高屏溪斜张桥基础及桥塔施工.doc

高屏溪斜张桥基础及桥塔施工夏明胜交通部台湾区国道新建工程局第四区工程处屏东工务所主任1.1概述第二高速公路高屏溪斜张桥位于高雄县与屏东县交界处，于高屏溪中游约28公里，即台21线里岭大桥下游约1公里处，跨越高屏溪，全长2，617公尺，高屏溪斜张桥为国内第一座高速公路复合式斜张桥，全桥共分为六大单元。其中第一单元，跨越省道台21线及高屏溪主流部份，采超大跨径单塔不对称斜张桥设计，桥塔高183.5公尺，桥面平均高出地面处约四十余公尺。本斜张桥之结构形式为两跨不对称单面复合式结构，侧跨由A1桥台跨越台21线省道，连接A1桥台与P1桥塔，跨径180公尺，为预力混凝土箱型梁构造；主跨连接P1桥塔与P2桥墩，跨越高屏溪主河道，跨径330公尺，为全焊接钢床钣箱型梁构造（图一）。预力混凝土箱型梁与钢床钣箱型梁于桥塔处衔接并座落于桥塔系梁上，桥面宽34.5公尺（图二），主跨与侧跨之梁深均采3.2公尺，以保持桥梁侧面外观之一致性。桥塔采混凝土A型单柱结构型式（图三），桥塔与上部结构箱型梁间以单扇两列平行辐射状不对称钢缆（共计十四组）相衔接，钢缆一端固定于箱型梁中央，另端锚碇于桥塔顶柱上。桥塔为A型构架，将上部结构各方向之庞大力量利用37公尺深之隔墙箱壁式基础传达于地层中。箱型梁与桥塔间，除箱型梁底部设有盘式支承将上部结构垂直载重传递于桥塔外；于箱型梁侧与桥塔连接处，另设有水平支承箱，以将上部结构之水平力传递于桥塔。P2桥墩部分设有盘式支承、剪力榫及拉力连杆以传递垂直及水平各向力。1.2隔墙箱壁式基础施工高屏溪桥主桥为一单塔不对称混合式斜张桥，桥长510公尺，塔高183.5公尺，上部结构之各种载重大多均由桥塔承受。考虑桥塔基础需提供巨大之承载力与较大之劲度，并考虑桥塔所座落之行水区冲刷问题，本桥塔基础采用较具刚性之隔墙箱壁式（即一般的连续壁）基础两座，为国内首度采用于桥梁基础者。其基础断面为一闭合格子形状，外围长19公尺、宽15.8公尺、深37公尺、壁厚120公分，基础上方为一厚4公尺之基础版，两座基础版间由地梁连接，以克服水平侧向力，地梁下设有两道2.7公尺长、33公尺深之连续壁以作为地梁之支撑（图四）。1.2.1工程地质分析及评估本桥P1桥塔位于冲积平原上，其下地质主要为卵石、砾石、粉土及中细砂间夹泥岩及透镜体所组成，本桥于设计阶段曾于桥址处进行钻孔以了解地层分布状况，施工前，为充分了解施工区域之地质状况，于桥塔基础施作区域内再补充钻探，并与原钻探资料相互比对。依据钻探资料分析得知，现有地面高程为EL+28，低水位或常水位位于EL+23，约于地面下五公尺左右，此五公尺土质为灰色极疏松黏土质砂，甚不稳定。沟壁施工开挖时，若地层水位过高，将会产生自然崩塌，造成施工上困难，须采抽水措施以降低水位防止挤压；EL+20EL+5.2之地质为卵石层及砾石砂层，削挖时可能会产生局部滑落及失水现象，沟壁挖掘施工宜缓慢，并对稳定液之选择应加以特别考虑，以利削挖作业之进行；EL+5.2EL-7主要为砂岩及泥岩，为一不透水层，S.P.T N值很高，应不会产生失水及土层崩塌情况。EL-7至预定削挖深度EL-16之间，为正常情形，应不会产生失水及局部滑落也不会造成沉泥现象。1.2.2施工机具依据钻探资料得知，桥塔下地质大多属卵砾石层，并且卵砾石最大粒径应小于50公分，且无岩层存在。本桥塔基础最大开挖深度为44公尺，壁体厚度为120公分，考虑结构形式及地质条件，施工机具采用MHL（MASAGO HYDRAULIC LONG ARM BUCKET）油压式长臂削掘机，为日本真砂株式会社制造，此类型之机具为目前构筑地下连续壁最常使用之削掘机具。其系以履带式桁架吊车挂载M.H.L.削掘机进行挖掘作业。上下之动作系由电力驱动之缆绳控制，另有油压驱动之调整板藉以修正其水平及垂直方向之偏差，精度可达1/200以上。削掘机前端为一具以油压控制之蛤式抓斗，利用强力油压系统控制操作其抓斗开合，挖掘取土。本工程所采用之抓斗有效开挖长度为260公分。1.2.3导沟构筑桥塔塔址下20至25公尺多为卵砾石夹细砂，地表下23公尺范围内为极疏松砂土层，透水性佳且易于崩塌，若依据原设计导沟施作深度1.6公尺，则须进行大开挖以降低原地面高程，但若进行大开挖将产生积水问题造成施工困难，考虑上述种种因素，现场乃决定将原设计1.6公尺深之导沟加深至3.3公尺。导沟开挖之初，首先清除地上障碍物，将地表整平，清查地下障碍物并迁移之。依据测量数据进行放样，为导沟构筑之第一项工作，定出连续壁之中央位置并检查结构图之尺寸是否与相关结构物相配合。放样完成后，各角点应固定保护，并引点至邻近建筑物及其它固定位置处，以供后续工程之利用。然后依据放样标示位置进行导沟开挖、组模、扎筋、浇置混凝土、拆模及回撑等工作，在进行导沟混凝土浇置之时，亦同时于地表浇置混凝土铺面，以便于施工机具之行走及施作。导沟的良好与否影响将来连续壁的垂直度，构筑之初须小心确定中心线位置。开挖应注意土沟两侧之修齐及底部之整平，减少材料之损耗。导沟开挖宽度为连续壁之设计厚度及两旁各加2.5公分的空间，模板之组立务求平直。灌注混凝土时须注意两侧同时实施，且最好分两层浇置，以防模板移动及变形，铺面及吊车道亦应一并浇置，以减少施工接缝。