1-2--马鞍山长江公路大桥建设技术与创新-0314发.ppt

马鞍山长江公路大桥建设技术与创新,2014.3,马鞍山大桥建设技术及工法创新,第一篇,马鞍山长江公路大桥建设技术与创新,原始创新系列根式基础研究与应用,第二篇,第一篇马鞍山大桥建设技术及工法创新,第一篇马鞍山大桥建设技术及工法创新,马鞍山大桥概况,一,马鞍山大桥施工,三,马鞍山大桥设计,二,马鞍山大桥建设技术及工法创新,第一篇,目录,马鞍山大桥施工工法创新,四,一、马鞍山大桥概况,大桥路线起于马鞍山市和县姥桥镇省道206，终点止于当涂县牛路口，全长36.274公里，其中跨江主体工程长11.209公里。投资概算70.8亿元。建设工期5年。,姥桥,牛路口,路线方案图,1.1建设规模,5,一、马鞍山大桥概况,1969年至2006年河床断面变化过程（动画）,左汊主桥桥位处深槽左右摆动，近40年来桥址处深泓摆动最大幅度为1200米。,1.2河势分析,6,一、马鞍山大桥概况,首座实施的千米级三塔两跨悬索桥方案,为覆盖整个变化的通航水域，建设团队首次在世界上提出了千米级三塔两跨悬索桥方案，主跨跨度由日本小鸣门桥的160m突破到1080m。,1.3桥型方案21080米三塔两跨悬索桥,7,中塔鞍座内滑移系数三塔两主跨悬索桥方案的结构受力不同于两塔单主跨悬索桥结构。由于多了一个主跨，主缆对中塔塔顶的约束较边塔弱。当一主跨满载，另一主跨少载或空载时，中塔两侧主缆将出现缆力差值。,1.4设计关键技术及解决方案,21080m三塔悬索桥方案中塔顶鞍座承受的不平衡缆力、避免主缆在鞍座内滑动问题是本方案的关键技术问题。,一、马鞍山大桥概况,围绕减小主缆在中塔顶两侧产生不平衡缆力的思路，针对结构体系、主塔刚度，开展了多方案分析计算。,塔梁连接方式,通过分析认为，在中塔处采用塔梁固结体系对降低主缆在中塔两侧产生的不平衡缆力、提高主缆与鞍座间的抗滑移安全系数、增大结构的竖向刚度效果显著，同时，中塔处采用塔梁固结方式，取消塔梁间竖向、横向支座和纵向弹性索，简化了结构的支承体系，方便了后期养护，因而本方案推荐采用中塔塔梁固结体系。,一、马鞍山大桥概况,1.4设计关键技术及解决方案,主塔结构形式,分别对中塔的主塔材料、主塔刚度、主塔的形状进行了研究，通过研究最终确定中塔柱采用I字形、钢-混凝土混合塔，即方案一。,一、马鞍山大桥概况,1.4设计关键技术及解决方案,二、马鞍山大桥设计,钢-混叠合塔。确保中塔刚度适中，并避免下塔柱采用钢结构带来的防腐难题。,钢-混叠合塔,塔梁固结结构体系,根式基础,塔梁固结体系。提高塔顶鞍座与主缆的抗滑移安全系数。,具有原创性的根式基础。充分发挥基础周边土体作用，大幅提高承载能力。,结构特点：,11,三、马鞍山大桥施工,塔高175.8m，混凝土下塔柱高37.5m，钢塔柱高127.8m，塔顶装饰段高10.5m。基础采用69根直径3m、长80m的钻孔桩。承台尺寸为80.2m43m7m。,3.1悬索桥中塔基础施工,12,三、马鞍山大桥施工,吊箱钢围堰尺寸为83.946.711.76m，重达23000KN，浮运时吃水深1m左右，定位时吃水深5.4m。,钢吊箱制作,3.1.1吊箱钢围堰制作与定位,钢吊箱下水（视频）,13,三、马鞍山大桥施工,钢吊箱精确定位示意图,14,三、马鞍山大桥施工,69根直径3m、长80m的钻孔桩。钢护筒直径3.2m，长45m，入土深度约23.5m。