随着社会的发展, 近年来大跨度钢管混凝土拱桥得到空前发展, 其施工方法也逐渐呈现多样化, 如支架法、悬臂拼装法、转体法、悬索吊装法、缆索吊机及扣挂法等^[1]。每种施工技术又有很多地方不尽相同。一般说来, 在场地狭小或者交通受限时, 大跨度钢管混凝土拱桥大多采用缆索吊机及扣挂法施工技术, 经实践证明, 大跨度钢管混凝土拱桥采用缆索吊机及扣挂法施工技术, 是结构最为合理、施工最为快捷有效、最为经济实用且安全的施工技术。

新建拉林铁路藏木雅鲁藏布江双线特大桥 (以下简称藏木特大桥) 位于西藏自治区加查县桑加峡谷内。大桥主跨采用中承式提篮钢管混凝土拱桥, 计算跨径430m, 矢高112m, 矢跨比1∶3.84, 提篮拱结构采用4.609 1°内倾角。拱肋采用变管径、变厚度的耐候钢管, 四肢桁式截面, 每隔8m设平联杆横向连接, 上、下钢管组合截面按悬链线方程变高度设计。藏木特大桥桥式布置如图1所示。

藏木特大桥桥位距藏木水电站大坝上游1.2km, 跨越水深达66m的藏木雅鲁藏布江, 桥下水流湍急, 河床下切较深, 两岸地形复杂, 山体花岗岩风化严重且破碎, 多向顺层卸荷裂隙发育, 多条宽大冲沟深切谷底。拉萨岸拱座位于雅鲁藏布江中, 且水下边坡陡斜。桥位地形及环境如图2所示。

桥址处风向多与河谷走向一致, 10月下旬至次年5月为大风季节, 一般每天14:00开始, 风力平均8～9级, 最大可达11～12级。桥址区降雨量为450～1 000mm, 大部分集中在5—10月, 尤以7—8月为甚, 当年9月至次年4月为旱季。年平均气温9.3℃, 极端最低温度-12℃, 存在年温差小而日温差大、阴坡与阳坡温差较大的特点。

主桥拱肋分58节段吊装, 最大质量约250t。拱肋总体施工方案采用悬索吊机及扣挂法施工, 即从两岸拱座向跨中方向分节段悬臂扣挂法拼装, 跨中合龙。拱肋、横撑等在工厂分节段制造完成后, 下河装船, 通过船舶沿雅鲁藏布江向下游运输至桥位, 抛锚定位, 缆索吊机起吊安装^[2,3]。

桥位处存在地形复杂多变、山体花岗岩风化严重且破碎、宽大冲沟密集、悬崖陡斜、两岸拱脚附近施工场地极为狭小等受限的条件和峡谷内12级大风、昼夜最大温差达30°的不利工况, 为解决大桥钢管拱肋安装, 因地制宜设计建造出一种新型缆索吊机进行钢管拱节段悬臂扣挂法拼装, 缆索吊机钩下最大控制吊重为250t。

在缆索吊机建造前, 针对桥位实际地形、地貌, 将架拱所用的缆索吊机采用常规方案 (两塔架均设在拱座后) 和特殊方案 (一塔架远离拱座, 一塔架设在山顶) 进行设计比选。常规缆索吊机方案如图3a所示, 特殊缆索吊机方案如图3b所示。缆索吊机设计方案比选具体如表1所示。

经过比选并综合考虑施工成本、安全和进度, 藏木特大桥钢管拱肋架设最终选用了方案1 (即特殊缆索吊机方案) 。

根据设计方案比选, 本桥特殊缆索吊机设计采用不对称、不等边跨、不等高塔架、同一侧塔架使用高低腿、扣缆塔合一型、缆索在塔顶后锚双横移的布置形式。缆索吊机林芝岸塔架布置在远离拱座的陡峻山顶上, 拉萨岸塔架布置在拱座后方不远处, 布置跨度为165m+610m+89m, 设计控制质量为250t, 采用2×125t缆索吊钩抬吊。缆索吊机设计跨度为610m, 设计控制垂度为L/12 (L表示缆索吊机两塔架中心间距) 。缆索吊机总体布置如图4所示。

