復雜山地環境下人行步道鋼結構施工關鍵技術

劉思嘉 黎亞軍 徐增武 戴超虎 劉艷華

中建五局第三建設有限公司 湖南 長沙 410004

在人類賴以生存的地球上，山地面積遠遠大于平地面積。中國山地面積約占陸地面積的50%[1]，且大部分城市為山地城市。與平地相比，其自然環境差異極大，山地建筑受地形、地貌、經濟、功能等方面的綜合約束，若沿襲平地建筑的施工技術方法來進行山地建筑建設和開發，則難以適應山地生態環境條件的多變性。因此，綜合利用建筑所處的山形地貌，盡量契合山地的起伏變化，不去破壞原有地形、地貌和自然景觀，因地制宜地使建筑成為融入環境中的有機景觀，這成為山地建筑施工建造的首要目標。山地建筑已逐漸成為區別于平地建筑的另一種具有山地特色的建筑體系。

近年來，隨著經濟快速增長，旅游業蓬勃發展，人們對于山水休閑游憩的需求日益增長，城市景觀生態建設逐漸成為城市發展的重要指導方向，利用城市周邊現有的自然資源建設“休閑”“健身”“旅游”“娛樂”的山地人行步道成為再次發掘城市活力的有效手段。山地建筑大量建設，尤其是索道、步道、游客服務中心等大量采用鋼結構形式。適當的步道建設可以避免極端事件對娛樂活動的負面影響，并在保護生物多樣性等方面提供協同效益[2]。國內外一些城市在打造山地人行步道項目上進行了探索和嘗試，如廣州的“云道”、福州的“福道”、廈門的“綠道”、新加坡的南部山脊步道等。關于山地人行步道建設所面臨的最大爭議在于施工過程中對原始山體和自然資源的破壞，違背了人與自然和諧相處的基本理念。因此，在建設施工過程中，必須嚴格保護現有山地的地形地貌，施工過程中需要最大限度地降低對生態環境的影響，這意味著在施工線路上無法進行大面積開挖修路，亦無法采用現代化的機械設備進山施工，蜿蜒曲折的步道全線需要在接近原始山林的環境下作業，其施工難度不亞于各種橫跨大江峽谷的大橋。且國內外對于山地步道建筑在建造技術、施工機具等方面缺乏系統性的梳理和研究，沒有具體的施工技術指導方法。

1 工程概況

1.1 步道結構設計概況

珠海鳳凰山山地步道項目位于鳳凰山森林公園東南部，串聯沿線城市公園及景觀興奮點，巧妙利用鳳凰山地形修筑了1條攬山瞰海的慢行生態健康廊橋，全長約8.6 km，總用鋼量約0.6萬 t。主體結構形式為獨柱墩鋼板梁結構體系，整體走勢沿山勢而行。

鋼結構系統可分為豎向獨立鋼柱、箱體梁及懸挑T形挑梁結構。獨立鋼柱采用圓型鋼，最大型號為φ800 mm×32 mm，最大高度為15 m；箱體梁和懸挑T形加固挑梁結構橋面標準凈寬度3.6 m，最大跨距16 m；基礎部分根據地質情況不同，分別采用人工挖孔樁基礎、巖石錨桿基礎和微型鋼管樁基礎。橋墩與承臺采用M48地腳螺栓連接，主梁為箱形，寬0.64 m、高0.70 m，主梁兩側設置T形加固懸挑次梁。全步道采用10.9S級M28高強螺栓栓接，間隔不超過64 m設置1道伸縮縫，橋墩與主梁分別采用焊接連接或橡膠支座連接（圖1）。

圖1 珠海鳳凰山山地步道

1.2 施工環境概況

鳳凰山山地步道項目（香山湖公園至海天公園段）位于香洲區主城區鳳凰山山脈，最大海拔高度437 m，規劃步道沿鳳凰山山脈蜿蜒盤旋，西接香山湖公園、東至海天公園、南依梅華路、北鄰大鏡山水庫，全長約8.6 km?，F場原始地貌主要為低丘陵地貌，部分為山澗河谷地貌。

步道橋段所處山體為具有一定坡度的陡坡，沿線植被茂盛，巨石、懸崖遍布全線，材料運輸及設備搬運極為困難（圖2）。

圖2 現場原始環境

2 工程特點和難點

2.1 山地環境復雜多樣，施工難度大

項目地處林業用地，要求施工過程中將原始地貌及森林的影響降到最低，僅允許開挖寬3 m的臨時便道。而山路崎嶇，地質情況復雜，大部分施工線路的地質、地形情況尚不能滿足臨時便道開挖條件，造成人員通行、材料運輸、機械進場難度極大。