,钢护筒振沉,3.1.2大直径桩基础施工,1、钢护筒振沉,利用45根钢护筒与围堰固结，形成无桩度洪体系，安全度洪。,15,三、马鞍山大桥施工,采用10台KPG3000、KTY3000、KTY4000型钻机同时作业，通过加大配重、设置钻头导向装置、反复扫孔等措施保证钻孔垂直度。,2、桩基施工,利用运输船实现83m钢筋笼分3节入孔的记录，仅有2个接头。,钻孔,钢筋笼下放,16,三、马鞍山大桥施工,平面尺寸为60.2m55.4m（第一、二节沉井长和宽分别为60.6m和55.8m）的矩形截面，高48m，共分九节，布置25个井孔。分三次接高三次下沉(1-4节，5-6节，7-9节）。,3.2悬索桥锚碇沉井施工,17,三、马鞍山大桥施工,3.2.1钢壳沉井拼装及就位,钢壳就位后周围采用砂袋加固,3.2.2沉井接高,浇筑接高节段混凝土,18,三、马鞍山大桥施工,3.2.3沉井下沉,1、首次下沉降排水下沉工艺,吸泥施工,吹填砂,降排水,第1-4节下沉历时29天，沉井下沉16.66m，平均每天下沉57.4cm。,19,三、马鞍山大桥施工,2、第二次下沉半排水下沉工艺,第2次(第56节)下沉用时22天，下沉量为11.37m，平均每天约51.7cm。,20,三、马鞍山大桥施工,3、终沉采用空气幕助沉,终沉阶段，开启空气幕助沉，每开启一次空气幕，均能下沉40cm左右，最多一次达到80cm，平均每天下沉约60cm。,空气幕助沉（视频）,21,三、马鞍山大桥施工,采用遥控飞艇牵引的方法牵放2mm迪尼玛先导索过江，选择风速较小、风速稳定时过江。,3.3.1猫道架设,1、先导索架设,飞艇牵引先导索过江,塔顶导线轮,3.3悬索桥上构施工,22,三、马鞍山大桥施工,先导索牵引到位后，再通过4次置换对接和机械牵引，实现25级导索的架设，并最终完成牵引索的架设。,2、牵引索架设,牵引索架设相关数据表,23,三、马鞍山大桥施工,猫道采用四跨连续形式，宽度为4米，中跨有7个通道，边跨有2个通道。,3、猫道架设,24,三、马鞍山大桥施工,3.3.2主缆架设,索股架设采用双线往复门架拽拉式牵引系统，牵引卷扬机安装在北锚后，存索区和放索装置位于南锚后。,25,三、马鞍山大桥施工,3.3.3钢箱梁安装,全桥梁段成对称布置，共划分为135个节段，分为A、B、C、D、E、F、G、H八种类型。,钢箱梁标准节段,26,三、马鞍山大桥施工,安装原则：同步、对称；合龙时，先边塔后中塔。总体安装顺序：从跨中33、34(33、34)号吊索梁段开始，同步对称向索塔方向分4个作业面进行钢箱梁吊装施工。全桥共设4个合龙段，分别在主跨的5、64(5、64)号吊索对应梁段。,1、安装顺序,27,三、马鞍山大桥施工,中塔塔梁固结处合龙段：主要采用温差合龙和牵引预偏共同作用，合龙空间比合龙段1322cm（预留焊接收缩量影响）。合龙时温度较低，合龙空间较高温季节大，再者如果合龙空间不足，将主跨整跨钢箱梁向边跨牵引预偏，确保合龙空间。,2、中塔处合龙段吊装控制,28,中塔侧合龙(64#)：温差合龙；储备措施：边跨侧牵拉预偏；边塔侧合龙(5#)：牵拉预偏；合龙要求：合龙空间合龙段梁长+2030cm；起吊方式：垂直起吊。,最终，仅用时2个多月完成全部136节段钢箱梁吊装工作，在创造国内悬索桥钢箱梁安装速度新纪录的同时，有效确保了合龙精度。