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快速化工程案例:節段預制拼裝建造工藝的最新應用
作者:原創 文章來源:本站 點擊數:2182 更新時間:2019/5/17 18:16:54 【字體:

快速化工程案例:節段預制拼裝建造工藝的最新應用

林有心

鄭州市四環線及大河路快速化工程位于鄭州市主城區的外圍,由大河路、東四環、南四環及西四環組成閉合環線,途經鄭州市惠濟區、金水區、鄭東新區、經開區、管城區、二七區、中原區、高新區,路線全長約93.03公里。

1 項目總體布置圖

項目道路全線采用城市快速路設計標準,設計速度80km/h。規劃控制總寬度180m(其中道路紅線寬80m,兩側各有50m寬綠化帶)。西四環、大河路(107輔道以西段)、南四環采用高架快速路形式,標準橫斷面組成為:高架快速路(雙向八車道)+地面主干路(雙向八車道)+輔路;大河路(107輔道以東段)、東四環采用地面快速路形式,標準橫斷面組成為:主線地面快速路(雙向十車道)+輔路。全線高架快速路長63.624km(新建56.536km,現狀7.088km),地面快速路長29.406km。道路全線與現狀及規劃各等級道路相交150多處,與主要河(渠)道交叉并跨越21處,與鐵路交叉12處(其中下穿高鐵8處,上跨普鐵4處),與軌道交通線交叉22處。

2 西四環-科學大道立交效果圖

除了63.624km高架快速路、29.406km地面快速路外,該工程還包括有27座互通立交(其中:新建立交15座、改造現狀立交7座,利用現狀立交5座)、36對上下匝道、6座車行下穿隧道,另外道路排水、照明、交通安全設施與智能交通、聲屏障、綠化景觀,總投資約378.97億元。其中:西四環約113.45億元,大河路約103.01億元,東四環約47.88億元,南四環約114.63億元。西四環及鐵路代建段由市財政直接投資建設,大河路、東四環及南四環采用PPP模式投資建設。計劃工期為高架主線18個月,其他24個月。將于20196月底全部高架主線建成通車,其中西四環地面道路同時建成通車;2019年底前全線地面道路建成通車。

高架橋梁設計方案

總體設計

橋梁總體設計方案在優先采用節段預制箱梁的同時,也因地制宜地選用了支架現澆箱梁、預制小箱梁、斜拉橋、鋼箱梁橋等其他橋梁型式。節段預制拼裝橋梁是本項目的主體,約占全線橋梁的七成,另外還有三成為其他多種橋梁型式。比如:在橋下不行車的地面跨河輔道橋、與既有小箱梁對孔布置的新建跨河橋梁采用造價便宜的預制小箱梁;在變寬、異形及小半徑曲線地段,采用適應性好的支架現澆連續箱梁;在特殊節點還采用了斜拉橋、鋼箱梁橋及鐵路節點轉體大跨度連續梁橋。由此形成的橋梁總體方案各采所長,集安全、經濟、高效、環保、綠色于一體。

結構設計要點

1.至簡至美:主梁線條簡潔明快、棱角分明、現代經典;路中橋墩由墩底向上以130比例橫向放大,整體上富有向上挺拔的力量感;路側橋墩收腰造型,與主梁的簡明干練相得益彰。

2.標準化設計:標準化設計引導標準化施工,設計師對工業化施工的追求是無極限的,對預制節段的長寬高、最大運輸重量、節段劃分、內輪廓尺寸、齒塊位置、齒塊大小、錨槽尺寸等進行了近乎苛刻的標準化設計,以期達到提高預制、運輸及架設效率的目的。具體措施如下——

4 5種基本主梁截面示意圖

5種基本斷面適應20種橋梁斷面型式

市政橋梁的特點之一是橋面寬度多,兩車道、三車道、四車道、五車道及六車道在本項目均有體現,由此造成橋梁斷面類型約20種。在標準化建設的理念下,設計師對各種斷面進行了梳理歸納,擬定出5種基本斷面就可適應各種橋面寬度的變化。

10種基本跨度適應100種跨度組成

市政橋梁的特點之二是跨越構筑物多、控制節點多,給橋梁結構帶來的影響是跨度范圍大。本項目主線標準梁的基本跨度范圍是3646m,一般情況下橋跨組成約100種。在標準化建設的理念下,設計師將基本橋跨組成限制在10個左右,極大程度上減少了預制節段的類型,進而提高了節段預制的效率。

5 節段預制生產線

4種基本節段長度適應4000孔節段預制橋梁

經過對預制橋梁的節段劃分進行極致追求,設計師將全線的基本預制節段長度數量控制在了4個。對這4種節段長度進行合理的組裝,就可以適應全線約4000孔的節段預制橋梁。

6 節段預制模板系統

5種基本模板制造50000榀預制節段

全線有5種基本斷面,對應的有5種基本模板。這5種基本模板即可完成全線約50000榀的預制節段的制造。

抗震設計

1.體系抗震:合理的橋梁體系能夠將地震力分擔到更多的墩柱來協同抗震,前述連續剛構是較好的橋梁體系之一。當必須設置支座時,本項目將兩個中墩上均布置固定支座以達到協同抗震的目的。

