节段预制拼装施工工艺在工业发达国家中的应用十分广泛, 具有施工速度快、成品质量高、对环境影响小等优点, 特别适用于工厂化、标准化的流水作业, 经济和社会效益十分显著。该工艺技术近十几年在我国也逐步得到应用和发展, 施工技术也日趋成熟。我国的许多大型桥梁, 如苏通长江大桥、桃花峪黄河大桥等的引桥都采用了短线匹配预制和现场拼装的施工方法, 目前国内节段拼装最大跨度已达到75m。但适用于狭窄急弯路段, 类似澳门轻轨这种超长小半径曲线弯道节段拼装技术的研究和应用仍属欠缺, 无论在国内还是国外都没有找到可以借鉴的案例, 其技术难点、解决方法还有待在工程实践中去突破和探索。

澳门轻轨C370标段位于澳门氹仔岛澳门国际机场附近, 邻近澳门最繁华的博彩业高度集中区域。轻轨高架桥为双线桥, 上部结构为预应力连续梁, 梁体采用单箱单室的箱形结构, 共有12联48跨, 跨度12.88～35m。根据设计要求, 轻轨高架桥主梁全部采用短线匹配预制和现场拼装的工艺施工, 其标准节段长2.5m、高2.1m、顶面宽9.54m, 节段块体最大质量约42.8t。该标段施工线段需经过4个平面曲线弯道, 其中最小曲线半径只有70m。轻轨施工平面如图1所示。

主梁采用预制安装工艺, 对于平面曲线弯道, 曲线半径较大时多以折代弯;但曲线半径太小的弯道如果以折代弯只能加密桥墩、缩小桥跨, 这显然是即不经济又影响地面空间使用。若要把一跨钢筋混凝土预制梁做成平面弯曲的形式, 其结构偏心造成运输和吊装的困难都难以解决。然而, 城市立体交通的高架路却不可避免要通过一些蜿蜒曲折的弯道, 对于这种情况一般采用支架现浇。但对于交通拥挤的城市, 支架现浇施工带来的交通干扰往往不被接受。节段预制可以把一跨平面弯曲的梁体按扇形分段预制, 但小半径曲线路段的架梁安装仍有多个难点。

平面曲线桥梁桥墩呈放射线布置, 桥墩中心线不在一条直线上, 对于一般由液压油缸顶推作直线运动的架桥机需要解决前移过孔的平面转向问题。

大半径曲线的梁段节块偏位不大, 其姿态调整在吊具调向油缸的控制范围之内;小半径曲线的梁段节块偏位较大, 其姿态调整已超出吊具调向油缸的控制范围, 需要解决吊具中心相对节块重心较大偏位条件下的姿态控制问题。

在小半径弯道上, 架桥机尾部导梁偏离桥面中轴线, 甚至已悬飘到桥面范围之外。当受地面条件所限只能尾部喂梁时, 运梁车和导梁的竖向干涉和起重门式起重机的变轨转弯也是难点。

架桥机的主梁为直线形, 但曲线路段梁段节块却沿曲线布置, 需解决直线主梁上如何偏位吊挂平面弯曲梁段节块、降低偏心扭矩的问题。

小半径弯梁的横向偏位和横倾角都较大, 导致扁担梁的吊索难免存在斜吊的问题, 斜吊对节块产生的水平分力难以均衡对称, 会直接影响梁体组拼过程的偏位变化和合龙接口错台。

目前通用的节段拼装架桥机根据主梁支承位置的不同, 主要分为下行式和上行式2种。

下行式节段拼装架桥机的主梁位于桥面以下, 其2条主梁分别支承在依附于桥墩 (必须是单墩) 两侧的三角悬臂托架上。架梁时节段梁位于架桥机2条主梁横向净距的空挡内, 为了满足曲线梁的空间占位, 架桥机2条主梁横向间距需要加大, 这对于架桥机悬臂托架的受力是十分不利的;2条主梁分别位于桥墩两侧且各自独立, 要保持其横向间距不变条件下 (扁担梁支承点和起重门式起重机轨距不变) 的横移和转向受到桥墩的限制, 对于小半径曲线的转向实际上难以实施。其结构形式如图2所示。

