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宁波舟山港主通道:新一代桥梁工业化理念实践样本

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龙行天下 发表于 2019-4-29 17:01:06 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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本文刊载 :《桥梁》杂志  2019年 第1期 总第87期作者 :方明山作者单位 :浙江省交通投资集团有限公司来源:桥梁杂志优秀论文、PPT、解决方案、“四新技术”。

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图1 宁波舟山港主通道工程鸟瞰图

宁波舟山港主通道项目(简称主通道)位于中国东海灰鳖洋海域,跨越5个航道,连接5座岛屿,全长约37km。由舟岱大桥、富翅门大桥、鱼山支线大桥组成,总投资约163亿元。项目具有典型的工程环境、施工边界、建设技术复杂的多重性重大工程特征,是继港珠澳大桥之后,我国的又一大型跨海工程,其工程规模为在建外海工程之首,其体量与杭州湾大桥、港珠澳大桥主体桥梁工程相当。它的建设是浙江积极践行“一带一路”国家战略、融入“长三角一体化”经济圈的重要举措。项目建成后,将连接已有的甬舟高速,同舟山连岛工程总里程将达86.68km,共同成为沪舟甬大通道的重要组成部分,成为世界上规模最大的跨海桥梁群。

敢问路在何方


面对这一外海海域新的大型桥梁工程,对于决策者首要思考的问题,是如何驾驭这一大型工程的建设。众所周知,从东海大桥、杭州湾跨海大桥至港珠澳大桥之后,中国跨海桥梁工程建设实现了从无到有、从江河桥梁向海洋桥梁的转变,从桥梁大国到桥梁强国迈进,跨海桥梁的设计和施工理念在不断发生转变,技术不断得以提升。时至今日,港珠澳大桥成功建造支撑了中国桥梁新高度,引领中国跨海桥梁建设踏上新征程。同时,港珠澳大桥以其工程规模宏大、建设技术复杂而著称,可谓当今“高大上”工程的标杆,创造了中国跨海桥梁建设新模式。对于主通道,与港珠澳大桥相比,论项目背景、规模,比技术复杂性,恐怕都无法企及,显然无法完全照搬港珠澳大桥模式。那么,主通道建设之路去往何方?

春风化雨正当时

就在我们困惑思索之际,2015年国务院正式发布了《中国制造2025》,开启了我国推动制造业转型升级、创新发展的序幕。这无疑对于主通道而言是一场及时雨,让我们为之一振,看到了工业化发展对桥梁工程带来的新机遇。此时,又恰逢浙江省实施“浙江工业强省”战略,浙江建筑工业化步伐不断加快。先后发布实施了关于推进绿色建筑和建筑工业化发展、推进公路水运钢结构桥梁建设及浙江省公路装配式桥梁工业化实施标准等指导性文件,目的是打造能源节约、环境友好的绿色交通格局。
更可喜的是,2018年2月交通运输部实施了品质工程攻关行动试点方案(2018—2020年)计划,主通道项目列为浙江唯一试点项目,开展桥梁预制构件质量提升攻关。
这些外部因素的驱动,引发了我们对桥梁工业化的关注和思考。再考虑项目建设自身内在需求,包括项目定位、品质工程示范项目创建,建设环境复杂性、工程建设体量庞大等诸多因素,进一步激发了我们对桥梁工业化的渴望。
由此,主通道开启了桥梁工业化的探寻和实践之路。

前进路上的三大屏障


对于主通道实施桥梁工业化之路也非一马平川,前行伊始即要面对三大屏障。一是工程体量之巨,要求在相对紧张的工期内完成建造。主通道工程总长36.777km,跨越5个航道、连接五座岛屿的桥梁集群工程。工程建设体量与杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥主体桥梁工程相当,混凝土总量超200万方、钢材总量超80万吨。
其中,鱼山大桥工期只有27个月、富翅门大桥33个月,舟岱大桥42个月。二是受工程建设环境之困。地处灰鳖洋海域,受海洋性气候影响大,气候条件恶劣,年均台风次数多达6次,年均季风期长达173天,季风强度高达11级,能提供海上有效作业的时间不足200天。同时,桥区建设环境复杂,桥址海床地形起伏大,基岩埋深超过100m,最大埋深达140m,海底电缆管线密布。此外,桥位周围为传统水产养殖区域,施工环境保护要求严格。三是项目管理之惑。本项目中途接手,并由三个不同的项目集成,各自的建设要求及技术标准不完全一致,且项目建设定位高,对于新组建的管理团队而言,建设的管控无疑是一次巨大挑战。

