摘要:隨著現(xiàn)代橋梁工程復雜性的不斷提升,如何在復雜地質與水文條件下高效實施橋梁結構施工已成為行業(yè)關注的重點。文章聚焦于大跨度連續(xù)剛構箱梁的施工技術控制及其在工程實踐中的應用,以G355線桂江大橋為實例,結合具體施工流程,詳細闡述了懸臂澆筑技術在主橋箱梁施工中的應用。通過采用掛籃分段工藝與線形控制措施,確保了結構施工的高精度要求;針對水中基坑與樁基施工環(huán)節(jié),提出了根據(jù)水文條件動態(tài)調整圍堰設計并優(yōu)化施工方案的策略;同時,通過向混凝土中摻加聚丙烯腈纖維和微硅粉以改善其性能,并輔以溫控措施,顯著提升了混凝土的抗裂與抗?jié)B性能。研究結果表明,上述技術措施在復雜環(huán)境下展現(xiàn)出良好的適用性與可靠性,不僅有效保障了施工質量,而且還滿足了大跨度橋梁的功能性需求。
關鍵詞:大跨徑橋梁;連續(xù)剛構箱梁;預應力;施工技術
中圖分類號:U445.57" " "文獻標識碼:A" " "文章編號:1674-0688(2024)11-0108-05
0 引言
橋梁工程作為現(xiàn)代交通基礎設施的重要組成部分,其施工技術的發(fā)展與交通運輸效率和經(jīng)濟發(fā)展水平緊密關聯(lián)。隨著我國橋梁建設規(guī)模的不斷擴大,大跨度橋梁的建設面臨著諸多挑戰(zhàn)。在大跨度橋梁施工過程中,復雜地質條件、特殊水文環(huán)境以及長壽命的設計需求對施工技術提出了更高要求。近年來,預應力混凝土橋梁的施工技術受到了學者們的廣泛關注與研究。方志成[1]通過大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋的案例,探討了懸臂澆筑施工的關鍵技術,詳細分析了懸臂施工過程中的托架結構設計、托架預壓、模板安裝、鋼筋綁扎安裝、混凝土澆筑及施工縫處理等關鍵環(huán)節(jié)。凌漢清[2]針對水中基坑圍堰施工中連續(xù)梁結構主墩基礎承臺結構尺寸較大的情況,提出了采用拉森鋼板樁圍堰的施工方法。高承明[3]對比了變截面連續(xù)箱梁施工中懸臂澆筑法與懸臂拼裝法的優(yōu)點和缺點,并指出選擇施工方法時需綜合考量地質條件、水文環(huán)境、施工場地條件、工期要求及成本預算等多方面因素。盡管上述研究為預應力混凝土橋梁的施工提供了寶貴經(jīng)驗,但是在復雜環(huán)境下,如何綜合運用懸臂澆筑技術、水中基坑圍堰搭建技術及大體積混凝土溫控技術等,仍需進一步深入探討。因此,本文以G355線桂江大橋工程為例,詳細分析了復雜環(huán)境下大跨徑現(xiàn)澆連續(xù)剛構箱梁施工的關鍵技術,包括懸臂澆筑施工、水中基坑圍堰的搭建、大體積混凝土的溫控措施,以及聚丙烯腈纖維在混凝土中的應用等。通過對該案例的研究,總結出可供類似工程借鑒的施工技術和管理經(jīng)驗。
1 工程案例
1.1 工程概況
G355線蒼梧梨埠至昭平馬江公路的K76+069.25段桂江大橋,坐落于廣西賀州市昭平馬江鎮(zhèn)信塘村內,橫跨桂江。橋梁起訖樁號為K75+710.25~K76+308.25,全橋總長598 m。橋梁上部結構由以下部分組成:6 m×30 m的預應力砼(后張法)先簡支后連續(xù)小箱梁,1個90 m+170 m+90 m的變截面預應力砼箱梁“T”形剛構,以及3 m×30 m的預應力砼(后張法)先簡支后連續(xù)小箱梁。橋梁寬度為12 m,與路線交角為90°。主橋上部結構采用三向預應力砼連續(xù)剛構設計,主墩為雙薄壁墩形式,基礎采用鉆孔灌注樁。橋梁設計基準期為100年,橋面總寬度為12 m,具體分配如下:0.5 m(防撞墻)+11 m(行車道)+0.5 m(防撞墻)。橋面設計有雙向1.5%的橫坡,雙向縱坡的最大坡度為3.5%,豎曲線半徑R=3 000 m,切線長T=105 m。