,钢箱梁吊装钢箱梁合龙,三、马鞍山大桥施工,四、马鞍山大桥施工工法创新,工法一GGG(中企)C2070-2012-钢混叠合塔塔柱施工工法工法二GGG(皖)C3082-2013-提升超高钢筋混凝土索塔品质施工工法工法三GGG(皖)C3088-2013-悬索桥索股架设施工工法工法四GGG(皖)C3083-2013-拱形钢筋混凝土塔柱变曲率模板施工工法,30,大桥在建设团队在建设中针对特大桥梁施工中超高塔柱混凝土品质、锚碇大体积混凝土品质控制、缆索精确架设、曲线混凝土塔柱施工等常见难题，通过摸索和攻关，精益求精，实现了以下四个工法的创新。,4.1钢混叠合塔塔柱施工工法GGG(中企)C2070-2012,31,四、马鞍山大桥施工工法创新,悬索桥中塔采用钢混叠合结构，下塔柱为预应力混凝土塔，上塔柱为钢塔。,施工难点：中塔采用大规模的钢混叠合结构，必须保证叠合段混凝土与钢底板的密贴性，确保上下塔柱受力传递性能。,32,四、马鞍山大桥施工工法创新,4.1.1工法特点,劲性骨架定位钢筋及预应力管道,内腔锯齿块处设置模板填充块,1、下塔柱施工,定位劲性骨架,模板增加填充块,T1节段,钢绞线,叠合段,钢混叠合段高2m。T1节段高5.8m，底板平面尺寸为15.97.8m，下塔柱顶平面尺寸为17.09.2m。施工难点：针对大规模的钢混叠合结构，必须保证叠合段混凝土与钢底板的密贴性，确保上下塔柱受力传递性能。,33,2、钢混叠合段施工,四、马鞍山大桥施工工法创新,钢混叠合段示意图,1）叠合塔墩接头及塔梁固结模型试验,为验证结构受力合理及施工工艺可靠，开展了1/4模型试验。,2）混合料性能试验,为保证混合料的密实性与密贴性，开展了近100次配合比试验。,3）现场1/4模型试验,为确定科学合理的叠合段混凝土浇筑工艺，现场开展了3次不同方案的浇筑对比试验。,开展叠合段相关试验,34,四、马鞍山大桥施工工法创新,1/4模型试验,配合比试验,现场1/4模型浇筑试验,确定叠合段混凝土施工工艺,1）叠合段布置6个定位立柱实现T1节段精确定位2）底座板下焊接剪力钉优化叠合结构受力性能3）浇筑195cm厚自密实混凝土+填充5cm厚高性能砂浆保证叠合段混凝土密贴性,35,四、马鞍山大桥施工工法创新,叠合段混凝土浇筑,底座板下焊接剪力钉,1）研发了全球最大水平臂上回转自升塔式起重机D5200塔吊，解决标准节段整节段吊装难题。,36,标准节段整体吊装,四、马鞍山大桥施工工法创新,采用大吨位整节段的优点：减少现场安装工序加快安装速度提高安装精度增加结构受力整体性,3、钢塔柱安装,2）通过上塔柱主动横撑调整两塔间距，通过钢塔节段调节口调整修正累积误差。,37,主动横撑设置,四、马鞍山大桥施工工法创新,调节口布置,4.1.2工法应用成果,38,四、马鞍山大桥施工工法创新,1）实现了钢筋及预应力管道的精确定位，加快了施工进度；2）下塔柱采用填充式内模进行锯齿块施工，大大减少内模修改量，节约内模投入约40%；3）根据试验结果表明叠合段顶面密实度达90%以上，有效保证了上下塔柱间的传力性能；4）创造了平均2.3天安装一节钢塔柱标准节段的新记录，塔柱倾斜度仅为1/15000，远优于设计允许误差值1/4000，两塔中心间距误差3.2mm低于设计允许值4mm。,4.2提升超高钢筋混凝土索塔品质施工工法GGG(皖)C3082-2013,39,四、马鞍山大桥施工工法创新,超高钢筋混凝土塔柱受现场施工工艺、浇筑条件、振捣水平、混凝土养护环境等诸多方面影响，易发生以下质量通病：,大面平整度难以保证节段间错台严重、接头控制不理想钢筋保护层合格率低混凝土裂缝,工艺流程图,4.2.1工法特点,40,四、马鞍山大桥施工工法创新,加大模板刚度,1、解决混凝土大面平整度难以保证问题,改变传统模板背带形式，加大模板刚度，采用新型几字梁加方木组合。