拆模后注意养护，并用适当之材料上下间隔交错回撑之，以免沟壁变形。地下连续壁施工过程中于转角、叉角处最易发生坍落，为避免因角隅坍落造成施工困难，导沟交角与转角处；壁体内、外两侧各50公分范围内施设高压喷射成型桩。高压灌浆成型桩起于EL+25.5，约位于导沟底上方50公分处，止于EL+15.5，桩长约10公尺，此为较可能崩塌之深度。因高压喷射成型桩之直径、强度、灌浆压力、灌浆配比、钻杆提升速度皆与地质条件息息相关，因此于施作前，先于导沟外侧施作两支3公尺长之试灌桩，完成后挖出检视，其桩径约65公分，取样七天平均强度为6-11 kg/cm2，其强度经分析可满足施工要求。因考虑地下连续壁施工时阳角较阴角易于崩塌，故规划高压喷射成型桩位置时，主要设置于阳角处，T型及L型转角处各灌注3支，十字型转角则灌注5支（图五）。1.2.4单元规划及施工地下连续壁施工一般都依据开挖机具及施工条件将连续壁划分单元施工，单元为连续壁施工中基本施工单位，依其尺寸及形状，一单元通常须经数次挖掘，一次挖掘称为一刀，每一单元自开挖始至混凝土浇置完成止均应连续施工，不得中断，故单元开挖前需确认所有相关作业是否已能配合，尤其是钢筋笼制作完成时间及混凝土浇置时间。单元开挖之时间与开挖深度、开挖刀数及地质条件均息息相关。本连续壁基础开挖深度自地面起算约44公尺，其中由于有一约20公尺之卵砾石质砂层，因此开挖速度较慢，每一刀开挖时数约达8-12小时，依开挖刀数可估计每一开挖单元完成时间，然后进行钢筋笼吊放。本工程连续壁除口字型的外围侧壁外，中间尚有三道隔墙，具有许多角隅及叉角，因单元的接头部分较容易形成弱面，故一般于规划分割单元时均不将接头设于角隅及叉角处，使角隅及叉角处能成一完整单元。本工程连续壁单元分割配合平面形状，主要规划分割为L型、T型及十字型为主，较一般工程的地下连续壁单元分割复杂，其单元分割及施工顺序（图六）。由于结构平面复杂，其施工顺序必须妥为规划，避免有些单元因开挖过久未浇置混凝土而致崩塌之情况发生。以下将各单元依其形式分类及施工顺序详述其施工刀法：1、 直线型单元，两侧均为母接头本类型单元计有1、2、6、7、9、10，单元长度共分3公尺及3.4公尺两种，以三刀施工，其中除第2单元须配合单元5下刀外，其余各单元开挖时先开挖两侧母接头，抓斗中心由端板外侧50公分处下第一刀，端板外侧开挖长度为180公分，内侧80公分，第一、二刀将两头母单元开挖完成后，中央剩余140公分及180公分土心，以第三刀挖除。单元2因须配合单元5的开挖，其刀法顺序如前所述，惟其第二刀及第三刀须交错开挖。本群单元三刀开挖长度总计分别为6.6及7公尺。2、 L型单元，一公一母接头单元3属此一类型，规划以三刀开挖，第一刀抓斗沿导沟凹槽边缘下刀，第二刀须配合单元15开挖，在单元15开挖第一刀后，其与单元3第一刀之间的 75公分土心，以第二刀挖除，第三刀挖除垂直向公接头剩余的100公分土心。单元5也为一公一母L型单元，两向之长度略有差异，计开挖三刀，与单元2相接的公接头侧仅长2.8公尺，考虑土压平衡问题，第一刀沿导沟凹槽边缘下刀，且须配合单元2同时施作，其顺序较单元2之边刀更早，第二刀下于另向母接头端板外50公分，剩余之140公分土心则以第三刀挖除。单元17、18亦为L型公母单元，两向之长度略有差异，以三刀施工，首先第一刀沿导沟凹槽边缘开挖；第二刀考虑土压问题须配合相邻单元19及20的第一刀交错下下开挖施工；另一向公接头之土心仅余100公分及110公分，以第三刀挖除。3、 T型单元，双公一母接头单元4属此类型，计开挖三刀，第一刀抓斗中心于母接头端板外侧50公分处下刀；第二刀挖除T行基部220公分土心；垂直向尚剩余30公分土心，以第三刀挖除。4、 T型单元，三母接头单元11为T型单元，三头均为母接头，计以五刀开挖。第一、二刀落于T型底部两母接头端板外侧50公分处，以挖除两母接头；第三刀落于垂直向母接头端板外侧50公分处，以挖除该母接头；第四刀挖除T型底部两母接头间所剩余之土心；第五刀挖除垂直向所剩余30公分土心。5、 十字型单元，三公一母接头单元8为十字型单元，接头为三公一母，由于与第6、7单元相邻之公接头部分，已于单元6、7开挖时挖除；另与单元4相邻之公接头部分，亦已于单元4开挖时挖除了180公分，故本单元仅余公母接头间约550公分土体须挖除，规划以三刀施工。第一刀落于母单元端板外50公分处，如此约剩290公分土心，若考虑一刀挖除中央260公分土心，则两端各剩15公分土体，将极容易产生崩塌，且连同第一刀，总共将需四刀，并不经济，故以两刀交错施工，以第二、三刀交错挖除剩余之290公分土心。6、 十字型单元，四公接头单元单元12为四个公接头之十字型单元，经四头相邻单元开挖完成后，本单元仅余中心约210公分土心，故以一刀一次挖除。7、 T型单元，双母一公接头单元13、14属此类型，以四刀开挖施工。第一、二刀落于母接头端板外50公分处，挖除母接头部分；第三刀挖除母接头间剩余土心（90、180公分）；第四刀挖除垂直向剩余土心（90公分及80公分）。8、 T型单元，三公接头单元15为三个公接头之T型单元，开挖时须与第3单元配合下刀，规划以三刀开挖。