快速化工程案例：节段预制拼装建造工艺的最新应用

郑州市四环线及大河路快速化工程位于郑州市主城区的外围，由大河路、东四环、南四环及西四环组成闭合环线，途经郑州市惠济区、金水区、郑东新区、经开区、管城区、二七区、中原区、高新区，路线全长约93.03公里。

图1 项目总体布置图

项目道路全线采用城市快速路设计标准，设计速度80km/h。规划控制总宽度180m（其中道路红线宽80m，两侧各有50m宽绿化带）。西四环、大河路（107辅道以西段）、南四环采用高架快速路形式，标准横断面组成为：高架快速路（双向八车道）+地面主干路（双向八车道）+辅路；大河路（107辅道以东段）、东四环采用地面快速路形式，标准横断面组成为：主线地面快速路（双向十车道）+辅路。全线高架快速路长63.624km（新建56.536km，现状7.088km），地面快速路长29.406km。道路全线与现状及规划各等级道路相交150多处，与主要河（渠）道交叉并跨越21处，与铁路交叉12处（其中下穿高铁8处，上跨普铁4处），与轨道交通线交叉22处。

图2 西四环-科学大道立交效果图

除了63.624km高架快速路、29.406km地面快速路外，该工程还包括有27座互通立交（其中：新建立交15座、改造现状立交7座，利用现状立交5座）、36对上下匝道、6座车行下穿隧道，另外道路排水、照明、交通安全设施与智能交通、声屏障、绿化景观，总投资约378.97亿元。其中：西四环约113.45亿元，大河路约103.01亿元，东四环约47.88亿元，南四环约114.63亿元。西四环及铁路代建段由市财政直接投资建设，大河路、东四环及南四环采用PPP模式投资建设。计划工期为高架主线18个月，其他24个月。将于2019年6月底全部高架主线建成通车，其中西四环地面道路同时建成通车；2019年底前全线地面道路建成通车。

桥梁总体设计方案在优先采用节段预制箱梁的同时，也因地制宜地选用了支架现浇箱梁、预制小箱梁、斜拉桥、钢箱梁桥等其他桥梁型式。节段预制拼装桥梁是本项目的主体，约占全线桥梁的七成，另外还有三成为其他多种桥梁型式。比如：在桥下不行车的地面跨河辅道桥、与既有小箱梁对孔布置的新建跨河桥梁采用造价便宜的预制小箱梁；在变宽、异形及小半径曲线地段，采用适应性好的支架现浇连续箱梁；在特殊节点还采用了斜拉桥、钢箱梁桥及铁路节点转体大跨度连续梁桥。由此形成的桥梁总体方案各采所长，集安全、经济、高效、环保、绿色于一体。

图3 南四环-郑少高速立交效果图

1.至简至美：主梁线条简洁明快、棱角分明、现代经典；路中桥墩由墩底向上以1：30比例横向放大，整体上富有向上挺拔的力量感；路侧桥墩收腰造型，与主梁的简明干练相得益彰。

2.标准化设计：标准化设计引导标准化施工，设计师对工业化施工的追求是无极限的，对预制节段的长宽高、最大运输重量、节段划分、内轮廓尺寸、齿块位置、齿块大小、锚槽尺寸等进行了近乎苛刻的标准化设计，以期达到提高预制、运输及架设效率的目的。具体措施如下——

图4 5种基本主梁截面示意图

①5种基本断面适应20种桥梁断面型式

市政桥梁的特点之一是桥面宽度多，两车道、三车道、四车道、五车道及六车道在本项目均有体现，由此造成桥梁断面类型约20种。在标准化建设的理念下，设计师对各种断面进行了梳理归纳，拟定出5种基本断面就可适应各种桥面宽度的变化。

②10种基本跨度适应100种跨度组成

市政桥梁的特点之二是跨越构筑物多、控制节点多，给桥梁结构带来的影响是跨度范围大。本项目主线标准梁的基本跨度范围是3646m，一般情况下桥跨组成约100种。在标准化建设的理念下，设计师将基本桥跨组成限制在10个左右，极大程度上减少了预制节段的类型，进而提高了节段预制的效率。

图5 节段预制生产线

③4种基本节段长度适应4000孔节段预制桥梁

经过对预制桥梁的节段划分进行极致追求，设计师将全线的基本预制节段长度数量控制在了4个。对这4种节段长度进行合理的组装，就可以适应全线约4000孔的节段预制桥梁。

图6 节段预制模板系统

④5种基本模板制造50000榀预制节段

全线有5种基本断面，对应的有5种基本模板。这5种基本模板即可完成全线约50000榀的预制节段的制造。

1.体系抗震：合理的桥梁体系能够将地震力分担到更多的墩柱来协同抗震，前述连续刚构是较好的桥梁体系之一。当必须设置支座时，本项目将两个中墩上均布置固定支座以达到协同抗震的目的。