应对之道

在调研和学习借鉴港珠澳大桥、杭州湾大桥等诸多跨海工程成功经验基础上,在总结乐清湾大桥建设积累的先进项目管理经验,面对三大挑战,指挥部最终构建了以工业化需求和工业化问题为导向、工业化关键举措及工业化成效的四级新一代工业化体系框架。

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图2 新一代桥梁工业化总体框架

从环境需求、品质需求及效益需求入手,分析面临的建设条件适应性、环境友好性及安全舒适性等七大方面的问题。在此基础上分别从设计层面、施工组织层面提出了六大工业化举措,其核心是设计标准化、构件制造工厂化、施工装配化及管控信息化手段的贯彻和实施。最终实现以减少海上作业工序、时间及人员的“三减少”理念和高品质工程示范目标。


设计标准化

常言道,设计是龙头。桥梁工业化尤其需要设计先行。主通道建设要求打造品质工程示范项目,无疑设计品质的保障是前提。为此,在设计阶段,结合建设条件、技术经济性、环境和谐、建筑美学及资源布局等要素,本着“三减少”原则,全面推行桥梁构件标准化设计,提升设计品质。经统计,舟岱大桥桩基装配化率达67.47%,墩身装配化率达95.41%,上部结构装配化率达99.99%,装配化率指标位居我国跨海桥梁工程前列,可媲美世界先进桥梁。

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图3 舟岱大桥布跨设计示意

舟岱大桥总长约26.188km,海域长度约16.335km,陆域长约10km。海域桥梁设有三座通航孔桥。其中,主通航孔桥为主跨550m的三塔钢箱梁斜拉桥,南通航孔桥为主跨390m的双塔钢箱梁斜拉桥,北通航孔桥为主跨260m的钢箱梁+混凝土混合连续刚构桥。非通航孔桥由70m、62.5m及50m三类标准跨径的预应力混凝土连续梁桥构成。经统计,全桥共有预制构件6大类型,总数达10805件。最大整体预制箱梁构件,长70m、宽12.55m、高4.0m、重1854吨;最大预制墩身高18.7m、重560吨;最大预制节段箱梁,长4.5m、宽12.55 m、高13.3m、重257.8吨。

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图4 鱼山大桥节段梁存梁场

其中,为有效解决预制墩身湿接缝易开裂问题,首次采用了金钟罩型薄壁预制墩身,底节墩身与承台采用设置竖向主筋套筒连接+内部填芯混凝土,底节以上多节预制墩身采用竖向钢绞线预应力体系连接;非通航孔桥桩基全部采用大直径螺旋卷制钢管桩,其桩径最大2m,最长为108m、重120吨,刷新了新纪录。在借鉴上海城市高架工业化设计的成功经验基础上,陆域桥梁从系梁以上均为标准化设计,上部结构为28m和30m两种标准跨径的预制T梁,下部为矩形双立柱+盖梁门形结构。陆域预制立柱最大高度为 20.1m、重117吨,盖梁长11.5m、宽1.9m、重 84吨;T梁长30 m、高2.0m、宽2.11m、重78吨。

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图5 非通航孔桥预制墩身(左幅:外观、右幅:内腔)

