无塔架带载横移缆索吊机架设施工控制技术-尖山沟特大桥

无塔架带载横移缆索吊机架设施工控制技术

-尖山沟特大桥

王蔚 陈维 倾涛

(中铁大桥局集团有限公司，武汉430000)

摘要：缆索吊装作为大跨度桥梁施工的重要方法，在深水、河谷、通航繁忙的河道、复杂地形等地形条件受限制时具有显著的适用性和优越性，在应用于拱桥施工中，可采用无支架方法进行拱肋节段安装，缆索吊机作为拱肋垂直起吊和纵向运输的大型吊装设备，其架设安装工艺将直接影响拱桥施工的质量和安全，决定着施工的成败。而无塔架带载横移缆索吊机由于其主索与锚碇锚索方向不一致，受力复杂，架设安装难度大，在实际施工中并不多见，本文通过对复杂环境下尖山沟特大桥无塔架带载横移缆索吊机架设施工过程的阐述，归纳总结了架设过程中的关键控制技术，以供类似工程借鉴。

关键字：缆索吊机 拱桥 无塔架 带载横移 架设控制技术

0引言

缆索吊机由于跨越能力强，承载能力大，安全稳定性高等优点，已成为无支架拱桥施工中一种常见的吊装设备，带塔架具备横移功能的的缆索吊机应用越来越普遍，其架设施工技术已趋成熟，但无塔架且具有横移主索功能的缆索吊机由于受交通运输及锚碇施工环境的限制，往往受力复杂，架设施工难度大，精度控制严格，具有一定的风险，因此很有必要对无塔架带载横移缆索吊机架设施工技术进行分析研究。

1工程概况

尖山沟特大桥是武九高速公路上的一座大型桥梁，桥址区位于文县尖山乡，跨越尖山沟，桥梁跨径布置为：左幅2×25m+14×16.8m+5×25m，右幅5×30m+14×16.8+4×30m；主桥采用计算跨径220m的上承式钢管混凝土变截面桁架拱，拱轴线采用悬链线，拱轴线系数m=1.28，矢高h=44m,矢跨比f=1/5，左右幅相同布置，两幅桥之间净间距为30m。单幅桥拱肋分2榀，钢管间距为2+6+2m，两榀拱肋之间设置米字撑，每榀采用等高等宽的桁架结构，高度4.8m，宽2.9m，拱顶轴线中心点到山谷底高差约115m，到拱肋预拼场顶面高差约93m。

全桥拱上设置13个立柱，拱上立柱采用平缀格构式钢管混凝土排架结构，各柱肢分别固定于拱肋上弦杆，柱肢顺桥向中心间距1.2m，横桥向中心间距2.0m；立柱帽梁采用空心矩形薄壁等截面钢箱结构，截面尺寸为2000×1350mm，采用工厂分段制作、加工，运至桥位处进行吊装；帽梁上设置支座安放桥面系，桥面系采用格构式钢混组合结构。

图1 尖山沟特大桥主桥立面图（单位：cm）

综合考虑，特大桥使用缆索吊机吊装，拱肋采用钢绞线斜拉扣挂法悬臂拼装，设扣塔和扣、锚索固定拱肋节段，根据监控指令调整应力、线形，拱肋于跨中合龙，合龙后进行拱上立柱、帽梁、纵横梁及桥面板安装。

2缆索吊机简介

2.1缆索吊机总体布置

根据大桥的设计特点及桥位处地形地质条件，将主缆索吊跨径布置为660m，采用无塔架结构形式，锚碇采用预应力岩锚，考虑单幅拱桥双榀拱肋，在锚碇上设置滑道梁和横移鞍座，承重索锚固在横移鞍座上，构件吊装时通过横拉千斤顶牵引鞍座在滑道梁上移动，从而使构件横移到设计位置。承重索由8根60mm的钢丝绳组成，其上布置2台起重跑车，跑车间用钢丝绳相连，在桥跨两端布置有牵引卷扬机和起重卷扬机，缆索吊系统布置见图2。

图2 缆索吊系统布置图

2.2缆索吊机主要构造及组成

缆索吊机由锚碇系统，横移系统、缆索系统、起重系统、牵引系统、扣锚索系统等组成。

2.2.1锚碇系统

在武都侧和九寨沟侧各设置一个锚碇用于承重索和后锚索的锚固，后锚碇采用预应力岩锚，设置18束8-A15.24的高强度钢绞线锚索，锚索通过型钢分配梁锚固在锚碇体混凝土上。

