武漢鸚鵡洲長江大橋三塔懸索橋纜索系統(tǒng)施工技術(shù)

李陸平，馮廣勝，羅瑞華

（中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢　430050）

武漢鸚鵡洲長江大橋三塔懸索橋纜索系統(tǒng)施工技術(shù)

李陸平，馮廣勝，羅瑞華

（中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢430050）

武漢鸚鵡洲長江大橋是目前世界上跨度最大的三塔四跨懸索橋。針對三塔四跨懸索橋的特點，采用了兩階段導(dǎo)索過江思路和四跨連續(xù)式貓道結(jié)構(gòu)；主纜索股架設(shè)采用牽引力穩(wěn)定的平面小循環(huán)牽引系統(tǒng)。采取措施成功解決了首根索股架設(shè)中出現(xiàn)的纏包帶易破損、索股易扭轉(zhuǎn)和散絲等技術(shù)難題。

懸索橋；三塔；貓道；主纜；牽引系統(tǒng)；施工技術(shù)

1　工程概況

武漢鸚鵡洲長江大橋主橋為200 m+2×850 m+200 m三塔四跨懸索橋［1］，“三塔”懸索橋中貓道架設(shè)、主纜索股牽引、纜索系統(tǒng)線形控制等相對于“兩塔”結(jié)構(gòu)來說更為復(fù)雜。上部結(jié)構(gòu)主纜橫向布置2根，每根主纜由114根索股組成，見圖1。主纜長約2 285 m，單根索股重約50 t。吊索采用銷接式，吊索上端通過耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與加勁梁上的錨板連接。

2　貓道施工

（1）兩階段導(dǎo)索過江

導(dǎo)索是纜索工程中最先拉過江河的一根鋼絲繩索。本工程采用水面過渡法，即采用拖輪將導(dǎo)索拖拽過江。導(dǎo)索選用2根2 500 m、φ36 mm鋼絲繩（后期當作主纜牽引索）。根據(jù)導(dǎo)索垂度和拖輪航行速度（1.5 m/s），計算得出拖輪蒸汽指示功率為706 HP。實際上、下游各配備一艘功率為1 200 HP的拖輪進行導(dǎo)索過江作業(yè)。

針對三塔四跨懸索橋的特點，兩個主跨采用兩階段導(dǎo)索過江方案。由于2#塔～3#塔之間為非主通航孔，導(dǎo)索過江對航道影響較小，故第一階段先完成2#～3#塔之間的導(dǎo)索架設(shè)（實行交通管制后，上、下游拖輪拖拽導(dǎo)索從3#塔駛向2#中塔）。然后第二階段完成1#～2#塔之間導(dǎo)索過江（對航道封航4小時，上、下游拖輪拖拽導(dǎo)索從1#塔駛向2#中塔），并將導(dǎo)索在2號塔附近與引索連接成整根，形成牽引系統(tǒng)，見圖2。

（2）貓道設(shè)計

貓道是大跨度懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的重要高空作業(yè)平臺［2］。貓道形式通常有連續(xù)式和分離式兩種。與分離式相比，連續(xù)式貓道具有塔頂預(yù)埋件相對較少、貓道線形調(diào)整方便、整根貓道索拆除后可重復(fù)利用，以及對橋塔受力影響比較小等優(yōu)點。為此，本工程采用四跨連續(xù)式貓道。

貓道由承重索、扶手索、門架支承索、面層、門架、塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)、下拉裝置、橫向天橋及錨固體系等組成，見圖3。貓道索距離主纜中心1.5 m，貓道面寬4.0 m。貓道承重索每幅6根，單根長2 277 m，采用6×36WS+IWR-Φ48鍍鋅鋼絲繩，其抗拉強度為1 960 MPa。

為方便上部結(jié)構(gòu)施工，貓道的線形應(yīng)與主纜線形平行。貓道索在制造過程中，必須嚴格按規(guī)范進行預(yù)張拉處理消除其非彈性變形（張拉荷載不小于其破斷荷載的0.5倍，且應(yīng)持荷60 min，并進行兩次），同時要測量出實際彈模和截面積，以便修正貓道承重索最終下料長度。

