中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南长沙 410004
摘要：在混凝土拱桥的常规施工过程中，塔架的偏移与调索过程主要采用人工控制，施工风险大、效率低。本文基于沙坨特大桥采用悬臂浇筑法施工的特点及技术要求，研制了一套适用于混凝土拱桥施工的塔架偏移动态观测及自动调索系统。此系统运用信息自动化及液压控制原理，成功解决了混凝土拱桥施工拱圈混凝土浇筑时对塔架偏移的动态测量与纠偏、扣索（锚索）自动连续预紧等难以实现的技术难题，显著提高了拱桥施工的自动化程度和安全性，可为类似工程的施工控制提供参考。
关键词：混凝土拱桥施工；塔架偏移；塔架纠偏；自动调索
0 引言
新中国成立后，随着桥梁建设事业的飞速发展，陆续修建了大量的拱桥[1]。混凝土拱桥最早应用于我国的铁路桥梁建设之中[2-3]。1966年修建的主跨150m的丰沙县永定河7号桥是当时国内最大跨度的混凝土拱桥。改革开放后，我国对于混凝土拱桥的研究主要集中在施工方法的优化方面。伴随无支架缆索吊装法[4]、少支架施工法[5]、悬臂施工法[6]、转体施工法[7]、同步提升法[8]、劲性骨架施工法[9]等施工方法的相继出现，混凝土拱桥迎来了发展的春天。2007年，我国首次采用挂篮悬臂浇筑技术建成了150m的混凝土拱桥——白沙沟1#桥。然而，采用挂篮悬臂浇筑施工方法浇筑拱圈混凝土时，其塔架偏移的动态测量与纠偏、扣索（锚索）连续预紧是施工难点及重点控制性工艺。采用普通施工方法不具备对塔架偏移量与各索力实际受力等数据的自动采集，全凭人工控制，误差大，风险高。
本文依托沙坨特大桥为工程背景，阐述了传统混凝土拱桥施工塔架纠偏和调索的普通方法，并说明了此方法的缺陷；然后着重介绍了混凝土拱桥施工塔架偏移动态观测及自动调索系统的设计与应用，可为类似工程的施工控制提供参考。
1 工程概况
沙坨特大桥位于贵州省铜仁市沿河县淇滩镇境内。大桥全长626.8米，主跨为240m钢筋混凝土箱型拱桥，主拱圈采用挂篮悬臂浇筑法施工工艺，为同类型桥梁全国第一、亚洲第二。
沙坨特大桥主拱圈为等高度悬链线钢筋混凝土箱型截面，净矢高40米，净矢跨比1/6，拱轴系数1.85，箱型截面宽10米、高4.5米，主拱圈采用挂篮悬臂浇筑进行施工。拱圈纵向共分为37个节段，其中拱脚处的1#节段为支架现浇段，拱顶设一个吊架浇筑合拢段，其余34个节段为悬臂浇筑现浇段。沙坨特大桥的立面图如下所示：
图1 沙坨特大桥立面图
Fig 1 Shatuo Grand Bridge elevation
2 传统混凝土拱桥施工塔架纠偏及调索
一般混凝土拱桥施工拱圈浇注时，其塔架的偏移都是通过全站仪或GPS定位系统，利用人工调整扣索及锚索的索力、千斤顶行程、缆风绳辅助进行纠偏，施工过程用前卡式千斤顶将扣索及锚索钢绞线单根预紧，然后用大吨位千斤顶整体调索，需同时满足拱圈线形及塔架稳定，主要靠人工观测与记录，此方法缺陷如下：
（1）沙坨特大桥拱圈采用挂篮悬臂浇筑施工，在混凝土浇筑过程中，由于混凝土重量的增加，其塔架会沿轴线往桥中倾斜，如果监控与观测措施不当，塔架具有失稳风险，造成严重的安全质量事故。
（2）由于扣索（锚索）使用的钢绞线采用前卡式千斤顶单根预紧，千斤顶行程短，由于钢绞线很多且较长，需要对千斤顶进行多次倒张，才能够满足预紧，人工劳动强度大，效率低，高空作业，增加安全风险，单根预紧时由于各钢绞线先后预紧受力不一致，导致钢绞线受力不均匀，实际不能满足各钢绞线相同预紧力，在锚固过程中存在风险。
（3）施工工期长、施工效率低下。
3 塔架偏移动态观测及自动调索系统的设计
塔架偏移动态观测及自动调索系统由塔架偏移监控系统、泵站、自动工具锚、自动预紧系统、调索千斤顶、控制系统、若干数据线及传感器等组成。该系统具有以下功能及性能特点：