相对于传统塔柱模板系统，该模板系统具有材质更轻，刚度更大，结构受力更合理等特点，从而保证混凝土大面平整度。,41,四、马鞍山大桥施工工法创新,2、解决接缝控制不理想，节段错台严重问题,设置首节塔柱模板槽解决首节塔柱与塔座连接烂根现象,塔柱首节接缝,42,四、马鞍山大桥施工工法创新,环缝切割,切割后粘贴双面胶止污染,调整拉杆力臂，环缝切割工艺解决节段间错台严重问题,调整拉杆力臂,43,四、马鞍山大桥施工工法创新,3、解决混凝土保护层合格率不足问题,钢筋、模板精确空间定位,钢筋精确定位,模板空间定位,44,四、马鞍山大桥施工工法创新,高强度保护层垫块设置,选用高强度保护层垫块，保证设置密度,模板空间定位,双扎丝绑扎固定,保护层合格率检测,45,四、马鞍山大桥施工工法创新,降低混凝土入模温度,4、解决混凝土裂缝控制难题,通过对砂石料设置遮阳棚、冲洗台、拌合水制冷等措施降低混凝土浇筑入模温度。,遮阳棚,冲洗台,46,四、马鞍山大桥施工工法创新,温湿度梯度养护法,高温干燥环境下顶面蓄水及喷淋养生,季风季节覆盖防风布,低温覆盖电热毯加热,在高空恶劣环境下，根据不同季节、天气情况采取相应的养护措施，并延长养护时间，保证混凝土表面相对湿度，尽量消除因混凝土温、湿度梯度等因素影响而产生的收缩变形，避免早期裂缝的产生。,4.2.2工法应用成果,47,四、马鞍山大桥施工工法创新,1）有效解决首节塔柱与塔座连接烂根现象；2）错台偏差（2mm）、大面平整度偏差（2mm）、倾斜度偏差（4mm）等技术指标仅为规范及设计允许值的1/31/2，达到钢塔控制精度；3）有效控制钢筋保护层合格率在90%以上，基本解决了大体积塔柱混凝土裂缝问题，确保混凝土耐久性。,马鞍山大桥北塔,4.3悬索桥索股架设施工工法GGG(皖)C3088-2013,48,四、马鞍山大桥施工工法创新,主缆承担悬索桥上部结构的全面恒载和活载，架设质量的好坏直接影响悬索桥的成桥精度及使用寿命。但传统架设工艺易发生以下常见问题：,索股扭转鼓丝钢丝锌层受损被污染,索股架设工艺流程,4.3.1工法特点,49,四、马鞍山大桥施工工法创新,采用双缠包带措施，减少索股两端扭转，防止索股架设过程中出现的鼓丝现象。,1、解决索股扭转、鼓丝现象索股“单缠包”增至“双缠包”,“双缠包带”应用,50,四、马鞍山大桥施工工法创新,通过创新设计端头可自由转动的索股锚头连接拽拉器，改进索股锚头连接方式，以利于索股端头自由转动，释放初始扭转应力，减小索股在架设时发生的扭转现象。,创新型索股锚头连接拽拉器,新型索股锚头连接拽拉器,51,四、马鞍山大桥施工工法创新,通过该工序精确矫正每根钢丝的扭转状态，使得索股在无应力状态下进入索鞍的卡槽内。根据施工实践表明，此整形工序对于后序的索股调整与锚跨张力调整非常有利，能够大大提高工效，更能够保证全桥荷载在索鞍处应力的均匀分布。,索股入鞍前增加一道整形工序,索股整形施工,52,四、马鞍山大桥施工工法创新,首次将索股拖滚支撑架设置为弹性支撑结构在曲线半径较小位置将索股支撑结构设计为弹性支撑架构。支撑架体上部为弹簧结构，可以使托滚适应索股牵引时的线型高度变化，同时能够调节托滚支点压力，使索股始终支撑在托滚上，均匀受压，减小托滚磨损。