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1、大跨度悬索桥缆索吊装施工工法1 前言缆索吊最初被称为无支架吊装,是我国70年代在大江大河上安装拱桥节段独创的一种架设方法。由于在江河中不需搭设支架,后来得以广泛应用。90年代末及21世纪初,随着大跨径悬索桥在我国大量兴起,缆索吊应用到悬索桥加劲梁的吊装中。缆索吊虽不能利用主缆这一特点,而刚强的索塔则成为缆索吊塔架设计的理想依托；缆索吊起吊重物后可以沿中跨全跨范围内进行移动,起吊点位置不受限制,其架设速度极快、成本低,成为了悬索桥加劲梁吊装一种可行方案。新世纪以来,伴随我国经济的稳步增长,统筹区域均衡发展成为可持续发展的战略要求,因此连通山区的桥梁的勘察设计,特别是大跨越能力的桥型悬索桥将大范围
2、修建。针对西部山区地形地质条件复杂、施工场地狭小、交通不便、大件运输极为困难的特点；现有的缆载吊机架设法和桥面架桥机架设法无法适应工程建设需要:缆载吊机架设法:因缆载吊机不能带载在主缆上行走,只能定点进行垂直起吊,因此不适合山区粱段从两塔侧起吊后再纵向移动的需要；桥面架桥机架设法:采用从两塔位置向跨中的顺序进行架设钢梁,使得线形不易控制,对主体线形影响较大,因架桥机吊重限制,不能整体吊装梁段,粱段只能分拆成杆件或单元,施工难度极大且效率极底,同样不能满足工程建设需要。针对西部山区的特点,因地制宜的提出采用采用岩锚锚墙作为缆索吊地锚结构,塔架采用塔上矮塔方案、利用主体结构索塔作为缆索吊塔架基础,
3、很好的节约施工成本。采用大跨度缆索吊来进行吊装山区悬索桥桁架梁的施工方法成为首选方案。本工法着重着重研究缆索吊承重索的连接方式、地锚系统构造等方面阐述,说明大跨度缆索吊的设计选型、工艺特点、适用范围、施工工艺等。路桥XX公司针对四渡河特大桥大跨度缆索吊技术的特点,对施工中的关键技术进行认真的研究和总结,使大跨度缆索吊技术使缆索吊技术向大跨度发展,更加具体、可行。2 工法特点缆索吊作为一项比较成熟的吊装工艺,在拱桥和跨径比较小的悬索桥和斜拉桥中有所应用。本工法在以前成熟工艺基础上,着重研究缆索吊承重索的连接方式、跑马系统以及地锚系统构造等关键技术,使缆索吊技术向大跨度发展,更加具体、可行。 四渡
4、河特大桥缆索吊机设计起吊能力为160T,吊装跨度900m。该缆索吊系统宜昌岸采用独立岩锚锚墙作为地锚结构,这一结构相对于重力式地锚锚碇结构的大大缩减了砼方量,从而极大的缩减投资。塔架采用塔上矮塔方案,利用主体结构的强大主塔作为缆索吊塔架基础,在主塔顶上方采用4根钢管拼装成塔架,塔架高13.2m。钢管与塔顶门架连接,以增加塔架整体的稳定性。极大XX省了投资。1)因地制宜的采用岩锚混凝土锚墙作为地锚的后锚结构,岩锚混凝土锚墙结构为重力式地锚构造成本1/4左右,极大地缩减了地锚成本。2)塔架可以直接利用强大的主体索塔结构作为塔架的基础,不需设置庞大的塔架结构,极大的节约了施工成本,使得缆索吊在大跨度
5、悬索桥中成为可能。3)为了节约成本,提高粗径钢丝绳的重复使用率,减少一次性投入,采用开闭销接式热铸锚进行接长,使得旧钢丝绳的重复使用更加可行。4)缆索吊承重绳地锚后锚位置,通过转向轮来实现各根钢丝绳之间的串联,实现承重绳自行调节到基本一致的标高,承重绳受力基本均衡。5)跑马系统可以在中跨全跨径范围内无障碍快速移动,既可以垂直起吊又可以纵向移动,克服了缆载吊机架设法不能带载在主缆上行走,只能定点进行垂直起吊,而不能纵向移动的难题；也解决了桥面架桥机架设法施工速度过慢的问题,成为山区大跨径悬索桥桁架梁吊装的首选方案。6)采取岩锚混凝土锚墙的地锚构造、利用主塔作为塔架基础、重复利用旧钢绳,极大缩减了