第一刀距离单元3端板外165公分处下刀，此时左右将各剩余约75公分土心，其中与单元3相邻之土心已配合该单元开挖时挖除；第二刀挖除靠近单元13侧之剩余75公分土心；第三刀挖除垂直向剩余之80公分土心。单元16亦为三个公接头之T型单元，由于与单元5及单元14之公接头部份均已于各该单元施工时挖除了180公分，故T型底部仅余220土心，以第一刀挖除；第二刀挖除垂直向剩余之90公分土心。9、 直线型单元，两侧均为公接头单元19、20为直线两头公接头单元，以一刀开挖，由于相邻单元17及单元18的部分于开挖时会产生土压平衡问题，故其下刀时须配合各该单元的第二刀交错向下开挖。10、 地梁单元地梁单元为一单纯之270公分长矩形单元，因施工机具抓斗的有效施工宽度为260公分，一刀无法涵盖全部施工范围，若以两刀交错开挖，其下端将无法修齐，故以一刀开挖，两侧剩余土体以pipe冲洗，再以抓斗挖除底部沉泥。1.2.5稳定液选择及质量管理连续壁施工之质量除与施工技术息息相关外，其施工过程中开挖沟壁之稳定性亦为一重要之因素，而壁体稳定性又与稳定液的质量有极大关系。稳定液使用之目的，在利用稳定液之液压以抵抗施工挖掘过成中所发生之土压及水压，另稳定液经由沟槽壁面渗透到土层中附着于土壤粒子表面，而形成一层泥膜于壁面，可防止由于地下水之涌出而引起壁面崩塌，以达到稳定壁面的目的。一般而言，稳定液大多以皂土系（Bentonite）为主。本工程由于结构特殊且重要，基于施工质量及安全性的考虑，选用高分子聚合物材料-超泥浆第二代（Kwik-Vis）为开挖时之稳定液。超泥浆与水拌合后即产生膨胀作用，以提高水的粘滞度，可在开挖壁面形成一层富有韧性的胶合薄膜，达到稳定沟槽的效果。超泥浆稳定液本身带阴离子，而土壤亦系带阴离子之颗粒，两者之间互相排斥，因此于削掘过程中土壤泥砂不会产生水解作用形成泥浆，可加速土壤颗粒之沉淀，降低含砂量，保持稳定液之质量。同时超泥浆不会与混凝土中的钙离子作用产生劣化现象，可多次重复使用。使用完后可用管子将稳定液回收至储存设备中，待另一片连续壁单元施工时再行使用。每一片连续壁施工前，首先须检测稳定液酸碱值是否在811范围内，如果低于PH值8以下，则须加以调整；检测粘滞度是否达到3240vis马氏漏斗粘滞度（946cc/1500cc），如果不足，则必须添加超泥浆调整。每一单元施工完回收稳定液，重复使用前须再次检测其酸碱值及粘滞度，确定符合规定后方得使用。使用完成后可使用次氯酸钠（即家用漂白剂）将超泥浆分解处理，在24小时后将其完全变成中性，无污染周遭环境之虞后，予以适当弃置。本工程于实际施工时，经由长时间检测稳定液各项性质，发现其含砂量相当低，最大仅1%左右，在吊放钢筋笼前量测其沉泥厚度亦不严重，经由超音波检视其两侧开挖壁面亦相当平顺，并无坍塌情形发生，可见超泥浆与砂层已产生相当优良之胶结。单元开挖时除需随时注意稳定液之补充外，同时亦须注意稳定液之损耗情况以确定是否有逸水之情况发生。本工程因地下水位于地表下5公尺以下，导沟内液面维持在铺面下10-30公分，壁面所承受之净水压力有助于开挖壁体之稳定，但因地质透水性佳，水头较高将使稳定液有加速流失之可能，施工过程中使用适当堵漏剂防止逸水，使用之胖大海系高压干燥之原木纤维，遇水即会膨胀松散，使用时用铲子将其削成小片置于导沟旁，先用水将其冲软，若遇大量逸水时将胖大海铲入导沟，胖大海纤维将会流向逸水处将地层之孔隙阻塞，发挥防止逸水之功能。1.2.6钢筋笼加工及组立地下连续壁之钢筋笼之组立系先于钢筋加工场预组，然后再利用适当吊送机具，吊放于壁体中，再浇置混凝土。故钢筋作业场之设置应考虑材料进场、下料之方便；钢筋加工取料之便利；施工动线是否流畅；吊车起吊点是否方便；行进至下放钢筋笼地点是否太远等因素。一般连续壁绝大部分为直线单元，仅角隅处为L型单元，故钢筋笼加工平台以H型钢于地表架设即可（平面加工台）。本工程由于平面形状较复杂，故除直线单元与L型单元外，尚有许多T型及十字型单元。直线、L型与T型单元钢筋笼均可于平面加工台上加工，但十字型钢筋笼必须于一特制高台上加工，本工程于现场施作一高约2.8公尺之平台供钢筋笼之突出角放置及加工之用。本工程钢筋笼全长计38公尺，分为上下两截组立，搭接长度为1.4公尺，上截钢筋笼长度为19.4公尺，下截钢筋笼长度为20公尺。钢筋笼组立时，先立端板，使之平直后再逐一焊接，端板与端板之间应以满焊确实执行，并以两根#5以上钢筋补强之，钢筋笼方能平直。主筋与副筋采跳点焊接，焊接时须控制电流与电弧长以避免钢筋产生熔蚀现象，上下层钢筋须以支撑钢筋加以固定，其中斜撑补强筋组立之位置应特别注意维持在一直在线，并将特密管位置预留妥当，以避免造成特密管不易安装。母单元接头部分突出钢筋应力求平直，以免影响公单元之下放。母单元接头处为避免混凝土浇置时由端板两侧溢出造成漏浆，须于端板两侧安装帆布，施工时接头应确实锁紧，并须小心不可弄破帆布，以免漏浆。钢筋笼之制作应配合开挖速度，并适当超前，绝不可有开挖完成后等待钢筋笼之现象。本工程因连续壁顶较导沟面深约6公尺，为利于连续壁底灌浆管与完整性试验管之安装，端钣及部分主筋须延伸至导沟下约30公分处。钢筋笼组立完成后，再依施工图位置安装壁底灌浆管与完整性试验管。本工程连续壁单元分割形状相当复杂，因此钢筋笼吊放控制相对较不容易，考虑各单元分割之形状及钢筋笼重量，采用100吨履带式吊车，并以八点吊法吊放钢筋笼，以确保两侧起吊高度相同。