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[原创] 中国工程师的"挑战"——槟城二桥主桥工程关键施工技术 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-7-10 14:41:16 |显示全部楼层 |          |
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文/荣劲松 周拥军 刘宇峰

图1 主桥纵断面图

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       槟城第二跨海大桥位于马来西亚西北部的槟城州,横跨槟城海峡南部水域,连接槟岛东南部的巴都茅和大陆侧威斯利省的巴都加湾,全长约24km,其中海上桥长16.9km,是东南亚最长的跨海桥梁。项目建设规模巨大,总投资额45亿马来西亚令吉(约14.5亿美元),是第九大马计划的首要工程。桥梁设计时速80km/h,分为双向4车道和双向摩托车道,平面线形采用“S”形曲线和两次起伏的立面线形,使大桥在景观效果和行车舒适性达到良好的效果。远处望去,大桥如同一条巨龙,蜿蜒横卧于蔚蓝大海之上。

       槟城是马来西亚第二大城市,是区域和国际性工业、商业和旅游业中心。在过去十多年里槟岛地区经济迅猛发展,是马来西亚经济发展最快的州属之一,预计2020年GDP将比2000年翻三倍。槟城一桥(槟威大桥)自1985年开通以来,交通量持续增加,在高峰时刻已达到饱和。既有的轮渡和槟城大桥已不能满足交通量增加的要求,因此为满足槟城州经济的发展和便捷、安全的交通需求,马来西亚政府决定建造槟城二桥以促进槟州的发展并帮助分散交通流量。但受制于当地工作习惯和效率,以及项目管理程序要求和实际执行能力的差距,马来西亚大型项目建设周期往往较长。槟城二桥可行性研究始于2000年9月15日,至2014年3月1日全桥正式通车,时间跨度超过13年。

       该项目为中国企业在境外实施的最长的跨海桥梁项目,内部参与单位众多,主要由中交集团所属设计院及工程局实施。合同采用马来西亚公共工程局2007版设计-建造合同,设计标准主要采用英国公路桥梁设计标准体系(BS、BD等)及马来西亚公共工程局局颁标准(JKR),在船撞力、地震力及耐久性等部分领域参照欧洲规范体系(EN)或美国国家公路与运输协会标准(AASHTO)。

       槟城二桥海下地质情况复杂,施工难度大,项目创下多项马来西亚当地工程界纪录,部分领域在世界同类工程中同样具备先进水平。项目产出多项杰出技术成果,其中“海上超深嵌岩钻孔灌注桩施工技术研究”、“高承载力混凝土管桩沉桩技术”、“后支点三角架挂篮浇筑斜拉桥主梁施工技术”等多项研究成果获国家专业协会奖项。

       槟城二桥主通航孔桥为117.5m +240m+117.5m三跨双塔门式斜拉桥,施工项目包括桩基础、承台、塔柱、预应力钢筋混凝土边主梁和斜拉索工程等。该工程具有工程量大、难度大、施工干扰大、各方关注程度高等特点。

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图2 移动式悬臂导向架


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标准高 难度大 要求严

       槟城二桥主桥工程技术标准高,施工难度大,质量要求严。根据各分项工程的特点分析出施工难点如下。

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桩基

       桩基施工具有在海上作业、最大钻孔深度达133.15m、所有桩基均要求嵌入35~80MPa微风化岩达2~8m、且覆盖层为70~90m的砂层及粉砂层等技术特点。故钻桩平台的设计和施工,深厚砂层地质条件下孔壁稳定性控制,超长、岩石强度高且入岩深的桩基成孔施工及垂直度保证等,一系列技术措施是桩基施工的重点、难点。

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承台

       主墩重量达近1000t的防撞钢套箱的安装、整体下放、定位和封底混凝土施工;主墩最大方量为5050m3的承台混凝土浇筑和温控施工(承台混凝土分2次浇筑)等是承台施工的重点、难点。


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塔柱

       上塔柱索鞍要求定位准确控制在±10mm,定位方法关系到索鞍的定位精度。故主塔索鞍安装定位施工是塔柱施工的重点、难点。

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主梁

       1.主梁采用预应力混凝土肋板式连续梁,混凝土等级C55,标准节段设计要求采用后支点挂篮悬臂浇筑的施工工艺,每节主梁分2阶段浇筑混凝土:先浇筑两边的边主梁混凝土,前移挂篮和第2次张拉斜拉索后,再浇筑主梁面板和横隔板混凝土。因此,设计选择技术可行、经济合理的挂篮,对工程的质量和进度关系重大。