2.2.2横移系统

为方便全桥各类构件的吊装需求，将承重索设计为横向可移动式，横移范围为8m，通过鞍座在滑道梁上横移实现，主索锚固在鞍座上，鞍座嵌套在滑道梁上，滑道梁通过分配梁固定在后锚碇上，横移系统布置如图3所示。

图3 横移系统布置图

2.2.3主索系统

承重索采用8根间距30cm的钢丝绳组成，设计吊重60t，安装垂度37.122m,最大垂度47.1m，矢跨比12.74，承重索最大张力安全系数大于3，承重索上包含2台吊重40t的滑车，天车采用并列8走行轮结构。

2.2.4起重系统

起重索采用A32钢丝绳，过天车滑轮走8线布置，使用15t卷扬机做动力，两侧共2根起重钢丝绳，2台起重卷扬机。

2.2.5牵引系统

牵引索采用A36钢丝绳，使用20t卷扬机做动力，两侧共2根牵引钢丝绳，2台牵引卷扬机。

每侧的起重卷扬机、牵引卷扬机并列安装，组成卷扬机群，两侧均位于后锚碇前方，武都侧在草垭隧道出口的路基侧面设置，九寨沟侧位于尖山沟底栈桥处设置位置。

2.2.6扣锚索系统

拱肋节段吊装到位后，安装并张拉扣索和锚索，张拉端设置在交接墩顶的扣塔上，由扣塔及相应的扣锚索受力，扣锚索采用钢绞线，安全系数大于4。

3缆索吊机的安装

缆索吊机的安装主要包括锚碇系统的施工，横移系统安装，牵引索的安装，承重索的安装，天车的安装及起重索的安装，电气安装与调试等方面。

3.1锚碇系统的施工

缆索吊锚碇采用预应力岩锚，主缆索吊锚固系统主要材料由架设完成的工作缆索吊运输。缆索吊锚固系统现场施工流程如下：

1）岩面修整

放样出开挖线，用人工从上而下修坡，并在开挖位置上方增设截水天沟，避免雨水侵蚀，引起塌方。

2）锚孔钻设

采用干钻法施工，首先用全站仪在岩面上测设出孔口位置，调整钻机纵、横向位置及钻杆角度，当钻进达到设计深度后，稳钻1～2分钟，使用高压风(风压0.2～0.4MPa)将孔内岩粉清除出孔外，然后对终孔孔径、孔深和角度进行检查验收。

3）锚索体制作及安装

锚索单根索体在车间生产，施工现场组装，其制作流程为：下料→编索→组装导向帽及波纹管→验索→存放。

4）锚固注浆

锚索注浆以形成锚固段并为锚索体提供防腐保护层，注浆效果好坏将直接影响到锚索的锚固性能，采用M30水泥浆在1～2Mpa的压力下进行灌注，灌浆自下而上一次连续施灌。

5）垫层施工、分配梁安装

垫层钢筋绑扎完成后，准确放样出分配梁及波纹管位置，利用工作吊由料斗吊至岩锚施工区域进行浇筑，待混凝土强度达到设计要求后利用工作吊进行分配梁安装。

6）张拉锁定

锚索通过锚具锚固在分配梁上，锚索张拉按照：预紧→0.25P→0.5P→0.75P→1.0P→稳压锁定荷载P’(P为设计荷载，P’为100t锁定荷载)，除最后一次持续30min外，其余四次加载持续时间均为5min。

7）拉拔试验

在设计孔位的侧面2m位置（与锚碇地质条件相近）按照设计钻孔要求和标准钻设一根试验孔，按照工艺流程装束，注浆，进行拉拔试验，以验证锚索的锚固力。

3.2横移系统的安装

横移系统由滑道梁和横移鞍座组成，在加工厂加工完成后运到工作吊轴线下方进行吊装，滑道梁与分配梁通过销轴连接，鞍座通过凹凸滑道嵌套在滑道梁上，由于单个滑道梁近20t重,15t工作吊无法一次吊装，采用分段加工安装，安装完成后再将两段滑道梁现场对接。承重索锚固在鞍座上，通过横移千斤顶牵引鞍座在滑道梁上滑动来实现主索及吊物的横移，鞍座与滑道梁之间的滑动面，涂4mm的不锈钢板，涂油润滑，并定期检查，保持摩擦面清洁，摩擦系数≤0.1。