（3）貓道架設(shè)生孔隙，易松動脫離。在該隧道采用了拱背注漿填充，經(jīng)雷達超聲波檢測，取得了明顯的效果。

（4）鎖腳鋼管必須按設(shè)計要求進行施工。仰拱是控制下沉的關(guān)鍵工序，應(yīng)盡早閉合成環(huán)。

（5）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全，但工序復(fù)雜，速度較慢，成本較高。

圖1　武漢鸚鵡洲長江大橋主纜橫斷面圖

圖2　1#～2#塔主通航孔導(dǎo)索過江示意圖

圖3　貓道斷面布置圖（單位：mm）

先導(dǎo)索過江后，利用主纜架設(shè)用25 t摩擦式卷揚機作為主牽引卷揚機，15 t卷揚機作為副卷揚機，形成往復(fù)對拉牽引系統(tǒng)架設(shè)貓道索。

貓道索架設(shè)時，依次架設(shè)支承索、承重索，然后安裝面網(wǎng)（橫向天橋同步安裝），最后安裝扶手繩、側(cè)網(wǎng)以及照明等附屬工程。

貓道架設(shè)完畢后，按大型施工設(shè)施進行逐級檢查簽證，經(jīng)驗收合格后才能使用。同時，在使用過程中，要加強防火作業(yè)管理。

3　纜索系統(tǒng)施工

（1）牽引系統(tǒng)

考慮到兩個項目部分別位于漢陽、武昌岸，為方便管理，上游側(cè)主纜架設(shè)放索區(qū)設(shè)置在漢陽側(cè)，牽引區(qū)設(shè)置在武昌側(cè)；下游側(cè)主纜架設(shè)放索區(qū)設(shè)置在武昌側(cè)，牽引區(qū)設(shè)置在漢陽側(cè)。每邊放索區(qū)均布置在錨碇后方，占地面積約4 200 m2，在預(yù)留放索支架、卸車空間、行車空間后，放索區(qū)可存放40個索盤。放索區(qū)設(shè)回轉(zhuǎn)支架進行牽引索的轉(zhuǎn)向。另布置60 t龍門吊用于索盤轉(zhuǎn)運，牽引區(qū)布置一臺25 t摩擦式卷揚機提供牽引力，另布置平衡重支架保證鋼絲繩張緊不打滑。

主纜架設(shè)牽引系統(tǒng)一般有循環(huán)式（又分平面小循環(huán)、平面大循環(huán)）、往復(fù)對拉（又分單線往復(fù)、雙線往復(fù)對拉）形式［3］。對于本工程，將“雙線往復(fù)式”和“平面小循環(huán)方式”進行了對比分析，見表1。

根據(jù)表1，從技術(shù)性角度，往復(fù)式同步性較差，牽引力不穩(wěn)定，易出現(xiàn)拉力增加和減少現(xiàn)象，從而造成主纜散絲等問題。從經(jīng)濟上比較，往復(fù)式對主纜架設(shè)的效率提高并不明顯，但往復(fù)式多投入2臺卷揚機且耗電量大。

為此，本工程主纜架設(shè)采用平面小循環(huán)系統(tǒng)牽引方式。該系統(tǒng)上、下游設(shè)置25 t摩擦式卷揚機2臺。貓道繩架設(shè)完成后，將拽拉器移動至25 t卷揚機附近，將貓道索架設(shè)的φ36牽引索的南北錨繩頭臨時打梢錨固，解開拽拉器，將25 t卷揚機內(nèi)的φ36牽引索繩頭，順著貓道通道，采用人工牽引和塔頂卷揚機輔助牽引，將其從漢陽側(cè)（武昌側(cè)）牽引至武昌側(cè)（漢陽側(cè)），最后將φ36牽引索的兩個繩頭連接成平面小循環(huán)，形成主纜索股牽引系統(tǒng)。

