莞深高速東江大橋水中鋼棧橋設(shè)計(jì)與施工工藝

徐世亮

(東莞市鴻高建設(shè)工程有限公司)

1 工程概況

莞深高速公路三期工程石碣段起于東莞市附城區(qū),與莞深高速公路塘廈至附城段相連,經(jīng)桑園跨莞龍公路、東江南支流,終于東莞市石碣鎮(zhèn)與增城交界處,與擬建的增莞高速公路相連。東江大橋位于東江南支流段。主橋起止里程K 47+563～K 47+997,主橋跨經(jīng)組合為 113 m+208m+113m雙層剛性懸索加勁三跨連續(xù)。其中 S2、S1、N1、N2位于東江南支流河道中,雙層鋼性懸索加勁鋼桁梁臨時(shí)拼裝平臺支架以及桁片的拼裝場在水中完成,故需在東江河南北兩側(cè)修建臨時(shí)棧橋水中作業(yè)。考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形成及施工工藝,需在橋梁兩側(cè)安裝兩臺長 56.3m,高38m的大型龍門吊。

東江南支流自東向西流過橋址區(qū),河面寬 434 m,受珠江水系影響,潮汐均屬于正規(guī)半日期。平均高潮水位 0.4～0.72m,平均低潮水位-0.96～-0.80m,最大潮差 2.39～3.04m,最高風(fēng)暴潮位達(dá) 3.4m。大橋橫跨東江河槽段,長434m。河床面高程 0～-4m,河床槽偏南側(cè),靠北大堤有寬約 80m的邊灘。靠南大堤邊灘較窄,寬約 20m,河床段部分地段基巖裸露,并有局部凸起,形成“暗礁”,基巖巖性有含砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。

2 棧橋設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

作為施工車輛的行走及龍門吊的軌道,鋼棧橋是一座極為重要的工程,對安全性和穩(wěn)定性要求較高 ,棧橋施工鋼管樁基礎(chǔ)均位于水中,在水中進(jìn)行施工測量放線控制、定位,施工難度較大。由于本工程河段地質(zhì)情況較差,基巖基本裸露,不利于鋼管樁的插打。鋼管樁入巖較淺,棧橋的穩(wěn)定性差,將對本工程安全造成重大影響。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)基礎(chǔ)采用 φ1 000×10mm鋼管樁,樁長 15m左右,河床地質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖或含礫砂巖。

(2)棧橋橫梁采用 2I25a工字鋼。

(3)縱梁采用國產(chǎn)貝雷梁,面上均用間距 100 cm的I25a工字鋼相連接。

(4)橋面采用滿鋪 25槽鋼。

(5)棧橋荷載。

①恒載

貝雷片自重(單排單層):3/3=1 kN/m

分布梁 I25a每條重:0.485×8.8=4.27 kN/m

橋面板 25重:0.274×16=4.38 kN/m

②活載

60 t運(yùn)輸平板車

60 t龍門吊起吊 60 t,自重 200 t

施工人員、材料機(jī)具堆放:1 kN/m

2.2 棧橋設(shè)計(jì)

棧橋設(shè)計(jì)三座,棧橋基礎(chǔ)東江主河道部分為 φ1 000×10mm鋼管樁,南引橋部分棧橋基礎(chǔ)為φ800×10mm鋼管樁。鋼管樁頂設(shè)置 3I36a(I25a)工字鋼橫梁。棧橋承重梁采用貝雷桁梁,其上由 I25a工字鋼分配梁(橫橋向)和 25槽鋼(順橋向)組成橋面系。

棧橋分左右兩道(由南向北),左道供車輛和龍門吊和施工人員行走,右道僅作龍門吊軌道用。

2.3 棧橋鋼管樁檢算

(1)承載力檢算

東江主河槽鋼管樁單樁最大荷載:P=600 kN,取安全系數(shù) 1.5,則樁頂荷載為:P=1.5×600=900 kN。設(shè)計(jì)荷載取[P]=1000 kN。南引橋鋼管樁單樁最大荷載:P=500 kN,取安全系數(shù) 1.5,則樁頂荷載為:P6=1.5×500=750KN。設(shè)計(jì)荷載取[P]=800 kN。