鱼山大桥也全面践行基于新一代桥梁工业化的快速施工理念,总长8.815km,海域7.782km。上部结构全线采用节段预制拼装连续梁桥,深水区为70m节段拼装梁,浅水区为50m节段拼装梁,通航孔桥为主跨260m钢箱梁+预制节段悬拼混合箱梁连续刚构桥,总长1040m。设计上刷新了多项世界纪录。
富翅门大桥主跨为340m双塔叠合梁斜拉桥,引桥为50m连续预应力混凝土箱梁。在施工工法选择上也积极采用了顶推法、对称悬臂法等较为成熟的桥梁工业化技术,获得成功。其中叠合梁湿接头混凝土首次在跨海桥梁中应用了UHPC材料,施工工效及质量获得极大提升。
此外,我们也积极推行临时工程的标准化设计与施工。其中,鱼山大桥采用了全线设置连续栈桥便道方案,运用了模块化设计施工技术,仅用了3个月完成了7.8km的架设;舟岱大桥主通航孔主墩平台面积近5000m2,也采用了模块化设计施工,三个主墩平台用时仅3个月,其中有效作业时间仅50天。对于非通航孔桥承台套箱设计,两家施工单位极尽所能,均采用了模块化制作、整体安装工法。其中,钢底板首次成功进行了拆除施工,既节约了施工成本,也有效解决了钢底板对钢管桩电位差腐蚀的问题。

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图6 鱼山大桥栈桥鸟瞰构件制造工厂化

针对工期紧张,预制工程量(约67.3万吨)、预制数量庞大,工程质量要求高,在施工组织设计时首先需考虑的是如何高效的组织预制、运输及安装施工。对此,指挥部提出了钢筋集中加工、混凝土集中拌和、构件集中预制的“三集中”原则。为了便于资源配置得到充分保障并充分发挥预制工厂效能,采用大标段模式,实现工业化生产。舟岱大桥划分5个大标段,全线布设 4个预制厂、2个配套专业加工厂,10个项目驻地和一个指挥部总部及1个分部。

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图7 DSSG01标及鱼山大桥节段梁预制场鸟瞰

与此同时,在预制厂积极推行引进先进的钢筋加工机械设备,在招标文件中明确了三大机的最低配置要求,对于有条件的钢筋骨架采用机器人自动焊接替代手工焊。
对于总量为32万吨的钢结构,在港珠澳大桥钢结构技术基础上,从板材下料、切割、焊接、涂层及探伤等各环节,积极引进先进新工艺、新设备,提升自动化工艺水平,编制了专项钢结构自动化焊接验收标准。在主通航孔桥及南通航孔钢箱梁引进U肋内焊技术,提高U肋与顶板焊缝抗疲劳性能,钢箱梁总拼自动化覆盖率要求达到 85%;在钢箱梁节段制造中,首次引进天车式喷砂机器人、可移动挂壁式喷砂、涂装机器人、AGV往复式喷涂机器人,通过电脑控制就可以完成钢梁外表面的打砂、喷涂智能化作业,减少手工喷涂作业,提高工效和涂层质量,外表面涂装智能化率要求达到95%以上。钢套箱按加工要求开展制作,焊接自动化覆盖率要求达到70%。钢管桩生产增加激光跟踪系统,确保自动焊接质量,自动化焊接率达100%。钢护栏加工制作要求采用机器人自动化焊接。

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图8 钢筋加工厂引进机器人自动焊接设备施工装配化

桥梁工业化的第三道法便是施工装配化。为了最大限度减少施工期间的土地资源占用、环境污染及居民生活干扰等问题,现场采用新型一体化架桥机分步依次对预制立柱、盖梁及T梁进行交替架设,实现了3~4天/孔单幅的架设速度。对于海上非通航孔区域,桩基全部采用打入钢管桩,投入了当下国内最先进的8艘打桩船进行作业。其中,我国自主研发的雄程2号打桩船,拥有最先进的打桩控制系统,具备在复杂海洋环境下(8级风可正常作业,可抗13级台风)作业能力,船舶桩架高度118m,起重能力600t,可打桩径达7m。据了解,其打桩能力居世界之首。