,2、防止索股镀锌层磨损、被污染现象,新型弹性索股支撑架,4.3.2工法应用成果,53,四、马鞍山大桥施工工法创新,1）有效解决了索股架设阶段的扭转、鼓丝、钢丝受损及被污染等现象，保证了索股架设质量；2）改善了主缆内钢丝受力状态，有效提高了主缆安全系数达2.2%；3）设施简单易操作，减少了大量索股疏整工序，节省工期及费用投入。,马鞍山大桥索股架设,4.4拱形钢筋混凝土塔柱变曲率模板施工工法GGG(皖)C3083-2013,54,四、马鞍山大桥施工工法创新,变曲率塔柱在桥梁中应用已较为广泛，传统施工则采用以直代曲的翻模施工工艺，施工精度差，难以体现结构的曲线线形。本工法研制出了一套变曲率模板体系（利用可调螺杆将面板线形调整变换为需要的曲面），同时研制出对应的变曲率爬模系统，形成了以变曲率爬模工艺为基础的成套拱形塔柱施工工法，真正实现了拱形混凝土塔柱曲面成型。,拱形塔施工流程图,4.4.1工法特点,55,四、马鞍山大桥施工工法创新,1、新型变曲率模板体系，还曲代直该体系可根据不同节段的不同曲率进行相应调整变换，避免了以直代曲所形成的混凝土折线现象，可有效的控制拱形塔线形施工质量。,模板后方设计刚度较大的桁架结构，采用爬模的上架体作为模板调整的基座。模板的曲率通过工木梁与背楞之间的调节螺杆来实现，桥塔各节段曲率可通过计算确定各节点弦弧矢高差，然后利用可调螺杆将面板线形进行预先调整，以达到不同曲率的弧线要求。,曲率调整示意图,R1为面板，R2为可调节螺杆，R3为矢高值，R4为桁架龙骨。,工艺原理,模板架构设计,56,四、马鞍山大桥施工工法创新,该模板体系有六部分构成，分别是木质面板，工木字梁，工梁连接件，可调节螺杆，导向装置，槽钢背楞。,模板体系端面图,模板体系构成,57,四、马鞍山大桥施工工法创新,节段错台控制,倒角粘贴PVC条,设置多层拉杆体系，保证相邻节段模板的紧密性。,针对结构断面倒角，粘贴PVC条倒角条控制顺直度。,节段错台及倒角控制,2、采用液压爬模系统，改进操作工艺,58,四、马鞍山大桥施工工法创新,主要包括：模板系统、埋件系统、液压系统和架体系统。,爬升体系构成,4.4.2工法应用成果,59,四、马鞍山大桥施工工法创新,1）实现了拱形变曲率塔曲线设计线形，确保混凝土塔柱达到了钢塔的曲线精度，线形流畅美观；2）节段间接缝平顺，大面平整，施工质量控制效果明显；3）变曲率爬模系统操作简单，安全系数高，适用于混凝土结构的拱形塔、曲线异形塔的高墩和高塔结构。,斜拉桥拱形塔,大桥创新成果,大桥建设团队取得包括“钢混叠合、塔梁固结千米级连跨悬索桥、根式锚碇及其施工方法、小直径自平衡根键式钻孔灌注桩施工装置”等国家专利27项。包括“钢混叠合塔塔柱施工工法”等国家级工法8项。,四、马鞍山大桥施工工法创新,第二篇系列根式基础研究与应用,第二篇系列根式基础研究与应用,系列化根式基础的方案构思,一,小直径根键式钻孔灌注桩基础,大直径根式沉井基础,三,钻沉法根式管桩基础,四,根式锚碇基础,一,二,五,目录,系列根式基础研究与应用,第二篇,一、根式基础方案构思,63,首通桩,改良桩（挤扩支盘灌注桩、竹节桩等）,根式钻孔灌注桩,无配筋，脆性破坏,有配筋，地基梁作用,1.1根式基础的提出,传统群桩基础,根式沉井基础,1.2传统群桩基础根式沉井基础,64,在根式钻孔灌注桩构思，拓展至沉井（管）基础，在传统沉井（管）基础植入根键形成根式沉井（管）基础。