大型预制构件顶推方案选型

彭晓鹏，李阳，李海峰

（中交二航局第一工程有限公司，湖北 武汉 430012）

0 引言

顶推的施工定义有广义和狭义之分，广义顶推施工属于重型起重的范围，将重物移动一段距离的方式均可以视为顶推施工，重物可以是预制混凝土结构、钢结构等单一构筑物，也可以是房屋、船舶及平台等复合结构物。狭义顶推施工来自于预应力钢筋混凝土等截面连续梁桥施工，沿桥纵轴方向，在桥台后设置预制场浇筑梁段，达到设计强度后，施加预应力，向前顶推，使梁体通过各墩顶的临时滑动支座面或临时支撑滑动面就位，空出底座继续浇筑梁段，与先一段梁联结，直至将整个桥梁梁段浇筑并顶推完毕，最后进行体系转换而形成连续梁桥[1]。

顶推施工分类方法很多，通常根据顶推力的分布不同分为单点顶推和多点顶推，或集中顶推和分散顶推。本文以港珠澳大桥岛隧工程沉管管节顶推技术方案的选择为例，阐述大型预制构件顶推施工总体方案的选型方法。

1 大型预制构件顶推施工难点

大型预制构件顶推施工需要综合考虑预制件结构安全、作业台座的稳定、顶推力的实现与传递、支撑力与滑移面设计、构件运行状态监测与纠偏、体系转换等方面，施工难度随预制构件的重量、顶推距离、长宽比、支撑精度、顶推速度的增加而增加，当构件重量超过万吨，顶推距离超过百米，难以用常规顶推设备完成顶推作业[2]。

2 管节顶推设备选型的基本要求

2.1 顶推施工工艺

港珠澳大桥沉管隧道标准管节长180 m，重约700 000 kN，共33个管节，每个标准管节由8个22.5 m长的小节段组成，采用两条生产线预制。每个节段在固定的台座上浇筑、养护72 h后向前顶推22.5 m，空出浇筑台座，下一节段与刚顶出的节段相邻匹配预制。如此逐段预制逐段顶推，直至完成全部8个节段浇筑，再整体顶推约100 m至浅坞区进行后续施工[3]。

2.2 设备配置技术要求

为实现顶推施工工艺，顶推系统配置方案包括管节顶推系统、管节支撑系统及管节导向系统三部分。

2.2.1 管节顶推系统1）顶推方式：优先考虑管节分散顶推方式。2）顶推力：按照单个节段重量为87 500 kN，标准管节按照700 000 kN考虑。

3）顶推力和行程偏差：各套顶推装置的推力误差应小于1%，顶推行程偏差应小于2 mm[4]。

4） 工效要求：自动连续向前顶推，每完成22.5 m顶推时间不超过4 h。

2.2.2 管节支撑系统

1）支撑千斤顶均衡布置在管节下面，顶推移动时混凝土的强度为C25。

2）顶推滑移轨道高差将控制在±10 mm以内，支撑千斤顶在滑移过程中应能适应上述高差，保证管节在轨道上滑移时不产生开裂。

2.2.3 管节导向系统

顶推过程中确保管节不偏离滑移轨道，同时具备调整管节偏位的功能。

3 总体方案

3.1 主要参数的计算

3.1.1 滑移材料选取

预制管节通过千斤顶与轨道接触，将重力传递到轨道上。

标准管节总重约70 000 kN，采用点面或线面接触均不合适，只有采用面面接触的方式才能够保证滑移面与轨道之间的接触压强相对较小，提高顶推系统的稳定性和安全性。

在管节重量一定的前提下，滑移材料的选取决定接触面摩擦系数的大小，也决定了顶推力的大小。滑移材料的性能指标主要有摩擦系数、压缩强度、磨损系数和耐久性。摩擦系数太大会导致顶推油缸尺寸过大，轨道固定强度增大，造成生产浪费、空间浪费和能源浪费。除摩擦系数外还必须满足压缩强度和磨损系数的要求。根据桥梁顶推施工经验，采用PTFE（聚四氟乙烯）或MGE滑板和不锈钢板组成滑移面，静态摩擦系数不超过0.07作为力学计算的依据[5]。

