1、工程概況
東海大橋位于上海南匯區(qū)蘆潮港鎮(zhèn)客運碼頭往東4 km南匯咀處，跨越杭州灣北部海域，直達浙江省的小洋山島，全長32．7 km，是上海洋山深水港一期工程的重要組成部分。
東海大橋淺海段現(xiàn)澆箱梁施工區(qū)域包括陸上段、灘涂段和海上段，跨越新大堤，海上段水深為0～10 m，灘涂段長約150 m，包含雜草區(qū)和防浪堤，地形條件復雜（見圖1）。該箱梁的施工若采用傳統(tǒng)的滿堂落地式支架和支承樁支架無法滿足施工工況的要求，而如采用預制箱梁結構形式，則施工船舶因水深影響無法進入施工區(qū)域。經反復論證，淺海段連續(xù)箱梁施工采用了滑動模板支架系統(tǒng)，即造橋機施工。
該區(qū)域受氣象和水文影響較大，每年受臺風和季風影響時間長。根據氣象水文特征，淺海段年平均可施工日僅為270d。淺海段橋梁設計為預應力現(xiàn)澆混凝土連續(xù)箱梁，分左右兩幅，共計52跨，包括五跨一聯(lián)和七跨一聯(lián)兩種形式，跨度有42．6m和50m兩種，全長1．25 km。箱梁標準段橋面寬
15．25 m，底板寬7．25 m，高3 m，設有3%的縱坡和2%的雙向橫坡，并設有豎曲線和半徑3000m的圓曲線。根據工程設計基準期100a的要求采用了高性能C50海工混凝土。
2、造橋機特點、選型及工藝原理
2．1 造橋機特點
造橋機即滑動模板支架系統(tǒng)， 簡稱MSS（Movable Scafolding System）。它是根據現(xiàn)澆箱梁的跨徑、結構尺寸等參數加工的逐孑L澆注的整體移動支架系統(tǒng)。其操作高效簡易、施工周期短、適用性廣泛，大大節(jié)約了施工成本。它可用于建造高速公路高架橋、城市立交高架及跨海大橋的引橋配孑L等。但造橋機也有其缺點，如設備龐大，使用過程中會有變形產生，而且跨度越大其變形撓曲也越大等。
2．2選型
根據受力主梁相對于橋梁的相對位置，受力主梁位于橋梁上方的稱為上行式造橋機，受力主梁位于橋梁下方的稱為下行式造橋機。由于上行式造橋機設備處于橋梁上方，總體高度較大，抗風穩(wěn)定性較差，而該工程所處區(qū)域為杭州灣北部海域，受季風和臺風影響大，對支架系統(tǒng)的抗風要求極高；同時該工程為雙幅橋，左右幅箱梁凈距較小，對于上行式造橋機，當施工后行幅箱梁時因受先行幅箱梁結構的影響，無法打開推進，故此，該工程淺海段現(xiàn)澆連續(xù)箱梁采用了下行式造橋機施工。下行式造橋機由主梁、前后鼻梁、橫梁、推進臺車、支撐托架、外模、內模、后門型吊架、平臺及爬梯等主要構件組成（見圖2）。
2．3 下行式造橋機工藝原理
整個移動支架系統(tǒng)于橋中心線分為兩部分，分別支撐于安裝在立柱兩側的支撐托架上，支撐托架利用承臺作為支撐點。模板系統(tǒng)與主梁連為一體，系統(tǒng)自重及施工荷載由主梁承擔。大于兩倍跨徑的滑動軌道及先進的液壓設備可以使整個系統(tǒng)在兩孑L梁之間移動，移動前系統(tǒng)由橋中心線分開，使得系統(tǒng)能順利通過墩身（見圖3）。
3、施工工藝流程
當施工起始跨箱梁時，支架系統(tǒng)前后點分別用千斤頂支于支撐托架上；當施工標準跨時，其前點用千斤頂支于支撐托架上，后點利用門型吊通過高強鋼筋吊起主梁，支于已澆梁段腹板上。以標準跨箱梁施工為例，施工順序如下：