上行式节段拼装架桥机整机位于桥面以上, 其平面位置的调整不受桥墩的限制, 且2条主梁两端可横向刚性连接, 承受偏心荷载时整体抗扭性能更好;架梁时节段梁是通过扁担梁和吊杆悬吊在架桥机主梁的下方, 弯梁偏心吊挂不受架桥机主梁横向净距的制约。

通过分析比较可知, 上行式架桥机对小半径曲线节段拼装架梁施工具有明显的适应性, 且澳门轻轨桥墩还有部分是门式墩, 也限制了下行式架桥机的使用范围。所以最终决定将公司原有的下行式架桥机改造为上行式架桥机, 如图3所示。

上行式节段拼装架桥机的承重主体结构由2条主梁和2条端梁组成的刚性矩形框架, 通过支撑体系 (前、后支腿) 锚固在桥墩上。架桥机的转弯过孔实际上是矩形框架在支撑体系上的平面扭转和纵向位移的交替运动。过孔时架桥机的主要交替运作流程如图4所示。

从以上操作流程可知, 架桥机转向实际通过前后支腿的反向错动以扭转主梁框架实现的。为此, 架桥机支腿的主梁纵移托架台座须具备既能竖转又可平转的功能以适应这种变化, 其结构如图5所示;曲线段的桥墩近似呈扇形布置, 桥墩的横轴线互不平行。以桥墩为支承基础的架桥机支腿横移轨道梁只能与桥墩横轴平行, 即架桥机的2条横移轨道是不平行的, 这必然导致架桥机的横移运动出现干涉。架桥机支腿的反向错动也导致纵移托架的转动, 并不断改变其轴线间的垂直距离, 导致主梁和托架滑道的干涉卡滞, 这需设置相应的调位装置及时进行调整排除干涉。为了满足大角度转向, 主梁纵移托架台座还需滑移至0号块外侧, 导致桥墩和轨道垫梁的偏压过大, 为此需根据偏压量的情况增加支腿轨道垫梁的斜撑构件。

架桥机转向过孔是支腿横移、主梁纵移、托架滑道轨距不断变化和不断调整的综合协调作业, 实际操作过程比流程图复杂, 一个失误或不协调都可能导致严重的后果, 所以每孔的操作都需要根据桥墩的平面位置和架桥机设计站位的几何关系进行细节动作分解, 仔细分析计算确定每个操作步距的偏角, 准确发布操作指令, 严格统一指挥、谨慎行事。

由于小半径曲线梁的节段块体偏离吊具重心最大距离达780mm (桥墩中心线与梁块中心线最大偏移量的1/2) 其姿态调整已超出吊具调向油缸的控制范围, 导致起吊后构件侧转而无法控制节块对接时的姿态, 如图6a, 6b所示。为了解决上述问题, 可采用方案如下。

1) 加高吊具并加长油缸行程, 可有效增加调向油缸的控制范围, 但这难免会降低门式起重机的起升高度, 影响使用。

2) 在吊具和扁担梁之间增加1个用以调整吊具与扁担梁间相对位置的滑移装置, 便可根据节块的偏位距离预调吊具位置, 实现吊具与节块重心垂线基本重叠的起吊。

经过分析比选可知, 方案2可不需更换调整油缸, 改装难度也不高, 实际使用灵活, 适用范围广, 其结构和变位调整情况如图6c, 6d所示。

在小半径弯道上, 架桥机尾部导梁轴线与桥面中轴线斜交, 其一边的导梁已悬飘到桥面范围之外。而运梁车受到箱梁翼板承载能力的限制和桥面钢筋的制约, 只能沿着箱梁纵轴线行走和停驻, 这便出现了架桥机尾部导梁位于箱梁节块吊点之上的竖向干涉情况。解决方法是架桥机尾部导梁向曲线内侧适当偏转, 使导梁与箱梁节块吊点能够错开 (见图7) , 但这会导致架桥机主梁和导梁交接处形成夹角, 影响门式起重机通过, 同时也会导致导梁段的门式起重机轨距变窄。为此, 门式起重机设置了转弯和跨度自动适应的功能, 较好地解决了该问题。