3.1.2 顶推参数计算分析

无论是集中顶推还是分散顶推，在顶推起步时，总顶推力必须大于静摩擦力。顶推构件重量为700 000 kN，接触面最大静摩擦系数为0.07，则顶推系统在起步阶段最小的集中顶推力为4.9×104kN，平均分配到4条滑轨上，每条滑轨上需要的顶推力为12 250 kN。

3.1.3 管节惯性滑移分析

根据顶推时间要求，顶推速度设定为8 m/h。管节完全在摩擦力作用之下停止运行，根据牛顿第二运动定律可以得出加速度为0.4 m/s2，移动时间为0.005 6 s，在设定速度下移动距离为0.006 mm，该距离不会导致管节分段之间产生大的位移而对管节之间的止水带造成损坏。

3.2 顶推实施方案选择

预制管节顶推支撑系统通过千斤顶不同的连接方式实现。管节导向系统采用侧向千斤顶，通过检测与纠偏方式实现。管节顶推系统根据力的不同作用方式可以采取三种方案，分别为集中顶推、分散顶推和预应力连续牵引方案。

3.2.1 集中顶推方案

集中顶推方案主要特点是通过每条轨道后端设置一套顶推千斤顶，将支撑千斤顶均匀支撑的管节推动，如图1。在首端支撑千斤顶上设置导向机构，对管节的横向位置进行约束，起到导向作用。

图1 集中顶推方案Fig.1 Concentrated pushing scheme

3.2.2 分散顶推

分散顶推技术方案的主要特点是在支撑千斤顶上设置多个顶推单元，顶推千斤顶利用轨道反作用力推动支撑千斤顶，同时托起管节平移，如图2所示。

图2 分散顶推方案Fig.2 Decentralized pushing scheme

3.2.3 预应力连续牵引方案

图3 连续牵引方案Fig.3 Continuous traction scheme

在浅坞相对浇筑区的另一端安装连续拉力千斤顶，通过钢绞线将拉力传至设在尾端的牵引横梁上，牵引横梁推管节向前不间断平移，如图3。

4 顶推方案的选择

4.1 集中顶推方案

4.1.1 总体方案

集中顶推系统主要包括顶推油缸、顶推反力座、插销机构、分配梁等组成，如图4所示。顶推油缸安装关节轴承，通过销轴与反力座和分配梁连接，前后耳环的关节轴承能够适应横向偏角。分配梁一端与油缸连接，另一端直接抵靠在管节端面，通过底部的支撑座支撑在轨道上面[6]。

图4 集中顶推千斤顶Fig.4 Concentrated pushing jack

4.1.2 顶推参数设置

按照管节总重700 000 kN，静摩擦系数按照0.07计算，则需要49 000 kN的顶推力，在单个轨道上面布置了2台6 500 kN的顶推油缸，则总的顶推力为4×13 000 kN=52 000 kN，满足顶推力的要求。根据顶推系统参数，额定顶推力为52 000 kN/25 MPa；最大顶推力65 000 kN/31.5 MPa；单次顶推行程为1 600 mm。

通过计算确定集中顶推系统顶推油缸主要尺寸，主油缸缸筒内径560 mm，缸筒壁厚100 mm，缸筒外径为760 mm。

4.1.3 优缺点

集中顶推方案的优点是系统单一，控制功能简单，设备数量少，集中和同步功能易于实现；缺点是每个轨道顶推力达到13 000 kN，单个顶推油缸外径达到760 mm，重达数吨，安装搬运困难；传递顶推力分配梁、轨道及反力座结构笨重，需要消耗大量钢材；顶推系统油泵和钢结构件体积大，难以与沉管预制模板系统对接；标准管节（8个节段）同时顶推时，顶推力影响顶推点节段结构安全。