       2.挂篮的提升安装方案合理性,对项目的技术管理和安全管理提出更高的要求。

       3.反吊三角托架挂篮主梁悬浇施工控制。每节段主梁施工包括二次钢筋、预应力系统、混凝土施工和三次斜拉索的张拉施工。每节段主梁施工工序较多,如管理不当就会严重影响工程质量和进度。

       4.主梁线形控制难度较大,而业主对主梁的线形要求很高(桥面标高允许误差:主跨 24mm~48mm,边跨24mm)。


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施工对策及效果

       施工之前,CHEC就明确目标:一定要建造出世界一流质量的大桥。为此,在开工前就已编制完成总体项目施工组织设计,并在项目执行过程中按照马来西亚JKR标准和BS标准,编写各分部分项的施工方案并严格贯彻执行。

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桩基

        钻孔桩平台设计时对平台结构形式进行了多种比较,特别是钢管桩平台和钢护筒平台的比较。基桩施工平台的作用是布置钻孔施工设备、设施,为施工操作提供作业工作面,由于本工程钢护筒单桩承载力满足施工要求,通过分析计算钢护筒施工平台力学特性,肯定了钢护筒施工平台相比其他类型施工平台的独特优势,最后选定以钢护筒作为支撑桩和施工平台,作为套箱底板的平台结构形式。钢护筒的沉放引入了悬臂移动式护筒导向定位架施工,以钢护筒作为支撑桩和施工平台作为套箱底板的平台结构形式,减少了钢管桩的使用,并节省工期,节约施工成本。

       槟城二桥主桥桩基最大成孔深度133.15m,入微风化岩8m,岩石强度为40~70MPa,对钻机性能要求高。综合考虑设计资料、地质情况、施工现场条件及技术规格书要求等多方面因素,采用气举反循环钻孔施工工艺。通过调研工程实例分析论证,选用4台ZJD300型及2台KP3500型气举反循环钻机,采用“减压悬吊轻钻”进行成孔施工。并配置大功率空气压缩机OG160F(工作压力为1.25MPa))和ZX-200泥浆净化装置(处理能力200m3/h),钻头选用Φ2m刮刀钻头(覆盖层施工用)、Φ2m滚刀钻头(岩层施工用)、Φ2m牙轮钻头(菠萝钻,能破较硬的岩层)。钻杆设计采用双壁大通径高强度抗扭气举钻杆,气室通径加大至10mm,每节钻杆设2个剪力销。钻孔泥渣通过租用泥驳运到业主指定地点处理,满足了成孔要求,节省了施工成本。


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承台

       主桥主墩承台高度为6m,方量达到5051m3,封底混凝土厚度为1.8m,方量1358m3,采用有底钢套箱施工,钢套箱为承台永久防撞结构。桩基施工完后对原有钻桩平台进行改造,作为承台底板;桩基钢护筒上安装套箱下放装置。钢套箱在国内预制,试拼合格后由驳船运抵施工现场,采用300t浮吊分块拼装就位。钢套箱下放采用普通液压千斤顶及油泵、精轧螺纹钢及配套的螺帽和垫板、上受力型钢结构、下受力型钢结构整体下放,下放过程安全高效,操作方便,节约施工成本。

       承台混凝土由现场搅拌站供应,通过地泵、泵管输送到施工现场,由布料机布料。主墩承台分两次进行浇筑,每次浇筑高度为3m,浇筑时由承台一侧往另一侧阶梯推进。承台混凝土温控施工通过实体模型测温、承台混凝土温控仿真计算以及JKR的温控要求制定出具体的温控措施;现场通过布置冷却水管、冷却混凝土原材料、设置遮阳篷等措施,有效控制了大体积混凝土的温度,加强混凝土养护。整个承台施工过程安全、高效,保证了施工质量,达到预期的效果。


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塔柱

       制定严密的施工安全方案,加强现场施工监控,随时掌握现场施工动态。采用在后场用短线匹配法,先将索鞍定位在每节4.5m的型钢骨架上,型钢骨架与型钢骨架之间在现场采用螺栓连接,只需在现场微调螺栓就能保证索鞍的定位精度。马来西亚槟城二桥项目对索鞍安装定位方法大胆创新,采用预制劲性骨架整体安装定位索鞍的工艺。此工艺改变了以往工程劲性骨架与索鞍分离安装的施工工艺,该工艺具有操作方便、有效减小了现场施工人员的高空劳动量、提高施工效率、施工安全、节约时间、节约成本,大大提高了经济效益。

