“智”取深山峡谷——花江峡谷大桥施工关键技术研发与应用

近年来，随着“一带一路”、长江经济带建设以及西部大开发战略的深入推进，高速公路作为先导性交通基础设施正加快向中西部延伸。我国中西部地区地势起伏大，崇山峻岭，峡谷深切，高速公路难以通过展线来绕开高山和峡谷，深切峡谷往往不具备设立桥墩(塔)的条件，只能通过大桥跨越峡谷中心位置，由此建成了数量众多、具有世界影响力的峡谷大桥．推动了我国峡谷大桥的发展和技术进步。

悬索桥跨越深沟巨壑的能力较强，尤其是对于宽度在千米左右的峡谷，悬索桥是优先考虑的桥型，采取一孔跨越陡峭深邃的峡谷，避免了高墩、高塔的建造，如湖北四渡河大桥、湖南矮寨大桥、贵州坝陵河大桥、贵州清水江大桥、云南龙江大桥等，均因跨越相似的峡谷而采用了悬索桥方案。

图1 花江峡谷大桥地形图

虽然我国山区大跨径悬索桥的建设成就举世瞩目，但研究热度和深度相对滞后。目前，山区大跨径悬索桥的建设仍存在施工技术复杂、实施难度高、品质控制不易、智能化程度偏低等问题，具体表现在以下两个方面：

1.基准索架设

基准索架设是主缆架设施工中的关键环节，目前基准索安装的施工操作繁琐且效率低，并且其线形仍然主要使用全站仪进行测量控制，测距、大气折射等影响较大，也无法进行自动化实施测量；测量数据也无法传递到调索设备，只能进行人工调索。

2.猫道施工

猫道面层、侧网层、栏杆等部分仍然采用人工铺设的方式，超高空作业时间长、安全风险大；猫道抗风性能主要由横向通道进行提供，减振器、减振系统的应用较少。

花江峡谷大桥是六枝至安龙高速公路（六安高速）控制性工程，桥梁孔跨的布置为5×40m先简支后连续预应力T梁+1420m钢桁梁悬索桥+8×40m先简支后连续预应力T梁+（86+160+86）m刚构+15×40m先简支后连续预应力T梁，桥梁全长2880m。

上述两个方面的问题在花江峡谷大桥建设过程集中突显。因此，通过开展大跨径悬索桥基准索和猫道智能化安装设备及安全性能提升技术研究解决上述问题，具有重要的现实意义和广泛的推广价值。

花江峡谷大桥桥面距峡谷水面超过600米，是目前在建的山区第一跨度、世界第一高的悬索桥。常规施工方法难以解决基准索系统安装智能化程度不高、猫道安全性能较低等固有难题，花江峡谷大桥施工将挑战世界桥梁工程的施工水平，需要以科研攻关手段在基准索智能化安装及猫道抗风及安全性能方面取得突破，解决工程建设中遇到的难点问题，为现场施工提供指导和支持，保障施工质量、安全和进度。

基准索股是主缆空缆架设施工中的关键环节，基准索股是一般索股调整的基础，是作为后续一般索股架设线形的参照。空缆线形控制是对基准索股的各跨跨中绝对高程及锚跨张力的控制，通过调整主跨、边跨跨中高程调整线形。基准索股传统的安装方法是：白天先利用牵引索将基准索股引入上塔、入鞍及拉入锚管，再将主索鞍、散索套中心的标志点与基准索股标志点对准，则可将基准索股架设就位。在气温稳定的夜间进行基准索股的垂度调整工作，按中跨、边跨、锚跨、上下游的顺序进行基准索垂度调整。

在其他悬索桥中，基准索股架设采用标志法和垂度调整法相结合的架设方法，在索股架设就位后分别对中、边跨的基准索股各控制点的高程进行调整。基准索股垂度调整工作中，需分别对主跨、南岸中跨、北岸中跨索股垂度测量并调整，该工作共配备了十几名基准索股垂度调整人员。

传统的基准索股的垂度调整按主跨、边跨分别开展，并且基准索股的线形调整选在温度相对稳定、风力小的夜间进行，要求索股长度方向温差≤2℃，断面方向温差≤1℃，风力≤12 m/s。该工作若分几部分调整较繁琐，影响施工进度。而基准索股又是主缆架设中的重要环节，因此，亟需研究能对基准索股的垂度进行整体性调索的安装方法。