2.2 現場施工組織管理和安全控制難度大

工程區域跨度大，分項多，工序多，且山路地形條件差，各施工工種及機械之間的配合極其困難，統籌規劃科學的施工組織管理使工程能夠高效、有序推進的重要保證，同時確保施工安全和質量。

由于山路地勢較高，步道沿線多處于陡峭地段，使得安全通道及操作平臺布置困難，施工安全要求高、風險大，安全防護難度大；地處茂密山林，施工過程中，不可避免地出現動火作業，且水源補給多位于山腳，消防安全管理要求高，難度大。

2.3 吊裝難度大

山路地形復雜，坡高路陡，施工區域無法采用常規吊裝機械設備進場施工，單一構件重，且體量大。山地林區內需采用特殊吊裝作業工具進行安裝，施工難度大，安全隱患風險高。

3 施工關鍵技術

3.1 箱體梁橋面分段吊裝技術

3.1.1 關鍵施工設備選擇

針對步道棧橋結構特點及現場施工條件，調研分析了公路、鐵路系統施工過程中常采用的架橋機安裝方案，其施工作業面至少需達到2個標準段的長度，且需借助已安裝完成的柱墩作為支撐點。

在地形復雜的山勢環境下，無法滿足使用要求，且步道極小的曲率半徑亦無法滿足其行駛條件。綜合考慮結構形式及施工條件的局限性，研發了一種適用于山地棧橋工程項目的橋面吊裝設備，大大提升了施工進度，提高了施工質量和施工安全（圖3）。

圖3 橋面軌道式起重機施工

3.1.2 關鍵施工措施

目前，對于橋梁合龍施工技術，一般采用頂推法[3-4]、配切法[5]及配切-頂推結合法[6]。由于山地地形條件差，施工環境受限，且綜合考慮經濟效益和施工便利性，采用橋面吊分段吊裝的施工技術。

本項目進行了多次橋面吊裝工況分析和行駛工況模擬，確定了設備自重、設備尺寸、起重性能、最小轉彎半徑、行駛坡度、運載能力等關鍵因素，同時需考慮設備的安裝拆卸和符合人機工程學的各種要求，融合了工程、機械、力學、遙感等多專業問題，聯合設備廠家進行了設備設計、研發。項目最終定型適用于山地鋼結構人行步道安裝的橋面軌道式起重機和遙控軌道式運梁小車（后稱“橋面吊”和“運梁小車”）。橋面吊設備自重為14 t，16 m作業半徑起重量3.5 t。

其主要特點為：橋面吊由軌道平車和吊裝系統組成，可在用熱軋H型鋼鋪設的軌道上行駛，吊裝作業時，橋面吊錨固于已安裝完成的柱頂，通過吊裝系統依次吊裝下一跨的柱、梁及次構件，然后鋪設軌道向前行駛至下一跨柱頂，繼續重復吊裝；運梁小車采用遙控操作，利用橋面吊軌道行駛，在線路上往返運輸材料（圖4）。

圖4 橋面吊裝施工示意

橋面吊行駛軌道需要承擔上部設備荷載，并將其均勻傳遞至橋梁結構，是保證施工安全的主要措施。因此，需確保其具有一定的強度且與結構自身能夠可靠連接固定，同時便于安拆。

軌道選用HW294 mm×302 mm× 12 mm×12 mm型鋼，鋪設于鋼梁兩側的T形挑臂上，軌道縱向間距為1.8 m，挑臂橫向間距為1 m，軌道與T形挑臂之間采用U形卡扣＋壓板組合將軌道下翼緣板的左右兩側均夾持于T形挑臂上，每根挑臂與軌道搭接部位均采用夾具固定，經計算分析，具備良好的夾持效果，結構簡單輕巧，安拆便捷（圖5）。

圖5 橋面鋼軌加固斷面示意

3.1.3 橋面吊施工過程分析

采用有限元設計和分析軟件Midas施工仿真模擬橋面吊行進和吊裝過程，通過上部結構整體承重狀態改良節點形式和調整施工方法。

橋面吊行進過程中，其自重全部由結構鋼梁及挑臂承擔，其行進過程產生的振動荷載約等于其自重的1.3倍[7]，當其行進至跨中時，為最不利工況。主梁與柱考慮為剛接，挑臂與主梁采用高強螺栓連接，軌道采用錯縫焊接連接為連續梁，模擬分析結果顯示：橋面吊行進過程中鋼梁跨中最大撓度為26 mm，撓跨比[8]為1/615＜1/400；結構構件最大應力比為0.83，可知橋面吊行進過程中構件滿足容許應力305 MPa限值要求，行走工況結構受力滿足要求。