4.2 分散顶推方案

4.2.1 总体方案

每段22.5 m管节配备一套顶推设备，每套顶推设备包括12套支撑单元（每条轨道3套均匀布置），每条轨道3套支撑单元中，前后两套设置顶推油缸，中间一套不设置顶推油缸。设置顶推油缸的单元，顶推油缸和支撑油缸之间用钢结构做成整体，再通过反力架与轨道衔接。

4.2.2 顶推参数的设置

按照管节总重700 000 kN，静摩擦系数按照0.07计算，则需要49 000 kN的顶推力，平均每个节段需要6 125 kN顶推力。每个节段布置12套支撑单元，其中8套支撑单元各设置2个顶推油缸，平均每个顶推油缸承载力为383 kN/35 MPa，行程为800 mm。通过计算可以确定分散顶推系统顶推油缸主要尺寸为：油缸缸筒内径120 mm，缸筒壁厚20 mm，缸筒外径为160 mm。

4.2.3 优缺点

分散顶推方案的优点是将顶推力均匀分布在各节段上，对管节结构安全影响较小；所需设备吨位小，设计制造容易；对模板系统衔接界面要求低，相互干扰小，设备装配容易。分散顶推方案的缺点在于顶推的同步性难以控制。每个标准管节由8个节段组成，节段之间采用橡胶止水带柔性连接，可以挤压，严禁拉扯，止水带拉扯破坏将导致整个管节报废。

4.3 预应力连续牵引方案

4.3.1 总体方案

连续拉力千斤顶装在浅坞外侧反力架上，反力架与桩基础连接为一体承受千斤顶拉力。构件夹持器通过牵引横梁支撑在节段横断面上，千斤顶与构件夹持器通过钢绞线连接。由于千斤顶固定，当千斤顶在紧锚状态下伸缸就可以带着钢绞线、构件夹持器、管节沿轨道向浅坞方向移动，实现节段（管节）的平移。每条管段生产线配置1套连续牵引系统，每套连续牵引系统包括：连续拉力千斤顶、液压泵站、控制系统、钢绞线、相应辅助工具。

4.3.2 牵引力确定

根据管节结构特点，结合轨道分布情况，在管节尾部断面上设置8个推力点。每个管节顶推需要8台连续自动千斤顶，根据总牵引力不小于49 000 kN，则每台顶拉力（推力）为：49 000/8=6 120 kN，选择6 500 kN连续拉力千斤顶。

4.3.3 自动连续牵引方案优缺点

连续牵引千斤顶采用双顶结构，前、后千斤顶交替伸缸，通过钢绞线牵引，保证了管节连续平移，整个过程管节受力平稳，不会产生因速度变化带来的冲击。该方案的基本原理在桥梁预应力施工和重型起重方面运用较广，有成熟的设备系统。该方案优点较多，缺点也比较明显：①管节牵引的位置无法精确定位，如果超出既定的位置管节无法逆行；②钢绞线长达250 m，存在安全隐患，且限制管内其他工序作业；③需要设置地锚固定牵引千斤顶；④曲线段施工难以实施。

5 方案的选择

通过对上述3个方案的比较，分散顶推方案具有顶推力平衡均匀，顶推过程便于控制，设备制造易于实现等优点，更符合沉管预制施工实际情况，作为主选方案。

6 结语

大型预制构件支撑与同步顶推是“工厂法”沉管管节预制的核心工艺，分散顶推较集中顶推所具有的顶推力均匀、顶推部件紧凑等优点，实现了顶推设备与支撑设备模块化设计、顶推设备与模板设备无隙对接、顶推过程协调同步。截止至2015年5月27日，港珠澳大桥岛隧工程沉管预制厂已经顺利完成22个管节顶推作业，顶推过程受控，管节未出现异常裂纹和偏位。