1.2 地質條件
根據(jù)野外地質調繪及鉆探結果,場地內地層主要由第四系沖積層及寒武系水口群上亞群中組(∈sh32)砂巖、灰?guī)r構成,具體地層順序如下:①Qal-1(黏土),承載力低,厚度小且分布不均勻,無法作為基礎持力層使用。②Q al -2(稍密狀粉土),雖然具有一定承載力,但是厚度變化大且分布不均勻,強度無法滿足擬建橋梁地基持力層的要求。③Q al -3(松散狀粉砂),同樣具有一定承載力,但厚度變化較大且分布不均勻,強度亦不達標,不宜作橋梁基礎持力層。④Q al -5(中密狀卵石),具有一定承載力,但厚度變化大且分布不均勻,不宜作為橋梁基礎持力層。⑤∈sh32(全風化泥質砂巖),承載力一般,厚度較厚但分布不均勻且不連續(xù),埋深較大,不利于橋臺基礎開挖,不宜作為橋梁基礎持力層。⑥∈sh32(強風化泥質砂巖),具有一定承載力,但厚度較厚,分布不均勻且不連續(xù),埋深大,同樣不利于橋臺基礎開挖。⑦∈sh32(中風化灰?guī)r),力學性質優(yōu)良,承載力高,是理想的樁基礎持力層。
1.3 水文地質
勘察區(qū)存在兩層地下水:第一層為賦存于第四系覆蓋層中的孔隙水,水量較豐富,主要接受大氣降水或地表水補給,水位隨季節(jié)變化而波動??辈炱陂g測得該層地下水水位高程為23.22~30.11 m。第二層為賦存于基巖裂隙中的水,同樣受地表徑流和孔隙水補給??辈炱陂g,該層地下水水位高程同樣為23.22~30.11 m。橋位區(qū)的地表水主要為桂江河流水,河流寬約375.00 m,水深為1.00~8.00 m。這些地表水主要來源于大氣降水及上游支流的補給,水量及流速均受季節(jié)影響顯著??辈炱陂g正值豐水季節(jié),因此水量相對較大。
2 主橋結構構造
2.1 主橋上部結構
主橋上部結構采用了變截面箱梁設計[3],該箱梁為單箱單室截面形式。箱梁的底板寬度為6.7 m,頂板寬度為12 m,翼板懸臂長度為2.65 m。箱梁頂面設計為平坡,而雙向1.5%的橫坡則是通過水泥混凝土鋪裝形成。箱梁的懸臂根部梁高達到10.4 m,高跨比為1/16.3;跨中梁高為4.0 m,高跨比為1/42.5。梁高的變化按1.8次拋物線的規(guī)律進行漸變。箱梁跨中的底板厚度為36 cm,根部底板厚度為140 cm,底板厚度的變化整體上也按照1.8次拋物線的規(guī)律進行漸變,并對部分號塊的底板局部進行了加厚處理。0號塊的挑臂頂板從1.0 m直線過渡至0.25 m,1號塊至21號塊以及合攏段的頂板厚度均為0.25 m,邊跨現(xiàn)澆段頂板從0.25 m直線過渡至1.0 m。箱梁的腹板厚度從根部至跨中分為90 cm、80 cm和60 cm 3種規(guī)格,腹板厚度的變化段長度恰好等于一個梁段的長度。箱梁的0#梁段受力復雜,其頂板厚度被設定為60 cm,腹板厚度為100 cm,底板厚度為140 cm,并且其細部尺寸也進行了適當?shù)募哟筇幚?。在主墩的每片薄壁墩頂上,箱梁均配置了兩道厚度?50 cm的橫隔板。邊跨梁端則采用了厚度為200 cm的端橫隔板設計。此外,主橋箱梁在兩邊跨的梁端還安裝了320型的伸縮裝置。
2.2 主橋下部結構構造