2.以柔克刚：合理的桥梁应以最小的代价来减小地震响应，最好的办法是利用结构自身来“以柔克刚”。本项目就是采用了“单柔群刚、刚柔相济”的连续刚构体系，利用抗推刚度较低的桥墩来消耗地震能量，又不减弱桥梁的正常使用功能。

3.防落梁支座：目前市政工程上常见的防落梁装置，是墩梁之间设置混凝土或型钢支挡，以限制罕遇地震作用下的位移，防止主梁掉落。本项目主体桥梁创新地采用自带防落梁功能的球形钢支座，既满足使用功能又简化构造，显得更加整洁美观。

1.系统设计+高品质施工：设计采用整体性好的大箱梁结构，并对材料、保护层、施工过程等提出较高的技术标准；施工采用工业化3.0的桥梁建设技术，保证优良的施工品质。

2.两级复合防水：桥面防水是主梁耐久性设计的重要环节，为适应本地除冰盐环境，本项目采用两级复合防水体系——第一级防水为基层处理防水，采用喷涂水性渗透结晶型无机防水剂，在表面混凝土中形成不溶于水的结晶体，堵塞毛细孔道，提高混凝土桥面板的抗渗能力；第二级防水为柔性防水层，采用聚合物改性沥青防水涂料，并设置无碱玻璃纤维作为涂层内的胎体增强材料，在隔绝水分与混凝土桥面板接触的同时，提高防水层的整体性、抗裂性和抗穿刺性。

1.工艺标准：通过标准化的工业化制造工艺，创造出造型、几何、体系各异的桥梁结构。

2.架设高效：主梁架设过程包含4个主要工序，设计为互不干扰、依次实施，全过程实现流水线施工。加上工业化的安装技术可以5个小时完成一对节段梁的安装，2天完成一孔架设，比常规悬浇桥梁效率高30倍。

3.装备多样：长约140公里的节段预制主梁，多达4000跨，跨越道路、河流、管线等多种节点。设计采用悬臂拼装工法，对设备的选择预留了较高的灵活性，可以采用上行式架桥机、桥面吊机、汽车吊、轮胎式提梁机或支架等多种工业化架设装备。

图7 郑州四环线第一榀主线预制节段

4.严丝合缝：采用“三维线形控制”辅以精确测量技术，对施工全过程的误差进行预测、分析及消除。在外部温度、干湿度、混凝土预制块收缩徐变、施工工法、结构体系转换等条件不断变化下，确保工厂制作的预制块在空中对接时“严丝合缝”。

5.高性能混凝土：预制专用混凝土应具备的特性是高强、早强、易和、低收缩。通过对配合比进行反复的计算及实验，将高性能C60混凝土在保证混凝土品质的前提下，缩短混凝土养护及拆模时间。配以合理的蒸养技术，可以保证节段梁全年四季生产效率稳定，实现了在北方达到全年2天1片的稳定产量目标，整体效率提高1倍左右。

6.智能调度：由于节段预制梁数量巨大，精确管理、调配这些节段显得尤为重要。通过信息传感技术+智能调度技术，能实时管理每个节段信息，助力施工过程信息化，为工程顺利推进保驾护航。

7.绿色环保：形象地说，预制拼装技术是将建筑部件在工厂完成，然后在施工上实现“搭积木”式的操作，显而易见的好处是减少了粉尘污染、噪音、废水废气，并且极大减少交通堵塞和人力时间资源的浪费。

8.产业升级：现代绿色工业化桥梁节段预制技术的关键点为“4+1”。其中“4”的含义为节段预制桥梁生产的主要步骤——设计、制造、运输、架设；“1”的含义为项目管理系统及线形控制。通过本项目的实践，将带动本地“4+1”节点上的人员水平、设备技术及认识理念的全面提升，并带动大批相关企业实现战略转型，助力郑州桥梁建设全产业链升级。

图8 架桥机架设预制2号节段块

1.减少支座：桥梁支座的设计使用使命为50年，在管养条件不好时寿命会减少到30年左右。也就是说，在桥梁设计使用寿命100年内将会更换2～3次支座，一般情况下更换支座需限制通行且价格不菲。因此建设部门在勘察设计招标时提出了减少支座数量的需求，因此本项目采用了无支座、少支座的结构体系，取消了约5000个大型球形钢支座，以期降低桥梁维养成本，减少因更换支座带来的社会影响。

