1 工程概况

　　香港将军澳跨湾特大桥海上主桥共8跨采用预应力混凝土预制箱梁，共18片，其中单箱双室箱梁6片(见图1)、单箱单室箱梁12片，为变截面曲线梁，最大跨度75m，顶板最大宽度20.3m，底板最大宽度11.5m，梁高3.85m，最大质量3 344t，为目前最大预制箱梁，采用C60混凝土，设置纵、横向预应力束。箱梁在广东省新会市中交四航局预制厂预制，利用阴谷河畔码头出运装船，然后河运和海运至桥位，浮吊船吊装。

　　2 总体工艺设计

　　箱梁采用活动底模的高台座预制，预制完成后拆除底模架，梁体简支在临时钢支墩上，然后SPMT驶入梁底，完成箱梁顶升、出运及装船，总体工艺流程如图2所示。

　　

　　图1 单箱双室箱梁横断面  

　　 

　　总体分为以下5个施工阶段:(1)第1阶段:准备工作主要包括SPMT布车设计、场地和码头设计、船舶选型与系泊，以及船舶调载方案设计、搭接板和船上落墩支撑结构设计;(2)第2阶段:箱梁顶升主要包括SPMT组车就位、试顶升与对中、顶升;(3)第3阶段:陆上运输即SPMT运输箱梁至码头前沿;(4)第4阶段:箱梁滚装上船主要包括车组与船舶对中，分阶段滚装上驳，船舶姿态控制;(5)第5阶段:卸载装船主要包括船舶调载，箱梁卸车落墩、SPMT下船。

　　

　　图2 总体工艺流程  

　　 

　　施工过程中需对SPMT车组和箱梁姿态、船舶姿态及箱梁应力、应变及变形进行实时监测。

　　3 预制场平面与结构设计

　　3.1 总体平面设计

　　预制场设置制梁台座、存梁台座、出运通道、码头，台座平行布置于通道两侧，通道与码头前沿线垂直，如图3所示。

　　

　　图3 预制场三维效果  

　　 

　　3.2 场地与出运通道设计

　　预制场岩土从上至下为3～5m杂填土、10～15m淤泥、3～9m砂质黏性土、2～8m全风化花岗岩。

　　SPMT行走区域包括梁底场地、出动通道设计均载100k Pa，地基处理采用400 PHC桩网复合地基结构，正方形布桩，桩距3m×3m，桩尖进入全风化花岗岩层≥1.0m。桩顶以上铺设200mm厚加筋碎石垫层，地面设300mm厚钢筋混凝土板。

　　3.3 码头结构设计

　　1)设计参数设计水位(珠江泽基准面)如下:设计高水位2.180m，设计低水位-1.040m，极端高水位2.600m，极低高水位-1.890m，码头前沿港池底设计标高-5.500m，码头面标高3.500m，码头面设计荷载100k Pa。

　　2)结构设计码头采用直立式桩基承台式结构，平面尺寸为24m×14m(长×宽)，承台高2.5m，基础横向设3排1 500灌注桩，横向桩间距2.8m，灌注桩纵向桩间距1.8m，灌注桩入中风化岩层，桩间设500旋喷桩。码头上下游护岸各设2根750k N系船柱。

　　码头后方15m范围设高桩承台结构，承台高1.5m，基础采用600 PHC桩，桩底入强风化岩层≥2m，实现对码头卸载。

　　计算结果显示，码头竖向变形6mm，平面变形<1mm，结构受力和稳定性满足要求。

　　4 主要施工步骤及关键技术

　　4.1 SPMT布车设计及地压与箱梁受力分析

　　4.1.1 SPMT布车设计

　　1)布车结构形式箱梁预制完成时拆除底模，两端简支于临时钢支墩上，因SPMT车的可调高度为1 150～1 850mm，故钢支墩高度设计为190～210cm，梁底预留进车空间。SPMT采用纵向布车，前、后2车组对称布车，车组两端平齐，承载中心和重心处在中心线上。箱梁支撑采用2组SPMT+分配梁+支座的结构形式，车板顶面横向安装分配梁，在分配梁与箱梁边腹板及中腹板交叉处设置支座，支座采用双层楔形垫木及橡胶垫，如图4所示。