主橋的7號和8號主墩均設計為雙肢等截面矩形實心墩,平均墩高為23.5 m,兩肢之間的縱向凈距離為5.8 m。每個墩肢的縱向等厚度為1.5 m,橫向寬度為8.2 m,并設有半徑為0.75 m的圓倒角。7號墩采用的是擴大基礎設計;而8號墩則采用了分離式承臺,承臺下高度為4.0 m,基礎形式為鉆孔灌注樁,每個承臺下設置了3根直徑為2.5 m的樁基,樁底嵌入中風化灰?guī)r層中。6號和9號交界墩則設計為雙柱矩形墩,縱向寬度為2.3 m,橫向寬度為1.5 m。這些交界墩采用整體式承臺,并且也采用了鉆孔灌注樁基礎。承臺上設置了4根直徑為2.0 m的樁基,樁底同樣嵌入中風化灰?guī)r層中。
3 主橋施工技術要點
本項目在施工過程中,嚴格遵循了《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTG/T F50—2011)和《公路工程質量檢驗評定標準》(JTG F80/1—2004)中的相關規(guī)定。
3.1 主橋上部結構施工要點
主橋箱梁采用掛籃懸臂澆筑法施工,施工分段如下:邊跨現(xiàn)澆段3.84 m+邊跨合攏段2 m+懸臂澆筑段(11×4.0 m+10×3.4 m)+墩頂0#段12 m+懸臂澆筑段(10×3.4 m+11×4.0 m)+中跨合攏段2 m+懸臂澆筑段(11×4.0 m+10×3.4 m)+墩頂0#段12 m+懸臂澆筑段(10×3.4 m+11×4.0 m) +邊跨合攏段2 m+邊跨現(xiàn)澆段3.84 m,總長度為349.68 m。懸臂澆筑梁段的最大控制重量為2 600 kN,掛籃的設計自重為1 000 kN。邊跨現(xiàn)澆段則采用拖架進行施工。
3.1.1 墩頂0號塊施工
墩頂0號塊采用托架法進行施工。由于0號梁段混凝土澆筑量較大且預應力管道布置密集,為減輕托架承載壓力并確保澆筑質量,因此采取了豎向分層施工。在分層施工過程中,需合理設置分層位置,以防混凝土收縮差異引發(fā)裂縫。作為大體積混凝土構件,0號塊的澆筑需特別關注水化熱的控制,采取有效措施降低溫度裂縫風險。澆筑完成后,實施適當?shù)酿B(yǎng)護措施,如及時灑水,以確?;炷恋膹姸?。同時,通過改善通風條件減小溫度差異,避免因內外溫差過大導致裂縫產(chǎn)生。為增強墩身與箱梁的整體性,墩身部分需與0號塊底板同步澆筑,預留2~3 m的長度。
3.1.2 懸臂澆筑施工
懸臂澆筑施工流程如圖1所示。施工前,需在0#梁段兩端安裝掛籃,并進行預壓試驗,以消除非彈性變形,獲取標高控制數(shù)據(jù)。預壓過程中詳細記錄彈性變形曲線,為后續(xù)施工提供參考依據(jù)。
懸臂澆筑的每個梁段需在掛籃上一次性完成所有施工環(huán)節(jié),包括梁段混凝土澆筑、鋼束張拉,以及掛籃和機具移動等,均需嚴格遵循對稱、均衡、同步的施工原則。除0號梁段外,其余梁段混凝土澆筑時間間隔需控制在合理范圍內,不宜過長。每個截面的鋼束按先頂板束后腹板束的順序對稱張拉。最后一個梁段施工完成后,掛籃保持不動,用于抬澆邊跨和中跨的合攏段[4]。
為避免懸澆箱梁1號塊與墩頂0號段因砼齡期差異導致收縮裂縫,1號塊采用鋼纖維混凝土,鋼纖維的長度為20~60 mm,等效直徑為0.3~0.9 mm,摻量體積率為1.5%。同時,為防止出現(xiàn)收縮裂縫,拌制梁段混凝土時還需摻入聚丙烯腈纖維,設計摻量為1 kg/m3,確保合成纖維混凝土達到一級限裂效能等級。
3.1.3 合攏段施工
箱梁合攏采用先邊跨后中跨的施工工藝,具體步驟如下。