6、施工成本,使得大跨度缆索吊可以应用到1200m的跨径范围的悬索桥中,既经济又安全高效。3 工法适用范围本工法适用于1200m跨径范围内的悬索桥桁架式加劲梁的吊装施工,特别是山区悬索桥的施工。4 工法工艺原理缆索吊由承重绳、跑马系统、起吊系统、牵引系统、地锚及塔架几大部分组成。起吊重物通过承重绳把巨大拉力传递地锚结构。地锚结构作为最主要的承载结构,为缆索吊系统成败的关键。其中重力式地锚依靠其巨大的自重及其与地基之间的摩擦力和嵌固力来平衡承重绳的巨大拉力,预应力锚索锚墙结构地锚充分利用锚索与其周围岩体的共同作用,锚固承重索。悬索桥的结构特征是具有刚强的索塔,强有力的主缆,缆索吊虽不能利用主缆这一特
7、点,而刚强的索塔则成为缆索吊设计的理想依托,加之山区两岸一般具有良好的基岩,更加简化了锚固系统的设计,再加上缆索吊可移动的灵活性,则成为缆索吊设计的合理构思。缆索吊设计高程依据大桥裸缆矢高,并根据承重索自重及集中荷载作用在跨中引起的最大垂度,决定其塔架的高度。在力求夹角尽可能接近0的状态下,并根据具体的地形及地物确定边跨长度和高程。结合两岸地形,考虑猫道影响及塔顶宽度限制,东西岸锚碇设置在锚洞口附近,在主塔塔顶两外侧设置缆索吊机塔架。缆索吊机主跨900m,宜昌岸边跨120m,恩施岸边跨232.3m。地锚结构采用预应力岩锚+混凝土锚墙。塔架采用钢管拼装。预应力岩锚锚墙复合结构是一种主动承载体系,
8、能充分调动深层岩体的自承能力,同时也对围岩体起到了预加固作用,改善了岩体的力学性质。该种承载结构具有造价低,施工方便,对周围环境影响小,承载可靠等特点,充分发挥了预应力岩锚轴向刚度的优势。每个地锚设置23束拉压分散型岩锚,对称分布在锚墙后端围岩的上。单根岩锚的锚索为采用环氧树脂全喷涂无粘结钢绞线组成的钢束,分为锚固段和自由段,锚固段长8m,自由段长12m。在锚固段和锚固段设有一个承载体,承载体以挤压套固定,形成压力型锚索；锚固段钢绞线的环氧树脂全部剥除,使其与水泥浆产生粘结力,形成拉力型锚索；每束岩锚的所有钢绞线按组分为四级进行张拉,使荷载分散作用于整个锚固段长度上,应力分布趋于均匀。图41
9、缆索吊总体布置图5 施工工艺流程及操作要点5.1 工艺流程图51 施工流程图5.2 施工工艺操作要点5.2.1地锚(1)锚墙为了保证预应力力岩锚的成孔精度,采取先浇筑锚墙再进行预应力岩锚的施工。先根据测量放样出来的岩锚中心位置,再拉线把锚墙位置放样出来,再进行清表,把锚墙的后坡面开挖出来,绑扎钢筋,分层浇筑锚墙砼。在锚墙砼浇筑前,进行定位钢支架的安装,按承重绳对应坐标把岩锚孔道预留出来,预埋管道为1073的钢管。在浇筑锚墙砼按大体积砼施工进行控制,砼中添加适量的粉煤灰以降低水泥用量。图52岩锚砼锚墙地锚结构(2)拉带施工宜昌岸缆索吊地锚采用拉带锚固承重索,每个地锚预埋8根拉带,拉带之间的净空为
10、26cm,每个大导轮配两根拉带,每根拉带为宽35cm、厚5cm的Q345钢板,埋深2.3m。拉带安装前先安装定位钢支架,再按承重绳对应坐标把拉带安装在支架。(3)岩锚成孔在锚墙砼达到设计强度的85以上时,进行岩锚成孔施工,直接按照锚墙上的预留孔道位置钻进,确保了钻孔施工有很高的精度。孔径为130mm,孔深19m(含2.5m厚锚墙段),钻孔过程中视围岩情况的好坏适当加深锚孔。当钻孔达到设计深度后,应及时用高压风清理孔道,将钻渣清理干净,在锚索安装前应再次清孔,并检测钻孔深度。(4)锚索的制作及安装锚索的制作应按照设计要求进行,锚索采用j15-6的钢绞线编束。在锚索制作过程中,应严格控制质量。钢绞
11、线下料长度要准确,下料时宜用砂轮切割,以免钢绞线损伤,降低抗拉强度。锚索自由段应进行防腐处理,并套上塑料管等,使其与灌浆体隔离开。锚索安放时应保证进浆和回浆管路畅通。保证锚索在孔中位于对中位置,确保锚索的锚固质量,钢绞线尾端、自由段和锚固段分界处设置挤压套；锚索自由段每格1m设置一个收缩定中环；锚固段每隔77cm交替设置收缩和扩张定中环。(5)岩锚的压浆锚索放置就位后应及时进行压浆施工。锚索压浆应质量可靠,锚索应位于锚孔中央,四周均被砂浆包裹,注浆饱满度应达到95以上,并采用止浆袋防止浆液溢出。注浆液可以是1:0.4左右的纯水泥浆；注浆压力为0.81.0MPa。(6)锚索张拉当岩锚孔中压浆浆体