?。?）拆前一跨橋墩上支撐托架至下一跨橋墩上安裝。
?。?）兩片主梁通過千斤頂落下至推進臺車，拆除橫梁連接螺栓及底模連接鋼筋。
（3）支架系統(tǒng)橫移打開，直至兩側底模能順利通過墩身。
?。?）利用推進臺車上液壓千斤頂將造橋機縱向推進至下一跨。
?。?）支架系統(tǒng)兩側向橋中心線橫移合攏，上緊橫梁連接螺栓。
?。?）后門型吊就位，千斤頂頂升主梁，通過千斤頂調節(jié)絲桿調整模板標高及預拱度。
?。?）布預應力鋼束、扎鐵、內模安裝，澆注箱梁混凝土。
?。?）箱梁混凝土收水、養(yǎng)護等。
（9）預應力鋼束張拉、壓漿。
4、施工關鍵技術
4．1造橋機變形撓曲特征確定
該工程首次采用了下行式造橋機施工50m跨現(xiàn)澆箱梁，箱梁高3m，寬15．25m，設有3%的縱坡和2%的橫坡，并設有曲率半徑3000m的圓曲線，每跨箱梁自重達1 350 t。箱梁自重以及施工機械等重量是由造橋機來承受的，混凝土澆筑的過程實際上就是對造橋機加載的過程，也是造橋機受力變形的過程，為了使箱梁線型滿足設計要求，同時盡量控制裂縫的產生，造橋機使用前需確定合理的模板預拱度值以及箱梁混凝土澆筑順序。
4．1．1堆載試驗
為確定造橋機剛度、穩(wěn)定性及撓度等各項技術性能，造橋機在安裝后應進行原位模擬堆載試驗。根據各斷面混凝土自身荷載，采用編織袋裝土或砂在造橋機外模上作等條件堆載試驗，并模擬澆筑混凝土順序進行一次性堆載。在堆載過程中觀測造橋機撓度變化情況，得出造橋機基本變形參數。
在堆載實驗開始前，造橋機就位后，分別在造橋機的主梁、底模、橫梁、翼板等部位布置觀測點。
?。?）在堆載試驗開始前對各個觀測點進行初讀數并記錄。
?。?）在堆載過程中每天安排一次讀數，并確保堆載結束有一次觀測數據。
?。?）在堆載結束后持載連續(xù)觀測3d并記錄。
?。?）當造橋機沉降達到穩(wěn)定，觀測值變化不大時可以進行卸載。卸載后再進行一次讀數。
4．1．2模板預拱度
為了保證混凝土澆筑完畢后箱梁線型滿足設計要求，通過調節(jié)設置在橫梁上的絲桿螺栓對造橋機底模給予與變形的相反方向施加預拱值，來抵消由于現(xiàn)澆箱梁施工過程中產生的撓度。首先根據堆載試驗數據對42．6m跨進行數值模擬計算，建立三維數值模型，對造橋機的總體剛度進行評估。在完善計算模型的基礎上，再對50m跨箱梁施工過程中造橋機變形撓曲情況預測分析，確
定合理的造橋機底模預拱度值。
簡支梁在線荷載作用下，撓度（f）與跨度（L）的4次方成正比，與梁的剛度（EI）成反比（見下式）。
q（x）：任意位置的作用在簡支梁上的線荷載假如通過增大主梁的剛度來克服此撓度，則跨度從42．6m增至50m時，剛度需增加2倍。也就是說，通過增加剛度來減小主梁的撓度顯然是不經濟的，而且不可能完全克服主梁的撓度。為此，通過調節(jié)設置在橫梁上的絲桿螺栓對造橋機給予與變形的相反方向施加預拱值，來抵消由于現(xiàn)澆混凝土箱梁施工過程中產生的撓度。
4．1．3 混凝土澆筑時間及順序
在箱梁混凝土澆筑過程中造橋機會產生撓度，不同的混凝土澆筑順序對于造橋機在施工過程中各位置產生的撓度也不一樣。為了盡量減少在澆筑過程中造橋機撓度的變化量，需確定一種混凝土的澆筑次序，以使箱梁在澆筑過程中不至于因變形撓曲太大而產生裂縫（見圖4）。同時，對混凝土澆筑時間需嚴格控制，因為當混凝土到達初凝階段時，其對任何細微的撓曲變形都是極其敏感的，如果這時變形繼續(xù)發(fā)展，一旦超過可以承受的程度，裂縫就產生了，為此需在混凝土初凝前將箱梁混凝土澆筑完畢。