(1)邊跨合攏段:首先安裝吊架和剛性連接桿,并在中跨21號梁端配置平衡重。隨后進行模板安裝,并澆筑22號塊混凝土。隨著施工進展,逐步移除平衡重,確保結構受力穩(wěn)定。待混凝土強度達到設計強度的85%后,依次進行21號塊豎向預應力筋、邊跨合攏束、橫向預應力束及底板束的張拉作業(yè),并最終完成壓漿封錨工序。
(2)中跨合攏段:施工前施加對頂力,然后安裝主跨合攏段的吊架及剛性連接桿,并完成模板支設與混凝土澆筑。待合攏段混凝土強度達到設計要求的85%后,按順序張拉中跨合攏束、底板束、橫向預應力束及豎向預應力筋,最后進行壓漿封錨作業(yè),以確保合攏段的力學性能達標,同時維護整體結構的穩(wěn)定性。
3.1.4 邊跨現(xiàn)澆段施工
主橋邊跨現(xiàn)澆段采用托架法進行施工[5]。在過渡墩上安裝臨時支撐剛架,完成立模后進行邊跨現(xiàn)澆段的混凝土澆筑。澆筑完成后,加強整跨箱梁頂部澆水降溫與養(yǎng)護,待混凝土達到規(guī)定強度和齡期后,進行邊跨連續(xù)預應力鋼束的張拉作業(yè)。
3.1.5 預應力施工
(1)錨具到場后嚴格檢查,確保無損傷,任何不合格的錨頭和夾片均禁止使用。安裝千斤頂時,確保錨圈孔與墊板中心精準對齊,防止滑絲或斷絲現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)縱向預應力鋼束采用兩端對稱張拉的方式,操作順序為先張拉頂板束,后張拉腹板束。橫向預應力束采用單端張拉方式,豎向預應力鋼筋則在箱梁頂面統(tǒng)一完成張拉作業(yè),使用精軋螺紋鋼筋,確保鋼筋完整無損,嚴禁斷筋或滑移。
(3)張拉預應力鋼束的過程中,實施張拉力與伸長量雙重控制,實際伸長量與設計值的偏差控制在±6%以內。若伸長量異常則立即停工,查明原因并采取糾正措施后方可繼續(xù)。各鋼束的張拉力按以下標準執(zhí)行:15-[?]s15.2鋼絞線為0→293.0 kN→2 930 kN(持荷2 min錨固); 18-[?]s15.2鋼絞線為0→351.5 kN→3 515.4 kN(持荷2 min錨固);22-[?]s15.2鋼絞線為0→429.7kN→4 296.6kN(持荷2 min錨固);25-[?]s15.2鋼絞線為0→488.3 kN→4 882.5 kN(持荷2 min錨固);3-[?]s15.2鋼絞線為0→58.6 kN→585.9 kN(持荷2 min錨固);JL32精軋螺紋鋼筋為0→67.3 kN→673 kN(持荷2 min錨固)。
(4)張拉縱向預應力鋼束后,盡快進行管道灌漿。備用鋼束在施工結束后不進行管道灌漿,其端部錨頭需用防腐油脂封堵,以備后期維護。
(5)豎向預應力精軋螺紋鋼筋施工需采用科學可靠的方法,確保預應力施加精確。通過選取不同長度的鋼筋,在錨下安裝壓力盒,使用扭力扳手張拉至設計張拉力的95%,記錄扭矩值,并換算得到其他鋼筋張拉的參考值。豎向預應力鋼筋分兩次張拉,第1次張拉后暫不灌漿,待1個月后復核預應力數(shù)值。如果發(fā)現(xiàn)預應力不足,則進行第2次張拉至設計要求,以保證結構的長期性能。
(6)完成預應力鋼束張拉后,嚴禁撞擊鋼絞線和錨頭。多余長度的鋼絞線使用砂輪切割機切割,避免使用電焊或氣焊工具,防止高溫或機械沖擊對鋼束性能造成不良影響。
(7)管道壓漿應采用真空灌漿技術,確保密實。
3.1.6 主橋箱梁混凝土及鋼筋施工
(1)嚴格保證箱梁混凝土的質量與強度。澆筑新梁段混凝土前,對舊混凝土的接縫面進行鑿毛和清潔處理,確保新舊混凝土能夠良好地整體結合。