2.检修可达：所有箱室均能够人员检修，且梁端设置过人孔，实现联间检修通道贯通。

3.快换支座：采用具备快换功能的球形钢支座，更换支座时可不影响桥面车辆通行。

4.三防快换伸缩装置：采用防水、防尘、防噪、耐久、可快速更换的梳齿形伸缩装置。

图9 上行式架桥机悬臂拼装

1.工程体量及投资规模巨大

93公里城市快速路、64公里都市高架桥梁、379亿总投资，本项目工程体量及投资规模堪称巨大，主要数据统计如下：

①地面道路、高架桥梁面积各约320万平方米。

②桥梁桩基总长约110公里。

③桥梁总体用钢量约120万吨。

④工程总体用混凝土方量约600万立方米。

⑤全线预制节段约50000榀，共设置8个现代化预制梁场，面积约2000亩，共约500个预制台座，是目前全球最大规模的短线节段预制项目。

⑥预计全线预制桥梁安装速度约700m/天，高峰期速度可达到近1000m/天。

⑦采用工业化3.0的新型节段预制拼装技术，促使近万名建筑“农民工”转换为新型产业化技术工人。

⑧工程初步设计、施工图阶段完成设计图纸总数量约20万张。

2.交通功能强

本项目作为郑州市城市快速路系统的重要组成部分，既是环绕主城区的一条交通大动脉，同时也是郑州市中心城区与城市外围组团紧密联系的一条纽带。按照规划，本项目由“高架快速路+地面主干路+辅路”三个层次的综合立体交通体系组成。其中主线快速路系统主要为各城市组团间的中长距离快速交通服务，并承担城市外围组团与中心城区的交通转换功能；地面主干路及辅路系统主要为沿线城市各功能片区的交通出行服务。有效地实现了快慢分道、人车分离的交通组织，既保证交通安全，又提高通行效率。同时，高架快速路通过互通立交实现与相交高、快速路及交通性主干路的快速互通，地面主干路通过信号灯控制平交路口，实现与相交生活性主、次干路的便捷联通，高架快速路通过上下匝道实现与地面主干路的有机衔接，多层次的综合立体交通体系大大提升了道路服务水平。

本项目建成后，将为郑州市中心城区新增一条全城互联的大容量快速通道，实现区域交通流的疏导，同时也将促进沿线交通网络的快速构建，在进一步完善郑州市城市交通路网体系、改善中心城区交通运行状况、缓解交通拥堵压力、助推郑州建设“国家中心城市”等方面，将发挥非常重要的作用。

3.桥梁节段预制拼装工艺技术新

高架桥梁部分采用绿色环保的节段预制拼装技术，智能化信息管理贯穿于预制箱梁的生产、运输及架设。

图10 桥面吊机悬臂拼装

①采用先进的短线法节段预制技术

主体桥梁工程采用的短线法节段预制技术，是桥梁工业化的领军技术，是工业化3.0的技术。以往预制技术，是通过标准化的技术，却只能得到千篇一律的产品，相当于“我制什么，你就得用什么”。而短线法节段预制通过标准化的工艺和线形控制，可以满足功能和几何多样化的需求。

本项目全线共需预制节段梁约49922榀，采用现代工业化桥梁节段预制技术，在不增加基础建设投资的前提下，满足节能、环保、快速、安全、高效、美观的建设要求，特别适合城市高架桥项目。其先进性包括：质量好、速度快、施工工法适应性强、对自然与社会环境冲击小、有相对经济优势。

②智能工程信息化管理引入到预制节段工程技术管理

全线预制节段数49922榀，为了精确管理、调配这些节段显得尤为重要。此项创新在预制节段内预埋先进的工程芯片，能实时存储节段梁从生产至架设全过程的信息，助力施工过程信息化，为工程顺利推进保驾护航。

图11 郑州四环线第一榀预制节段现场吊装施工

③创新性采用“因地制宜，中侧结合”的桥梁方案

一般情况下将桥墩设置在现状路中分隔带,避开大量地下管线，以最大限度确保工程如期开工及顺利推进；在跨越框架涵洞、既有高架立交群、涉河既有桥等特殊情况时，因地制宜地将桥墩设置在路侧分隔带，避开现状车行道，最大限度保障施工阶段现状四环正常通行，并避免废弃既有桥涵结构。

④预制精度高、速度快、绿色环保

三维线控、精准测量、高性能混凝土、信息化技术，是保障场内节段快速、高精度、高品质生产的四项关键技术措施。其中，三维线控、精准测量技术可以使节段梁精度达到毫米级别，是目前建筑行业精度极高的预制产品。

利用预制专用混凝土和主梁架设工序的特性，使整体效率提高了1倍左右。同时，通过预制拼装技术，不仅减少了环境的污染，也极大地减少了交通拥堵和人力资源的浪费。达到了环境和资源配置双赢的环保目的。

图12 互通立交绿化景观效果图

该项目引进了节段预制拼装工业化建造工艺，兴建64公里长的高架快速路。虽然节段预制拼装技术在目前不是一个全新的工艺，欧美国家早在上世纪60年代已经开始应用，我国在上世纪90年代也在铁路、公路、轨道及市政工程中得到应用和发展，近年来更是进一步大力推广，但本项目节段预制拼装桥梁面积达200多万平方米，预制节段数量近50000榀，8个预制梁场总占地面积约2000多亩，节段预制拼装规模之大，在国内外均极为罕见，建成后必将成为国家绿色建设的典范工程。