通過對造橋機在實際施工前的堆載試驗模擬和理論分析，初步確定了不同跨度現(xiàn)澆箱梁的現(xiàn)澆施工順序和變形撓曲預拱值，并且通過與對實際施工過程中監(jiān)測結果進行比較，對實際現(xiàn)澆施工順序和預拱值進行了論證和進一步完善。最終形成了造橋機在施工過程中的最佳混凝土澆筑順序與預拱值，結果如下：
?。?）造橋機在使用過程中混凝土的澆筑順序為：橋梁橫截面澆筑順序：由橋梁中心線開始對稱澆筑，先澆筑底板，然后澆筑兩側腹板，最后澆筑頂板。橋梁縱向澆筑順序：澆筑從前端墩柱開始，兩邊對稱澆筑（墩柱兩側各10 m，前段懸臂段完成），完成對稱澆筑后，向已完成橋跨方向分段澆注直至完成（見圖4）。
?。?）造橋機在使用過程中各個位置的預拱值為表1所列。42．6m跨造橋機跨中位置預拱值為90mm，50m標準跨造橋機跨中位置預拱值為140mm
?。?）通過上述確定的施工順序和設定的預拱值對現(xiàn)澆箱梁進行施工，不僅有效地控制了箱梁現(xiàn)澆施工過程中以及施工結束后的變形，而且，施工完成后沒有發(fā)現(xiàn)有害裂縫的存在，滿足設計要求。實踐證明：該工程采取的施工方法和研究方向切合實際，效果是顯而易見的。
4．2海上抗風措施
該工程是下行式造橋機在海上首次應用，由于海上施工的特殊性，受季風和臺風影響較大，對造橋機抗風穩(wěn)定性提出了很高的要求。造橋機在海上正常推進風速限制為
，澆筑混凝土時風速限制為
，當風速
時，造橋機必須采取安全加固措施。即在靠立柱側的橫梁上安裝抗風防震頂撐桿，共4根，每個立柱側布設2根，安裝后將頂撐桿固定在立柱兩側，使造橋機與兩側立柱連成整體，共同承受風速、地震荷載（見圖5）。
4．3 高性能海工混凝土配置技術
有著較高含鹽量的海水及海風是破壞混凝土因素的主要載體。高性能海工混凝土的耐久性根本上取決于混凝土的抗?jié)B透性。因此混凝土配合材料中的外加劑及摻合料的選用最為關鍵。
東海大橋C50淺海段箱梁高性能海工混凝土配方設計主要取決于水膠比、膠凝材料中復合礦物摻合料的摻量及混凝土外加劑的適宜摻量。海工高性能混凝土由于摻加了大量的礦物摻合料早期強度的發(fā)展較緩慢，早期彈模也達不到工藝要求，鑒于此，我們從下列幾方面做了調整：
（1）外加劑的緩凝組分及其摻量被限制在一定的范圍之內，既滿足混凝土施工工藝的要求，又兼顧其對早期混凝土力學性能的影響。
?。?）調整漿體用量，提高混凝土彈性模量。雖然大量礦物摻合料的摻入在一定程度上制約了混凝土早期強度的增長，但通過適量外加劑的摻人，達到了促進混凝土早強的效果，同時保證了高性能海工混凝土耐久、耐磨性能。
4．4造橋機海上施工蒸汽養(yǎng)護技術
該工程采用的聚氨酯硬泡材料由組合聚醚和異氰酸酯組成（俗稱A、B料），A料是由聚醚多元醇、泡沫穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、復合催化劑配制而成：B料為進口多元醇多甲基異氰酸酯（MDI）。采用現(xiàn)場噴涂工藝施工，保溫層厚3cm。采用聚氨酯作為外模保溫層不但達到了蒸養(yǎng)過程中保溫的效果，而且具有方便施工和優(yōu)良的密封性能，這也給海上現(xiàn)澆箱梁蒸汽養(yǎng)護施工創(chuàng)造了有利的前提條件。