橋面吊在柱頂進行吊裝時，其支腿下方的T形挑臂撓度變形過大，需要進行加固處理，從永臨結合的角度出發，將支腿下方的T形挑臂采用HI50 mm×150 mm×10 mm×14 mm型鋼加強挑臂進行替換（圖6）。

圖6 加強挑臂替換模型

采用有限元分析軟件進行分析，取最大吊裝工況荷載作用下（橋面吊16 m半徑吊質量為3.5 t），吊臂轉向至與支腿對角線重合時，其吊臂下方的支腿壓力值最大，其值為207.8 kN。模擬分析結果顯示：加強H型鋼挑臂的最大應力比為0.65，最大撓度值為5.06 mm，不超過次梁撓度允許值l/250，故橋面吊在柱頂作業時，其支腿下方的加強挑臂承載力滿足要求。

標準段鋼柱與梁底支座采用焊接連接，分聯段位置梁底設計為滑動支座連接，梁底支座置于柱頂橡膠墊板上，無側向支撐措施，當位于分聯段鋼柱頂作業時，除將分聯段兩側鋼梁采用臨時碼板連接成整體外，還需設置側向臨時支撐防止鋼梁發生傾覆。由于山地環境特殊，側向臨時支撐考慮依附于現有結構設置，采用熱軋HW175 mm×175 mm×7.5 mm×11 mm型鋼焊接于柱身（圖7），對4個支腿下方的加強挑臂進行支撐，加固箱體梁分聯處節點。

圖7 分聯處節點強化措施

采用有限元分析軟件驗算此加固措施穩定性，取最大吊裝工況荷載進行分析（橋面吊16 m半徑吊質量為3.5 t），當吊臂轉向至垂直于橋梁方向作業時，為最不利工況，此時吊臂下方的支腿壓力值之和為199.3 kN，建立整體結構模型進行驗算，其強度滿足要求。箱體梁最大撓度為32 mm，跨度為16 m，撓跨比為1/500＜1/400；分聯處箱體梁結構構件最大應力比為0.82，分聯處連接板最大壓應力為212 MPa，滿足容許應力305 MPa限值要求，故橋面吊在分聯處吊裝工況結構受力滿足要求。

3.1.4 施工重點和難點分析

1）山地步道全長約8.6 km，橋形線路復雜，橋面鋼梁采用高強螺栓連接，施工測量精度要求極高。由于現場山高林密，信號較差，若使用GPS放點，則誤差較大；若使用全站儀測量，需進行多次轉點，亦會產生較大的累計誤差，對于測量作業的影響極大。因此，精準測量定位是施工的重點和難點。

2）本項目山地步道設計標準段跨度為16 m，因受山地地形環境限制，大型機械吊裝機械無法進場，且步道棧橋連續小曲率半徑的彎道較多，需對橋面箱體梁進行分段劃分。鋼梁在進行吊裝節段劃分時，綜合考慮到構件運輸、吊裝半徑、節點連接要求、橋面吊站位尺寸等因素是施工的重點。

3）現場安裝采取分段吊裝拼接，為了避免已安裝的橋面構件由于懸挑過大，致使構件撓度過大，導致構件安裝不便或連接節點失效。必須在施工不利的山地條件下采取支撐架系統，用以支撐懸挑節段構件結構安全。合理設計適應施工環境的支撐系統，保證施工階段支撐體系和橋體結構整體穩定性和安全是施工的重點。

3.2 主要施工技術措施

1）綜合考慮到現場橋面吊的作業工況要求、復雜的施工環境以及對接節點操作便捷性等因素，本項目將步道鋼結構的安裝作業流程具體擬訂如下：錨栓預埋→起步段安裝（含橋面軌道）→橋面吊及運梁小車安裝→鋼柱吊裝→跨中段鋼梁吊裝→柱頂段鋼梁吊裝→次構件吊裝→軌道及加固措施吊裝→橋面吊向前推進→重復下一跨柱梁的吊裝作業。

2）針對橋梁測量定位的要求高，而全橋位于線路復雜的山地環境，對于施工測量的影響大的特點，本項目在施工前首先使用靜態測量技術，在沿線通視位置建立測量控制點，確?？刂泣c之間直線距離不超過300 m，施工過程中再根據現場實際情況，使用2″級全站儀進行測量定位或對控制點進行加密后引測，在鋼梁安裝過程中，對柱頂段鋼梁的對接點進行準確測量定位后，再固定梁柱節點。