,一、根式基础方案构思,1.3传统锚碇根式锚碇,传统矩形沉井,根式锚碇基础,65,多个根式根式沉井基础组合形成根式锚碇基础。,一、根式基础方案构思,二、小直径根式钻孔灌注桩基础,2.1小直径根式钻孔灌注桩,在传统钻孔灌注桩的基础上，在桩体周壁增加根键，形成根式钻孔桩。,钻孔桩基础,根式钻孔灌注桩桩,预制根键,灌注桩体,二、小直径根式钻孔灌注桩基础,66,二、小直径根式钻孔灌注桩基础,2.2施工工艺,根键顶进,钢筋笼下放,钻孔泥浆配置,护筒埋设,成孔钻进,根式钻孔桩施工工艺,67,二、小直径根式钻孔灌注桩基础,根键顶进（动画）,浇筑混凝土成桩,钢筋笼制作,成孔钻进,下放及定位,68,二、小直径根式钻孔灌注桩基础,2.3承载力测试,采用自平衡法测试，对某大型桥梁引桥部50+60+50m连续梁过渡墩Z114处，左幅承台布置1根1.5m的根式钻孔灌注桩基础。经测试极限承载力为30037kN，相应的位移为75.8mm。,与钻孔灌注桩相比，根式钻孔桩摩阻力提高35%，承载力提高28%。,69,二、小直径根式钻孔灌注桩基础,2.4施工设备改进,70,1）原顶进设备,根键顶进装置示意图（施工视频）,滑块斜面与锥压件的斜面相切，当锥压件受力向下移动时将对滑块产生向下及径向向外的两分力。同时滑块径向向外的分力作用在根键上将其向外顶出。,2）改进后的设备,根键顶进装置示意图（施工视频）,采用旋挖顶推一体化装置施工，装置由旋挖钻机和根键顶入设备组成，钻头和根键顶入设备通过插销连接到旋挖钻机平台，通过更换钻头和根键顶入装置可完成开挖钻孔、清孔、下放钢筋笼及根键顶进等工作。,本设备优点：通过钻机自带的智能化操作平台，可实现可视化顶推根键，达到精确定位、顶进的效果。采用旋挖顶推一体化装置施工，设备灵活，高效，实现“一机多用”。,二、小直径根式钻孔灌注桩基础,三、大直径根式沉井基础,3.1施工工艺,三、大直径根式沉井基础,72,三、大直径根式沉井基础,空气幕辅助,下沉到位,封底,取土下沉,首节沉井立模及制作,沉井接高,空气幕辅助,73,三、大直径根式沉井基础,根键顶进,根键顶进到位,安装顶进平台,预制根键,根键顶进（动画）,内衬浇筑,顶板浇筑,74,3.2根式基础防水、根键止水工艺,分6步设置，依次为：井壁挡板防水橡胶止水带止水挤密式构造止水快速顶进末端快凝止水内衬永久止水。,高密度聚乙烯板挡水,内衬永久止水,安装橡胶止水带,挤密式构造止水,大行程千斤顶快速顶进,预留凹槽内涂快凝防水材料,三、大直径根式沉井基础,75,三、大直径根式沉井基础,自平衡法是把一种特制的加载装置荷载箱埋入沉井井壁内，利用自平衡来维持加载。根据已测得的各土层摩阻力-位移曲线，转换至桩顶，得到试桩等效转换曲线。,3.3根式沉井基础测试,3.3.1试验原理,自平衡法试验原理示意图,三、大直径根式沉井基础,采用自平衡法进行测试，根式基础外径6m，深39m，荷载箱距底端5.5m,最大的测试荷载120,000KN,分别进行竖向静载和水平静载试验。,根式基础荷载箱实物图,77,3.3.2测试简介,三、大直径根式沉井基础,92,004,52,016,承载力（KN）,侧摩阻力（KN）,竖向静载试验结果对比,59,074,19,046,水平静载试验结果对比,有根键,无根键,16,000,10,000,承载力（KN）,有根键,无根键,承载力提高达75%侧摩阻力提