　　

　　图4 布车平面与立面 

　　 

　　2)横向宽度及稳定性控制在箱梁底板和翼缘板下横向布置3～6列车，布车宽度尽量大，但不得大于船甲板的可供行走宽度，以增加车轴数量，使车轴承载力控制在额定荷载85%范围内，减小车组对地面及甲板的压力，同时增强横向稳定性。

　　3)支承中心位置控制车组单列车采用两辆4轴车或6轴车拼接，长达12～20m，需在梁端15～20m纵向布置多支座，箱梁顶升过程中发生体系转换，由简支梁变为连续梁，梁体在支座位置产生负弯矩，顶板产生拉应力，故车组尽量靠近梁端布置，使车组支承中心前移，防止顶板拉应力过大而开裂。车组外侧两列车可伸出梁端，靠跨中的分配梁可只支承在中部车上，使车组对梁的承载中心进一步前移，便于箱梁控裂。

　　4) PPU配置PPU居中布置，每列车配置1个PPU，保持足够动力，便于车组操控。

　　4.1.2 相关计算分析

　　以75m跨度最大的NW4-3号梁为例，SPMT布车如图4所示，采用8PPU+116车轴组合，分为前、后2个车组，各设4条分配梁，12个支座，相关受力分析如下。

　　1)车轴载重验算NW4-3号梁重3 344t、辅助工具重147t、车组自重506t，总重3 770t，可得:每车轴均载34.2t<40t，满足要求。

　　2)地压计算最大地压力98k N/m²,SPMT行走区包括制梁台座、出运通道、码头及船舶甲板均按100k N/m²的承载力设计，满足要求。

　　3)箱梁结构受力分析针对每片梁布车设计后利用MIDAS FEA软件对箱梁顶升过程进行仿真分析，当混凝土拉压应力超出规范限值时，调整布车直至满足为止。以NW4-3号梁为例，计算结果为:箱梁简支状态时全断面受压，顶升完成时分配梁位置的顶板上缘最大拉应力1.4MPa<2.85MPa，底板下缘出现最大主压应力16.8Pa<27.5MPa，跨中上挠度52mm<L₀/600(L₀为梁体跨度)=75 000/600=120mm，满足规范要求。

　　4.2 车组就位、顶升与对中

　　4.2.1 组车与就位

　　SPMT按布车设计组车，车板调整至统一高度1 250mm，安装分配梁和支座结构，车组整体或分部驶入梁底预定位置，然后车板整体升高至垫木与梁底最低点接触，梁底与支座之间的空隙采用楔木塞紧。

　　4.2.2 箱梁顶升

　　将2组车分成左、右对称8个顶升支撑区域，每区内千斤顶油路串联，如图5所示。根据千斤顶压力和油压表读数分4级顶升箱梁，每级顶升顺序为先同步顶升两端C1,D1,C2,D2 4区，然后顶升A1,B1,A2,B2 4区，始终保持梁两端先受力，反复以上操作直至箱梁底离开钢支墩顶面约10cm。

　　

　　图5 顶升8个支撑区划分示意 

　　 

　　4.2.3 车组对中

　　车组对中包括车组就位对中、试顶升对中，具体方法为:(1)计算出箱梁理论重心，标注在箱梁底面上，过理论重心画一条与梁底板两端中点连线平行的平行线(即理论重心线);(2)车组就位时其纵向重心线与理论重心线重合;(3)由于曲线异形箱梁实际重心与理论重心存在较大差异，顶升过程中常出现左、右支撑区受力不均，或箱梁一端的一侧离开钢支墩顶面，而另一侧仍未离开钢支墩，此时应停止顶升、卸载落墩，然后车组整体向油压大或梁未顶起的一侧微调位置;(4)重新就位后试顶升，如此反复，直至各支撑区油压表的读数偏差在±5%，完成对中，保证车均匀受力，防止箱梁顶升过程中四角高差过大而受扭破坏，防止滚装过程中船舶左、右受力不均产生过大横倾，确保箱梁平稳运输。