两岸塔架均采用缆塔与扣塔二塔合一的结构形式, 缆塔与扣塔间用长铰轴进行连接。两岸塔架均采用钢管节段组拼, 且均为桩基承台基础。缆索吊机扣锚索系统的后锚碇和拉萨岸后锚碇采用桩基承台锚, 林芝岸后锚碇采用不等高组合式锚碇基础。两组承重主索在后锚碇及缆塔顶均能横移, 单组承重主索最大横移距离为25m。

全桥两组承重主索组成1套吊装系统, 每组主索采用1260钢芯钢丝绳, 并有相应228纤维芯起重索 (配12t卷扬机, 走12) , 232纤维芯牵引索 (配15t卷扬机, 走4) 等与之配套。整套系统共4个吊钩, 以便进行钢管拱肋空中姿态调整^[4]。缆索吊机索及跑挂系统如图5所示。

1) 针对两岸位置受限条件下不对称缆索吊机设计为了顺应山体地形, 采用两岸边跨不对称、两岸塔架位置不对称 (主索跨中与拱肋跨中不重合) 、两岸塔架高度不对称、两岸塔架顶标高不等高这些不对称设计有效解决山体地形地貌及不利地质条件的影响, 此种结构设计形式还需加大研究不对称造成的主索吊装净空影响、边跨索体不同跨径对主索垂度的影响、扣锚索不对称受力对塔架结构的影响等, 计算内容更多更细, 计算精度要求更高, 计算更为繁杂。缆索吊机两岸塔架如图6所示。

2) 针对山体陡峭边坡条件下同一侧塔架采用高低腿设计林芝岸因山体地形受限, 山体下方又紧邻桑加公路, 无法进行大范围、大方量的山体爆破, 故塔架结构采用左右幅不对称高度结构设计, 有效减少山体爆破开挖量, 对高原脆弱生态破坏更小;为了调整由于高低腿造成上下游侧塔架刚度不一致的情况, 通过建模模拟计算, 增加部分连接系杆件, 使上下游塔架支腿受力更均衡。该结构设计具有显著节省成本的优点。缆索吊机高低腿塔架如图7所示。

3) 针对拱座和后锚场地狭小条件下的扣缆合一型塔架设计缆索吊机塔架是由缆塔系统和扣塔系统组成, 缆塔负责支承承重主索、牵引索、起重索等, 主要承受吊装时的索力;扣塔负责斜拉扣挂钢管拱节段, 一般独立设置。该扣缆塔合一型塔架的关键技术是将吊装缆塔设置于扣塔上方, 中间通过长铰轴连接传递竖向力, 又能有效减小缆塔吊装时对扣塔产生的附加弯矩, 在现场施工场地极其狭小的条件下该种设计结构在高原首次应用, 具有场地使用面积小、大大减小钢结构用量、施工周期短等优点。缆索吊机扣锚合一型塔架如图8所示。

4) 塔顶和后锚双横移技术这种技术是指缆索系统在塔顶和后锚均进行横移的方式, 由于两岸边跨小, 钢管拱为提篮拱, 空间角度变化较大, 采用缆索吊机节段架设时, 需实时移动塔架索鞍和后锚卷扬机。该技术在高原首次采用, 虽然增加横移工作量, 但能大大减小山体爆破开挖量, 减少缆索使用量, 使用性较广, 节约工程造价约800万元。缆索在塔顶和后锚均横移, 如图9所示。