4．4．1 噴涂外模保溫層
該工程采用造橋機施工，為保證造橋機外模的保溫性，在造橋機外模上噴涂了3 村民厚聚氨酯塑料保溫層。從實際效果來看，該保溫層保溫效果較好，蒸養(yǎng)過程中造橋機外模的溫度基本保持在25℃。造橋機外模保溫層見圖6。
4．4．2排設蒸汽管
標準段箱孔由橋墩橫梁處分為40m段和懸臂10 m段。為了能更有效地控制溫度升降，在兩段箱孔內分別排設兩根蒸汽總管，且橫梁人孔洞同時要封閉。蒸汽管布置如圖7所示。
橋表面兩側沿橋縱向排設兩根蒸汽總管，后在總管上沿橋橫向交叉均布魚刺形支管，且在每根支管與總管連接處設蒸汽調節(jié)閥。蒸汽總管直徑13cm，橋面支管直徑4cm，支管上開設噴氣孔，為保證噴氣均勻性，開孔的間距應根據現(xiàn)場噴氣試驗由疏到密開設。為避免因蒸汽直接噴射至梁體局部而使局部升溫過快，蒸汽管應離開混凝土面30cm，橋表面支管噴氣方向應水平。
4．4．3安裝蒸養(yǎng)棚
根據現(xiàn)場實際情況，蒸汽養(yǎng)護采用棚罩法。40m箱孔段因兩側橫梁分割，該段保溫性較好，而懸臂10m段及橋表面受海上氣候影響，保溫性較差，為此在橋表面搭設一蒸養(yǎng)棚。為了使蒸養(yǎng)棚內蒸汽充分對流，溫度均衡，但又不會形成蒸養(yǎng)棚內上下溫差較大，浪費熱能，故蒸養(yǎng)棚高度應在0．6～1m之內。蒸養(yǎng)棚四周用泡沫塑料絕熱層封閉，外面覆蓋蓬布，蓬布周邊與造橋機外模緊密連接，形成密閉氣室。
4．5 造橋機施工管理
因造橋機為大型設備，且在海上施工，現(xiàn)場施工條件相當復雜，施工難度很大。為了保證施工質量、設備及人員安全，造橋機管理操作必須組織一支素質較高的專業(yè)隊伍，并要對每一名操作人員進行專業(yè)培訓，全面了解造橋機的性能。設備操作前由技術負責人對造橋機操作人員作詳細技術交底，現(xiàn)場操作必須嚴格按照規(guī)范程序進行，并要聽從統(tǒng)一指揮，如在造橋機施工過程中有任何未知的事件發(fā)生，設備操作必須立即停止，在查明原因并解決問題后才可繼續(xù)施工，造橋機施工質量管理人員職責見表2所列。
5、工程應用效果
東海大橋淺海段箱梁工程采用兩臺下行式造橋機，在不到1 a的時間內完成52跨箱梁，造橋機海上施工50m跨箱梁平均周期達到12d，最短只有11d，其中上行線橋梁于2004年10月11日貫通，率先實現(xiàn)了東海大橋標段間的合攏，為其他標段的施工提供了很大的便利條件。下行式造橋機工藝在該工程的成功應用，不僅解決了淺海段的施工難點，而且提前完成了工期，保證了箱梁的施工質量，取得了重大的社會效益和經濟效益。
圖8為50 m跨箱梁下行式造橋機施工周期流程圖：
6、結語
隨著我國經濟的進一步穩(wěn)健發(fā)展，跨海大橋和城市高架道路的建設市場將不斷壯大，建設規(guī)模也越趨龐大。其中跨海、跨河、跨山谷、跨軟土地基等復雜條件下的橋梁工程建設將會大量涌現(xiàn)，特別是跨海大橋的建設將越來越多。由于造橋機擁有其獨特的性能，適用性廣泛，生產效率高，造橋機技術將成為現(xiàn)代橋梁建設的必不可少的一種施工方法。