　　其中，卸载落墩方法为两端车组分级卸载，每级卸载顺序为先中间后两端，即同步卸载两端A1,B1,A2,B2 4区，然后同步卸载C1,D1,C2,D2 4区。

　　4.3 陆上运输

　　顶升完成后将车组8个支撑区切换为3个支撑区A,B,C(见图6)，前车组为A区，后车组分为B,C区，以保证陆上及上船运输过程的稳定性。在拆除钢支墩后车组横移至出运通道，然后纵移至出运码头，行驶速度≤0.5m/h，运输过程中梁底面对角的高差控制在50mm以内，防止箱梁受扭。

　　

　　图6 3点支撑区划分示意 

　　 

　　4.4 箱梁装船

　　4.4.1 船舶选型及作业窗口选择

　　1)船舶选型码头处于内河区域，风浪影响小，潮汐为不规则半日潮。结合码头前沿水深、潮汐，箱梁的外形尺寸及质量等参数，匹配的驳船要求:型长≥90m，甲板有效长度≥85m，型宽≥26m，型深≤8m，载重能力≥7 000t，有效调载能力≥2 400t/h，甲板耐压强度≥100k N/m²。箱梁运输采用“星秀传奇”货船，满足以上要求。

　　2)潮汐分析与作业窗口选择码头水域实测高潮水位1.600～2.300m，港池前沿水深7.1～7.8m，涨潮历时5～6h，滚装选择在涨潮期间0～1m水位，以最高潮位前推5h作为滚装作业窗口，码头前沿水深5.5～6.5m，满足驳船吃水深度要求。

　　3)船舶防触底核算箱梁出运时码头面与驳船甲板面平齐，船底距离泥面的安全距离约1m，满足安全要求。

　　

　　图7 箱梁装船平面与断面结构  

　　 

　　4.4.2 装船工艺设计及船舶、支墩梁结构验算

　　1)装船工艺船甲板面在SPMT车组的相邻两列车之间纵向设置长条形支墩梁，在分配梁底下的支墩梁顶面设支座，箱梁上船到达预定落墩位置后SPMT车板下降，分配梁落在支座上，然后SPMT单列开出梁底，驶离驳船，箱梁加固，完成装船。船上支撑箱平面与断面结构如图7所示。

　　2)船上支撑结构设计甲板面上支墩梁设置于两列SPMT车组之间，采用钢箱梁，截面高100cm、宽60cm，与两侧车轮空隙20cm。支座结构从下至下为调高的钢垫板、2cm橡胶块、型钢组合支座。支墩梁平面位置偏差≤10mm，支座顶面高差≤5mm。支墩梁和支座总高度1 250mm，高于SPMT最低高度1 150mm，以满足卸车需要，且低于滚装时SPMT高度1 500mm，防止分配梁与支墩梁及支座碰撞。

　　3)船舶及支墩梁结构分析取箱梁落墩后及运输航行工况，相关文献对“星秀传奇”船舶在静水、波浪作用下的整体弯矩和剪切力、钢支墩梁支撑区域的甲板局部强度、钢支墩梁强度进行建模计算，结果如表1所示，满足要求。

　　  

　　表1 船总纵强度校核结果 

　　 

　　 

　　

　　表1 船总纵强度校核结果

　　4.4.3 滚装搭板设计

　　为简化搭板结构，减小受力，船艉与码头前沿的间距控制在20cm以内。搭板采用6m长钢板，中部钢板厚4cm，端部钢板厚2cm。

　　4.4.4 滚装上船与船舶姿态控制

　　4.4.4. 1 滚装上船步骤

　　1)步骤1船舶在低潮位驶入码头港池，与码头呈T字形靠泊并锚固，调整甲板龙骨线(中心线)与码头中线对中、定位，完成系泊，并安装搭板，然后根据船舶调载方案将驳船压舱水及吃水状态调至滚装开始需要的状态，等待合适潮位开始滚装。

　　2)步骤2 SPMT车组车板高度调整至1 500mm，车组中心线与码头中线、甲板中心线对中。

　　3)步骤3随着潮水上涨，船艉甲板高出码头面100mm时开始滚装，可分为开始滚装、前车组上船(见图8a)、前车组行走至后车组到达码头前沿、后车组上船(见图8b)、车组行走至落墩位置5个阶段(工况)控制。SPMT匀速行驶上船，车速≤0.3km/h。

　　

　　图8 前、后车组上船示意  

　　 

