浅谈顶升技术在桥梁施工中的应用

顾金耀（上海振华工程咨询有限公司， 上海 200063）

1 项目简介

1.1 工程概况

上海轨道交通 5 号线南延伸工程设计，起点为 5 号线东川路站预留接轨点，终点为南桥新城站，线路沿途经闵行和奉贤两区，线路长约 16.627 km，共设 9 座车站（改扩建 1座车站、续建 2 座车站，新建 6 座车站），直至经 5 号线已建工程（莘庄～闵行开发区站）线路长约 17.206 km，与莘庄停车场接轨。

全线在既有剑川路停车场基础上，新建平庄公路车辆基地和莘庄停车场各 1 座。剑川路停车场在初、近期为既有利用，远期进行工程改造。

本项目莘庄停车场位于闵行区莘建东路南侧、莘庄立交桥西侧、轨道交通 1 号线正线北侧合围的地块内，工程用地 1.62 hm2。

1.2 跨宝城路桥梁概况

（1）上部结构：跨宝城路桥梁为一孔长 37.332 m 预应力混凝土 U 型简支梁，与宝城路斜交角为 9°41′11″；U 型梁截面为变截面，最小宽度为 7.862 m，最大宽度为10.254 m；混凝土等级为 C55 ，混凝土方量约 219.7 m3，桥梁总重约 571.22 t。

（2）下部结构：采用 A800 mm 钻孔灌注桩，按摩擦桩进行设计的桩承式桥台；桩基采用水下 C30 混凝土，桥台采用 C40 混凝土。

（3）支座：采用 CGQZ 球型支座。

（4）桥梁预应力张拉：纵向预应力束采用高强度低松弛 15-Φ15.2（腹板 4 束）、12-Φ15.2（底板 18 束）钢绞线；标准强度 fpk=1 860 MPa，E/p=1.95×105 MPa，锚下控制应力为 σ/con=0.70 f/pk；U 型梁混凝土强度达到 90%设计强度且有效龄期达到 14 d 后进行张拉，张拉时按 U 型梁横向对称中心对称进行，先两侧后中间的原则进行。

（5）前期准备工作：工程实施前对预应力梁就位有冲突影响的宝城路两侧人行梯桥通道及路灯进行搬迁改造，同时对两侧桥台基础周围影响的电力、信息等缆线也进行搬迁。

2 场地现状和周边环境

2.1 上海轨道交通1号线箱涵

本莘庄停车场工程南侧毗邻上海轨道交通1号线正线（外环路站～莘庄站区间）。该段轨道交通区间为土路基+碎石道床基础。跨宝城路桥梁西侧桥台距离轨道交通 1 号线箱涵线路中心线 4.894 m，东侧桥台距离轨道交通 1 号线箱涵线路中心线 6.82 m，正处于轨道交通 30 m 保护区域范围内，桥梁下部和上部结构施工极易对运行中的 1 号线线路的道床沉降、道床水平位移产生影响，施工难度特别大。为了确保轨道交通运营及轨道交通结构的安全，选择安全可靠、经济合理的施工工艺方法和有效安全的保护措施，显得尤为重要。

2.2 既有宝城路下立交桥

既有的宝城路下立交桥 U9 槽段现状为双向 4 条机动车道+2 条非机动车道+2 条人行道路，整个槽段净宽约26.2 m。该道路是属于闵行区主干道，交通流量非常大，无法中断。

3 可行方案

鉴于新建桥梁是在已有道路上进行架设，因此必须充分考虑施工对于原有道路交通运行的影响，综合考虑其经济意义和社会影响。

根据现场调查分析可知，桥梁跨越的宝成路交通流量较高，且属于城市干道，无法断行，因此现场施工环境对于施工工艺要求较高。以下对于顶梁施工方案和架桥机方案进行对比分析。

3.1 架桥机方案

目前市场上采用架桥机技术的比较多，且技术较为成熟。但同时，对于施工场地技术要求高，转场时对道路要求也高，使用运输的成本也高。此外，由于其属于特种设备，组装完成后需检验合格方能使用，周期较长，架桥机作业时需要中断交通，因此对于地处繁忙交通、不能断行之地的桥梁架设不适用。