由于東江主河槽樁位處下主要是強(qiáng)風(fēng)化砂巖(局部有少量的淤泥層和細(xì)沙層,忽略不計(jì)),鋼管樁采用 HD 62型柴油打樁錘插打,以入強(qiáng)風(fēng)化砂巖或者含礫砂巖＞3.5m,貫入度≯1.5～2mm控制。鋼管樁以支承樁進(jìn)行設(shè)計(jì),鋼管樁單樁豎向極限承載力式中:U為鋼管周長,為 3.14m;A為驗(yàn)算截面處樁的截面面積,為 0.031 4m2;λS為側(cè)阻擠土效應(yīng)系數(shù),取 λS=0.77;τi為各土層對樁側(cè)的極限摩阻力(kPa);強(qiáng)風(fēng)化砂巖取120 kPa;Li為樁在最大沖刷線以下第 i層土中的長度;λP為樁底端閉塞效應(yīng)系數(shù),對于敞口鋼管樁,λP=0.8λS;σR為樁底端支承土的承載力(kPa)。強(qiáng)風(fēng)化砂巖取 350 kPa。

由上式得

由以上計(jì)算可得,主河槽鋼管樁打入強(qiáng)風(fēng)化層 3.5m以上完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

同理可以計(jì)算得南引橋棧橋鋼管樁入巖深度 ＞3m即可滿足承載力要求。

(2)鋼管樁穩(wěn)定性檢算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》,單樁穩(wěn)定長度:LP=1.0(I0+h),I0為地面以上樁長,取最大值 11.0m,h為地面以下樁長,最小為 3.5m,所以LP=14.5m。鋼管樁身抗彎剛度 EI=2.1×1011×π×(d4-d14)/64=4.06×108 N? m2,單樁屈曲臨界荷載:Pcr=π2EI/=19 036 kN,由以上計(jì)算可看出鋼管樁滿足穩(wěn)定性要求。

3 棧橋施工工藝與方法

3.1 鋼管樁的插打與加固

鋼管樁采用振動沉樁的方法進(jìn)行鋼管樁的施工。東江主河道棧橋采用 30 t浮吊及 120 t工作船配合運(yùn)輸,采用DZ150A型振動錘進(jìn)行施打;南引橋棧橋采用 25 t汽車吊配合DZ90A型振動錘插打鋼管樁。振動錘的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表。鋼管樁插打按最后的入巖深度控制,通過樁承載力的計(jì)算東江主河道棧橋管樁入強(qiáng)風(fēng)化巖層不小于 3.5m,即可保證單樁的承載力滿足設(shè)計(jì)要求(100 t);南引橋鋼管樁入強(qiáng)風(fēng)化巖層不小于 3m,保證單樁的承載力滿足設(shè)計(jì)要求(80 t)。

打樁順序按先岸邊后水中,先淺后深,先上游后下游的順序施打。每打完一條樁進(jìn)行平面位置垂直度及高程的復(fù)測。對不滿足要求的樁拔出重打。相鄰樁施工完畢,即橫向聯(lián)接加固,后續(xù)上部承重結(jié)構(gòu)安裝。

為改善管樁頂部和根部的局部受力狀態(tài),提高管樁的入巖能力,對鋼管樁的頂部和底部進(jìn)行局部加強(qiáng)處理。具體的加固措施是在鋼管樁的頂部和底部加一段 15～20 cm的厚2 cm的加強(qiáng)鋼圈,焊接采用對接的方式。在鋼管樁的底部加強(qiáng)圈上再加 10 cm的刃腳,刃腳采用φ32的精扎螺紋鋼,環(huán)向間距 10 cm布置,焊接在底端的加固鋼圈上。

如加固后的鋼管樁入強(qiáng)風(fēng)化巖的深度仍不滿足設(shè)計(jì)要求,采取管樁內(nèi)鉆孔灌注混凝土加固的方法,具體的做法是在每組排樁中選 2根鋼管樁通過鉆孔 3～4m,后靜壓的方式將鋼管樁打入強(qiáng)風(fēng)化巖,再在鋼管樁內(nèi)澆灌混凝土,混凝土澆筑高度為露出河床面1m。