（2）索股制造、架設(shè)及緊纜

a.索股制造

首先按要求制作標準長度絲（便于長度控制）、定位標志絲（便于觀察扭轉(zhuǎn)）。然后將127根平行鋼絲索股編成六角形截面形狀的主纜鋼絲索股。鋼絲索股成盤后，最后澆鑄錨頭并按要求進行頂壓。索股批量制造前，要進行3根試驗索制造，并進行靜載試驗，以確定制造工藝是否滿足要求，并提供索股彈性模量，以便監(jiān)控單位計算主纜無應(yīng)力下料長度。

b.索股架設(shè)

主纜是懸索橋的“生命線”，索股架設(shè)質(zhì)量是確保主纜質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)［4］。主纜的架設(shè)采用預(yù)制平行鋼絲索股即PPWS工法。首先將索盤安裝在南（北）錨碇錨后的支架上，利用北（南）錨錨碇后的25t卷揚機，從南（北）錨碇沿貓道向北（南）錨碇用循環(huán)牽引索牽引，牽引過程中索股落于順橋向布置的滾輪上。牽引到位后，檢查索股扭轉(zhuǎn)情況并調(diào)整后，將兩端錨頭臨時與錨桿固定，各鞍座處對索股進行橫移、整形、入鞍。

對于三塔懸索橋而言，主纜索股牽引需要穿過三個塔，為掌握索股牽引力變化情況，對前期7根索股索引過程中的牽引力進行實時監(jiān)測（卷揚機可自動顯示牽引速度、牽引力等）。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計：索股平均牽引速度為27 m/min，索股依次經(jīng)過北錨碇、1#、2#、3#塔時，牽引力呈增漲趨勢，且經(jīng)過第3個塔時卷揚機的牽引力最大（為122 kN）。隨后，牽引力略為降低。7根索股經(jīng)過2個錨碇和3個塔時的牽引力曲線見圖4。

表1　主纜牽引方式（往復(fù)對拉與循環(huán)式）分析比較表

圖4　不同位置索股牽引力曲線圖（單位：kN）

主纜架設(shè)時索股垂度調(diào)整是保證主纜線形的關(guān)鍵，基準索股（即1#、28#索股）采用絕對高程法調(diào)整，以后的一般索股采用相對垂度調(diào)整法（與基準索股處于若即若離狀態(tài)），使其達到設(shè)計精度的要求。

為保證主纜索股架設(shè)后的形狀，當28#索股待架設(shè)完成后，開始安裝V型保持器，將和保持器接觸的索股用鐵絲固定在一起；架設(shè)28#以后的索股開始安裝豎向保持器，確保索股和索股之間平行。

c.緊纜

索股架設(shè)完成后，對主纜進行緊纜作業(yè)。緊纜作業(yè)分為預(yù)緊纜、正式緊纜作業(yè)。預(yù)緊纜時主纜空隙率控制在26%～28%，正式緊纜時索夾處主纜空隙率控制在18%±3%，索夾外主纜空隙率控制在20%±3%。

（3）索夾、吊索安裝

安裝前先將索夾（索夾左右兩半先連成整體）汽運至邊塔位置，后經(jīng)塔吊吊裝，對塔吊吊重范圍內(nèi)的索夾直接吊裝，其余索夾用塔吊吊放至移動吊架上，利用移動吊架運送索夾至相應(yīng)的安裝位置，拆分索夾為左右兩部分，利用移動吊架及手拉葫蘆同時吊升左右兩半索夾，待左右兩側(cè)索夾達到同一高度時穿入螺桿，人工預(yù)緊后，精確調(diào)整索夾位置，利用拉伸器張拉到位。

吊索安裝時，對塔吊吊重范圍內(nèi)的吊索直接吊裝；對跨中長度較小的吊索，可在門架支承索上安裝滑鉤，將吊索下滑到安裝位置安裝；其余吊索可先水運至安裝位置下方，在其對應(yīng)索夾上安裝轉(zhuǎn)向滑輪，用卷揚機鋼絲繩通過轉(zhuǎn)向滑輪吊裝。

4　施工中技術(shù)問題處理措施

（1）主纜索股混編問題

由于主纜索股鋼絲直徑、彈模對其線形影響較大，對于上、下游主纜索股采用不同的鋼絲廠家時，一般需要通過“混編”解決上、下游兩根主纜直徑和變形差異問題。目前已建成懸索橋主纜索股混編”情況見表2。