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图9 陆域一体化架桥机

预制墩身和整孔预制箱梁采用大型浮吊进行安装架设,节段梁采用架桥机海上拼装作业。特别值得一提的是,针对鱼山大桥双曲线花瓶形墩身钢筋骨架现场绑扎难度,指挥部提出了采用车间整体绑扎现场安装的新工艺,墩身钢筋安装作业时间由传统的15天压缩为0.5天,下部结构的施工时间得以显著缩短。

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图10 鱼山大桥墩身整体绑扎现场安装管控信息化

时至今日,桥梁技术伴随工业化的发展不断进步,全球正处于信息技术、生物科技与工业技术融合带来的新一轮工业革命浪潮。主通道的建设正逢其时,如何充分借力以信息技术手段为载体的新一代桥梁工业化技术,成为工程建设水平能否再提升的关键问题。对此,指挥部在乐清湾大桥建设信息化经验基础上,进一步开发、完善BIM平台,实现了BIM与工程管理的融合,极大地提升了工程管控水平。在施工过程中运用信息化技术,建立预制件产品信息库,记录原材料、施工过程、质量检验及各个环节责任人等信息,产品质量具有可追溯性,实现了桥梁预制构件的信息化、精准化管理。初步建立了施工期结构单元信息库,为后续运养积累原始信息,储存结构原始密码,留下一笔宝贵的数据财富。

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图11 实际进度模型沙盘

同时,在项目管控体系上进行了顶层设计。一方面,依托乐清湾大桥基础上再提升,形成了升级版的项目管理体系;另一方面,在杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥基础上探索构建项目技术管控体系。两大体系相辅相成,共同构筑主通道建设项目管控体系,确保大桥建设始终处于受控之中。


百花齐放梅自香

开工近两年来,主通道工程推进总体顺利。截至目前,投资进度和形象进度略有超前。其中,鱼山大桥采用基于新一代工业化的快速施工技术,实现了27个月完成建设的目标,于2018年12月26日顺利通过验收;富翅门大桥采用传统的桥梁工业化技术,按计划年内实现了主桥合拢;舟岱大桥也得益于新一代桥梁工业化技术的应用,提前完成了年度生产指标。开工以来,安全生产平稳有序。工程建设屡获好评,2018年获得了浙江省质量监督局执法大检查第一名。
工程实施过程,依托主通道成功举办了2018国际桥梁工业化建造及快速施工关键技术研讨会,并促成了美国ABC技术中心与中国的首度合作。据不完全统计,2018年主通道接待了近200批次的交流考察团、50余次学生实习活动。先后在国内、国际等诸多重大学术活动中做了主题报告,主通道桥梁工业化引起了国际、国内同行的广泛认可和关注。大桥的建设也引起新闻媒体的高度关注,先后在中央、省市等各大主流媒体宣传报道。


路漫漫其修远兮

伴随着桥梁建造技术的快速发展,跨海桥梁的设计及施工理念也发生了深刻的变化,由传统的设计主导施工,演变为杭州湾跨海大桥提出的施工决定设计,进而演变为港珠澳大桥提出的需求引导设计。在此基础上,主通道积极倡导品质工程驱动品质设计的新理念,而施工理念由杭州湾跨海大桥提出的“预制化、工厂化及大型化”,变海上施工为陆地施工,演变为港珠澳大桥提出的“大型化、工厂化、标准化及装配化”的工业化理念。而今,主通道又进一步探索了以“设计标准化、构件预制工厂化、施工装配化及管控信息化”为体系的新一代桥梁工业化理念。两年多的探索实践,本着以“减少海上作业工序,减少海上作业时间,减少海上作业人数”的指导思想,主通道积极践行了新一代桥梁工业化理念,主通道建设初见成效,我们对新一代桥梁工业化技术也有了一些认识和收获。与此同时,也深感诸如桥梁设计标准图、桥梁预制构件技术标准等一些基础性问题亟待解决,中国桥梁工业化道路依然漫长,有待业内同仁共同努力携手推进,我们坚信中国桥梁工业化前景光明。

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图12 晚霞辉映鱼山桥






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