浅谈大跨预应力混凝土斜拉桥综合施工技术

秦野

（中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

1　概述

“大跨预应力混凝土斜拉桥综合施工技术”依托宁夏永宁黄河公路大桥为背景，该桥全长3 743.37 m，主桥桥跨结构布置为钻石形双塔双索面斜拉桥+变截面连续箱梁。主塔为钻石形钢筋混凝土结构，塔高102.15 m。主塔斜拉索采用扇形密索布置，梁上索距为1.5 m。斜拉索采用平行钢丝索冷铸锚具，预留减震装置。基础为钻孔灌注桩，桩径2.2 m。承台长51.08 m，宽32.5 m，厚5.0 m，整体哑铃形，混凝土方量7 216 m3。

2　主要施工技术及施工创新

2.1　复杂地质条件下深水超长桩基施工技术

大桥两个主墩共有104根桩基，桩基直径2.2 m，钻孔深度93 m。在桩基施工中首次提出了采用SR360型旋挖钻机进行主河道中大直径深水桩基的施工，并研究设计了满足大型钻机要求的钻孔平台，保证大型设备水上安全施工。并通过对国内不同种类的膨润土与当地不同水质按不同配合比进行多次试配，试验出了适合该项目桩基施工的优质泥浆，首次达到了泥浆中悬浮的细沙36 h不沉淀的效果，解决了粉细砂地层大直径深孔桩基成孔难题，减小了桩底沉渣厚度，保证了成桩质量[1]。

2.1.1大吨位承载力钢栈桥及施工平台设计

根据地勘资料分析，该地区地质情况为饱和液化砂土，砂层呈单粒状结构，自稳性差，钻进过程中及成孔后易发生坍塌、缩径现象，且钻孔深度达93 m，成孔时间28 h。针对该工程施工特点，经过对气举反循环、旋挖钻机及其他型式钻机性能进行对比，最终选择采用旋挖钻机组织施工。由于旋挖钻机整机重量达92 t，为确保钻机的安全，设计了承载力180 t的钢栈桥和200 t的钻孔平台，既能满足大型设备水上施工的安全，也为后续的50 m预制T梁的运输提供了便利条件。

在平台及栈桥设计时，采用大型有限元程序建立空间立体模型，真实地模拟了栈桥和平台的受力状态，保障了施工过程的安全。

2.1.2泥浆循环

跨黄河施工，对水环境保护要求极其严格，研发了智能泥浆循环系统，包括岸边泥浆池和泥浆泵一，泥浆泵一的入口通过输送泥浆管与岸边泥浆池相连通，泥浆泵一的出口通过输送泥浆管与中转泥浆箱相连通；中转泥浆箱内设置有泥浆泵二，且泥浆泵二的出口通过输送泥浆管与钻孔桩泥浆区相连通，泥浆泵二的入口通过输送泥浆管与中转泥浆箱相连通；中转泥浆箱上设有与泥浆泵一相配合的液位开关一，钻孔桩中转泥浆箱上设有与泥浆泵二相配合的液位开关二。该技术解决了钻孔桩施工中泥浆循环中需要大量人工的难题，同时实现了泥浆长距离输送；该技术的液位开关与泥浆泵连接，实现了泥浆泵随着泥浆液面变化自动进行补浆。泥浆循环系统示意图如图1所示[2]。

图1　泥浆循环系统示意图

2.2　深水大体积承台施工技术

承台长 51.08 m，宽 32.5 m，厚5.0 m，整体哑铃形，混凝土方量达7 216 m3，在主墩承台施工中研究设计了拉森Ⅵ型钢板桩、内支撑及围檩的组合围堰体系，解决了深水大型承台施工技术难题。提出了围堰迎水面插打人字形防冲刷钢管桩防护墙、抛填石笼等技术措施，解决了黄河冲刷严重的问题，保证了围堰安全稳定[3]。

2.2.1围堰支护型式的选择

通过对历年来宁夏地区黄河流域所建的大桥进行调研，桥梁主墩基坑支护形式全部采用钢套箱围堰，并通过对锁扣钢管桩围堰、双壁钢套箱围堰、拉森钢板桩围堰三种型式进行对比，最终选择最优的拉森钢板桩围堰进行施工。