12、的强度达设计张拉强度后,即可进行岩锚的张拉工作。在进行岩锚张拉之前,应首先确定张拉工艺,通常采用分级加荷,每级加荷持续时间2分钟以上,中间过程不卸载,最后一级应持荷5分钟后锁定。张拉施工完成后,即可对自由段灌浆或封孔灌浆,使锚索与空气和水隔离,起到防腐蚀的作用。5.2.2塔架拼装每个塔架采用4根46014的无缝钢管作为立柱,塔架高12.5m,顺桥向钢管间距为3m,横桥向钢管间距为1.5m,布置在塔顶门架外侧。塔架的平联采用20012的无缝钢管,斜撑为16012的无缝钢管,共设3道平联,平联之间的间距为2.75m。通过塔吊吊装安装到位。先对塔顶预埋钢板表面进行清理,清除表面的杂物和粉尘,进行塔脚
13、系统施工,先安装4排2I56工钢承重梁及其牛腿斜撑,铺设2排4I45工钢分配梁,施工时注意各焊缝尺寸和施焊顺序满足钢结构设计规范和图纸要求。 塔架顶部设置两道横向2I56工钢承重梁(I56工字钢两侧翼缘板焊接一块1cm厚钢板使I56工钢承重梁成一个闭口箱),两道工钢间距为3米；承重梁顶面满铺I45工钢,作为索鞍的支撑平台。塔架安装完后采用 220a与塔顶门架联结成一个整体,以增加塔架整体的稳定性。5.2.3承重绳的接长悬索桥施工过程中,为了提高粗径钢丝绳的重复使用率,减少浪费,节约成本,钢丝绳的接长成必然的选择。旧钢绳使用前,必须安排专人对其外观质量进行排查,检查钢丝绳的磨损程度、断丝情况、润
14、滑情况、变形情况以判断钢丝绳的合用度。旧钢绳作为承重绳,使用前需要选取弯折最严重情况下(最不利情况)的钢丝绳进行整拉试验,验证最小破断拉力和抗拉强度是否满足国标要求,可否用于工程实际施工。新旧钢丝绳接长采用销接式热铸锚接长,锚头采取现场浇铸,浇铸完毕后全部按国标进行顶压试验。顶压荷载为1.25倍设计荷载,顶压后索体最大外移量小于国标要求的5mm。5.2.4地锚转向轮安装缆索吊承重绳一般由多根钢绳组成,吊物通过跑马系统分配作用在承重绳上,承重绳上受力就存在不一致,必须引起承重绳的垂度不一致,影响跑马结构的运行,从而对缆索吊系统产生不利的影响。为了克服缆索吊承重绳受力不均衡引起的垂度不一致,本缆索
15、吊系统做了如下的设置:在地锚处设置多组转向轮,承重绳绕过转向轮后绳与绳之间对接起来,所有承重绳形成一个串联结构,承重绳的不均衡力通过转向轮转动使垂度不一致的承重绳调整成标高基本一致,承重绳受力基本均衡。宜昌岸每个地锚设置4个转向轮,每两根拉带配一个转向轮,每根拉带设两块夹板,夹板和拉带之间采用销轴相连,夹板通过销轴和转向轮相连。为保证每个转向轮销孔都均匀受力,4个转向轮高度必须保持一致。考虑承重绳锚头布置在恩施岸,恩施岸每个地锚设置5个转向轮,每根拉带配一个转向轮,每根拉带设两块连接夹板,夹板和拉带之间采用销轴相连,夹板通过销轴和转向轮相连。图5-3 恩施岸地锚转向轮5.2.5索鞍安装 塔架拼
16、装完成后,进行索鞍的安装,索鞍底座焊接在塔架顶的钢箱上,除了底座的平焊缝外,还需要焊接劲板,以抵抗承重索在塔顶产生的水平推力。5.2.6承重索架设(1)承重绳架设顺序承重索的牵拉按由外向内的顺序进行,牵拉顺序如图5-4所示:图5-4 缆索吊承重索牵拉顺序及连接示意图(2)承重索的牵引承重绳锚头布置在恩施岸,即外侧两根承重绳反锚、中部六根对接；宜昌岸处承重绳均为对接接头。 缆索吊承重索的牵引利用主缆架设的牵引系统进行。承重索从放索架索盘松出,利用卷扬机牵拉至重力锚上方小门架处,然后连接拽拉器,拽拉器牵拉至2索塔,利用塔顶卷扬机及塔吊配合翻过2索塔,再连接拽拉器牵引至1索塔,用同样的方法翻过1索塔,再利用拽拉器牵拉至宜昌
