梅瑞泰
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北江特大橋是國道主干線廣州繞城公路西二環(huán)南段的重、難點工程和關(guān)鍵控制性工程,跨越北江主航道,按高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。主跨設(shè)計為75 m+136m+75m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),雙向8車道,半幅橋面寬20.25m。梁部采用單箱雙室斷面,主墩采用單箱雙室形薄壁空心墩,主墩承臺為整體式高樁承臺,承臺頂標(biāo)高+4.0m,承臺設(shè)計尺寸為39.75m(長)×10m(寬)×4m(高),每個主墩基礎(chǔ)采用12根直徑250cm鉆孔灌注樁,設(shè)計樁頂標(biāo)高為±0.0,設(shè)計樁長分別為84,86,88m。
23號、24號主墩處地質(zhì)比較復(fù)雜,河床底標(biāo)高約為-21.5m,河床下地層結(jié)構(gòu)自上而下為:細砂層厚約5m,圓礫層厚約5.5m,卵石層厚約3.5m,強風(fēng)化凝灰質(zhì)角礫巖厚約2m,向下60m全部為弱風(fēng)化凝灰質(zhì)角礫巖和微風(fēng)化凝灰質(zhì)角礫巖軟硬交錯夾層,且?guī)r面嚴重傾斜。
大橋跨越北江東平水道(III級航道),過往船只頻繁,施工期間不得斷航,施工區(qū)域江面寬約530m,水深約26m,每日潮水兩漲兩落。枯水季節(jié)北江水位在+0.5~2.5m,汛期水位在+5.0 m左右,江水流速在1.1~1.4m/s左右。本區(qū)域6~9月為汛期,北江水位受西江水位和粵北地區(qū)強降雨影響,最高洪水位可達8m以上。2005年6月中下旬,北江發(fā)生了超百年一遇的特大洪水,橋位處最高洪水位達到9.15m。
大直徑超長鉆孔樁和大體積高樁承臺的施工是主墩基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù),也是全橋施工的重中之重,而深水河流中進行鉆孔樁及承臺施工首先要解決好施工平臺問題。
根據(jù)現(xiàn)場施工條件及工程本身特點,鉆孔樁施工平臺擬訂了3種方案進行比選,見表1。
表1 主墩樁基礎(chǔ)施工平臺方案比選
經(jīng)過方案比選,結(jié)合現(xiàn)場水文及地質(zhì)情況,確定采用方案一,搭設(shè)鋼管樁施工平臺進行樁基礎(chǔ)及鋼套箱施工。由于本橋除2個主墩外,另有8個墩也位于水中,根據(jù)總體施工安排,決定先施工主墩樁基礎(chǔ),其余水中墩分階段逐步進行施工。通過合理安排施工順序,充分周轉(zhuǎn)利用平臺材料,提高平臺材料的重復(fù)利用率,降低施工成本。
鉆孔平臺主要由鋼管樁、貝雷梁和各類型鋼組成。采用3排7列21根直徑800mm×壁厚8 mm鋼管樁做支撐,每排鋼管樁頂安放貝雷梁,貝雷梁上按鉆孔樁位分布承重工字鋼,平臺頂面鋪設(shè)5cm厚木板,平臺四周焊接欄桿。各鋼管樁之間通過焊接型鋼形成橫拉及剪刀撐,以保證平臺的整體穩(wěn)定。鉆孔平臺上懸掛警示標(biāo)志和警示燈,警示過往船只注意航行安全。主墩平臺平面尺寸為48m×14m,為平臺鉆機提供足夠大的工作面。
(1)根據(jù)實際地質(zhì)情況及施工安排,決定采用沖擊鉆進行樁基礎(chǔ)施工。
(2)橫向鋼管樁(3排)之間的跨徑最好為貝雷梁節(jié)數(shù)的倍數(shù)(如6,9,12m),將貝雷梁節(jié)點放在鋼管樁頂,以提高支點的抗剪能力,如果貝雷梁節(jié)點不在鋼管樁頂處,則應(yīng)在鋼管樁頂?shù)呢惱琢禾幵黾迂Q向桿件[1]。