3.3卷扬机及电气系统的安装

牵引索、承重索、起重索的牵引和安装通过卷扬机的收放完成，因此缆索牵引之前需要进行卷扬机及电气系统的安装，在桥跨两侧的卷扬机存放场各布置一台20t牵引卷扬机和一台15t起重卷扬机，卷扬机基础采用重力式扩大基础，基础的尺寸和稳定性均经过计算确定；浇筑基础时根据卷扬机的尺寸预埋定位钢板，用于卷扬机的固定。卷扬机安装完成后，安装电气柜、操作室、铺设电缆，然后对卷扬机进行调试，保证在操作室能观察卷扬机的运行情况并能控制卷扬机的启动或停止。

3.4牵引索、承重索、起重索、天车、支索器的安装

为减少牵拉绳索摩擦山体造成坡面碎石滚落，影响下方人员和车辆的通行安全，绳索牵拉之前，将两侧山体坡面碎石做集中排险，山体较破碎位置设置主动防护网进行坡面防护，绳索与便道交叉位置设置A325钢管防护棚架，并将架设所需绳盘倒运至九寨沟侧卷扬机存放场以备牵索。

1）牵引索安装

缆索吊牵引索采用φ36mm（6×37S+FC）钢丝绳，武都侧和九寨沟侧牵引索同时牵引，武都侧通过临时8t辅助吊辅助牵引，九寨沟侧通过设置在锚碇处的10t卷扬机穿φ22钢丝绳辅助牵引，牵引绳的绳头穿过两侧锚碇上设置的牵引索竖向和水平转向轮后，再利用设置在预拼场的10t卷扬机将牵引索绳头牵拉至预拼场用绳套卡环对接，然后两侧的牵引卷扬机同时启动收紧牵引索至设定垂度，待天车安装完成后，将两根牵引索绳头分开，分别穿过两台天车上牵引装置转向轮进行锚固。

2）承重索安装

缆索吊承重索采用φ60mm（6×37S+FC）钢丝绳8根，全部由九寨沟侧向武都侧牵引锚固，首先利用设置在锚碇处的10t卷扬机穿φ22钢丝绳辅助牵引承重索绳头锚碇处，穿过横移鞍座内绳槽，再将绳头连接在牵引索对接位置，启动两侧的牵引卷扬机，武都侧收紧，九寨沟侧放松，用牵引索带动起重索绳头至武都侧锚碇处，最后将绳头穿过横移鞍座绳槽用卡环锚固，卡环数量15个，间距40cm。在由九寨沟侧向武都侧牵引承重索的过程中，在绳索上每隔10m做刻度标记，以便进行承重索垂度的调整。

3）承重索垂度调整

缆索吊安装过程中关键的是承重索垂度的调整，待武都侧承重索锚固完成后，利用固定九寨沟侧锚碇正面的滑轮组，连接在承重索上面的滑车组和固定在锚碇顶面的10t卷扬机提拉承重绳进行垂度调整，由10t卷扬机作为调整垂度的主要设备，通过卷扬机上的φ22钢丝绳穿过两个滑轮组1变10将拉力传递至承重索，另准备10t导链葫芦，以便进行垂度的微调。

承重索垂度调整采用绳长和垂度双控，以垂度控制为主。首先计算设计垂度下的标准绳长，再根据标准绳长和武都侧锚固点上的刻度，计算出九寨沟侧锚固点上的刻度，调整垂度过程中派专人观察，待垂直调整到位后，利用全站仪进行复测。

准备工作完成后启动10t卷扬机，通过收紧φ22钢丝绳，来收紧承重索调整垂度，当承重索锚固点上的刻度接近计算锚固点刻度时，缓慢启动卷扬机，当达到规定绳长刻度时，将承重索用卡环临时锁紧，利用全站仪对垂度进行复测，如垂度满足要求则将承重索用卡环锁死锚固；如垂度不满足要求，则将卷扬机的φ22钢丝绳转移到10t导链葫芦上进行垂度微调，直至垂度合格后，再将承重索用卡环锁死锚固。

8根起重绳之间的间距为30cm，为避免全站仪观测时起重绳之间的干扰，也为后面起重绳提供参照，起重绳牵引自右侧向左侧依次进行，垂度调整时要求偏差在20mm以内，起重索安装调整参数如下表1所示：

