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1、 大跨度钢管混凝土拱桥主拱施工安全风险控制 白向龙,李金胜,李良清,王晓理(中交一公局第四工程有限公司,广西 南宁 530033)0 引言贵州作为我国一个沟壑纵横的喀斯特地貌区,需要大量的桥梁来沟通各地。同时,通过建造安全经济且轻盈美观的大跨度桥梁,降低了对周边土壤、植被和水资源的影响,保护了当地优良的生态环境。经过多年的实践,我国在钢管混凝土拱桥建设上已经积累了丰富的经验,形成了一套较为完整的钢管混凝土拱桥建造技术。但是作为对传统桥梁施工技术的一种突破,在钢管混凝土拱桥具体施工过程中如何控制风险缺乏系统研究。本文将结合工程实例,以德余高速公路乌江特大桥为例,对施工中的安全风险管控措施进行推广
2、,可为今后大跨度钢管混凝土拱桥的施工提供经验参考。1 工程概况乌江特大桥是德江(合兴)至余庆高速公路DYTJ-6标的控制性工程,桥梁全长1 834 m,主桥采用跨径为504 m的上承式钢管混凝土变截面桁架拱桥,建成时是世界最大跨径上承式钢管混凝土拱桥。拱轴线采用悬链线,拱轴线系数为2.2,矢高为90 m,矢跨比为1/5.278,为拱、梁、柱刚接协同受力体系。主拱肋采用由8根D1 400 mm钢管,通过腹杆、横联和风撑组成的等宽变高度空间桁架结构。主拱肋节段划分按构件运输长度和吊重控制,从拱脚至拱顶共划分为15个节段,全桥共60个节段,最大节段吊重为155 t。拱肋安装采用缆索吊装+斜拉扣挂的无
3、支架施工方法,利用现有的墩柱布置缆索吊装系统和斜拉扣挂系统,采用缆塔、扣塔分离的方式,缆塔位于引桥24#墩、28#墩盖梁上,扣塔位于交界墩主梁上,即25#墩、26#交界墩上。拱肋采用水上运输,船只将吊装节段运输至桥位下方,然后采用缆索吊进行安装。拱肋采用单节段安装,由拱脚向拱顶依次对称安装,同步进行斜拉扣挂体系的施工,经监控监测、温度修正、调整内力及线型后完成拱肋合龙。2 施工安全设计2.1 缆索吊装系统结合桥址区乌江两岸的地形地貌特点,项目确定了引桥贯通后安装缆索吊系统的施工顺序,与同类型桥梁相比,极大地降低了缆索吊安装过程中高处作业风险,引桥桥面为施工作业提供了工作面,保证了安全文明施工。
4、乌江特大桥缆索吊装系统包括缆索系统、起升系统、牵引系统、锚碇和缆塔系统。两岸缆塔分别布置于引桥24#墩和28#墩盖梁上,采用标准节段组拼为整体,塔架高70 m,采用钢管、型钢组成的桁架结构。为降低缆塔左右两侧塔肢间的不平衡水平力,余庆侧将锚碇布置在主桥34#桥台桥轴线位置,设置为整体式锚碇,由于德江侧设置成整体式锚碇受引桥干扰,故设置为沿桥轴线对称布置于16#墩两侧的分离式锚碇。锚碇设计均为整体式重力锚碇,并辅助斜向岩锚。缆索吊构造结合吊装工况设计为主吊系统和工作吊系统两种类型,每种类型均设计2套吊装系统。卷扬机及控制室均布置于余庆侧锚锭系统处,卷扬机固定采用预埋钢板焊接。以主吊系统为例,单套
5、主吊跨中设计额定吊重为160 t,计算均布荷载和集中荷载下各绳索的受力情况,缆索吊装系统(主吊)安全系数通过计算如表1所示。表1 缆索吊(主吊)绳索安全设计表主吊系统的主要功能是主拱肋安装,工作吊系统主要用于节段之间横撑、K撑及施工期间小型机具、材料和构件的运输。主拱肋安装时左幅主吊吊装下游拱肋,右幅主吊吊装上游拱肋,确保吊装中起重绳为垂直起吊。两幅拱圈间横撑、K撑采用工作吊吊装,与主吊作业互不干扰。2.2 斜拉扣挂系统乌江特大桥主拱最大悬臂拼装长度达237 m,通过合理的斜拉扣挂系统布置及施工安装程序,达到安全高效施工的目标。乌江特大桥扣挂系统由交界墩及扣塔、锚碇、扣背索等三部分组成,两岸扣