（1）自动预紧系统可自动完成各扣索、锚索钢绞线设定初始张拉力的预紧工作。
（2）塔架偏移监控系统可自动采集塔架实时偏移距离，其误差可控制在1mm范围，当偏差超过设定最大值时具有警报功能。
（3）泵站对千斤顶提供动力源，配置自动工具锚具有连续调索（张拉）功能。
（4）控制系统可指令对单台或多台泵站同步工作，能将偏移监控系统与自动调索系统组合在同一操作平台，实现塔架偏移数据的实时采集且存储，可通过网络将相关数据传输到办公系统进行实时观测。
（5）可以调整钢绞线自动预紧速度，速度可达到16m/小时。
3.1动态观测塔架偏移系统
3.1.1塔架偏移的计算
图3 塔架偏移平面示意图
Fig 3 Sketch map of the tower deviation plane
3.1.2系统的功能及性能
动态观测塔架偏移系统可自动动态实时采集塔架实时偏移距离，其检测分辨率可达1mm，当偏差超过设定最大值（如30mm）时具有警报功能。亦可把偏移数据反馈到塔架上，便于确定纠偏。下图为塔架偏移系统实物图。
图4 塔架偏移系统实物图
Fig 2 Physical map of the tower deviation system
3.1.3系统组成和工作原理
动态观测塔架偏移系统主要由超声波位移传感器，激光测距传感器，传导元件和检测中心组成。监测显示主要由一台触摸屏（或工业电脑）、集成安装在智能泵站系统电控柜内、配置相应压力传感器模块、位移传感器蓝牙模块以及相关控制线缆组成，电控柜内安装PLC控制单元、模拟量采集模块，根据采集到的信息加以运算处理，监测系统可实时监测塔架偏移等参数设置、报警等功能。
（1）超声波位移传感器
超声波位移传感器是一款高精度用于测量由塔架偏转产生水平距离的传感器，输出采用标准工业电器接口4～20mA，产品采用最新的MEMS传感生产工艺生产，对温度误差和非线性误差做出了精确的补偿和修正，准确度高，可测误差0.1mm，体积小安装方便、承受冲击震动能力佳，产品内置抗射频，采用抗电磁干扰电路，采用高端应用级别MCU、三防PCB板、高温磨砂金属外壳具有防风防雨等各种措施来提高产品的工业级别。其输出信号抗干扰性强，通过无线连接的蓝牙，可长距离传输达2000米。超声波位移传感器的结构如下图所示。
图6 一个塔架工作端面的传感器布置图
Fig 6 Sensor layout of a working end of a tower
其工作原理为将所有的传感器进行编号，通过无线连接的蓝牙，模拟信号，实时将采集的数据传输到控制系统的观测界面，其中X轴线的传感器测量塔架纵向偏移，Y轴线的传感器测量塔架横向偏移，根据拱圈浇注情况，可以实时精准读取任意传感器数据。如下图所示：
图7（b）塔架偏转位移读取示意图
Fig 7（b）Sketch map of the deflecting displacement of the tower
设置A.B点距离为允许塔架偏移的最大值（可以在控制系统里根据设计要求自行设定），O点为塔架初始静态位置，图中箭头指示表示为塔架可能偏移的方向，通过超高精密传感器可读取任意位置点的数据，其精度为0.1mm，实时数据自动传输到控制系统，如果传感器读数超过设定的最大值，控制系统自动报警。
（2）激光测距传感器
激光测距传感器是运用光速基于光学三角测量原理而设计的。发射器通过镜头将可见激光射向目标物，经过目标物发射的激光光束，通过接收镜头，被PSD（位置检测装置）元件接收。从接收器到被测物的距离决定了光束到达接收元件的角度。此角度决定了光束落在PSD接收元件上的位置。光束在PSD接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并经过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在塔架设定的模拟量窗口内，按比例输出标准模拟量信号，可以读取实测距离。其工作原理的示意图如下所示。
