小曲率钢箱梁多点同步顶推转向技术研究

苏小敏

(中铁二十五局集团第四工程有限公司 广西都安 545007)

1 引言

桥梁工程的梁跨顶推技术因不占用桥下空间、不影响交通运行、工程造价低等优点，是跨越复杂地形及不能中断桥下交通等桥梁梁体架设的最优工法选择。随着我国经济的发展、桥梁设计技术的进步，采用顶推法施工的梁跨也朝着复杂化、大型化、大跨化等方向发展，相应的顶推施工技术难度更大、质量要求更高。故桥梁工程的顶推施工也需随着信息技术、机械技术的不断发展，向着智能化、自动化、精细化及信息化前进，提高施工质量、降低施工难度及降低造价，促进桥梁设计及施工技术的发展进步。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

宾川至南涧高速公路与新楚大高速公路交通转换的浑水海枢纽立交的H匝道桥中心里程为HK1+446，跨径布置为:3×40m+(2×40m)+2×(3×42 m)+2×35 m+5×20 m+3×22 m+2×17.5 m+2×24 m+3×17 m，全长750.08 m，标准断面的桥面宽度为10.5 m。

H匝道桥第一联上部结构采用连续钢箱梁(3×40 m单箱双室)(见图1)。平面位于R=100 m(左)的圆曲线上，横坡为5%；竖曲线半径为5 000m，桥面第一纵坡为3.902%、第二纵坡为0.9%，变坡处为HK1+120。

连续钢箱梁梁高1.9 m(内轮廓高度)，箱梁顶面全宽10.5 m，两侧翼缘板宽1.75 m，两侧腹板间距3.5 m。

H匝道桥第一联钢箱梁跨越互通区宾南线左右幅，拟采取顶推到位后再落梁的方式安装，钢箱梁按制作节段运输到现场采用汽车吊吊至组拼胎架上，组拼焊接成整体后顶推。

2.2 重难点分析

(1)临时墩、高桥墩等结构不能承受较大水平载荷

本项目主墩均为高墩，传统的顶推法使桥墩承受较大水平力，且易出现应力集中的现象。同时，传统顶推法常出现突然加力或是急停等现象，使桥墩承受较大惯性荷载。故施工安全风险大。

(2)小曲率钢箱梁顶推易出现偏载问题

钢箱梁为小曲率，顶推技术要求高，操作复杂，传统的顶推法对本项目的适应差，钢箱梁顶进时易出现偏载问题。

(3)钢箱梁半径小，顶推过程易倾覆

由于钢箱梁半径较小，半径仅为100 m，钢箱梁顶推过程中倾覆风险较大，为克服此风险，钢箱梁顶推过程中必须保证钢箱梁悬挑重量不大于总重量的20%[1]。技术难度大、位置监测及纠偏工作量大，严重影响顶推效率。

(4)中线调整和纠偏

本项目为小曲率钢箱梁顶进，其纠偏、线形控制难度大。

3 多点同步顶推转向技术

本项目采用新型的多点同步顶推转向技术。

步履式顶推装备集成了顶升、前移、纠偏及联动操作功能于一体，计算机控制系统可监测到偏差后自动纠偏，实现对钢箱梁任意姿态的微调整，确保钢箱梁轴线位置准确。整套设备还整合了先进的多点液压同步自适应控制技术，实现了钢箱梁在顶升、落梁及前移时同步协调动作。多点同步顶推技术的使用，把顶推力分散至各支撑墩，使单个桥墩承受的顶推减到最小。该装备的计算机智能控制系统，使得顶推力平稳施加，减少了桥墩承受的惯性荷载。

3.1 顶推施工总体方案设计

3.1.1 顶推总述

在0#桥台前端路基上搭设组拼及顶推平台(见图2)，在组拼平台上进行现场拼装，拼装完成后进行顶推作业。顶推钢箱梁桥重量约617 t。经计算，布置12台400 t顶推设备[2]。拼装区75 m，前导梁长度35.9 m，约42 t，后导梁长度6m，约7 t，布置在外侧腹板，间距7 m。

钢箱梁位于竖曲线上(半径为5 000 m)，且为双坡度，为了避免钢箱梁因标高在顶推时不断改变而对各支撑墩顶面标高进行频繁调整，和降低施工难度，将1#～3#桥墩顶面临时拼高，使整个钢箱梁处于单一纵坡顶推，在墩顶预埋型钢构件后焊接型钢桁架的方式接高。

3.1.2 顶推方案

(1)架设顺序

由0#墩向3#墩进行顶推。

采用最新型的步履式顶推方法施工，该装备整合了钢箱梁横向调整的装置和计算机智能控制系统，可根据钢箱梁平面状态自动进行位置调整和纠偏。当钢梁顶推至设计位置后，采用千斤顶重复顶升抽垫的方式落梁至设计标高。