6、塔分别位于25#、26#交界墩位置。全桥设计锚碇共12个,两岸锚碇各6个,扣背索采用s15.2 mm钢绞线组成,两岸GL1GL9拱肋节段分别扣挂于交界墩上,GL10GL15分别扣挂于两岸扣塔。拱肋吊装完毕后,扣背索采用平衡张拉工艺,通过模型计算完成扣背索索力安全系数设计,并按照设计完成拱肋悬臂扣挂。详见表2。表2 拱肋扣索索力及钢绞线使用数量表3 风险控制措施3.1 吊装管控3.1.1 吊装设施管理缆索吊系统安装完后,由项目部组织参建各方对缆索吊系统进行综合验收,包含主要结构件、锚定体系、吊索具和各类安全限位系统。缆索吊主要构件连接采用栓焊结合体系,高强螺栓采用扭矩法进行质量检查,结构件、吊耳
7、等位置焊缝全部经无损探伤合格后方可进入下道工序。因缆索吊累计绳索长约90 000 m,引进VTS6D-F250型钢丝绳电脑探伤仪,在线检测钢丝绳内外部断丝、磨损、锈蚀、变形、松股、跳丝、材质变化等各种缺陷,确保吊装系统的整体安全性。缆索吊验收中做好单侧起吊和整体抬吊试运行工作,主吊试运行采用设计荷载的50%、100%、110%和125%逐级加载方式进行,动态观测塔顶位移、主索垂度、后锚以及各转向滑轮、跑车、吊具运转情况,发现异常及时停止并分析原因。详见表3。表3 缆索吊试运行表缆索吊系统全部完成后按照属地原则报当地特检系统登记备案,作业人员为按照特种设备市场监管局统一考核的操作和指挥人员,并根
8、据工作特点将主吊和工作吊分开设置操作间。全体人员必须经项目部考核合格后方可上岗作业。主拱起吊过程中,采用主吊按照2 m/min的起升速度缓慢起吊,起吊后安全员做好两岸缆索吊投影区域内的人员、船只和车辆管控,禁止无关人员逗留。为确保吊装过程连续可控,吊装前需组织电力部门排查设备供电网络,并配备2台800 kW发电机做吊装应急储备。主拱肋到达安装高度后启动牵引索系统,按照3 m/min的速度往两岸移动。严禁起吊过程中起升和牵引系统同时启动。吊装过程中需密切关注突发大风、强降雨和雷电等天气情况,确保吊装到位后能准确安装。主拱每日吊装前做好缆索吊的日常检查工作,重点部位包括锚锭滑移情况、钢丝绳连接与固
9、定、卷扬机固定、索鞍等,并在正式吊装前空载运行检查。3.1.2 水上作业管理乌江特大桥主拱肋利用了乌江航道进行转运,在缆索吊主吊下方固定船位后,垂直起吊进行安装。吊装前,由项目物设部门对水运船只安全作业条件开展核查,核查内容包括适航条件、配员情况、船舶检验和人员证书等。作业前邀请当地海事部门参与,共同做好船员和水上作业人员的培训与教育。施工作业过程中所有人员一律佩戴好救生衣。根据主拱肋吊运特点,船只采用500吨级内河运输船,并使用300 t的混凝土配重块压载,提高了船舶吃水深度,降低船舶重心,并增强了主拱肋运输稳定性。乌江航道目前仍属于四级航道,频繁有社会船只航行,给主拱肋转运和吊装带来安全风
10、险。施工前提前与当地水上交通管理部门联系,由当地航道管理部门发布航行通告,提醒过往船只降低船速。同时,上下游各500 m处设置一艘警戒船和江岸警示标牌,船舶间建立统一的通信网络,利用船舶声响信号做好吊运期间的应急联络。3.2 扣挂安装管控主拱肋吊装到位后,首节段采用固定支架进行位置精调,后续节段均为高空对接,涉及受力体系转换、高空作业和张拉锚固等诸多风险点。主要过程为:在节段连接法兰盘处打入冲钉及连接螺栓进行对中调整,螺栓孔对中后,迅速安装法兰盘螺栓,对称进行紧固,安装一侧吊钩卸载,并同步逐根穿扣索张拉。按照扣挂系统受力分析,扣背索同步张拉至设计值50%后完成吊钩卸载。GL2GL6节段根据偏位