(2)主梁的頂板、底板、腹板及其連接部位的混凝土需振搗密實,防止出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象,以確保箱梁的混凝土質量和外觀效果。
(3)嚴格控制各梁段的斷面尺寸,梁高、梁寬及橋面寬度的偏差均符合施工規(guī)范要求,確保精度達標。
(4)為防止混凝土出現(xiàn)裂縫或棱角破損,模板的拆除需嚴格按照強度要求進行。當混凝土強度達到22 MPa時,方可拆除非承重側模板;強度達到42 MPa后,方可拆除其他模板和支架;若3 d內混凝土強度達到46.8 MPa,則允許進行預應力鋼束的張拉操作。
(5)完成預應力鋼束張拉后,立即進行壓漿封錨處理,并對接觸面進行鑿毛和清洗,以確保后續(xù)現(xiàn)澆梁段的有效銜接。
(6)如果普通鋼筋與預應力管道發(fā)生干擾,可適當挪動普通鋼筋的位置。如果腹板及底板上的通氣孔與鋼筋位置沖突,可適當移動通氣孔的位置。
(7)在有齒塊的梁段,需按照齒塊鋼筋圖預埋齒塊錨固鋼筋。
(8)澆筑頂板混凝土前,需預埋防撞護欄錨固鋼筋及預留泄水管孔道。澆筑邊跨現(xiàn)澆段混凝土前,則需預埋伸縮縫的預埋鋼筋。
3.2 主橋下部結構施工要點
施工前,對明挖擴大基礎的控制點參數(shù)進行全面校核,一旦發(fā)現(xiàn)任何與設計圖紙偏差或不一致的情況,必須立即通報設計方。
3.2.1 水中基坑及樁基工程施工
主橋主墩涉及水中基坑開挖及樁基工程,基礎施工時需注意以下要點。
(1)鋼套箱圍堰以水深8 m、流速2 m為控制參數(shù)。大樁號側主墩樁基施工采用鋼套箱圍堰方案,小樁號側主墩擴大基礎及交界墩樁基礎采用草袋圍堰施工。施工前實測水深及流速,結合施工計劃周期及洪水調查情況,預測施工期間的水位和流速參數(shù),據(jù)此調整施工方案。
(2)基坑穿過的強、弱風化巖層透水性較大,開挖過程中應加強排水措施,密切關注滲水對坑壁穩(wěn)定性的影響。
3.2.2 大體積混凝土澆筑及溫控施工
承臺等大體積混凝土構件的澆筑采取分層施工方式,確?;炷辆鶆蛏仙?,防止局部高度過大而導致質量問題。澆筑作業(yè)宜選擇氣溫較低的時間段進行,并結合冷卻管水流循環(huán)實施溫控,確保進出水口的溫差不超過10 ℃。同時,需將混凝土內外溫差及其外表面與環(huán)境溫差控制在25 ℃以內,并且混凝土內部絕對溫度不得超過45 ℃?;A混凝土應盡可能一次性澆筑完成,若因特殊情況需分次澆筑,最多不得超過2次,并且接縫處理需符合施工縫規(guī)范要求,接縫面上應預留并布置鋼筋頭,以增強新舊混凝土的結合強度。為有效降低大體積混凝土內部溫度,可選用水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥或低熱微膨脹水泥,并通過優(yōu)化混凝土配合比,適量摻入細粉煤灰,減少水泥用量,以提升混凝土質量和施工效果。
3.2.3 高橋墩施工及模板支撐
由于主橋橋墩高度較高,因此施工時應進行嚴格的施工控制。橋墩施工可采用爬?;騽判怨羌軖炷L嵘ǎ丈硐盗簞t采用托架支撐模板系統(tǒng)進行施工。墩身兩肢之間應設置臨時撐,臨時撐宜采用“X”形布置,并靠近墩身兩側。臨時撐可選用L160X14角鋼進行拼接,并與主墩勁性骨架進行連接。
3.2.4 墩身混凝土抗裂措施及施工