图9 塔架偏移系统监测流程图
Fig 9 Monitoring flow chart of the tower deviation system
3.2自动调索控制系统
3.2.1系统组成
自动调索控制系统主要由千斤顶、液压泵站、自动工具锚、压力传感器、控制系统及若干数据线等组成。
3.2.2系统总装
系统总装示意图如下所示：
图10 系统总装示意图
Fig 10 Schematic diagram of system assembly
（1）安装设备：连接控制系统与泵站系统及调索的相关连接，通过总控中心的触摸屏输入预紧力设定值、张拉力设定值或位移设定值（根据工程实际需要设定，当需要以张拉力为控制目标时用张拉力设定值，当需要以位移值为控制目标时采用位移设定值）等参数，启动设备，设备即自动按施工需要进行工作。
（2）预紧：总控中心发出指令，装在预紧千斤顶进油油路的单向阀开启，而装在张拉千斤顶进油油路的单向阀关闭，电磁换向阀动作，预紧千斤顶供油，液压油通过预紧千斤顶进油口依次进入各个预紧单元张拉油缸，各个预紧单元活塞伸长，单孔工具锚板带着夹紧钢绞线的工具夹片一起向前移，将松弛的钢绞线拉紧，同时压力传感器实时测量压力值并将压力数据传输至总控中心。活塞伸长一个行程后自动回程进行下一行程的预紧，在活塞带动单孔自动工具锚板回程时，单孔自动工具锚的工具夹片在复位弹簧的作用下复位，为下一行程预紧准备，同时安装在整体张拉千斤顶活塞上的自动工具锚夹片在复位弹簧的作用下自锁紧，防止钢绞线回落，这样循环往复，直到预紧力达到设定值。当某一根钢绞线预紧力达到预紧力设定值时，压力传感器将压力信息传输到控制中心，控制中心发出指令，电控溢流阀启动，预紧单元无法再增压，该单元的活塞停止工作，其余没达到预紧设定力的钢绞线对应的预紧单元继续工作，这样直到所有钢绞线均达到预紧力设定值，总控中心发出指令，电磁换向阀动作，停止对预紧千斤顶供油。
（3）整体调索：预紧步骤完成后，总控中心发出指令，预紧千斤顶进油油路的单向阀关闭，而张拉千斤顶进油油路的单向阀开启，电磁换向阀动作，给张拉千斤顶供油，张拉千斤顶进油并伸缸，对钢绞线进行张拉，同时压力传感器实时测量压力值并将压力数据传输到总控中心，位移传感器实时测量位移值并将位移数据传输至总控中心。张拉过程中，防松锚具的压板可防止夹片松脱。张拉一个行程后，如压力或位移没有达到设定值，则自动回程进行下一行程的张拉。在张拉千斤顶活塞带动自动工具锚回程时，自动工具锚的工具夹片在复位弹簧的作用下复位，为下一行程张拉准备，防松锚具的夹片在钢绞线回缩力或构件重力的作用下自锁紧，钢绞线松弛或构件回落。这样循环往复，直到张拉力或位移达到设定值。
（4）自动调整：拱桥浇注，混凝土浇注过程中，随着混凝土浇注量的增加，塔架会沿轴向往桥中倾斜，当倾斜位移大于安全控制值时，控制系统发生警报声，这时控制系统的调索程序自动启动（也可以通过人工启动），调索千斤顶的行程自动修正偏塔架移，拱桥整体浇注完毕后，有时还需要微调。浇筑完毕或强度达到需对拱桥进行线形调整时，可通过升降程序对各千斤顶进行调整，然后锁紧防松螺栓进行下一节段工作。
4 塔架偏移动态观测及自动调索系统的应用
沙坨特大桥拱圈悬臂浇筑施工需要2套（左右岸各一套）控制系统、2套泵站（共4台，主副泵站各2台，控制系统安装在主泵站上）、24台650吨的调索千斤顶等组成，一台泵站控制2台千斤顶，主泵站与副泵站采用蓝牙连接，实现一套泵站对4台千斤顶的同步工作，也可以独立工作。