节段拼装过程, 梁段节块是通过螺杆与滑动分配梁连接的, 滑动分配梁卡挂在扁担梁的滑轨上, 扁担梁再以3点平衡的方式通过吊杆悬挂在架桥机主梁的下方。滑动分配梁可在扁担梁滑轨面移动, 对于平面弯曲梁节块的偏位调整, 可通过调整螺杆杆改变滑动分配梁在扁担梁上的相对位置来实现 (见图8) 。但对于小半径曲线节块偏位过大的这种情况, 为了降低对架桥机主梁的偏心扭矩, 采取了架桥机的站位中心线相对桥墩中心线往曲线外侧偏置的方法, 偏置距离约为节块最大偏位量的1/2 (见图9) 。这样能够有效地降低了节块的偏移量, 且便于操作。

当采用架桥机尾部喂梁时, 节块需从架桥机主梁顶面下放到主梁底面以下, 但架桥机2条主梁的净距<6.5m, 而节块长度为2.5m、顶面宽为9.54m, 只能将节块以与安装对接时的方向成90°的侧向落到梁底后, 再回转90°进行正位对接。但该回转会和已安装的节块互相干涉。解决方法是设置节块旋转区域, 将在旋转区域的扁担梁吊挂点移至架桥机主梁的外侧 (常规是挂在内侧) 并降落一定高度, 让出节块旋转空间, 如图10, 11所示。

连续梁节段拼装, 一般都采用一端调整定位后先与0号块临时固结, 再往另一头逐块拼接。该过程须逐块控制位置偏差, 否则起点定位误差和预制变形误差累加到另一端, 将造成较大的对接合龙口错台误差。逐块控制梁段节块位置偏差常用的方法主要是通过垫片调整, 这无疑会造成节段间的齿块楔缝加大, 虽然可通过加厚涂料填补, 但对节段梁体的抗剪受力和密封都是不利的, 原则上应该不用或少用垫片。

为了克服上述问题, 设计单位建议采用先简支后连续的施工工艺, 即先把跨间节段拼成简支梁, 然后整体落梁到临时支墩上, 通过三维千斤顶调整与0号块精确对位后, 进行临时固结再浇筑湿接缝混凝土。该施工工艺曾应用于广州地铁某工地, 但这需从节段梁钢绞线整体张拉的锚固端设计开始考虑, 架桥机需增加两端整体提梁的4吊点起重设施, 且每个桥墩均需设置临时支墩及4组三维调整千斤顶。这在澳门轻轨的现有条件下无法采用, 但节段梁拼装完后再整体调位的思路可以借鉴。通过分析研究和实践摸索、不断改进, 进一步挖掘上行式架桥机的潜在功能, 逐步形成了以下节段拼装形位控制的工艺方法。

1) 充分利用节块吊杆长、摆幅大、便于横调的特点, 采用手拉葫芦给节块施加适当横向水平约束力, 能够较好地解决节块横偏的问题。

2) 利用架桥机可以满荷整体顶升和横移 (可附加顶推设备) 的功能, 在节段拼装到达对接端时, 根据上、下、左、右的错台情况, 松解节段梁固结端相应侧的部分临时固结, 然后对架桥机对接合龙端一侧的支腿进行竖向和横向的位置调整, 带动整条梁体异位, 改变对接端口节块的位置, 较好地解决了合龙接口的错台调平问题。

通过不断的工艺改进, 节段拼装过程的垫片调整大为减少, 拼装效率也得到较大的提高。

节段拼装已是比较成熟的工艺技术, 但在澳门轻轨的施工应用中却仍然遇到了许多新的问题。由于澳门地理环境的特殊性、施工条件的局限性以及设计方面的非同寻常, 给施工带来了许多新的难 题和挑战, 需要在工程实践中不断摸索和克服。而分析、认识和解决这些新问题的过程也使我们拓宽了视野、积累了经验。