　　4.4.4. 2 船舶姿态控制

　　车组上船过程中，船受载会出现下沉、纵倾及横倾。因SPMT车板高度调至1 500mm时千斤顶油缸自动调高范围为±350mm，当后车组行进至码头前沿时，前车组位于船艏，这时船艉甲板面与码头面高差过大或纵倾过大时前、后车组两端油缸行程达到最小或最大，SPMT失去调节能力，机械部件顶死，车轴受过大集中力而破坏，同时导致箱梁姿态失控，造成应力集中或扭曲破坏，最终造成运输中断，车组陷入进退两难的危险境地，潮水涨落将造成SPMT和箱梁损废、驳船触底的重大事故。

　　为实现车组安全上船，船甲板高度、纵倾和横倾控制指标设定与控制方法为:(1)甲板高度控制上驳过程中船艉甲板稍高于码头面，高差控制在0～50mm为宜;(2)船纵横倾控制经核算甲板的纵向倾斜度、横向倾斜度控制在±0.45%，±1.5%以内;(3)控制方法滚装过程中利用涨潮，根据船舶姿态监测结果进行动态调载，并控制车组上驳速度，使船的姿态满足滚装要求。当姿态不满足要求或变化过快时，SPMT应暂停，待涨潮及调载至满足要求后再继续行走。

　　4.4.5 箱梁卸车装船

　　卸车装船步骤为:(1)步骤1车组上船到达预定落墩位置后，停车制动;(2)步骤2调整船舶压舱水至航行状态，使船体和车组及箱梁的协同变形完成;(3)步骤3 SPMT整体下降，分级卸载，使分配梁坐落在船上支墩梁顶的支座上，当支座脱空时加设钢板支垫，最后车板顶面与分配梁底面脱空约100mm，完成卸车，待潮位合适时使车组分列通过跳板下船;(4)步骤4箱梁加固，完成装船。

　　4.4.6 监测

　　1)箱梁姿态监测箱梁顶升、出运装船过程中采用在箱梁底板四角设置静力水准仪，实时自动对箱梁两端高差进行监测。监测结果表明，整个运输过程中箱梁能基本处于水平状态，对角受扭高差<20mm，未发生受扭破坏现象。

　　2)箱梁应力和裂缝监测选取箱梁跨中和分配梁处截面对箱梁应变和应力进行监测，拉压应力报警值设置为规范限值的0.7倍，即-19～2MPa，监测结果显示最大拉应力值1.5MPa、最大压应力值16.5MPa，小于报警值，梁体无开裂现象。

　　3)船体姿态监测在船艏和船艉两侧设置4个高程测点，实测甲板最大纵、横向倾斜度分别<0.3%,<0.8%，姿态平稳可控。

　　5 结语

　　1)本文首次成功采用SPMT完成特大型预应力混凝土预制箱梁的顶升、出运装船，SPMT上船可在1h内完成，监测表明箱梁运输平稳，应力、应变可控，混凝土未产生裂缝，实践证明以上工艺设计合理、技术可行、安全高效。

　　2)混凝土箱梁因混凝土抗拉强度极低，与钢箱梁等钢结构的运输控制要求有着本质区别，利用SPMT出运大型预制箱梁上船的整个工艺设计及施工控制的核心是解决箱梁混凝土控裂和平稳安全运输的问题，防止箱梁拉压破坏或受扭破坏。

　　3)箱梁SPMT出运装船工艺复杂，技术难度大，涉及面广，需进行大量计算分析，包括SPMT布车设计、码头及场地设计、箱梁与船舶及支撑结构的结构分析及船舶调载方案设计、运输稳定性计算等。

　　4)箱梁利用SPMT运输上船过程中应充分利用涨潮、实时调载，并控制SPMT行走速度，使船舶姿态满足滚装作业要求，保证平稳运输，防止SPMT损坏引起重大安全质量事故发生。

　　5)大型预制箱梁利用SPMT顶升、运输上船及与其配套的拆除活动底模以预留进车空间的制梁工艺可用于预制场地相对狭窄、内河航道通航受限的条件下，且该工艺要求整个预制场平整，方便后期使用或直接转为其他预制构件场地，改造量极小，经济环保。