所谓八点吊法是以吊车之主吊钢缆吊起3.5公尺长之H350型钢，采用型钢乃为避免钢筋笼因起吊受挤压变形。型钢下固定有两个蹄形吊具，每一吊具下接一钢缆，钢缆一端以吊具固定于钢筋笼顶部上层，另一端固定于钢筋笼顶部下层，由于两钢缆为等长，因此可使钢筋笼两端起吊高度相同。吊车之副吊型钢下接两滑轮，滑轮下各连接一钢缆，钢缆一端固定于钢筋笼上层，一端固定于下层，两滑轮下之钢缆等长，但较主钢缆长，且其两端并不固定于钢筋笼之同一断面上。钢筋笼吊起时，主吊与副吊同时作用，至钢筋笼吊起约成45度时，放松副吊钢缆，完全由主吊施力。因主吊于钢筋笼上有四个吊点，副吊亦有四个吊点，故称八点吊法。1.2.7水中混凝土浇置及壁底灌浆钢筋笼吊至定位后，再检测稳定液性质一次，即可安装特密管浇置水中混凝土。10吋特密管浇置水中混凝土之有效挤压半径以11.5公尺计，须依此原则将特密管位置作适当规划（图七），对于非直线单元，每一转角及交角处，均应配置一特密管。浇置期间每车完成后利用水尺量测并记录混凝土深度，为确保特密管于浇置期间经常保持埋置于混凝土中至少1.5公尺，必须同时记录特密管深度。本工程采用10吋特密管浇置混凝土其长度每支长3公尺，并有1公尺及2公尺长管数支搭配，特密管续接时，接头处须垫防水胶圈以确保特密管之水密性，另浇置时各管应同时平均浇置，不可集中于某一两支特定之特密管，以免造成混凝土高差过大，使得高处混凝土将低处含沉泥之劣质混凝土面覆盖，产生包泥现象。母单元浇置时速度应稍慢，约3040m3/hr（公单元浇置速度约7080m3/hr），以防止漏浆。施工前并应于端板外填碎石23公尺，以抵抗浇置时混凝土产生之侧压力，及两侧之混凝土不等高可能产生的侧移。对于公母单元，因公接头处相邻单元已施工完成，故浇置混凝土时有向母接头倾斜的趋势，于施工中须随混凝土浇置回填碎石，碎石回填高度须较混凝土面高约2公尺，直至碎石高度达连续壁高度1/3为止。施工过程中如发生漏浆，应即于端板外侧回填碎石至漏浆位置，以阻止漏浆继续发生，并于混凝土浇置完成后且达相当强度时，利用适当机具于端板外侧混凝土堆积之处钻孔并利用pipe清洗漏浆，宜把握清洗的适当时机，若时间过久，混凝土强度已太强，将不易清除，通常约于混凝土浇置后隔日上午处理。斜张桥桥塔由于承受到极大之载重，对于连续壁壁底的处理必须确保完善，为恐地质承载条件与钻探资料不符，于转角、叉角及每隔三公尺范围内须预埋灌浆管（图八），于混凝土浇置2448小时施作高压水泥灌浆补强，其压力应达70bar，如灌浆量已超过200公升而仍未达所需压力时，应即停止灌浆，并以清水清洗灌浆管，等候1272小时后再行灌浆，其压力至少须达40bar，否则须重复上述步骤至少一次后方可停止灌浆。1.2.8完整性试验超音波完整性试验主要系利用超音波在一均质材料中传递速率为一定值之原理来检视材料是否有瑕疵或差异。一般对于浇置完整之均质混凝土，其超音波传递速率约为4000200公尺/秒，若因浇置不良而造成混凝土粒料分离或出现蜂窝时，其超音波传递速率将会降低。依据超音波检测之传递时间剖面图，可将检视结果区分为优良、轻微缺陷、次要缺陷与严重缺陷等四个等级，前两者为可接受单元，后两者为不可接受单元，如属后两者则应提出补救计划。超音波完整性检验以叉角、转角及平接处为原则，并每隔1.5公尺预埋二支管作超音波检测用（详图七-预埋管配置图）。超音波测量设备包括发射器与接收器、音波函数生成器与示波器及纪录器等三部分。于连续壁单元施工完成后，将音波发射器与接收器放入预埋管中，沉至管底，然后将两者同时缓缓拉起，于拉起的同时，利用示波器之波形存取功能，将各个深度所接收的波形储存于磁盘驱动器内，使用超音波完整性试验测试程序，读取波形，并计算超音波在各个深度的传递时间及接收波能量，以绘出各个深度混凝土中音波传递时间与深度的关系曲线，同时计算其传递速度，根据曲线变化分析混凝土质量良窳。依据超音波完整性试验量测数据分析，本工程除了测管弯曲造成讯号渐变及少许因钢筋造成之噪声外，其余显示讯号均属可接受单元，质量优良。1.3桥塔施工斜张桥桥塔造型为A型混凝土构造，其上端有一约70公尺之直柱以锚碇钢缆，并于两股斜撑柱间设计一空心横向预力梁（简称横梁），相连接形成一A型桥塔，塔高自基础面起算为183.5公尺，两支倾斜塔柱为空心混凝土柱，倾斜角度约为72.6度，外围尺寸由底部之8.38公尺9公尺往上渐变，于高度约110公尺处相交;直杆为混凝土实心断面，高约70公尺，顶部尺寸为5公尺6公尺，因直杆必须作为斜张钢缆锚碇端，故有字形补强钢钣，钢钣后方焊有许多剪力钉及连接铁件，以使钢构与混凝土紧密结合。本工程桥塔采用爬升模(Climbing Formwork)施工，为便于模板施工，将桥塔分为42升层及顶层灯室。除横梁处及塔柱闭合处等少数特殊升层略为调整外，每升层之垂直高度为4.2公尺。桥塔为整座斜张桥最重要之承重结构体，未来通车后必须经常进行检修，以维使用之安全，为便于使用期间之检修，于北侧桥塔内部设置有一部电梯，其行程起自桥面上达桥塔闭合处，除此之外，桥塔其它部位均设爬梯。施工期间于桥塔两侧外部设有施工用升降机两部，并随桥塔施筑而往上爬升，作为运送施工人员、机具及材料使用。