工质量和实体质量。优化混凝土配合比，采用矿料双掺，降低水泥用量减少水化热；采用二次振捣工艺，提高混凝土抗裂性；采用新型节水保湿养护膜进行覆盖养护，减少养护人工投入的同时提高了养护的质量。4大水深预制墩台安装止水技术项目海域最高水位时预制承台最大水头差为8 m，预制墩台安装止水难度较大。下节墩台最重为2 366 t，预制构件重量大，结构形式多，吊点及吊具设计难度大；并且墩台平面位置和倾斜度的安装精度要求高，倾斜度不大于H/3 000，且不大于30 mm，截面中心位置偏差不大于10 mm。为保证墩台止水效果及安装精度，开发了组片式抱箍止水装置、预制墩台吊装通用吊具和墩台智能调位控制系统。4.1组片式抱箍止水装置研发组片式抱箍止水装置，在承台底部与抱箍顶面设置单峰止水带，通过单峰止水带的压缩图3船舶自动锚缆高精度调整系统Fig.3High-precision adjustment system for shipautomatic anchor cables图4预制盖梁通用模板Fig.4Prefabricated cover beam universal template盖梁模板贝雷架88窑窑2024年第3期变形起到水平向止水效果；抱箍与钢管桩之间抱紧压缩橡胶板起到竖向止水效果，施工过程中在钢抱箍竖向拉紧的同时逐渐进行抱紧；承台与套箱之间通过钢套箱自重将设置钢套箱底部与承台顶面的双峰止水带压缩变形，实现承台顶面水平止水，如图5所示。设计物模试验验证止水效果，在混凝土块、钢管桩和钢套箱之间形成的密闭空间注水加压至0.08 MPa，模拟8 m水压环境下承台底部抱箍止水效果，抱箍止水装置能够满足施工止水需求，减少水下作业，实现了8 m水头差情况下干作业环境，并可以周转使用。4.2预制墩台吊装通用吊具预制构件尺寸大且多样，吊具需考虑通用性，墩台安装专用吊具兼顾吊装、临时支撑、调位、止摆等作用，如图6所示。合理布置吊点位置，实现中节与上节墩台安装吊具通用，降低吊具生产制造成本。上吊具为框架梁结构通过钢丝绳与主钩连接，吊具上设置的吊索兼顾中上节墩身吊装。安装底节时，一航津泰持上吊具连接下吊具整体起吊承台，将承台从桩顶套入，使下吊具临时吊挂于角桩顶部；安装中上节时，一航津泰直接吊持上吊具连接中上节墩身进行安装。4.3墩台智能调位控制系统墩台预制完成并达到设计要求的存放期后，根据现场安装进度、气象和潮汐等情况合理安排构件由半潜驳运输至施工现场，安装钢套箱、三维千斤顶及止水装置。采用起重船整体吊装预制墩台完成后，通过钢管桩顶部安装的4个三维千斤顶的平移、仰俯、翻滚等动作对预制墩台进行精确调位，达到垂直度不大于H/3 000且不大于30 mm，平面偏位不大于10 mm的精确度控制要求，满足设计要求后锁止三维千斤顶，并利用水下千斤顶抱死钢管复合桩进行限位，如图7所示。止水完成后，迅速浇筑C50速凝砂浆，实现承台后浇孔处止水，进行后浇孔施工，完成墩台安装及体系转换10，H20墩台吊装时倾角监测数据如图8所示10，墩台吊运过程中，吊具主梁倾斜最大值发生在墩台吊运移位过程中，墩台吊运过程中吊具倾角不大于1.00毅。图6预制墩台吊装通用吊具Fig.6Universal lifting tool for prefabricated pier andabutment上吊具下吊具图7墩台调位安装Fig.7Pier and abutment positioning installation图8H20墩台吊装倾角监测数据Fig.8Monitoring data of H20 pier and abutment liftingangle承台2.01.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.04210时间/h356倾角01倾角02图5钢抱箍止水装置Fig.5Steel hoop water stopping device钢套箱钢管桩钢抱箍进水管刘玉宝，等：大型跨海桥梁下部结构高精度建设关键技术89中国港湾建设2024年第3期5结语依托厦门第二东通道工程，开展了大型跨海桥梁装配化建设关键技术研究，形成3项成套新工艺：1）研发了以船载式三层可伸缩移动导向架、船舶自动锚缆高精度调整系统以及沉桩测量控制系统为核心的大潮差钢管桩高精度沉桩技术，在钢管桩打设施工过程中对沉桩位置进行实时监控，全过程自动坐标纠偏，实现复杂海域及地质条件下钢管桩平面偏位小于5 cm，垂直度小于1/300的高精度沉桩要求。2）研发了以装配式模板自动开合、预应力钢棒精确定位、大体积混凝土抗裂技术为核心的大型墩台快速高质量预制技术，实现预制墩台高质量施工，有效控制预制墩台大体积混凝土裂缝的产生，并通过预应力粗钢棒的限位技术，提高了其竖向偏位精度，与港珠澳大桥相比提高4 mm。3）研发集组片式抱箍止水装置、预制墩台吊装通用吊具及墩台智能调位控制系统于一体的大水深预制墩台安装止水技术，实现了复杂海域超大型墩台高品质生产和高精度安装，达到预制墩台垂直度不大于H/3 000，平面偏位不大于10 mm的精度要求。本项研究支撑厦门二东通道主桥工程提前5个月通车运营，展现了我国在桥梁建设、高端装备制造等方面的雄厚实力和创新能力。参考文献：1中国公路学报 编辑部.中国桥梁工程学术研究综述 2021J.中国公路学报，2021，34（2）：1-97.Editorial Department of China Journal of Highway and Transport.Review on China忆s bridge engineering research:2021J.ChinaJournal of Highway and Transport,2021,34(2):1-97.2欧智菁，薛文浩，谢铭勤，等.装配式混凝土桥墩施工技术综述J.中外公路，2020，40（1）：96-101.OU Zhi-jing,XUE Wen-hao,XIE Ming-qin,et al.Overview onconstruction technology of prefabricated concrete piersJ.Journalof China&Foreign 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