表2　已建成懸索橋主纜“混編”情況一覽表

武漢鸚鵡洲長江大橋上、下游兩根主纜鋼絲制造和索股編制均為2家，前期初步考慮主纜線形對彈性模量等參數(shù)影響比較敏感，為保證成橋后主纜線形和受力，并結(jié)合施工現(xiàn)場實際條件，擬將兩家鋼絲廠的鋼絲在同一根主纜內(nèi)進行混編處理。后經(jīng)兩個鋼絲廠家對鋼絲直徑、彈模進行檢測，發(fā)現(xiàn)兩家差異很少，故最終未采用混編措施。

（2）索股成束中扭轉(zhuǎn)問題

由于高強鋼絲制作后放置時間過長，導(dǎo)致索股成束中易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。解決方法是采用人工方式將主纜索股起始端和尾端的扭曲進行復(fù)原，即在主纜起始端和尾端索股制作時，采取增加人力資源利用專用索股成型夾具，將已扭曲的主纜索股起始端和尾端在外力作用下調(diào)整到正確位置，從而使主纜索股標準絲、標志絲在正確位置下入盤。

（3）索股架設(shè)時纏包帶破損問題［5］

在首根索股架設(shè)過程中，發(fā)現(xiàn)下游側(cè)索股易出現(xiàn)纏包帶破損問題，經(jīng)專題討論，發(fā)現(xiàn)廠家使用的纏包帶為國產(chǎn)，相比國外進口產(chǎn)品質(zhì)量上有差異，主要表現(xiàn)在國產(chǎn)纏包帶延伸率?。▏a(chǎn)產(chǎn)品僅4.3%，而進口產(chǎn)品至少為20%）易碎斷，且耐磨性差，不能滿足本橋長距離、三次跨越主塔的使用要求。另外，主纜纏包帶間距規(guī)范要求1.5 m，實測間距偏大，纏包帶層數(shù)也偏少。

后經(jīng)改進，嚴格控制纏包帶間距和層數(shù)，且纏包帶改為進口產(chǎn)品后，索股架設(shè)過程中纏包帶破損問題得到明顯改善。

（4）索股架設(shè)時扭轉(zhuǎn)、散絲問題

在首根主纜索股架設(shè)中，發(fā)現(xiàn)索股容易扭轉(zhuǎn)、散絲。解決扭轉(zhuǎn)措施是隔一定距離安裝“魚雷夾”，并在索股架設(shè)中每隔一定距離安排專人監(jiān)護索股的運行情況，隨時檢查和及時處理扭轉(zhuǎn)、散絲等問題。

5　結(jié)語

武漢鸚鵡洲長江大橋上部結(jié)構(gòu)自2013年1月13日先導(dǎo)索過江后，于2013年4月10日至6月24日完成全部114根主纜索股架設(shè)（其中一般索股架設(shè)僅用55 d，平均每天架設(shè)2.1根）。在上部結(jié)構(gòu)纜索系統(tǒng)施工中，采用了兩階段導(dǎo)索過江、四跨連續(xù)式貓道、平面小循環(huán)牽引系統(tǒng)架設(shè)主纜索股等技術(shù)，為今后類似工程提供了借鑒和參考。

［1］李陸平.武漢鸚鵡洲長江大橋中塔基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.橋梁建設(shè)，2015，45（4）:7-12.

［2］楊學祥，張明卓，朱艷，等.大跨度懸索橋施工貓道若干問題綜述［J］.世界橋梁，2007（2）:61-64.

［3］常大寶.泰州長江公路大橋主纜架設(shè)施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.公路，2012（3）:62-65.

［4］葉覺明.三塔懸索橋主纜系施工應(yīng)用技術(shù)問題分析和探討［J］.橋梁建設(shè)，2008（1）:69-72.

［5］王紅霞，朱治寶.懸索橋主纜索股架設(shè)常見問題分析及處理措施［J］.世界橋梁，2007（2）:22-24.

U445.4

B

1009-7716（2016）06-0198-04

2016-02-15

李陸平（1978-），男，湖北建始人，高級工程師，從事橋梁施工工作。