塔顶设有5公尺高之灯室，由其内部向外水平射出光束，以加强本桥之地标效果。另外本工程考虑夜间之景观，辫理变更设计增加景观照明，将于桥面增加光源，照亮桥塔、钢缆及上部结构箱型梁，本桥桥塔甚高，且附近无遮避物，于夜间将其照亮，将有极佳之视觉效果。有关桥塔施工部分将分为模板作业、钢筋组立作业及混凝土浇置作业等详加说明。另外，对于本桥塔施工过程中较特殊之横梁施筑作业、预顶作业、拱度控制、施工线性控制及监测作业亦作一原则性之叙述。1.3.1模板作业由于桥塔高度甚高，其施工属高空作业，考虑施工条件，并为减少组拆模板时程，缩短作业时间及增加施工之安全性，本工程特别就桥塔之施工采用爬升模板(Climbing Formwork)，并选用木模，经承商评选采用有多座知名斜张桥及吊桥施工经验之德国PERI公司制造之自动爬升模板系统，其面板为涂布酚树脂之合板（Plywood）。爬升模板系统包含用以操作模板爬升之油压动力系统、含结构模板及工作平台之模板系统、及固定模板和工作平台之锚碇系统等三部份。当每一升层之钢筋绑扎完成并经检验合格，将固定于前一升层之爬升模板外移完成脱模作业后，即可进行模板爬升作业。模板爬升分为外模爬升及内模爬升两部分，其中外模爬升(含工作平台及支撑)系利用本身之油压动力系统来进行，属于全自动爬升模，内模(亦含工作平台及支撑)之上移则须利用塔式吊车吊升，故属于半自动爬升模。桥塔之断面为八角型，模板制作时即将外模分为四片，爬升时四片各自独立爬升。每片之爬升作业，首先进行轨道爬升，此项作业系先松开轨道与固定架之固定螺丝，使轨道可自由移动，再利用爬升模本身之油压系统及千斤顶将轨道往上拉，并固定于已完成混凝土浇置的上面升层之固定架（事先利用预埋螺栓方式固定于混凝土壁体）。其次进行主体模板（含工作平台）之爬升，此项作业也是使用同一油压系统及千斤顶，并利用轨道上之突出物作为千斤顶之反作用力点将模板往上顶，如此完成模板之爬升作业（图九），当四面模板均爬升至定位，最后再将模板内移完成组模作业。1.3.2钢筋组立当前一个桥塔升层施筑完成后，即可进行次一升层之钢筋组立作业。依设计图桥塔垂直向主筋采36mm竹节钢筋，间距10公分，且因断面外径尺寸往上渐缩，故随着升层上升，钢筋支数往上递减。因考虑钢筋量多，间距小，且呈倾斜状，不易固定，故主筋之连续全都采用续接器而不采用传统之搭接方式，以保持足够之钢筋间距，增加工易性，提高混凝土之浇置品质。因桥塔主筋系采用续接器续接，故钢筋车牙为钢筋加工之主要作业，其作业质量良窳影响材料检验与现场扭力试验成果。另外，考虑于高空进行钢筋组立作业时受风力影响极大，固定不易，故每支主筋配合桥塔升层高度均裁切为4.2公尺并车牙，而不采用定尺钢筋（一般约12公尺），以配合每升层之组筋续接作业。由于桥塔之高度极高，故钢筋之运搬系采用塔式吊车，为便于钢筋续接作业及安全考虑，设置一钢筋吊架，吊架上绑约10条绳索，每条绳索上可绑一支钢筋，此钢筋下端已车牙，上端不但车牙且已预先锁上续接器，当吊至施工升层位置时即可进行锁固续接作业。塔柱斜脚部份因主筋为倾斜，故钢筋续接时必须一人站于较高处将钢筋扶持使之倾斜，另一人于钢筋底部锁续接器，且须错开续接。续接作业程序先由施工人员以链条式扳手锁紧，并以扭力扳手检测合格后，再由监造单位以扭力扳手抽测，以确认施工质量。续接器之扭力值，依型录36mm扭力需达343N-m，即所有扭力检测均以此为准。主筋续接且经检验合格后，先以一上一下二根大号水平向钢筋将整排主筋依设计间距焊接固定，其余之横筋即可轻易固定。有关箍筋施工方面，为使主筋与工作筋之固定及箍筋之搭接接合处稳固，乃采用焊接接合，故19mm以上钢筋采A706低含碳量之钢筋，以符合焊接需求，并不致造成钢筋强度降低。1.3.3桥塔混凝土浇置桥塔之混凝土浇置作业随着施工高度变化，采用不同之混凝土浇置机具设备，在横梁以下桥塔部分因高度较低，使用移动式混凝土泵送车，而横梁以上因受混凝土泵送车之臂长与输送力量限制，避免高扬程的泵送造成骨材分离及泵送困难，而采用高空吊桶方式浇置，利用塔式吊车吊送吊桶(每只3m3）于地面及浇置位置之间，以浇置混凝土。因塔脚具倾斜角度，且钢筋密置及间距狭小，其倾斜面外侧不易灌满混凝土及震实，故于浇置前先置放6英吋之PVC管8支，并将混凝土浇置于PVC管上之漏斗内，利用该等PVC管将混凝土直接送至深层，并随着浇置高度上升，提升PVC管之高度，直到浇置至升层高度之2/3，即可将PVC管去除。另外，因塔脚倾斜且钢筋排列繁密，为求震动作业完整，使振动棒可确实而顺利进入倾斜塔脚底部，特别置放可移动式之槽钢，震动棒再沿着倾斜之槽钢滑至欲震动位置。改用吊桶浇置后，因吊桶附有可卷起之软管，可倾斜放至任意位置，故不再使用PVC管。且改用吊桶后，浇置速率较慢，故工人有较多之时间进行震动作业，故震动用之槽钢亦省略了。桥塔横梁为一空心预力梁，系作为将上部结构之载重传递至桥塔及基础之结构构件，其断面尺寸为4公尺5公尺，上方有三个盘式支承垫，作为上部结构箱形梁之支撑。此外，横梁并设计有127T-12.7之预力钢腱30束。横梁距地表高度为38公尺，其施工方式系采就地支撑方式施工，于横梁下方设置重型支撑架作为组立横梁模板及钢筋之工作架。