3.2 顶升、降落方案

目前顶升、落梁技术还处于技术完善阶段，各方面的技术正在逐步成熟中。但是其施工工艺要求较高，优势也较为明显，不需要中断交通且施工精度较高。对于本工程不能中断交通的要求而言，属于优先选择的施工工艺。

跨宝城路桥梁架设由于受现场客观条件等原因限制，需将桥梁在原位标高以上处进行浇筑；施工完成后，利用PLC 液压控制系统进行同步顶升降落，以达到安全可靠、经济合理的目的。

4 桥梁施工概况

本工程U 型梁数量为 1 榀，截面为变截面，最小宽度为 7.862 m，最大宽度为 10.254 m，U 型梁长约 37.68 m，C55 混凝土方量为 219.7 m3，重约 571.22 t。施工阶段包含贝雷架和钢管支架搭设、立模、绑扎钢筋、浇筑混凝土、养生、张拉预应力钢束、孔道灌浆等施工工序。

4.1 施工方案简述

本工程在梁端两侧分别布置 4 台 300 T 千斤顶，全桥共 8 台。每 2 个千斤顶为 1 组，共分为 4 组，然后通过采用交替降落控制系统进行同步顶升降落施工；交替降落施工系统为交替顶升控制系统的反向运用。交替降落为每个支撑顶点布置处安装 2 组可主动施加顶升力的千斤顶，并由控制台控制液压泵站驱动 2 组千斤顶进行反复交替降落。降落过程中，先由第一组千斤顶升缸受力，另一组千斤顶悬空作跟随使用，以防止千斤顶失效时梁体突然坠落；第一组千斤顶收缸一个行程过后，通过控制台控制液压泵站驱动第二组千斤顶进行升缸受力；当力传到第二组千斤顶时，将第一组千斤顶下垫块拆除 100 mm，保持悬空跟随状态，然后第二组千斤顶收缸；当第二组千斤顶收缸一个行程后，第一组千斤顶升缸受力……。重复以上步骤，直至完成整个降落过程。

本工程垫石高度为 330 mm，支座高度为 120 mm。所以在降落工程中采用高度为 320 mm 的千斤顶（顶帽高度为 100 mm，标准行程为 100 mm），最后落至支座及垫石上。450 mm（垫石高度 330 mm+支座高度 12 0mm）＞420 mm（千斤顶高度 320 mm+顶帽高度 100 mm）。

4.2 施工总体流程

安装落梁钢支撑体系→安装千斤顶→梁底设独立模板→U 型梁浇筑并养护达到强度要求→油管连接调试系统→千斤顶顶升 10 mm→贝雷架及梁端支架拆除→落梁 2.45 m→支座安装→拆除设备。

4.3 关键施工工序

4.3.1 液压千斤顶、钢支撑的选择与布置

选用型号为 300 T 的千斤顶：顶身长度 320 mm，底座直径 315 mm，顶帽高度 100 mm；最大行程为 140 mm，标准行程为 100 mm。千斤顶均配有液压锁，可防止任何形式的系统及管路失压，从而保证负载的有效支撑。每个支座附近的 2 台液压千斤顶为一组，同组之间液压联通；每个桥台配备 1 台连点同步液压泵站，总共配备 2 台液压泵站，每台泵站自带液压传感器。每组千斤顶附近安装 1台位移传感器，全桥安装 4 台。配置 1 台远程操控台，液压泵站和位移传感器通过数据线与操控台连接。通过远程操控台计算机软件对泵站下达顶升降落工作指令，同时处理液压传感器和位移传感器传回的数据，确保四点位移同步，同时对各点液压压力进行监控。

在桥台顶面安装液压千斤顶和换肩钢支撑（垫块）进行 U 形梁的顶升和降落。由于千斤顶需要支撑上部梁体，然后拆除贝雷架等支撑体系，所以千斤顶及支撑安装位置需要与贝雷架现场安放位置协调。现设计将钢支撑安装在支座内侧，并排布置，梁体施工时可考虑千斤顶安装位置独立设置钢板，千斤顶吊顶钢板可直接与这块钢板焊接。