主缆线形决定了悬索桥最终成桥线形能否满足设计精度要求，关键在于对基准索股垂度进行控制。常规控制的原理及方法是：采用两台全站仪分别从不同方向同时对基准索股进行单向三角高程测量，计算索股跨中垂度，并与设计垂度进行比较，根据监控计算的垂度调整图表，算出索股移动调整的长度，并作跨度、温度修正。在索股垂度调整时，将索股的特定标志点对准主塔主索鞍上相应的标志点，并用千斤顶和木楔固定，以索股特定标志点为固定基准点调整各跨垂度。由于索股表面平滑棱镜是不能直接插在基准索股上的，而如果采用三角对中杆进行测量的话，由于该处风大，对中杆会有晃动，精度会很低，所以须采用专用棱镜装置。

图2 基准索股的全站仪测量示意图

图3 基准索专用棱镜

研究表明：传统测量精度与测量的水平距离、竖直角以及测量时刻的天气状况等因素有关，水平距离越大、竖直角越大则测量误差越大；量测仪器高和棱镜高的误差也会造成测量误差。此外，大气垂直折光和地球曲率对基准索股测量采用的单向三角高程测量精度的影响尤其显著。因此，基准索股的精确测量方法亟待采用新方法、新设备进行改进。

王海城针对自锚式悬索桥基准索股受主梁伸缩不确定性的干扰，提出了一种类似于地锚式悬索桥基准索股的调整方法，即将需要调整的一跨的梁端先纵向约束，另一端不约束，待调整到位后，再约束另一端而释放已经调好的一端。使用该方法，主梁的温度收缩将不会影响基准索的线形。在湘潭市湘江昭华大桥得到了验证，可以推广应用到类似自锚式悬索桥的基准索线形控制工程中。

由于基准索股架设期间，索缆的温度将受大气温度影响而可能与设计标准温度有差别，塔顶将受日照或猫道不平衡水平力等影响发生偏位，塔顶标高可能受温度影响而与架设标准状态有所不同，散索套理论顶点里程可能由于主梁温变引起的伸缩随之发生变化。因此，基准索股的线形监测备受关注。

近年来，北斗定位技术得到了高度重视。与传统方法相比，北斗技术具有以下优点：直接获取三维绝对位置、20Hz高频数据采样、全天候、24小时连续进行动态采样。运用北斗技术可以回避以上问题，并对基准索股的三维空间坐标进行连续观测，确保观测稳定性，及时把实测数据反馈给各单位进行校核，控制主缆施工质量。该技术已经应用于主塔、主梁监测，但目前尚未见到在主缆监测中进行应用。

根据相关研究，北斗定位在水平方向能达到毫米级定位精度，北斗/GPS双模集成定位时误差在5mm以内；在高程方向，观测误差约为9mm，经历600历元（1800s）后获得稳定的观测精度收敛到毫米级。根据市场调研，目前华测、莱卡等厂商提供的北斗定位服务静态相对精度为平面方向2.5mm、高程方向5mm；动态相对精度为平面方向8mm、高程方向15mm。

而根据公路工程质量检验评定标准第一册土建工程（JTG F80-1-2017）的要求，主缆架设精度须满足原表8.11.10的要求（已列为表1）。根据花江峡谷大桥的设计线形要求，其基准索股中跨跨中点的绝对垂度架设误差控制范围为±71cm，主跨上下游基准索股间的相对垂度的误差不能超过±10mm，边跨绝对垂度误差为中跨的2倍。因此，北斗定位能够满足架设精度，但需增加解算功能或进行改进控制上下游基准索股的相对垂度误差。

猫道系统是悬索桥上部结构安装工程最重要的临时工程之一，作为上部结构安装最大的施工平台，几乎贯穿上部结构安装全过程。猫道系统结构复杂，架设难度大。目前，猫道建设通常采用下滑铺设法：即当猫道承重索架设完毕后，由底板构件及配重沙袋配合面网单元同步下放提供下滑力，将猫道横向通道、底部面层、侧面层以及猫道面层的大小横梁等，均沿着已经架设完成的猫道承重索下滑就位。下滑时，利用定制U形螺栓固定面层等的横向位置，避免下滑时侧向滑出，导致猫道结构的安装失控。

猫道承重索安装完成后，进行猫道面网及横向天桥的安装，分别由2个桥塔向主跨跨中和边跨同步对称安装锚碇。提前在地面分段组编猫道面网结构﹐将组成猫道面层的粗细钢丝网、防滑木条等用铁丝绑扎好，采用塔吊吊至塔顶安装平台上，逐段安装猫道面网并沿猫道承重索向下滑移，直至下滑到跨中位置，面网下滑时同步安装横向天桥。

猫道面层安装过程，由牵引索提供动力，借助安装于主塔塔顶门架的10t卷扬机反拉控制下放速度。面层分段下滑，下滑时确保各阶段均有牵引索及反拉保险索同时连接，以保安全。面网完成后，施工人员进行猫道侧网、索股滚轮安装。