(3)平臺的設(shè)計除完全滿足鉆孔樁施工外,還要充分考慮到之后的承臺鋼套箱施工,使施工平臺一次搭設(shè)完成,避免重復(fù)施工。
(1)施工水位。根據(jù)設(shè)計資料和水文資料,本河段處施工水位3~5月份20年一遇最高水位為+3.8m。
(2)鉆孔平臺施工荷載。每個主墩12根直徑2.5m樁,6臺大功率沖擊鉆機,根據(jù)平臺上鉆機數(shù)量和重量、平臺自重和其他臨時施工荷載(包括鉆機沖擊荷載)計算,每根鋼管樁承受豎向荷載Pmax=311.4kN。
(3)沖刷計算。根據(jù)設(shè)計資料,主墩處最大沖刷深度為2~3.5m,局部沖刷深度為3~5m。
(4)鋼管樁打入河床深度。鋼管樁底要求打入河床局部沖刷線以下至少3m,同時根據(jù)河床地質(zhì)情況按摩擦樁計算鋼管樁的支撐力,滿足平臺豎向荷載、水平荷載和穩(wěn)定性要求。
(5)主墩處地質(zhì)情況。根據(jù)設(shè)計資料,細砂層極限摩阻力按τ=35kPa計算,圓礫層極限摩阻力按τ=150kPa計算,卵石層極限摩阻力按τ=160kPa計算,圓礫(礫石)層極限承載力按σR=5 000kPa計算。實際計算過程中,按最不利情況,按細砂和圓礫層考慮,僅按摩擦樁計算,不考慮樁尖承載力[2]。
為保證鉆孔平臺的施工安全,按每個平臺6臺鉆機同時施工時的最大荷載和最不利的臨時荷載情況下,對鋼管樁的承載力、貝雷梁的剛度、平臺承重工字鋼的強度和剛度及平臺的整體穩(wěn)定性進行檢算(沖擊系數(shù)按1.3考慮),檢算采用簡化結(jié)構(gòu)方式計算,檢算結(jié)果最大應(yīng)力強度σmax=15.65MPa,檢算結(jié)果均符合要求[3]。
根據(jù)平臺設(shè)計構(gòu)造及地質(zhì)水文情況,選用的施工主要機械設(shè)備見表2。
表2 鉆孔樁施工平臺主要施工機械表
鉆孔平臺搭設(shè)順序為:打樁船拋錨定位→送樁、打樁→抄平鋼管樁→放置工字鋼枕梁→安放貝雷梁→分布平臺承重工字鋼→鋪設(shè)木板、焊接欄桿→鉆孔樁施工。
根據(jù)施工安排,23號、24號主墩平臺鋼管樁采用2種方式施打,其中23號平臺鋼管樁采用打樁船施打,24號平臺鋼管樁用浮吊吊振動錘施打。
打樁時,利用兩臺經(jīng)緯儀用偏角法進行鋼管樁定位,2臺經(jīng)緯儀的視線夾角盡量接近90°,從2個方向控制定位,同時以鋼管樁切線方向及鋼管樁入水點作為控制點,控制鋼管樁的平面位置和垂直度,保證精確度。
打樁時,按從上游往下游方向依次進行,打樁船和浮吊在第一次拋錨定位時一次將錨拋設(shè)到位,避免后續(xù)打樁時重新拋錨,節(jié)省施工時間。打樁長度按設(shè)計打入河床深度和實際貫入度來控制。最終停打按貫入度小于3~5cm/[10錘(擊)]控制[4]。
鋼管樁施打后進行鋼管樁頂抄平,按平臺設(shè)計高程反算出鋼管樁頂?shù)臉?biāo)高,將多余鋼管樁割除或進行接長。鋼管樁頂抄平后,在頂部焊接1m×1m×1cm鋼板,然后在縱向(3根)7排鋼管樁頂焊接2I25a枕梁。枕梁上放3組單層雙排貝雷梁,貝雷梁事先在河岸組裝好,減少水上作業(yè)和縮短施工時間。為加強貝雷梁的整體穩(wěn)定性,3組貝雷梁之間加設(shè)幾道槽鋼剪刀撐。貝雷梁架設(shè)并加固好后,在貝雷梁頂鋪布設(shè)I45a承重梁,工字鋼頂鋪設(shè)5cm厚木板。平臺四周焊接欄桿和懸掛安全標(biāo)志和警示燈[5]。
打樁時注意事項:
(1)鋼管樁采用兩點雙吊鉤法起吊,鋼管樁由水平變?yōu)樨Q直方向,樁尖下放至河床,依自重入土一部分使樁稍稍固定,樁頂進行套錘帽(或振動錘夾樁)。