2.以柔克剛:合理的橋梁應以最小的代價來減小地震響應,最好的辦法是利用結構自身來“以柔克剛”。本項目就是采用了“單柔群剛、剛柔相濟”的連續剛構體系,利用抗推剛度較低的橋墩來消耗地震能量,又不減弱橋梁的正常使用功能。

3.防落梁支座:目前市政工程上常見的防落梁裝置,是墩梁之間設置混凝土或型鋼支擋,以限制罕遇地震作用下的位移,防止主梁掉落。本項目主體橋梁創新地采用自帶防落梁功能的球形鋼支座,既滿足使用功能又簡化構造,顯得更加整潔美觀。

耐久性設計

1.系統設計+高品質施工:設計采用整體性好的大箱梁結構,并對材料、保護層、施工過程等提出較高的技術標準;施工采用工業化3.0的橋梁建設技術,保證優良的施工品質。

2.兩級復合防水:橋面防水是主梁耐久性設計的重要環節,為適應本地除冰鹽環境,本項目采用兩級復合防水體系——第一級防水為基層處理防水,采用噴涂水性滲透結晶型無機防水劑,在表面混凝土中形成不溶于水的結晶體,堵塞毛細孔道,提高混凝土橋面板的抗滲能力;第二級防水為柔性防水層,采用聚合物改性瀝青防水涂料,并設置無堿玻璃纖維作為涂層內的胎體增強材料,在隔絕水分與混凝土橋面板接觸的同時,提高防水層的整體性、抗裂性和抗穿刺性。

施工工藝

1.工藝標準:通過標準化的工業化制造工藝,創造出造型、幾何、體系各異的橋梁結構。

2.架設高效:主梁架設過程包含4個主要工序,設計為互不干擾、依次實施,全過程實現流水線施工。加上工業化的安裝技術可以5個小時完成一對節段梁的安裝,2天完成一孔架設,比常規懸澆橋梁效率高30倍。

3.裝備多樣:長約140公里的節段預制主梁,多達4000跨,跨越道路、河流、管線等多種節點。設計采用懸臂拼裝工法,對設備的選擇預留了較高的靈活性,可以采用上行式架橋機、橋面吊機、汽車吊、輪胎式提梁機或支架等多種工業化架設裝備。

4.嚴絲合縫:采用“三維線形控制”輔以精確測量技術,對施工全過程的誤差進行預測、分析及消除。在外部溫度、干濕度、混凝土預制塊收縮徐變、施工工法、結構體系轉換等條件不斷變化下,確保工廠制作的預制塊在空中對接時“嚴絲合縫”。

5.高性能混凝土:預制專用混凝土應具備的特性是高強、早強、易和、低收縮。通過對配合比進行反復的計算及實驗,將高性能C60混凝土在保證混凝土品質的前提下,縮短混凝土養護及拆模時間。配以合理的蒸養技術,可以保證節段梁全年四季生產效率穩定,實現了在北方達到全年21片的穩定產量目標,整體效率提高1倍左右。

6.智能調度:由于節段預制梁數量巨大,精確管理、調配這些節段顯得尤為重要。通過信息傳感技術+智能調度技術,能實時管理每個節段信息,助力施工過程信息化,為工程順利推進保駕護航。

7.綠色環保:形象地說,預制拼裝技術是將建筑部件在工廠完成,然后在施工上實現“搭積木”式的操作,顯而易見的好處是減少了粉塵污染、噪音、廢水廢氣,并且極大減少交通堵塞和人力時間資源的浪費。

8.產業升級:現代綠色工業化橋梁節段預制技術的關鍵點為“4+1”。其中“4”的含義為節段預制橋梁生產的主要步驟——設計、制造、運輸、架設;“1”的含義為項目管理系統及線形控制。通過本項目的實踐,將帶動本地“4+1”節點上的人員水平、設備技術及認識理念的全面提升,并帶動大批相關企業實現戰略轉型,助力鄭州橋梁建設全產業鏈升級。

8 架橋機架設預制2號節段塊

運營管養

1.減少支座:橋梁支座的設計使用使命為50年,在管養條件不好時壽命會減少到30年左右。也就是說,在橋梁設計使用壽命100年內將會更換23次支座,一般情況下更換支座需限制通行且價格不菲。因此建設部門在勘察設計招標時提出了減少支座數量的需求,因此本項目采用了無支座、少支座的結構體系,取消了約5000個大型球形鋼支座,以期降低橋梁維養成本,減少因更換支座帶來的社會影響。

2.檢修可達:所有箱室均能夠人員檢修,且梁端設置過人孔,實現聯間檢修通道貫通。

3.快換支座:采用具備快換功能的球形鋼支座,更換支座時可不影響橋面車輛通行。

4.三防快換伸縮裝置:采用防水、防塵、防噪、耐久、可快速更換的梳齒形伸縮裝置。

工程創新與亮點

1.工程體量及投資規模巨大

93公里城市快速路、64公里都市高架橋梁、379億總投資,本項目工程體量及投資規模堪稱巨大,主要數據統計如下:

①地面道路、高架橋梁面積各約320萬平方米。

②橋梁樁基總長約110公里。

③橋梁總體用鋼量約120萬噸。

④工程總體用混凝土方量約600萬立方米。

⑤全線預制節段約50000榀,共設置8個現代化預制梁場,面積約2000畝,共約500個預制臺座,是目前全球最大規模的短線節段預制項目。

⑥預計全線預制橋梁安裝速度約700m/天,高峰期速度可達到近1000m/天。

⑦采用工業化3.0的新型節段預制拼裝技術,促使近萬名建筑“農民工”轉換為新型產業化技術工人。

⑧工程初步設計、施工圖階段完成設計圖紙總數量約20萬張。

2.交通功能強

本項目作為鄭州市城市快速路系統的重要組成部分,既是環繞主城區的一條交通大動脈,同時也是鄭州市中心城區與城市外圍組團緊密聯系的一條紐帶。按照規劃,本項目由“高架快速路+地面主干路+輔路”三個層次的綜合立體交通體系組成。其中主線快速路系統主要為各城市組團間的中長距離快速交通服務,并承擔城市外圍組團與中心城區的交通轉換功能;地面主干路及輔路系統主要為沿線城市各功能片區的交通出行服務。有效地實現了快慢分道、人車分離的交通組織,既保證交通安全,又提高通行效率。同時,高架快速路通過互通立交實現與相交高、快速路及交通性主干路的快速互通,地面主干路通過信號燈控制平交路口,實現與相交生活性主、次干路的便捷聯通,高架快速路通過上下匝道實現與地面主干路的有機銜接,多層次的綜合立體交通體系大大提升了道路服務水平。

本項目建成后,將為鄭州市中心城區新增一條全城互聯的大容量快速通道,實現區域交通流的疏導,同時也將促進沿線交通網絡的快速構建,在進一步完善鄭州市城市交通路網體系、改善中心城區交通運行狀況、緩解交通擁堵壓力、助推鄭州建設“國家中心城市”等方面,將發揮非常重要的作用。

3.橋梁節段預制拼裝工藝技術新

高架橋梁部分采用綠色環保的節段預制拼裝技術,智能化信息管理貫穿于預制箱梁的生產、運輸及架設。

①采用先進的短線法節段預制技術

主體橋梁工程采用的短線法節段預制技術,是橋梁工業化的領軍技術,是工業化3.0的技術。以往預制技術,是通過標準化的技術,卻只能得到千篇一律的產品,相當于“我制什么,你就得用什么”。而短線法節段預制通過標準化的工藝和線形控制,可以滿足功能和幾何多樣化的需求。

本項目全線共需預制節段梁約49922榀,采用現代工業化橋梁節段預制技術,在不增加基礎建設投資的前提下,滿足節能、環保、快速、安全、高效、美觀的建設要求,特別適合城市高架橋項目。其先進性包括:質量好、速度快、施工工法適應性強、對自然與社會環境沖擊小、有相對經濟優勢。

②智能工程信息化管理引入到預制節段工程技術管理

全線預制節段數49922榀,為了精確管理、調配這些節段顯得尤為重要。此項創新在預制節段內預埋先進的工程芯片,能實時存儲節段梁從生產至架設全過程的信息,助力施工過程信息化,為工程順利推進保駕護航。

11 鄭州四環線第一榀預制節段現場吊裝施工

③創新性采用“因地制宜,中側結合”的橋梁方案

一般情況下將橋墩設置在現狀路中分隔帶,避開大量地下管線,以最大限度確保工程如期開工及順利推進;在跨越框架涵洞、既有高架立交群、涉河既有橋等特殊情況時,因地制宜地將橋墩設置在路側分隔帶,避開現狀車行道,最大限度保障施工階段現狀四環正常通行,并避免廢棄既有橋涵結構。

④預制精度高、速度快、綠色環保

三維線控、精準測量、高性能混凝土、信息化技術,是保障場內節段快速、高精度、高品質生產的四項關鍵技術措施。其中,三維線控、精準測量技術可以使節段梁精度達到毫米級別,是目前建筑行業精度極高的預制產品。

利用預制專用混凝土和主梁架設工序的特性,使整體效率提高了1倍左右。同時,通過預制拼裝技術,不僅減少了環境的污染,也極大地減少了交通擁堵和人力資源的浪費。達到了環境和資源配置雙贏的環保目的。

該項目引進了節段預制拼裝工業化建造工藝,興建64公里長的高架快速路。雖然節段預制拼裝技術在目前不是一個全新的工藝,歐美國家早在上世紀60年代已經開始應用,我國在上世紀90年代也在鐵路、公路、軌道及市政工程中得到應用和發展,近年來更是進一步大力推廣,但本項目節段預制拼裝橋梁面積達200多萬平方米,預制節段數量近50000榀,8個預制梁場總占地面積約2000多畝,節段預制拼裝規模之大,在國內外均極為罕見,建成后必將成為國家綠色建設的典范工程。

(來源:《橋隧產業資訊》2018 總第34期)

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