例如武汉杨泗港长江大桥的主跨横向天桥，在塔顶利用塔吊吊至塔侧平台上安装，与猫道面网相连，同猫道面层一起下滑就位，下滑时塔顶卷扬机反拉控制其下滑速度，实现上、下游协调同步下滑，保证其平稳；边跨两道横向天桥在地面上拼装成整体，在猫道门架上设置转向，利用塔顶卷扬机整体抬吊吊装就位。

目前，猫道架设的研究主要集中在先导索和承重索架设，也有工程人员对猫道施工平台和面网安装系统进行了改进，但铺设效率低下，铺设工时长，铺设成本较高一直是猫道建设亟需解决的问题。

猫道虽然是临时结构，但在主缆施工完成之前，它实际上也是一座微型的大跨径悬索桥，是大跨径柔性结构及典型的风敏感结构，在风荷载作用下其产生的变位及振动对主缆施工架设的精度和稳定性以及施工人员的舒适度和安全等有较大影响。因此，抗风性能一直是猫道研究的重点。

目前，悬索桥通常采用增加横向通道来加强猫道的抗风性能。研究表明：减小猫道横向天桥间距、增加猫道面层宽度和刚度、设置猫道门架都可显著提高猫道的抗风稳定性。此外，研究者们在抗风缆、减振系统方面也进行了探索。虎门大桥的风洞试验表明：抗风缆会有效地提高猫道的刚度；润扬长江大桥的风洞试验表明：从门架引向猫道床面的竖向减振索也能起到提高猫道床面抗扭刚度的作用，也是改善猫道抗风稳定性的有效措施。在官山大桥(主跨为580m双塔单跨悬索桥）的猫道设计了抑振索。但总体上，猫道的抗风防振的措施仍然值得进一步探索和研究。

地面定位系统（TPS）最大的缺陷是受测程限制，测站点一般都处在变形区域的范围之内。采用Kalman滤波三差法代替RTK（Real-TimeKinematic）技术中的双差相位求解，实现毫米级精度提高大桥的线形。使北斗系统变形监测能力在大型桥梁上的进一步发展，让这一技术成为测量结构振动的标准技术。

图4 现阶段花江峡谷大桥正摄影航拍模型图

对大型桥梁建设当中，常规地面测量方法的完善与发展，其显著进步是全站型仪器的广泛使用，尤其是全自动跟踪全站仪（RTS），有时也称测量机器人（Georobot），为局部工程变形的自动监测或室内监测提供了一种很好的技术手段，它可进行一定范围内无人值守、全天候、全方位的自动监测。实际工程试验表明，测量机器人监测精度可达到亚毫米级。但是地面定位系统最大的缺陷是受测程限制，测站点一般都处在变形区域的范围之内。

针对上述问题，需要在动态监测方面进行进一步研究。因峡谷阵风频繁并且风速较大，过去一般采用加速度计、激光干涉仪等测量设备测定建筑结构的振动特性。但是，大桥高度的增高，以及连续性、实时性和自动化监测程度要求的提高，常规测量技术已越来越受到局限。北斗作为一种新方法，由于其硬件和软件的发展与完善，特别是高采样率（目前有的已高达20Hz）接收机的出现，在大型结构物动态特性和变形监测方面已表现出其独特的优越性。近几年来，一些大型工程建筑物已开展了卓有成效的GPS动态监测实验与测试工作。例如，应用GPS技术成功地对加拿大卡尔加里塔在强风作用下的结构动态变形进行了测定；国内外一些大型桥梁（尤其是大跨度斜拉桥）已尝试安装GPS实时动态监测系统；深圳帝王大厦的风力振动特性采用了GPS进行测量。

图5 夜间施工

在山区施工上，利用精度更高的北斗系统的动态监测数据处理，它主要采用的是整周模糊度动态解算（简称OTF法）。变形监测单历元求解算法及其相应软件，对于长期监测的施工及运营过程，采用Kalman滤波三差法代替RTK技术中的双差相位求解，可以实现毫米级精度提高大桥的线形。随着北斗系统变形监测能力的进一步发展，这一技术准备在本项目后期采纳为测量结构振动的标准技术。

在原有项目的BIM模型基础上，继续对施工规划进行深化，以期让委托方和参与施工的工作人员更好地理解施工流程等方面问题。钢筋组装流程通过BIM方式呈现，让非熟练工人也能很好理解实时施工的顺序，可以一定程度上解决施工人员对大桥的熟悉问题。

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