(2)架设流程

①步骤一

支架基础设置；设置组拼平台及支架。

②步骤二

在拼装平台上拼装钢箱梁节段1至节段4，并吊装导梁与其连接。

③步骤三

顶推钢箱梁直至导梁全部悬挑。

④步骤四

拼装节段5至节段7钢箱梁。

⑤步骤五

继续顶推钢箱梁，直至导梁到达1#接收墩。

⑥步骤六

继续顶推钢箱梁32 m；拼装剩余节段8至节段11钢箱梁及后导梁。

⑦步骤七

继续顶推钢箱梁至设计位置；拆除导梁。

⑧步骤八

安装落梁千斤顶，把钢箱梁顶离支架，拆除上段支架。通过落梁千斤顶，下落钢箱梁，把钢箱梁调整至设计标高。

3.2 顶推装备及控制系统

3.2.1新步履式顶推装备

采用步履式顶推装备BL400进行同步顶推法施工，该工法无需采用大型顶推装备，智能控制钢箱梁顶推的偏移。在每个支墩上均横向对称布设2台顶推装备，使顶推力分散至多个支撑墩，将顶推时桥墩承受的顶推减到最小[3]。顶推装备主要由基座、顶升油缸、侧移油缸、顶推油缸(见图3)等构成。

图3 步履式顶推装备

该工法顶推原理:钢箱梁被顶升油缸顶起而脱离支撑墩，接着顶推油缸将梁及顶升油缸向前顶移，随后顶升油缸回油，使钢箱梁落在支撑墩上，最后顶推油缸回油带动顶升油缸回位，即完成一个顶程的施工[4]。

3.2.2 顶推液压系统

顶推装备的液压泵源系统主要由液压泵源装置(将动力传给油缸，接收计算机指令，并在液压阀的配合下，完成指令动作)、顶升装置、顶推纵移装置、横向纠偏调整装置及电气控制系统等组成。油缸上设置位移和压力传感器，将油缸位移、压力数据传输至主控电脑实时分析和处理，然后按控制算法(采用了先进电液比例控制技术，可将各点同步精度控制不超过±1 mm)向泵站发出动作指令，从而使多点顶推系统的动作达到高精度同步的要求[5]。

步履式顶推装备顶推基座两侧设置了2台侧移油缸(带有导向轮)。作为钢箱梁顶推导向、横桥向纠编的调整装备。

3.2.3 顶推设备的电气控制系统

利用新研制的基于实时网络的计算机控制系统。系统由实时控制网络、实时控制系统硬件/软件模块、传感器模块(SCU)、动力源模块(ECU)等组成[6]。

(1)控制系统网络拓扑结构

通过动力源模块、传感器模块、计算机控制系统(分控制器、主控制器)构成了一个闭环的反馈、控制系统，通过CAN(Controller Area Network)串行通信协议组建控制器局域网。

(2)主控制器硬件组成

主控制器为嵌入式工控机平台，采集传感器的信息并进行控制算法和控制策略后，发出油缸控制指令。硬件模块组成如图4所示。

图4 控制系统硬件框图

(3)分控制器硬件组成

分控制器主要包含动力源模块、传感器模块。泵站控制模块主要包含通信模块、电磁阀驱动模块。

3.2.4 通信网络

通过CAN(Controller Area Network)串行通信协议组建局域网[7]。持续采集传感器的压力、行程信息并进行处理及分析，从而确保油缸的同步顶升。

采用光电隔离措施，增加了防雷抑制二极管，双冗余通道，确保通信网络可靠。

3.2.5 控制策略

针对本项目小曲率钢箱梁顶推的控制策略是“位移同步，载荷跟踪”[8]。以顶升油缸压力为主控参数，以顶推油缸位移量、推力为辅助控制参数，实现力和位移的综合控制。

3.2.6 控制模式

控制系统操作简单、灵活。设计了人工、自动两种控制操作模式，还可根据需要油缸任意组合下的动作。既确保多点高精度同步动作，也可人工干预异常情况，以应对各种复杂工况和突发情况。

3.2.7 控制传感器

组合使用各种传感器，对所有油缸的运行状态进行实时检测，确保钢箱梁的顶推平稳、精准地进行。传感器主要包括:

(1)压力传感器:测量油缸工作压力，反映油缸负载；为德国进口，测量精度为5‰。

(2)行程传感器:测量顶升油缸、顶推油缸、侧移油缸行程，测量误差为0.25 mm；主要元件由德国进口。

3.3 顶推装备安装

3.3.1 机械结构安装

所有同侧设备的中线须在同一条，且与桥梁中线平行的圆曲线上。

调整固定基座至拟装设备处的中心位置，夹紧横向调整机构，避免其横向移动。

固定基座顶面加焊不锈钢板并涂抹薄黄油以减少顶推时的阻力。按设计安装顶推油缸。

整体吊装顶升油缸结构及顶推基座，用手拉葫芦和导向油缸调整精确位置。

最后安装两侧侧移油缸，注意侧移油缸滚轮销轴高出滑道面。

3.3.2 液压泵站安装

液压泵站安装在承台面的中间位置，使左右侧的管路长度一致。每个桥墩处布置2套顶推设备+1台液压泵站。

泵站油管为配备快速接头的双层钢丝高压胶管。

3.3.3 控制系统安装

统一所有传感器安装顺序和位置，安装好后用塑料袋包裹，并做好长期防雨措施。行程传感器拉绳平行于测量方向安装，以免产生偏差。

顶升油缸的行程传感器用螺栓固定于步履式顶推设备的两侧，平行拉出传感器钢丝绳，固定到临时墩和桥墩上。

顶推油缸行程传感器安装于步履式顶推设备的一端，传感器钢丝绳固定在设备下部结构上。

压力传感器安装于顶升油缸和顶推油缸的测压接头位置，电信号接入行程传感器内部的压力测量接口，将压力和行程数据一起反馈给主控计算机。

3.3.4 系统总体布设及配置

桥梁顶推采用多点同步顶推方式，在临时墩的墩顶安装顶升、顶推装置。整个控制系统与液压系统的连接布局如图5所示。

图5 控制系统布置示意

3.4 顶推施工工艺

3.4.1 试顶推

正式顶推前进行一个行程的试顶推，以检验顶推设备工作情况、临时支墩稳定性、同步控制情况、控制参数设定准确情况、滑板工作状况等。同时还通过试顶推检验指挥系统顺畅程度、现场组织配合情况、现场操作人员熟练及配合情况、钢箱梁承载及变形情况。

对于试顶推时发现的问题，及时处理、整改。

3.4.2 正式顶推

正式顶推施工流程[9]:第1步，启动液压泵站，顶升液压油缸将钢箱梁顶起，脱离支撑墩后停止；第2步，顶推油缸向前顶推一个行程，使顶升油缸及钢箱梁向前平移80～90 cm；第3步，顶升液压缸回油，钢箱梁落梁在临时支墩上；第4步，顶推油缸回油，顶升油缸返回初始状态。依次重复上述操作，直至钢梁平移结束。

3.4.3 顶推过程的导梁上墩

由于导梁在悬臂顶推状态时前端下挠，通过导梁前端斜面与桥墩处支架顶斜面自主上墩。

3.4.4 落梁及卸载

顶推钢箱梁至设计位置后，全桥测量钢箱梁轴线偏差，采用侧移油缸调整钢箱梁线形。

落梁:每次进程落梁高度10 cm。把落梁处的顶升油缸进油，顶升钢箱梁使其与抄垫板脱离(脱离高度控制在2 cm内)后，抽出10 cm厚的抄垫板，再落梁10 cm，重复抽出垫板→落梁→抽出垫板的操作至设计高度，固定抄垫板。实施另一桥墩落梁。

3.5 顶推控制要点及关键措施

3.5.1 顶推控制要点

(1)采用多点液压同步自适应控制技术。根据各支撑墩所受竖向载荷智能调整各顶推点的压力值，降低桥墩承受的水平力。

(2)计算机控制同步顶推，避免桥墩受到集中载荷。

(3)计算机智能控制液压同步下降，避免单个顶升油缸承受偏载。

(4)计算机智能实时检测梁体偏位，自动及时纠偏。

3.5.2 顶推施工同步控制技术

(1)同步顶升/下降

自动顶升/下降过程中，顶升行程传感器将实时行程参数传输至主控柜，主控柜通过比较每个点的顶升/下降行程值与1号点的差值，对应发出该设备的顶升/下降比例阀的电压值，调节该点的液压油流量，实现对该点的顶升/下降位移实时调整，实现同步顶升/下降[10]。

(2)同步前进

自动前进过程中，行程传感器实时传送当前行程值到主控柜，主控柜通过比较每个点的行程值与1号点的差值，对应发出该设备的前进比例阀的电压值，调节该点的液压油流量，实现对该点的前进位移实时调整[11]。

(3)全速后退

通过控制系统向泵站发出指令，各点顶推油缸回油，系统全速后退到初始状态。

循环以上动作，实现钢箱梁整体顶推到预定位置。

3.5.3 顶推线形(含转向)控制技术

钢箱梁横向和纵向都有坡度，钢箱梁线形控制非常重要且难度大。

(1)横向线形控制:中线偏移监测点设在梁段前端和后端桥面上，1#～3#桥墩两侧边缘设置水平位移监测点。在钢箱梁侧面下缘处按间距1m标注里程线，在固定基座两侧上标画各里程的测量点[12]，顶推时，墩顶的量测人员能直观地监测两侧进尺是否同步。顶推时重点监控最前端和最后端的偏位值。当某测点偏位量大过5 cm，则结合其相邻测点偏位情况，用侧移油缸纠偏。

(2)竖向线形控制:顶推前模拟计算出每顶推1 m时顶升油缸的反力值，根据设计值调节各顶推点泵站的最大输出压力[13]，避免局部受力过大，引起钢箱梁线形变化。当某点受力超过设计值时，按照测量单位提供的钢箱梁线形数据，抄垫相对应的搁置梁的垫块高度，避免部分搁置梁脱空的情况，保证梁段的竖向线形。

4 结束语

本项目小曲率顶推施工时，对顶推技术不断创新，紧跟科学技术的发展前沿，在使用新形步履式顶推装备的基础上，整合液压、计算机控制、信息化、智能化、自动化等最新技术，提高了顶推施工机械的性能及高科技含量，按期高质量地完成顶推施工。