11、安装风缆,GL7GL15节段随扣索一起挂在拱肋上,作为主要抗风措施。拱肋扣索的安装与拱肋吊装同步作业存在空间交叉,在施工中存在一定安全风险。扣索牵引上拱后需与现场动焊点保持安全距离,动火作业严格执行审批程序,明确好作业监护人,防止钢绞线因动焊损伤发生应力集中,张拉过程中发生破断。扣索张拉过后须做好对锚点附近的保护,防止其他作业干扰。主拱临时用电线路按照三级配电、两级保护原则布设,拱上线路沿拱肋检修梯步护栏外侧布置,与平台交叉点设置套管保护,预防绝缘层破坏发生触电伤害事件。各级平台分设动力开关箱与照明开关箱,严禁设备线路沿梯步内侧敷设,干扰人员通行并带来触电漏电风险。为保障主拱肋安装过程中的连续
12、性,压缩工序时间,避免夜间施工增加风险,扣背索安装应提前牵引就位,拱肋扣点锚箱提前1 d于钢拼场地安装。钢绞线长度达到一定时,受自重和风力影响易干扰施工,穿索过程中必须逐孔逐根进行。扣背索张拉采用自动连续预警智能张拉设备,可实现钢绞线快速收紧和均匀预紧、扣背索的对称平衡张拉。3.3 高空作业管控乌江特大桥主拱安装包括拱肋对接、风撑安装、高栓施拧、防腐喷涂等多道工序,且全部属高空作业,高处坠落风险极高。主拱作业人员进场作业前由项目部组织进行高血压、心脏病等常规筛查,日常利用职业健康体检仪进行监测,人员身体条件须满足作业强度要求。主拱桥属等宽变高度空间桁架结构,高处作业平台采取逐个设计、逐个验收方
13、式,做好结构验算和焊缝检查,严控平台作业人数。平台设计中巧用BIM技术辅助设计模型,并开展可视化安全技术交底,每名作业工人都能掌握高处平台作业风险应对方法。检修步梯和护栏受主拱连接包板焊接影响需临时拆卸,在这一过程中利用小钢管护栏随拆随防,降低人员通行坠落风险。4 风险监测预警乌江特大桥风险监测预警体系包含缆索吊监测、扣挂系统监测和工点视频监控等多个模块,通过不同监测方法相互比对,真实反映风险预警情况。设立三级预警机制,依据不同预警情况分别发送给相应风险管控人进行处理。缆索吊监测主要包括对缆索吊系统锚锭的水平位移、缆塔偏位、主索张力和运行超限情况等进行监控。运用5G传输技术实时进行数据采集,后
14、台信息中心对监测数据建立台账,并及时将监测情况上传控制中心,定期进行分析总结,制定风险控制措施。针对缆塔偏位、锚锭位移等关键指标,利用人工测量复核,确保监测数据误差在可控范围内,实现风险的动态有效预警。扣挂系统的监测包括对扣背索索力,扣塔偏位、扣塔应力、后锚滑移、拱肋应力等的监测,实现结构安全监控数据化。拱肋悬臂扣挂施工中,因拱肋安装、风撑连接和连接包板焊接等多工序作业,全桥拱上作业人员可多达40人,整体安全风险极高。拱肋扣挂结构监测过程中结合全自动测量机器人、三维激光扫描等创新技术,全天候对拱肋结构安全性进行监测,监测成果为拱肋的安全快速施工提供了极其重要的数据支撑。5 结语乌江特大桥有着地形复杂、交通不便、不可控因素多等特点,安全风险控制难度极大。通过对该大桥主拱实施各项风险控制措施,安全风险信息得以实时监测,为项目安全风险管理体系提供有效支撑。在风险管理的同时,完善的风险识别体系和健全的分级管控责任机制必不可缺,本文系统总结了乌江特大桥主拱施工过程中的各类风险管控措施,可为后续同类型桥梁建设提供参考。 -全文完-