（1）先将塔架调整满足施工要求，然后将18个（一个塔用量）位移传感器安装在6个工作面上，然后将所有位移传感器采集的模拟量数据通过无线传输到控制系统进行整体调试，根据扣索（锚索）的不同型号在千斤顶前端安装相应预紧千斤顶，先将钢绞线锚固端固定在锚碇（或拱圈），另一端经防松锚具、撑脚1、调索千斤顶、自动工具锚、撑脚2、连续自动预紧千斤顶，预紧千斤顶前端用单孔自动工具锚锁紧夹持；然后设定预紧连续千斤顶相同初始张拉力，启动泵站及液压控制系统提供预紧液压连续千斤顶动力及控制，使预紧连续千斤顶进行自动连续张拉，将需要预紧的不同扣索及锚索各钢绞线达到系统初始张拉力，各千斤顶的张拉力值误差可控制在0.2MPa以内。
（2）停止预紧连续千斤顶工作程序，启动千斤顶与泵站张拉程序，为使系统能连续同步提升（牵引）悬臂浇筑模板到设计位置，将千斤顶分别配置带防松装置的自动工具锚及位移传感器系统，每台千斤顶配1 套自动工具锚，该自动工具锚通过千斤顶活塞伸缩缸而运动，直到满足设计要求，位移误差可控制在2mm以内，然后用防松锚具锁紧扣索或背索，完成牵引提升。
（3）自动工具锚设计了工具锚板、工具夹片、连接螺栓、压紧弹簧、压紧套、压紧板、固定板。通过液压泵站向千斤顶提供油压力，推动千斤顶活塞作伸、缩油缸运动，伸缸时设置在千斤顶活塞顶端的自动工具锚将锁紧承载钢绞线，使牵引重物随之一同向上移动，缩缸时与撑脚相连的防松锚具卡紧承载钢绞线，保证提升（牵引）构件安全可靠的停留在新的位置，同时活塞端的工具锚自动锁紧，放松承载钢绞线，控制系统根据提升（牵引）长度要求，活塞回完一个行程后，泵站根据设定要求自动完成下一行程的提升，直到满足设定要求，各保证各千斤顶位移同步误差小于2mm，力误差2%。
（4）当模板牵引到位后，若需进行下放调整，先将千斤顶活塞伸出，将千斤顶活塞端的自动工具锚锁紧，调整张拉端防松锚具，然后启动泵站将千斤顶回程，即可将构件下降。在接近一个行程到位时锁紧防松锚具，完成一次下放，如此依次循环直至牵引重物准确的在设计位置就位。
5 结语
运用信息自动化及液压控制原理建立的塔架偏移动态观测及自动调索系统，较好地完成了沙坨特大桥的塔架偏移动态测量、自动纠偏、扣索（锚索）自动连续预紧等内容。
相对于其他控制混凝土拱桥的塔架偏移量及调索的方式，此系统具有重量轻、体积小、操作方便，出现异常情况具有报警且停机功能的特点，从而极大地提高了施工效率、降低了施工风险，缩短了工期，具有很高的推广应用价值。
参考文献
[1]曾宪武，工永珩.桥梁建设的回顾和展望[J].公路，2002（1）.
[2]万 娇.钢筋混凝土拱桥悬臂浇筑与劲性骨架组合施工技术研究[D].重庆交通大学，2013.
[3]李 亚.混凝土拱桥缆索吊装施工的成桥线形控制研究[D].重庆交通大学，2014.
[4]顾安邦.拱桥[M].北京：人民交通出版社，2005.99-100.
[5]周水兴.大跨度钢管混凝土拱桥拱肋少支架安装法[J].徐州建筑职业技术学院学报，2005，5（3）：1-30.
[6]萧 畅.悬臂浇筑拱圈施工技术探讨[J].建筑与工程，2007（17）.
[7]潘海新.新光大桥主拱中段整体同步提升施工技术[J].中国工程机械报，2006，4（3）：371-374.
[8]王武勤.大跨度桥梁施工技术[M].北京：人民交通出版社，2007.1-20.
[9]毛强硕.钢筋混凝土箱形拱桥吊装施工技术研究[D].成都：西南交通大学土木建筑学院，2006.
周明友（1973-），男，汉族，湖南龙山人，本科，中铁十二局七公司，工程师，从事公路与铁路施工工作。
科研项目：300m级悬浇钢筋混凝土拱桥施工与控制关键技术研究（2017-123-007）；省级企业技术中心能力建设项目（2018019）；
论文作者:周明友
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/12
标签：千斤顶论文; 拱桥论文; 拱圈论文; 泵站论文; 混凝土论文; 系统论文; 工具论文; 《建筑学研究前沿》2018年第35期论文;