為防止收縮裂縫出現(xiàn),拌制墩身混凝土時需摻入聚丙烯腈纖維,設計摻量為1 kg/m3。聚丙烯腈纖維的規(guī)格、要求以及合成纖維混凝土的拌制應符合《纖維混凝土結構技術規(guī)程》(CECS38—2004)的相關規(guī)定,并確保摻入后的合成纖維混凝土達到一級限裂效能等級。施工時,應結合實際施工條件,通過早期收縮裂縫試驗確定最佳施工方案。除摻入合成纖維增強抗裂性外,為防止墩身分段施工產(chǎn)生收縮裂縫,還需注意以下方面:①在反復試驗的基礎上優(yōu)化配合比。②通過改進工藝降低骨料溫度。③盡量縮短節(jié)間混凝土的齡期差。④加強養(yǎng)生工作。
3.2.5 墩身混凝土抗?jié)B性能提升及施工
為提升墩身抗?jié)B性能,配置墩身混凝土時需摻入微硅粉,摻量為30 kg/m3,微硅粉應滿足以下質量要求:二氧化硅含量不低于92%;比表面積不小于180 000 cm2/g;密度約為2 200 kg/m3,平均粒徑為0.1~0.2 μm。墩身混凝土的抗?jié)B等級應不低于W12。施工過程中,監(jiān)理需旁站監(jiān)督,確保橋墩身混凝土中微硅粉及聚丙烯腈纖維的摻入符合規(guī)定。
3.2.6 墩身豎向主筋機械連接施工
墩身豎向主筋采用機械連接的方式接長,連接接頭的要求、現(xiàn)場檢驗與驗收應遵循《鋼筋機械連接技術規(guī)程》(JGJ107—2016)中的規(guī)定。鋼筋接頭區(qū)段按1.2 m計算,同一接頭區(qū)段內接頭百分率不得超過50%,并且接頭區(qū)段應避開系梁與主墩交界區(qū)以及主墩與箱梁交界區(qū)。
3.2.7 河道內橋墩基礎及下部結構施工
6#、7#、8#墩位于河道內,基礎施工需搭建水上施工平臺,并通過施工棧橋與岸上施工便道連接。水上施工平臺采用[?]630 mm鋼管樁作為基礎,平臺面由貝雷梁和橋面板構成。主墩樁基成孔采用鉆機鉆孔,樁基鋼護筒需高于施工水位。樁基施工流程如下:搭設工作平臺→測量放樣→護筒導向架安裝→護筒下沉→孔位放樣→鉆機就位→鉆孔作業(yè)→終孔前檢查→終孔驗收→鋼筋骨架下沉→導管安裝→灌注水下混凝土→拔卸導管→清理灌注現(xiàn)場→破樁頭處理。8#主墩承臺施工采用鋼套箱圍堰,圍堰頂標高需高于施工水位2.0 m。從鉆孔灌注樁施工至承臺施工完成約需2個月,圍堰內墩身施工時間為1~2個月。施工安排在非汛期進行。下部結構施工完成后,應及時拆除鋼圍堰,以確保河道寬度、行洪能力及施工安全不受影響。
4 結論
本文通過對G355線桂江大橋施工技術的深入研究,總結了復雜環(huán)境下大跨度連續(xù)剛構箱梁的施工經(jīng)驗,分析主要圍繞主橋上部結構與下部結構兩方面展開,得出以下結論。
(1)在主橋上部結構方面,采用掛籃懸臂澆筑施工方法,通過嚴格的分段設計和精確的線形控制措施,確保了箱梁結構的受力平衡和施工精度。掛籃施工中,通過預壓試驗消除非彈性變形,并采用對稱、均衡、同步的澆筑流程,有效避免受力失衡可能引發(fā)的結構問題。在關鍵合攏段施工中,采用合理的施工順序,并對頂力進行精確控制,從而確保了橋梁線形的精度和結構的整體性。
(2)在主橋下部結構方面,面對復雜的水文與地質條件,通過動態(tài)調整圍堰設計與優(yōu)化樁基施工工藝,有效應對了水深、流速變化對基坑安全的威脅。樁基施工中,憑借精確的護筒導向設計和鉆孔灌注工藝,確保了樁基與承載層的可靠連接。大體積混凝土施工中,采用分層澆筑、冷卻水循環(huán)降溫技術,并摻加聚丙烯腈纖維和微硅粉,有效控制了混凝土溫差和水化熱積累,顯著提升了混凝土的抗裂與抗?jié)B性能。
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