3）為了解決箱體梁節段合理劃分的難題，通過對施工過程進行模擬分析，將每一跨標準段16 m鋼梁劃分為7 m＋9 m組合，跨中段吊裝半徑小，按9 m一節在工廠制作，柱頂段吊裝半徑大，按7 m一節在工廠制作。由于分聯段的鋼梁在伸縮縫斷開，在工廠加工時使用臨時碼板連接成7 m整體，安裝完成后再將臨時碼板割除；通過運輸模擬分析，長度9 m鋼梁在橋面運輸時，可有效避開橋梁兩側障礙物，長度7 m的鋼梁能夠滿足橋面吊的站位要求，所有分段質量均能滿足吊裝要求。鋼梁拼接位置全部采用“高強螺栓＋雙夾板”連接，可大量減少動火作業面。

4）通過對各工況條件下施工過程計算分析得出懸挑段撓度，若不采取支撐措施，其最大撓度將達到31.3 mm，懸挑端前端撓度過大將會影響后續鋼梁對接，因此需對此狀態下的鋼梁進行臨時支撐措施。

因此，綜合考慮現場情況，支撐體系設計為類似于斜拉橋的“索塔＋拉索”形式，減少懸挑段的撓度。索塔采用高度為1.5 m的HW294 mm×302 mm×12 mm× 12 mm型鋼，拉索采用3 t的手拉葫蘆。懸挑段安裝完成后，吊車暫不松鉤，使用手拉葫蘆連接索塔和懸挑段、固結段鋼梁上的吊耳，然后收緊手拉葫蘆，對懸挑梁進行反向提升，再將索塔拉錨至已安裝完成的鋼梁吊耳上，使鋼梁、索塔、拉索互相支撐形成空間結構，加強鋼梁平面內的剛度，使其形成一個穩固的支撐體系。有限元撓度分析結果表明：設置“索塔＋拉索”支撐體系，手拉葫蘆的拉力施加至10 kN時，懸挑段最大撓度在3.07 mm以內，滿足后續鋼梁的對接安裝要求。

5）為確保橋面吊在施工作業過程中的整體安全性，在每次吊裝作業時，還增加了吊車與鋼柱之間的錨固措施，采用手拉葫蘆將橋面吊錨固于柱底，錨固方式為：采用4套5 t的手拉葫蘆，一端連接于橋面吊機身設置的拉環上，另一端反向斜拉錨固至柱腳加勁肋預留孔上，每次作業前，收緊手拉葫蘆，將橋面吊徹底固定于柱頂后方可進行吊裝（圖8）。

圖8 橋面吊柱腳加強錨固措施

4 施工安全保證措施

山地步道施工時，所面臨的主要風險源包括：森林防火風險、高空作業風險和機械設備傷害風險。

4.1 森林防火風險措施

鋼結構工程施工不可避免地會出現動火作業，而山地自然環境對火源極為敏感，因此在施工過程中做好防火措施極為重要。在實施過程中主要采取以下防火措施：

1）從設計源頭盡量減少焊接節點，鋼梁及上部所有次構件全部采用螺栓連接。

2）嚴格控制火源進山，在各入口設置門崗，集中暫存火種。

3）全線提前布設永臨結合的消防水。

4）嚴格落實動火申請制度，每個作業點設置專職看火員，配備足夠的滅火設備。

5）動火作業前，提前澆水濕潤周圍場地，采用全封閉的接火措施。

4.2 高空作業風險措施

施工過程中的高空作業風險主要采取以下防護措施：

1）隨橋面安裝進度，在橋下滿拉防火安全網。

2）沿橋面兩側設置高度略低于運梁車的生命線。

3）各入口以梯籠作為垂直通道，橋面作為施工便道。

4.3 機械設備傷害風險措施

對于施工過程中的機械設備傷害風險，主要采取以下防護措施：

1）吊裝作業前，嚴格按要求設置臨時措施。

2）運梁小車往返過程中，橋面嚴禁人員通行，運輸構件必須綁扎牢靠。

3）橋面吊在有坡度的橋面作業時，必須設置前后車擋，避免滑車。

4）設備定期進行保養檢查。

5 結語

珠海鳳凰山步道項目自立項之初，就明確了對原始森林公園“低干擾，輕介入”的建設理念，要求建設施工過程中要將對原始生態的影響降到最低。針對復雜山地環境條件和結構特點，本文對步道工程施工中的關鍵技術措施進行了詳細的闡述，這些措施有效確保了工程的順利推進，保證了施工安全和質量，取得了良好的社會經濟效益，可為類似項目提供參考。