主梁

       1.根据设计要求和主梁的结构形式,与武港院合作开发出适合本项目主梁施工的反吊三角托架挂篮,进行悬浇施工。挂篮主纵梁采用双排下三角式桁架结构、采用液压油缸驱动的新型全自动行走方式和悬吊系统,具有受力合理、重量轻、抗风性能强、操作方便、加工制作简单快捷、自动化程度高、施工成本低、缩短施工周期等特点。

        2.挂篮安装采用普通千斤顶、钢绞线、夹片、受力钢骨架组成的挂篮提升系统,整体提升安装挂篮,安全可靠,减少大型船机设备的投入,具有操作简便、成本低等优点。

       3.根据反吊三角托架挂篮主梁悬浇施工工艺特点,施工前编写好各工艺的实施细则,并在施工过程中严格按照实施细则组织实施,完全满足业主要求的进度、质量、安全等要求。

       4.引进国际公司Aecom负责施工监控等。


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图3 反吊系统示意图


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施工技术成果

       项目部始终坚持“技术超前、统筹布置、优化工艺、精细管理”的工作思路,施工中安全、质量、进度等各项管理工作始终处于良好的受控状态,赢得了业主、监理、当地政府及社会各界的好评。并在施工过程中形成以下技术成果。

       深厚砂层超长嵌岩钻孔灌注桩成套施工技术

       1.桩基础施工平台利用桩基钢护筒作为承重桩,其面层结构同时作为套箱底板设计,在钻孔灌注桩施工完成后,直接在平台面层拼装套箱侧模。

       2.钢护筒的沉放引入了悬臂移动式护筒导向定位架的施工技术。为此,根据群桩基础钢护筒的布置,进行了悬臂移动式护筒导向定位架的设计,加工完成后用于钢护筒的沉放施工。此导向定位架系统获得实用新型专利。

       3.分析总结出一套适合在深厚砂层超长嵌岩钻孔灌注桩成孔施工的技术参数。

       4.利用静动法验证桩基的承载力。

       大型承台防撞钢套箱安装技术

       1.采用300t浮吊(2000t方波+300t履带吊)进行钢套箱分节拼装,浮吊灵活方便,起吊过程安全,安装快速。

       2.采用普通液压千斤顶及油泵、精轧螺纹钢及配套的螺帽和垫板、上受力型钢结构、下受力型钢结构,整体下放定位。下放过程安全系数高,节约成本。此吊放系统获得实用新型专利。

       PC斜拉桥主梁和斜拉索系统成套施工技术

       本工程主梁标准段采用后支点三角托架挂篮进行施工,与传统的前支点挂篮相比,有自己独特的技术创新点,主要体现在以下几个方面——

       1.在地面上利用短线匹配法,加工定位索鞍管用的大刚度型钢骨架,再将加工好的索鞍型钢骨架,整体吊装到施工作业面上已经预埋的索鞍劲性骨架上,用螺栓进行连接。采用预制劲性骨架安装定位索鞍,此方案具有操作简便,定位准确,调整简单,大大缩短了索鞍的定位精度和定位时间。此安装骨架系统获得实用新型专利。

       2.利用普通千斤顶和高强低松弛钢绞线束,组成的简易连续爬升千斤顶提升系统,整体起吊挂篮就位。这种提升系统具有重量轻、操作方便、安全可靠、成本低、施工周期快、可重复利用等特点。此安装系统获得实用新型专利。

       3.挂篮结构形式新颖,受力明确合理,制作工艺好、自重小、稳定性好。主纵梁采用双排下三角式桁架结构,受力合理,能减轻挂篮重量,制作加工工艺简单。

       4.挂篮行走采用液压油缸驱动的全自动步进行走形式,有效减小了现场施工人员的劳动量,提高施工效率。

前挂腿设置液压油缸伸缩顶推,后挂腿设置行走滚轮,油缸两端分别与行走滑船和滑动锁定装置销轴连接。通过液压油缸的伸缩顶推和后挂腿上行走滚轮,使挂篮向前行走到位。

        该项目的每个分部、分项工程的质量均获得业主JKSB、业主咨工ICE、监理MMSB、中港项目总部的赞扬与肯定。过硬的项目质量得到了业主工程咨询(Arup)桥梁工程专家们的高度评价:“CHEC的槟城二桥主桥工程实施全方位达到了合同约定的质量标准,与马来西亚其他项目和我曾经参与过的项目相比,槟城二桥主桥项目的质量是最好的,CHEC做出了国际一流水准的大桥。”

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图4 挂篮提升系统示意图


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作者单位:中交四航局第一工程有限公司

编辑:陈晨

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