由于横梁系与桥塔第11升层共构，非属标准断面，故必须拆卸爬升模板另行组模施筑。于完成第10升层后，拆除桥塔内侧面外模以便安装第一支临时侧向支撑，同时吊移内模，爬升桥塔外侧面外模至第11升层位置，同时架设横梁重型支撑钢架并组立横梁底模，浇置横梁底版。于横梁底版上组立侧模及横梁顶版模板，然后与第11升层共构施工。俟塔柱第13升层完成后，于横梁外侧架设工作平台以施拉预力。桥塔横梁设计有三十束预力钢键，每束计有二十七支钢绞线，其预力之施拉作业系分为两阶段进行，当横梁上方之桥塔第12升层施筑完成后先施拉60%预力，当斜张桥侧跨径预力箱梁完成座落于横梁后，再施拉剩余之40%预力。1.3.4预顶作业A形桥塔由于两塔柱呈倾斜状，其本身之自重及桥面载重将使桥塔柱向内倾，一方面为消除内倾之变形；另一方面为消除横梁之干缩及潜变，于桥塔施工过程中特别于高程65.1公尺、105.2公尺及131.9公尺等三处设置临时侧向支撑，施以预力撑开两斜柱向内之倾力，以达校正结构物变形之目的。经规划三次预顶位置之预顶力量分别为7000KN、3100KN及5OOKN。第一次顶开系于横梁浇置混凝土前进行，预计在7000KN之顶力下其两侧约各顶开34，实际量测结果为，北侧顶开32mm；南侧顶开31。第二次顶开系于塔柱第21升层完成并将模板爬升至第22升层后进行，预计在3100KN之顶力下，其两侧将各被顶开约23.6mm，实际量测结果，两侧各顶开约23.5。第三次顶开系于桥塔闭合节块浇置混凝土前进行，预计在5OOKN之顶力下，其两侧将各顶开约19，实际量测结果，顶开距离约各17。由以上之预顶结果显示计算值与实际之预顶结果相差极微，显示设计分析时采用之参数与实际状况相近。1.3.5施工线性控制高屏溪斜张桥为一高度超静定之特殊结构物，由于系统复杂且施工方式又有相当大变异性，因此施工过程中的质量掌控益形重要，尤其是如何确保于施工期间和通车阶段各项桥体线形、结构内应力及钢缆拉力皆能符合设计要求，为施工过程中的最大挑战。由于施工条件及各种环境中的可变因素，将使理论分析与实际施工成果会有一定差异存在，为确保桥体各部结构符合规范要求，于施工过程中必须严密监控施工成果，并不断比对计算值与测量值的差异性，随时校正之。斜张桥桥塔之监控作业，大体分为线性监控、内应力监控及环境因素监控等三部份，监控所获之数据回馈原设计值，经比对后，除可印证原设计之正确性外，亦可作为后续施工之参考，故线性控制作业实为斜张桥塔施工中重要之一环。由于高屏溪斜张桥之地理位置特殊，起点A1桥台座落于台21线公路旁之几乎垂直的半山腰上，桥面与地面高差达45公尺，桥塔塔顶离地面约180公尺，P2桥墩位于高屏溪主流之对岸，与桥塔相距330公尺，因此，为解决山区、平地及渡河间对主桥塔之控制作业，必须由以下三方面加以考虑：1.监测站位置之选择；2.监控作业所需之精度控制；3.监控测量仪器之选定及相关因素之改正。1. 监测站位置之选择控制点选定前，首先勘察地形，在通视良好、三角点布设图形强、不易受施工影响破坏之地点共埋桩15处。以三边三角网测量模式加以施测，以期增加边角之多余观测数量。施测过程中各相关点位之测角测距数据，均须满足三等测量规范之要求，其间均加以温度、气压等环境因素改正，并施以三角高程测量，作为内业分差计算之参数值。平差过程中，必须将大地投影尺度比、化归平均海水面之归化值亦加入分差计算模式中。平差后所获之结果，各点间之误差椭圆均在2.7公厘范围内，其精度可满足后续斜张桥塔之监控作业所需。由于斜张桥桥塔身兼混凝土箱型梁及钢梁之衔接重任，施工过程中，为考虑工进之需要，三部分之主结构物必须同时施工，致使高程控制作业之先期作业，必须严谨且正确。首先将斜张桥单元分为三段施测，计分台21线公路旁至山区、公路平面区、高屏溪渡河等三测量区。施测期间，采往返直接水平作业模式，以比对相互间之数据，其中两次数据之误差值必须小于8mmK( K为公里数)，各前后视之间距须小于50公尺，于山区路段则加以大地折光差改正及大地曲度比改正。各段水平测量作业结束及平差后，于各段内选取点位施以三角高程测量，加以比对各段平差结果，比值均在2.5公厘范围内， 其精度可满足后续斜张桥塔之高程衔接作业所需。2. 监控作业所需之精度控制斜张桥桥塔高183.5公尺，A型塔自基础至塔柱闭合处之高程差约110公尺，塔顶钢结构（预埋于塔顶直柱部分内）与混凝土之共构部分长约55公尺，以控制桥塔之线形作业而言，公路平面区之开展面不足100公尺之情况下，必须将控制站分段移位至山区及渡河区，且桥塔之监控作业亦须分为三部分实施 ;又为顾及各升层之施工方便及桥塔线性之正确性，控制作业采用大部模版整置及细部模版整置两阶段进行监控作业。于横梁以下的部分监控时，首先施以大部模版整置，于升层模版处，使用精密水平仪量测预先固着于桥塔旁之卷尺高程，以计算升层面之实际纵剖面，再加入预先计算之预拱值，以求得各模角之实际位置。依据求值于塔脚底部放样模角支距线三条，使用日本制TOPCON （序号DT-110L）数字雷射经纬仪(50公尺内有效雷射光点为5mm) 架设于支距在线，使用直角目视器将光点上引至各模角横向延伸杆上，藉以调整模版尺寸。当大部调整完成后，由主控站架设WILD T2经纬仪及DI-2002精密测距仪或TOPCON 500全测站电子测距经纬仪，实施三角高程测量及支距法，作为细部模版整置之依据，至误差容许范围内。