3.2 鋼管樁的橫向連接

南岸引橋棧橋設(shè)計(jì)采用 20作為橫聯(lián),東江主河道的棧橋鋼管樁間的橫聯(lián)采用Φ30 cm鋼管。將Φ30 cm鋼管接頭根據(jù)斷面具體情況做成圓弧型,與鋼管樁全斷面焊接,保證焊接質(zhì)量。焊接質(zhì)量符合部頒的有關(guān)焊接質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 鋼管樁樁頭的處理

按平臺設(shè)計(jì)標(biāo)高將樁頭割平,往管樁內(nèi)填砂,再在端部相當(dāng)于鋼管 1個(gè)直徑 D的深度內(nèi)澆封頭混凝土,并預(yù)埋10mm端頭鋼板。

3.4 下橫梁的安裝

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求,東江河主橋段采用三拼I36a,南引橋采用雙拼 I25a,工字鋼連接采用點(diǎn)焊和部分加鋼板焊接而成。雙拼工字鋼與樁帽頂鋼板焊接使之成為整體。

3.5 貝雷梁的安裝

貝雷梁的拼裝在岸邊選一場地進(jìn)行,拼裝長度根據(jù)設(shè)計(jì)要求為 9m或者 12m為宜,利用運(yùn)輸船只運(yùn)到鋼管樁位置,利用浮吊整體吊裝上下橫梁雙拼工字鋼上,貝雷梁的陰陽頭中心對準(zhǔn)雙拼工字鋼的中線。雙排貝雷梁連接時(shí)利用吊機(jī)配合安裝。三排或兩排貝雷梁之間采用槽鋼臨時(shí)固定,待分配梁安裝后拆除,以分配梁與騎馬螺栓將三排或兩排貝雷梁連成整體。

3.6 分配梁的安裝

分配梁的采用I25a工字鋼,間距為 1m,在龍門吊軌道處進(jìn)行加密,加密后間距為 50 cm,工字鋼與貝雷梁用騎馬螺栓連接,分配梁根據(jù)設(shè)計(jì)要求在岸邊加工場下料,利用工作船運(yùn)輸至指定位置,直接吊裝安裝。

3.7 橋面板及龍門吊參數(shù)

橋面板采用 25或 28槽鋼縱橋向滿鋪在分配梁上,槽鋼采用 12m長,橫向并排用點(diǎn)焊焊接,最外邊的槽鋼用焊接鋼筋頭定位,縱向相連槽鋼連接處必須位于同一分配梁工字鋼中心線上。

軌道根據(jù)龍門吊的設(shè)計(jì)要求,將軌道直接鋪設(shè)計(jì)分配梁上,并采取措施固定。龍門吊設(shè)計(jì)參數(shù)。

(1)跨度 56.3m;

(2)凈高度 38 m(橋面標(biāo)高 +29.0 m-棧橋標(biāo)高 +9.0m+懸拼吊機(jī)高度 h1+工作高度 h2);

(3)起重量 60 t;

(4)龍門吊自重 160 t;

(5)起升速度 1.15m/min;

(6)行走速度 10m/min。

4 結(jié) 論

東江大橋棧橋施工的實(shí)踐證明,棧橋設(shè)計(jì)布局是合理的,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、牢靠;通過龍門吊機(jī)的安裝和試運(yùn)行,都充分證明了該棧橋是經(jīng)濟(jì)、適用、安全可靠的;整個(gè)施工進(jìn)展順利達(dá)到了預(yù)期效果,為主橋水中墩臺的施工及上部鋼桁梁的起吊、架設(shè)創(chuàng)造了有利條件,既保證了施工機(jī)械的作業(yè)面又保障了材料的運(yùn)輸;節(jié)省了工期,既保障了水中大方量混凝土承臺的施工質(zhì)量,也確保了主橋上部施工的質(zhì)量和安全。

[1] 工程測量規(guī)范 GB50026-2001.

[2] 鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)規(guī)范 GBJ50017-2002.

[3] 鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范 GB50205-2001.

[4] 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范 JGJ81-91.

[5] 建筑工程高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范JGJ80-91.

[6] 施工現(xiàn)場臨時(shí)用電安全技術(shù)規(guī)范JGJ46-88.