5) 针对陡峭山体边坡条件下分离式、组合式锚碇的设计技术在实地考察过程中, 林芝缆索吊机后锚碇 (5) 位于垂直坚硬山体下方, 为有效利用地形, 并节省成本, 首次采用高低桩基不等厚承台锚结合岩锚的组合式锚碇, 上下游侧锚碇承台厚度相差7m。上游侧的承台后方布置52束直径130mm、7根钢绞线的岩锚, 锚索的锚碇 (4) 的一部分锚索布置在锚碇 (5) 上游侧对应位置。锚碇 (4) 根据实际山体地形设置成上下游分离式锚碇。该种设计技术因地制宜, 具有结构新颖、减少投资等显著优点。不等高组合式锚碇如图10所示。

缆索吊机林芝岸塔架和后锚碇设置在陡峻山上, 材料运输困难。经过踏勘并结合现有地形, 在桥位右侧约30m设计修建跨度为945m、吊重8t的小型工作索吊装系统, 工作索覆盖全桥范围, 运输材料和机械设备。8t工作索布置示意如图11所示。

由于山体地质破碎, 缆索吊机两岸塔架均采用桩基承台基础, 扣锚索系统的后锚和拉萨岸后锚碇采用桩基承台锚, 林芝岸后锚碇采用不等高组合式锚碇基础。各类基础均要开凿出坚实的岩面, 造成开挖方量大, 需挖掘机自修便道上山, 分层分台阶爆破山体边坡平整场地, 同时防护边坡。凿岩机等机械设备拆散成几部分, 工作索吊装上山拼成整体, 代替人工爆破开挖提高工效。桩基采取人工挖孔施工, 承台按大体积混凝土施工, 混凝土用32MPa高压地泵沿边坡输送浇筑。

1) 塔架拼装施工塔式起重机安装林芝岸山顶塔架施工前通过8t工作索先在工作索下方拼装1台WQD10动臂塔式起重机, 将动臂塔式起重机向上游侧滑动一段距离后固定, 用动臂塔式起重机在上游侧 (即林芝岸塔架立柱下游侧) 拼装1台JP7527塔式起重机;拉萨岸塔架立柱上下游方向用50t履带式起重机对称布置1台JP7525B施工塔式起重机。

2) 扣塔管柱安装施工塔架节段均在钢结构加工场进行制造、预组拼。林芝岸山顶塔架上下游支腿承台高差达28m, 结合运输和吊装条件, 塔架钢管节段拼装为双肢管 (<8t) , 通过8t工作索分别吊装上山, 塔式起重机先低处再高处安装管节, 同步安装管柱间连接系。拉萨岸通过隧道运输节段至桥位旁, 通过塔式起重机安装。

3) 扣塔架顶钢桁梁安装塔架顶钢桁梁在现场采取杆件散拼方式施工。安装顺序为:下弦杆→平联、竖杆及斜杆→上弦杆, 杆件之间均通过高强螺栓栓接。

4) 缆塔与扣塔对接安装两岸塔架均采用缆塔与扣塔二塔合一的结构形式, 缆塔设2根支腿, 每一缆塔支腿下底铰板通过长铰轴与扣塔钢桁梁顶面下铰座连接, 2根长铰轴中心要求同轴。下铰座结构安装在扣塔顶钢桁梁顶部, 下铰座结构包含下铰座、分配梁、垫座3个部分, 均采用塔架吊装就位、现场焊接。

5) 缆塔安装施工缆塔立柱钢管采用双肢管分段吊装, 在钢结构加工场进行制造、预拼装。林芝岸缆塔管节通过8t工作索吊装上山, 塔式起重机安装;拉萨岸缆塔管节直接通过塔式起重机吊装。缆塔横梁均采用先悬臂安装后合龙杆件的方式施工。