钢支撑（垫块）高度最大 2.7 m，采用 A500 mm、壁厚 12 mm 钢管进行支撑。为了保持支撑的稳定性，采用化学螺栓和法兰盘将钢支撑固定于桥台混凝土表面。除设置顶升垫块外，还需设置换肩支撑垫块（兼作保护支撑）。钢管支撑采用定型加工产品，高度规格为1 000 mm、500 mm、200 mm、100 mm，节间法兰连接，小于 100 mm 的空间采用钢板填充。

U 型梁自重 571 t，采用 8 台 300 T 液压千斤顶进行操作，每支座附近布置两台，安全储备经验算 8×300/571=4.2 倍，满足施工安全的要求。

4.3.2 顶升与降落

顶升最大高度 1 cm，降落最大高度 2.45 m。顶升与降落过程中通过调节支撑顶部的填充钢板厚度，始终保持梁底与换肩支撑之间保持不大于 10 mm 间距，当因液压泄露等原因造成失压时，换肩支撑能起到支撑保护的作用。

（1）顶升流程：设备安装（千斤顶处于收缸状态）→顶升 1 个行程 1 cm→旋紧机械螺纹保压环→设置换肩支撑。

（2）降落流程：设备安装（千斤顶处于出缸状态）→落梁 1 个行程 10 cm→设置换肩支撑→千斤顶出缸并降低垫块→再次落梁 1 个行程 10 cm→设置换肩支撑。如此循环下落至要求高度。

4.4 千斤顶的分组与控制

顶升与降落施工时位置靠近的液压千斤顶编为 1 组，共分为 4 组。同组千斤顶之间液压联通，每组千斤顶附近安装 1 台位移传感器。不同组千斤顶独立控制，并通过计算机控制程序来保持各控制点之间位移的同步一致。

4.5 PLC 同步控制系统

以上控制目标的实现是通过 PLC 液压同步控制系统来实现的。PLC 主要包括：液压千斤顶、液压变频泵站、工控箱、位移传感器、压力传感器、计算机及其控制程序等组成。PLC 控制液压同步降落是一种力和位移综合控制的降落方法。这种力和位移综合控制方法建立在力和位移双闭环的控制基础上，由液压千斤顶精确地按照桥梁的实际荷重，平稳地顶升桥梁，使降落过程中桥梁受到的附加应力下降至最低；同时液压千斤顶根据分布位置分组，与相应的位移传感器组成位置闭环，以便控制桥梁降落的位移和姿态，同步精度为 ±2.0 mm。这样就可以很好地保证降落过程的同步性，确保降落时桥梁的结构安全。

4.6 施工过程监控

4.6.1 同步监控

千斤顶每个行程内的同步差由位移传感器自动采集，通过数据线传输至顶升监控软件的电脑屏幕，超过设定的报警值时自动报警，累计误差通过水准进行测量。本工程支座不均匀沉降的设计值为 5 mm，所以本次同步报警值按照 4 mm 进行控制，当达到或接近报警值时，对误差较大的点进行单点顶升或降落，以调整同步误差。

4.6.2 水平偏位误差

由于支撑垂直度等原因的影响，梁体有可能出现水平方向的偏位，需在两侧桥头设置顶升降落限位装置。限位装置采用槽钢和角钢焊接而成，约束顶升降落过程中桥梁的横向和纵向位移。本工程水平偏位控制值设定为 ±15 mm，当水平位移偏差超过 10 mm，并有可能继续偏位超过设定值时，设置的型钢限位档将对偏位进行限制。型钢限位档通过在桥台顶面预留预埋钢板，滑动面设置四氟板润滑。