表1 缆索吊机承重索安装调节参数表

由于日照温升对缆索吊承重索的垂度影响较大，故承重索垂度调整选择低温无大风的情况下进行，每根承重绳垂度调整选择时间一致，本缆索吊机承重索垂度调整选择在下午15～17点的时间段进行。

4）天车安装

缆索吊8根承重索垂度全部调整完成并锚固后，利用15t工作吊在九寨沟侧锚碇处进行两台天车的安装。天车主要由牵引动滑轮组、起升动定滑轮组、走行滚轮、拉索等组成，分别按照牵引动滑轮组、起升动定滑轮组拼装成两大部件，首先利用15t工作吊将天车牵引动滑轮组安装在承重索上，再整体吊装已组装完成的起升动定滑轮组，用组合轴将天车上下联成整体，完成两台天车的安装，天车之间用12m长的φ36钢丝绳作为连接绳。天车安装完成后将对接的两根牵引索分开，牵引索绳头分别穿过两台天车上的索引装置转向轮进行锚固，完成剩余牵引系统的安装。

5）起重索和分索器安装

利用固定在锚碇上的10t卷扬机将起重绳绳头牵拉至锚碇处，绳头穿过水平和竖向转向轮后临时锚固，待天车在九寨沟侧安装完成后，将起重索的绳头按导8线穿过天车上、下挂架定位轮并临时锚固在天车上。启动牵引系统，将天车向武都侧牵引，牵引过程中，将九寨沟侧分索器定位绳锚固于与天车连接的分索器上，并按每隔60m固定一个分索器。待天车牵引至武都侧锚碇后，将九寨沟侧起重索绳头牵出锚固在武都侧锚碇上，并以同样的方式安装武都侧起重绳，完成后将天车牵引至九寨沟侧，过程中按每隔60m固定一个分索器进行武都侧分索器安装，九寨沟侧和武都侧分索器各安装10个，天车牵引至九寨沟侧锚碇处后，将武都侧起重索锚固在锚碇上完成起重索的安装。

3.5调试及试验

缆索吊机各构件安装完成后，进行整机的联调联试工作，首先进行卷扬机启停和制动机构的调试，调试完成后进行整机工作，调试过程中联合对缆索吊机锚碇系统和横移系统的进行检查验收，合格后按照先空载试验，再负载试验的顺序进行试吊，负载试验依次试验50%额定重量、100%额定重量、110%额定重量动载，最后试验125%额定重量静载。

4结论及建议

尖山沟特大桥缆索吊机安装完成，试吊过程中对锚碇系统、横移系统、缆索系统、电气及卷扬机系统检查均未发现异常情况，经过试验验证了无塔架带载横移缆索吊机安装的可靠性，对安装过程进行总结，有以下几点体会，供此后同类型缆索吊机架设参照：

（1）锚碇系统方面：锚碇混凝土施工过程中，预埋件和分配梁的预留位置难免出现偏差，导致分配梁的定位安装困难，而且安装完成后分配梁未与锚碇混凝土固结，缆索吊机运行中产生的抖动会带动分配梁抖动，使得利用锚索锚固并承受主索拉力和自重的分配梁受力更加复杂，从而对只能承受轴向拉力的锚索产生不利的影响。能否考虑将分配梁与锚碇混凝土做固结处理，这样既有利于施工控制，又有利于保证整个锚固系统尤其是锚索的受力安全。

（2）横移系统方面：横移鞍座和分配梁间通过销轴连接，销轴孔的同心度偏差要求不大于2mm，无论是加工厂制造还是现场安装都很难达到此精度，这就导致滑道梁现场对接困难，对接接口形成错台，滑移面摩擦系数增大，对后期吊装过程中鞍座的带载横移有一定影响。能否考虑改变分配梁与滑道梁的连接方式使现场安装便利，并考虑吊装条件调整滑道梁重量，使得加工后滑道梁能够整根吊装，以减少现场对接接头，确保滑移面的摩擦系数满足要求。

（3）承重索调整垂度过程中，每一根承重索均需调整垂度，承重索间的垂度偏差难以控制，而且在后期运营过程中，承重索的垂度还会出现一定量的变化难以调整。能否将多根承重索设计为一根穿过滑轮转向的整索，这样不仅调整容易，而且后期即便垂度发生变化，也能自动调节，保证多根承重索垂度一致。

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