横梁以上的部分监控时，由于桥塔直立部分为混凝土及斜张钢缆钢垫钣实心共构结构，其高度离地已超过100公尺，使用雷射经纬仪产生之误差量过大且受混凝土箱型梁之遮蔽，故于第一片钢垫钣之底部，先行设立相对控制站，并将雷射经纬仪移至此处，监控钢垫板接合焊接作业，再依据各钢钣角点调整混凝土模板之相对尺寸，以取代横梁下部监控时之大部调整作业，细部调整则依循下部监控时之模式继续施行。为监控斜张桥于施工期间之变位行为，于横梁以下部分每5个升层，桥墩混凝土面上左、右侧各设置测量反光贴纸一枚(精度为3mm4ppm)，横梁以上部分每4个升层设置一枚，钢垫钣则每片设置一枚，至目前为止共设置测量反光贴纸共26枚，于各重要之施工行为及定期监测作业时，实施全面之监测作业，并将其结果与相关之监测结果结合判读，以为后续施工之重要参考。3. 监控测量仪器之选定及相关因素之改正为求斜张桥桥塔监控作业之精度与质量，致使获取之数据足以供持续施工作业之判读，所采用之测量仪器计有WILD T2精密经纬仪及 DI-2002精密测距仪、NA-2002电子水平仪、日本TOPCON 500全测站电子测距仪、TOPCON DT-110L雷射经纬仪、TOPCON AT-G6精密水平仪等，由于厂牌及精度之不同，于使用前必须先行于基线场加以比对，求得相互间之误差量于误差容许范围内，并每3个月定期校正一次，以期使用中之仪器均能保持正常状态。监控作业前应先考虑数据采集时各影响监测数据搜集之相关因素，先行控制及改善，下表为监控作业前，各项已发生或未发生之影响因素及改善前后之误差量比较表，可供后续施工之参考。项 次未改正前(mm)改正后（mm)控制点平差后之残差0 2.70 2.7使用仪器之精度(a).使用反射菱镜(b).使用反光纸4.4(5.4)4.4(5.4)投影坐标系之变形量27.71温度及气压之影响0 11.61人员施测之质量0 100 5误差总量:32.1 56.4(33.157.4)6.4 14.1(7.4 15.1)1.3.6监测作业本工程为第二高速公路跨越高屏溪之重要桥梁，不单其功能无可替代，且由于结构的特殊，斜张桥受力后之行为亦异于一般性的桥梁，为确保桥梁完工通车后之安全，将设立一套完整之监测维修系统，计划中将包含监测预警系统之建立，于施工期间预埋各项监测仪器以构建预警系统，提供桥梁在风力、地震力、车辆活载重及温度变化等因素作用下，桥塔、斜张钢缆及桥面版等之受力及变形数据，再经由监测系统之判读程序加以辨识。监测计划中于桥塔各重要部位设置有钢筋计、混凝土应变计、变位计、倾斜仪、地震仪、风速风向计等种类之监测仪器。施工中对已安装之仪器监测作业均采用人工定期量测，属于静态之监测。于桥梁主体结构完成后，通车前，须进行载重试验，检核桥梁静力与动力特性，建立桥梁之基本数据库，以作为将来监测维护之参考数据。本工程监测仪器之购置及装设系由承商负责，监测计划之执行及监测资料之分析则由财团法人成大研究发展基金会负责。1.4斜张桥施工控制高屏溪斜张桥设计时考虑其功能性，并配合现地环境景观，采用高桥墩、长跨径且结构配置多样化之形式，同时为提高施工质量及缩短施工时程，同时采用系统化施工方法及施工机具，但亦因此而提高施工控制之困难度。桥梁施工控制之重点在于线形及内应力，然内应力及线形变化受设计基本参数、施工条件、施工方法与机具所左右，如何确认各项影响因素以确保桥梁完工后能符合设计线形及结构内应力等需求为桥梁施工控制成功与否之关键。斜张桥之结构系统相当特殊且多样化，施工方法又具有相当大之变异性，因此施工质量掌控相当不易，如何确保施工期间及通车阶段桥体线形、内应力及斜张钢缆拉力皆能符合设计原意，为施工过程中的一大挑战。一般而言，线形及内应力的误差来源主要有三项，第一为结构分析时分析模式不够精确或是构件重量及劲度模拟误差；第二是构件制造精度不够，包含桥塔之垂直度、主梁之拱度及斜张钢缆之长度；第三为构件架设或组立所造成之误差。施工误差的讯息来自于施工过程当中不断的监测，并将监测值与理论分析值比对，以得知其间之差异性，因各项可变因素甚多，故实测值与理论值绝难相同，施工过程中必须不断探讨误差之原因并修正之。就长大跨径之斜张桥而言，误差之修正方式主要有斜张钢缆拉力的调整、构件几何形状调整或两者兼施。由于误差发生原因并不容易识别，不当的调整不仅于事无补，甚至可能产生负效应，故斜张桥施工控制理念主要在于综合考虑误差之来源及影响，并于线形及内应力误差容许范围内利用适当之修正方式使桥梁完工状态呈现最佳状况。误差修正方式与斜张桥结构型式及施工方法息息相关，一般而言，构件几何形状调整方法较适用于修正预铸构件于制造或组立时所产生之误差，其修正方式在于经由比对量测值及计算值之差异量，通过下一个或多个构件接缝转角进行调整。由于误差来源相当复杂且识别不易，此一调整方法又有时效性，故较少被采用。较普遍修正方式为斜张钢缆拉力调整法，然由于斜张桥为一高度超静定结构，钢缆拉力之调整不仅影响桥梁线形，亦造成其它钢缆拉力重分配，如何决定适当调整量及调整时机为拉力调整作业之重点。