4.6.3 液压压力监控

PLC 系统以位移控制为主，液压压力控制辅助。液压千斤顶最大压力不得超过额定压力的 5%；否则应对同步误差进行修正。

5 过程中安全技术控制措施

5.1 桥面标高监测

桥面高程观测点用来推算每个桥墩的实际降落高度。设置桥面标高观测点，可以精确地知道每个桥台的实际降落高度，使降落到位后桥面标高得到有效控制。因此，在施工过程中对结构的竖向位移进行测量是至关重要的。竖向位移的测量采用水准仪，测点设在桥面上，在每个支座位置的桥面两侧设置 2 个测点。通过落梁前后各测点高程的变化，掌握各点降落高度是否达到设计要求，并判断高度的变化是否在结构中产生了过大的附加内力。

5.2 梁体纵向位移观测

为了对降落过程中梁体纵向位移及立柱垂直度的观测，在外立柱外侧面用墨线弹出垂直投影线。墨线须弹过切割面以下，在垂直墨线的顶端悬挂一个铅球，通过垂球线与墨线的比较，来判断梁体的纵向位移及梁体是否倾斜。

5.3 施工安全控制措施

（1）顶升、降落前，必须配置一个强有力协调指挥班子。

（2）必须制定相应的安全操作管理制度及安全生产措施。实施前，专职安全员应对各个施工环节进行专门细致的检查，并对所有施工作业人员进行安全教育，对参与操作的人员进行岗位培训和技术交底，具体措施如下：

①贯彻落实行之有效的安全管理制度，确保施工安全技术交底准确有效，并详细讲解施工顺序、工艺流程、安全注意事项、关键部位的安全操作要领等；

②加强施工机械管理，关键或重要机械设备及配电系统在使用前必须逐个进行检验，保证机械设备和配电系统状态正常，过程中加强对使用设备检查维护；

③施工作业应尽量避开交通高峰期，交通开放期应设置有效安全隔离和保护措施，确保通行车辆安全；

④千斤顶上下两侧必须用钢板垫平，便于千斤顶全面接触受力，当空隙较大时必须用薄钢板垫平稳，以免破坏混凝土结构。

6 综合评估与总结

6.1 综合评估

本项目目前已经进行轨道铺设，各项技术指标满足设计和相关规范要求。具体如下。

（1）混凝土桥梁外观尺寸符合设计要求，混凝土外观质量良好，且表面无明显缺陷和裂缝，混凝土强度经检测符合设计及施工规范要求。

（2）桥梁经荷载试验，其承载能力满足设计要求。

（3）根据监测数据可知，当前沉降观测记录结果稳定，各方面参数满足设计要求。

（4）根据测量数据显示，当前桥梁轴线及净高经复核结果满足设计要求。可承受范围内；同时主桥整体受力与空载相同，没有其他外力，则该桥可以进行顶升或降落。

6.2 施工总结

（1）由以上分析可见，采用 PLC 液压同步控制技术进行顶升及降落，其误差控制能够满足要求；该桥顶升及降落过程中产生的不同步高差所引起的内力，均在结构安全

（2）在顶升及降落的全过程中，要密切实施全桥监控，配合使用电子仪器和现场人工观测，力求做到万无一失。监控项目应包括标高监测和应力应变观测，同时结合支点反力（可利用千斤顶油压表读数反映支点反力异常变化）对桥梁整体顶升安全进行监控。

（3）顶升及降落中不断地进行桥面的标高测量，对测量结果和计算数据进行比较，确保操作过程的万无一失。整个顶升及降落过程应保持测量点的位置同步误差小于 5 mm；一旦位置错误或误差过大，须立即查找原因，采取措施纠正。

（4）在桥梁的关键部位，贴应变片，设置应变测点。应变片的贴放位置参考有限元计算结果，贴放在应力极值处。为了防止计算与实际偏差较大，建议在跨中、四分点、顶升部位附近也要贴放应变装置；同时在存在裂缝处也应贴放应变片。在顶升及降落过程中密切关注裂缝发展情况，如有增大，立即停止移动并查找原因后方可继续。

（5）在以位移控制顶升及降落的同时，采用支点反力进行检测。这一点是非常重要的。当某一支点的顶升过大时，该支点分担的反力必然增大，相邻支点的反力跟着减少，可以通过各支点上千斤顶的压力表反映出来。