1) 塔架钢管节段拼装采用双肢管吊装、螺栓连接, 双肢管在加工场内采用“2+1”提前预拼, 确保现场对接方便, 结构安装匹配精度高, 质量有保证, 且速度快。

2) 扣塔顶钢桁梁杆件均通过高强螺栓连接, 在加工场内整体预组拼, 拆散成吊装段, 编号后运输、吊装及安装就位, 精度极高, 安装速度快。

3) 扣塔和缆塔之间通过长铰轴进行连接, 2根长铰轴上下游各自标高偏位均要一致, 在上下游整体相差为0的精度下进行安装, 保证结构转动。

安装后锚卷扬机, 人工配合卷扬机在拉萨岸塔架后方进行放索, 首先安装压塔索、前后缆风索, 再安装循环索 (临时用牵引索代替, 最后进行转换) 、承重主索、起重索、牵引索, 最后安装电气设备。索系统安装施工关键点如下。

1) 展索施工由于承重主索自重大, 加上制造时索股打盘产生的内力大, 需采用专门的放索转盘进行放索, 将在索盘中的主索进行展索, 消除索体本身尚未全部消除的扭力 (本桥索体已在工厂内进行过退扭) ;然后通过放索滚筒、卷扬机和刹车设备逐步放索并牵引。

2) 循环索形成循环索是过索最重要的设备, 通过它往返才能进行后续索体安装。本桥循环索采取往返式。先通过8t工作索将1根长钢丝绳两端分别牵引至两岸山顶, 然后两端分别进入两岸的各1台卷扬机, 形成往返牵引的循环索;然后又通过第1根循环索牵引形成第2根循环索。

3) 主索调整主索为缆索吊机承重系统的最关键构件, 为保证各根主索受力大小一致, 且延长跑车钢轮使用寿命, 必须保证主索的线形、标高与设计一致。过索时先进行粗调, 在每根主索索头10m处做上标记, 然后后续各根主索均以对应的参考点进行钢丝绳夹头固定, 各根主索都安装完成粗调后, 采用高精度测量仪器精调第1根基准索, 在后锚碇处采用千斤顶配合精轧螺纹钢张拉调整主索索长及跨中标高至设计值, 其余主索均以该索为参考精调。

为了检验缆索吊机结构安全和工作性能, 对验收后的缆索吊机进行试吊, 试吊荷载采用藏木特大桥钢管拱肋第2节段加配重进行1.1p (p=250t) 动静载试验、1.25p跨中静载试验等两大项试验^[5], 试验时按60%荷载和满载加载试吊。试吊过程中采用测量仪器对缆索吊机塔架基础、锚碇基础位移及沉降以及塔架桁架变形偏位进行监测, 另外对塔架钢管立柱应力、扣索索力、承重主索索力及应变进行监测。加载过程中, 认真观察记录, 并对各项数据进行自动采集并分析, 发现异常情况及时处理。

1) 严格按照审批的试吊方案和步骤试吊, 在不同步骤和工况下, 对比分析实测数据和理论计算数据。

2) 钢管拱节段脱离船体时重心不断变化, 缆吊4吊钩受力不均, 在试吊过程中实际模拟拱节段起吊离船工况。

3) 严格监控缆索吊机重要结构部位和薄弱点位置, 进行结构应力和应变监测, 并与实际建模验算数据进行对比分析, 指导后续施工。

缆索吊机设计时结合实际地形, 将两岸塔架根据地形分别设置在拱座后、山顶上, 减少用钢量, 并采取在塔架基础施工中优先采用机械代替人工、塔架拼装采用工作索和塔式起重机等机械设备加快进度。在满足受力条件下采用钢丝绳 (长钢绞线施工极易打绞) 作为缆风绳更具施工便利性。

拉林铁路藏木特大桥因地制宜设计采用了不对称、不等高、不等边跨大跨度扣缆塔合一型双横移式缆索吊机, 并采取一系列建造技术, 有效地克服了高原恶劣气候、陡峭峡谷地形的影响, 加快施工速度, 节省大量钢材和成本, 创造了良好的经济及社会效益, 开创了高原缆索吊机建造使用的先例, 保证了国内外铁路第一大跨中承式提篮钢管拱桥的顺利施工, 为高原河谷陡峭地形条件下拱桥施工提供了可借鉴的范本。