2.2.2钢围堰构造及布置型式

钢板桩采用拉森Ⅵ型钢板桩，材质SY295，单根长度为24 m，围堰平面尺寸为54 m×34.8 m，共设置两层内支撑。第一道内支撑圈梁采用2H 600 mm×200 mm，斜向支撑采用630 mm×10 mm钢管，垂直对撑采用800 mm×10 mm钢管；第二道内支撑圈梁采用4H 600 mm×200 mm，斜向支撑及垂直对撑均采用800 mm×10 mm钢管。为保证钢管受力均匀，与圈梁相接触钢管四周需加焊加劲板，圈梁与钢板桩之间的连接采用牛腿型式。钢板桩围堰总体布置图如图2所示。

2.3　大跨度斜拉大斜度高塔施工技术

在主塔施工中首次提出了在塔梁施工过程中设置临时黏滞阻尼器+弹性索，解决了塔梁抗风、抗震和位移的难题。并通过多次模拟计算，提出了液压爬模施工大斜度索塔首次采用6 m一段分节，突破高墩施工4.5 m分节的常规技术，减少了施工循环次数，缩短了施工工期，优化了设计，提出了主动临时横撑系统，并辅以监控手段，控制了上、下塔柱连接部混凝土应力，确保了大斜度高塔的施工安全和质量[4]。

塔柱总高度为102.15 m，单座塔柱混凝土方量总计6 164 m3，通过对高墩施工工艺的深入研究，针对4.4 m×7 m截面的大斜度空心高塔，选择液压爬模进行施工，并通过多次模拟计算，突破高墩施工4.5 m分节的既有经验，采用高度6m的分节，减少了施工循环次数，有利于钢筋配料，节约施工工期。

3　大跨度斜拉主梁冬季施工技术

3.1　暖棚设计

利用前支点挂篮，梁顶搭设岩棉彩钢暖棚，保温棚由棚盖、纵梁、侧围护结构、前围护结构和底围护结构五部分组成。其轮廓尺寸为纵向长9.44 m，横向宽38.6 m，高8.185 m，单个暖棚自重26.1 t，暖棚重量增加了挂篮设计难度。

图2　钢板桩围堰总体布置图（单位：mm）

3.2　暖棚内供暖方式

采用4台BV290E型热风机进行供暖，同时准备6台蒸汽发生器作为备用，另准备220 V、40 W/m2的电热毯对暖棚外侧的预应力管道进行加热，电热毯规格为0.5 m×6 m，电热毯能使混凝土表面温度控制在40～60℃[5]。

采用热风机厂家的计算标准及规范的计算标准分别计算，具体如下。

3.2.1需求热量计算一（行业标准计算）

棚内需求热量计算见表1。

表1　棚内需求热量计算表

热量计算公式如下：

式中：V为需加热区域体积；T为室内外温差；K为热传导系数；KW为所需暖风机的最小输出功率；所选热传导系数为0.5，适用于保温效果极差的简单建筑物；环境温度选-30～-20℃进行计算。

结论：单台BV290E热风机输出功率为81 kW，可满足棚内供暖要求，棚内需洒水养生。

3.2.2需求热量计算二（暖棚法计算）

暖棚法是在混凝土结构周围用保温材料搭成暖棚，在棚内设热风机、安蒸汽排管或生火炉，使棚内混凝土结构保持在正温下养护。

暖棚的热工计算可按下式进行：

式中：Q为每立方米暖棚的耗热量，W；Mσ为表面系数，即冷却面与外部度量暖棚的体积之比。

式中：a为每一种保温材料的厚度，m；λ为每一种保温材料的导热系数，W/（m·K）；Ma为混凝土结构的表面系数，按式（4）计算。

对矩形截面的梁或柱：

对正方形截面的梁或柱：

对楼板或墙：

式中：a为梁截面的边长；b为柱截面的边长；d为板或墙的厚度。

所以 Mσ=2×（6+36.5）/171.9=0.5，散热系数a=1.5，K=1/（0.043+0.75/0.04）=0.4。

结论:单台BV290E热风机输出功率为81 kW，可满足棚内供暖要求，棚内需洒水养生。为确保棚内温度，每个暖棚设2台暖风机进行供暖，在棚内挂设湿度检测仪，中箱布置1台48 kW蒸汽发生器，并备用4台蒸汽发生器，适时调整棚内湿度。

4　结语

综上所述，大跨预应力混凝土斜拉桥综合施工技术在永宁黄河公路大桥的成功应用，实现了全桥施工工期提前一个月、质量验收一次通过的良好结果，并已在宁夏回族自治区内推广应用。随着国内外基础设施建设的蓬勃发展，在西部大开发的国家发展战略和国家“一带一路”倡议的引领下，大跨度斜拉桥的修建会越来越多。该研究成果具有深远的推广前景，对同类的公铁路桥梁建设具有很好的指导意义。