(2)打樁時,剛開始由于樁尖在砂層,摩擦力小,樁下沉快,貫入度大,宜輕擊慢打,待入土一定深度樁身穩(wěn)定后,逐漸增大錘擊能量。
(3)打樁過程中2臺經(jīng)緯儀全程跟蹤,密切觀察鋼管樁的中心位置和垂直度。
(4)打樁過程中做好打樁記錄,根據(jù)動力公式計算出最終停打貫入度,打樁過程中如果樁身突然傾斜或回彈嚴重,應(yīng)及時停打,探明原因再繼續(xù)施工,以免樁位偏差或發(fā)生斷樁。
(5)鋼管樁施打時,宜連續(xù)下沉,不可中途停頓過久,以免土的摩阻力恢復(fù),繼續(xù)下沉困難。
(6)若鋼管樁長度不足需要在水上接長時,第一次施打鋼管樁長度宜控制為打入河床一定深度以保證鋼管樁穩(wěn)定,上端高度為工作船靠近鋼管樁時利于對接接長。
(7)鋼管樁施打后立即與旁邊鋼管樁用槽鋼連接,使平臺縱橫向鋼管樁之間互相連接形成一個桁架,以利于平臺的穩(wěn)固。
(1)樁基礎(chǔ)鋼護筒之間縱橫向相互連接。樁基鋼護筒與平臺沒有連接,避免平臺的振動力傳遞到鋼護筒,對護筒產(chǎn)生不利。鋼護筒下放完成后,縱橫向護筒之間用I25a相連,將所有鋼護筒連成一個整體,有利于鋼護筒抵抗水流的作用(鉆孔時,鋼護筒的振動很小,彼此之間不會互相影響)。護筒連接I25a在平臺承重I45a下面,離開2cm左右,在平臺發(fā)生輕微沉降時,鋼護筒可以作為支撐。
(2)增設(shè)防撞設(shè)施(主要針對施工船只對貝雷梁的碰撞)。由于水中鉆孔樁施工有大量的浮吊及船只作業(yè),船只在??科脚_時會碰撞到貝雷梁,使貝雷梁發(fā)生橫向變形,影響貝雷梁的承重。為避免船只撞擊貝雷梁,從平臺頂承重I45a處焊接豎向槽鋼,槽鋼最下端要低于最低水位時的船舷高度。這樣在船只??科脚_時,船舷只碰上槽鋼,不會撞擊貝雷梁。
(3)河床防沖刷防護。由于鋼護筒直徑較大(2.8m),在鋼護筒迎水面處的河床面層會出現(xiàn)局部沖刷,削弱鋼護筒迎水面的覆蓋層,容易導(dǎo)致漏漿及穿孔事故。因此,選擇在河水流速較小時,對整個平臺底部河床拋填袋裝砂石、袋裝C15混凝土等,拋填厚度1m,拋填范圍按平臺每邊加寬2m考慮,減少河床的沖刷,增加平臺及鋼護筒的整體穩(wěn)定。
(1)對施工鋼平臺本身進行全面加固,保證工字鋼、貝雷梁與鋼管樁之間連接牢固。
(2)將所有鋼護筒用雙拼I25a工字鋼焊連成整體。
(3)在平臺上下游分別拋設(shè)2個混凝土重力錨,錨錠尺寸為2m×2m×1.5m。
(4)在平臺靠上游方向增設(shè)安全防護樁和導(dǎo)流裝置,以抵抗上游洪水漂浮物對平臺的沖擊。
(5)用編織袋裝砂,拋到施工平臺鋼管樁底部填高2m,以減少洪水對河床的沖刷。
實踐證明,北江特大橋水中樁基采用鋼管樁鉆孔施工平臺,完全滿足承重要求,滿足樁基鉆孔及后續(xù)的承臺鋼套箱施工生產(chǎn)需要,具有重量輕,承受能力高,搭設(shè)、拆卸快速方便,安全可靠,可進行重復(fù)作業(yè)等優(yōu)點,是深水樁基礎(chǔ)施工的理想工作平臺,為類似條件下的深水施工積累了經(jīng)驗。
[1]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2003.
[2]JTGD60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.
[3]周水興,何兆益.路橋施工計算手冊[M].北京:人民交通出版社,2002.
[4]JTJ041-2000公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2000.
[5]蒲水山.懷新高速公路某大橋水中樁基工作平臺搭設(shè)施工技術(shù)[J].交通科技,2005(6):48-50.