本工程由于桥体结构系统非常特殊，施工期间之拱度变化相当难控制，为确保桥梁完成时之线形及内应力能满足设计之需求，施工初期即依据施工机具、 施工程序及现场条件，进行完整之施工阶段结构分析以预测线形及内应力变化情形，并建立一套完整之应力及拱度监测系统以期掌握施工误差发展之趋势，对于误差之判读及修正则以参数识别法作为施工控制之主要依据。一般斜张桥结构分析方法可分为倒算法及正算法，倒算法是由桥梁完成状态进行拆解计算，依施工步骤相反顺序，逐步拆解计算每一施工阶段之控制参数；正算法则采用与施工步骤相同顺序，依据设计理念选择部分设计参数作为未知数，依序计算各施工阶段控制参数初始值，再经由预设之边界条件以迭代方式求解未知数方程式，并迭代控制参数至收敛为止，即可求得各施工阶段之控制参数。一般而言，两种方法皆适用于斜张桥解析计算，惟大跨径混凝土斜张桥较常采用正算法，因混凝土之干缩与潜变行为在时间上只能顺序，而倒算法在时间上是逆序。如要采倒算法并同时考虑混凝土干缩潜变行为，则须先经由正算法计算干缩潜变初始值，再将该值代入倒算法计算过程中反复迭代以求得施工阶段各项控制参数。本桥主体结构为一预力混凝土与钢构之混合式结构物，由于其施工接口繁多，且施工顺序相当复杂，加上混凝土干缩潜变量对本桥影响极大，故采正算法拆解各施工阶段之控制参数。为掌控斜张桥于施工期间之线形及应力变化，一套完整且实用之监测系统是必备工具，监测系统内容须包含监测项目、监测时机、监测方法及监测点配置，监测系统配置细节与桥梁结构系统及其施工方法有紧密的关系。本斜张桥之监测项目包含线形、应力及温度等三项。桥塔之线形监测已如上节所述。应力监测乃配合监测计划一并执行，桥塔于连接地梁、塔脚基部、塔柱于横梁上缘处及两塔柱闭合之渐变段顶端附近配置有钢筋计及混凝土应变计；预力混凝土箱型梁共取14个断面配置36片钢筋计及36片混凝土应变计；箱型钢梁则取5个断面配置80片钢梁应变计；对于斜张钢缆拉力监测，主要是利用微振法判读拉力大小，除此之外，亦于桥塔前后两侧对称各选取5根斜张钢缆安装锚碇处应变计，每处包含8片应变计；预力混凝土箱型梁下方临时支撑架反力监测主要是利用安装于支撑架上端之应变计量测应力变化，每一座临时支撑架安装12片应变计，共分为三组分别黏贴于箱梁腹版下方之支撑梁上。温度监测为一配合工作，一般是与线形量测或应力量测一起进行，其量测项目包含环境温度、桥体温度及钢缆温度，环境温度以温度计量测；斜张钢缆温度主要是以设置于桥面版上之一段假置钢缆内部钢腱温度作为参考基准；桥体温度量测于桥塔部分共考虑三处，两处位于塔脚接近横梁上缘附近，一处位于塔柱渐变段顶端附近，预力混凝土箱型梁于第2、4、6、8、10、12及14等7个断面中央腹版上下缘量测温度，箱型钢梁于每一节块之中间断面顶底版处各量测三点温度。每一监测项目之量测时机配合桥体结构特性及施工流程可概分为三个阶段，第一阶段为桥塔施工期间，此一监测阶段主要对象是自重所造成之变形，在于确认桥塔混凝土重量对PERI爬升模与塔体所产生之变形及三次顶开作业对桥塔所造成之应力与应变影响，量测作业于每一桥塔节块混凝土浇置完成后及顶开作业前后进行。第二阶段监测作业主要是配合箱型钢梁节块吊装作业进行，其间之重要施工项目亦包含塔柱施工及斜张钢缆安装。第二阶段监测作业依其目的之不同可归为三组，第一组主要在于监测新增箱型钢梁节块对主梁所造成之影响，量测项目主要为钢梁之垂直变位、扭转变位及中心线偏差，量测时间为清晨，记录数据包含环境温度及结构体温度；第二组以监测斜张钢缆施拉初始拉力前后桥体线形变化状况，监测对象为主梁、桥塔及支承，前两者为三个方向之变位，后者为桥轴向位移量，于施拉初始拉力期间同时进行微振法基准点校正，各项量测工作之进行仍以清晨为主，量测数据亦包含环境温度与结构体温度；第三组量测工作主要在于确认温度变化对于斜张桥线形及应力之影响，对于主梁、桥塔及支承之变位量测自早上六点开始至晚上九点结束，每三小时量测乙次，对于已安装完成之斜张钢缆及临时支撑架则分别于早上九点及下午三点量测拉力及支撑反力。第三阶段监测时机设定于预力混凝土箱型梁临时支撑架拆除前后，由于支撑架拆除后将造成主梁与桥塔变形及斜张钢缆拉力重分配，其变化量受桥梁结构系统影响预测不易，因此拆除前须确认主梁与桥塔线形状况及斜张钢缆拉力与临时支撑反力分布情形，并确认变化量与温度之关系，量测工作预计于清晨六点开始至晚上九点结束，每三小时量测乙次，量测作业进行时须确实清除桥面上所有额外机具以符合结构分析时所拟定之施工假设条件；支撑架拆除后，铺面系统铺设前，须重复进行前述测量作业以提供斜张钢缆拉力调整所须相关数据。本工程之施工控制方式是以参数识别法为主，即于施工期间依监测作业规划进行主梁拱度、桥塔拱度及斜张钢缆拉力量测，经由比较实测值与理论值之差异性，识别设计基本参数之准确性，并依需要重新修订基本参数，更新结构分析结果与重新设定拱度及拉力之期望值，以达到拱度及钢缆拉力双控之目标。由于本桥箱型钢梁劲度较低，且施工方式为悬臂吊装工法，预期钢梁悬臂端于吊装期间之拱度变化量对于节块重量及斜张钢缆拉力相当灵敏且不易掌控，故于前置作业中亦对主梁劲度参数进行识别，其识别方式为劲度参数分析，即调整主梁劲度值10%后进行结构分析，经由分析结果可知，其主梁变位量约有5%之差异，经判读此一差异量应不致于影响主梁拱度。但若经由实测数据判断主梁拱度主要误差可能来自于劲度