無(淺)覆蓋層深水鋼棧橋及平臺(tái)搭設(shè)研究

周誠兮

(保利長大工程有限公司，廣東 廣州 511431)

1 工程概況

溧陽至寧德國家高速公路云常線大橋跨越千島湖庫灣，橋梁全長806 m，橋墩采用樁基礎(chǔ)，其中2#～17#墩位于水庫中，每個(gè)墩位設(shè)置8～16根樁基，樁徑1.8～2.2 m。橋位場地水域深度約27.5 m(常水位102 m計(jì))，水下岸坡地形傾向河谷，起伏較大，床覆蓋層較淺(無)，部分橋墩河床為裸強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖。

根據(jù)新安江水庫(千島湖)1995年～2015年逐月水位統(tǒng)計(jì)資料，近21年庫區(qū)年平均水位基本維持在97～102 m左右，最低水位93 m，最高水位108 m，其中105 m以下水位淹沒時(shí)間變化幾乎沒有周期性的規(guī)律可循。庫區(qū)(千島湖)，航道等級(jí)Ⅶ級(jí)，航道凈空38 m×3.5 m。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及功能要求

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

大橋橫跨千島湖封閉庫區(qū)，大型起吊設(shè)備無法進(jìn)場作業(yè)，水中樁基建造均采用搭設(shè)水上棧橋加固定平臺(tái)方式，主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：棧橋設(shè)計(jì)標(biāo)高+105.5 m；橋面設(shè)計(jì)寬度8 m；最大跨徑12 m；荷載按80 t履帶吊走行及吊重30 t，混凝土運(yùn)輸車按40設(shè)計(jì)；8根樁平臺(tái)考慮上2臺(tái)鉆機(jī)，10根、12根樁平臺(tái)考慮上3臺(tái)鉆機(jī)，14根、16根平臺(tái)考慮上4臺(tái)鉆機(jī)。

2.2 功能要求

棧橋主要用于施工人員通行、施工材料運(yùn)輸、機(jī)械設(shè)備作業(yè)、架設(shè)電力線路和供水管線等，用以輔助橋梁基礎(chǔ)及下部構(gòu)造的施工。棧橋作為施工中的通道和平臺(tái)，除承受施工車輛荷載外，還受到風(fēng)、浪、水流的作用因此棧橋必須滿足以下要求：

(1)在工作狀態(tài)下，云常線大橋橋棧橋應(yīng)滿足80 t履帶吊和40 t混凝土運(yùn)輸車正常通行，并具有足夠的安全儲(chǔ)備。

(2)在非工作狀態(tài)下，棧橋禁止車輛荷載通行，此時(shí)棧橋應(yīng)能滿足整體安全性的要求。

(3)在棧橋施工狀態(tài)下，棧橋應(yīng)滿足自身施工過程的安全，6級(jí)風(fēng)以上時(shí)停止吊裝作業(yè)，8級(jí)以上大風(fēng)時(shí)應(yīng)停止棧橋施工。

3 施工棧橋設(shè)計(jì)

3.1 鋼管樁設(shè)計(jì)

(1)深水區(qū)(水深大于20 m)采用雙排6根Ф1 020 mm×10 mm鋼管板凳樁，在有覆蓋層區(qū)域采用單排3根Ф1 020 mm×10 mm鋼管樁基礎(chǔ)，制動(dòng)墩采用6根Ф1 020 mm×10 mm鋼管板凳樁，樁長根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際打入長度確定。

(2)在有需要時(shí)抗傾覆斷面布置單排5根Ф1 020 mm×10 mm，用于鋼管樁的抗傾覆穩(wěn)定，抗傾覆穩(wěn)定斷面采用Ф325 mm×6 mm鋼管作為連接系。

(3)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況為加強(qiáng)棧橋整體穩(wěn)定性，樁間縱橫向采用聯(lián)系結(jié)連成整體。

(4)鋼管樁采用80 t履帶吊配合DZ90型振動(dòng)錘由岸邊向江中心打設(shè)。根據(jù)地質(zhì)條件，本橋棧橋鋼管樁按照端承樁設(shè)計(jì)為主，以貫入度控制。

(5)河床為全風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖或管樁插打不滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求的管樁需設(shè)置錨樁[1]。錨樁采用“植樁法”進(jìn)行鋼管樁施工，采用沖擊鉆成孔，插入管樁并振打，鋼管樁采用混凝土充填。

3.2 承重梁、分配梁、平聯(lián)設(shè)計(jì)

(1)承重梁：樁頂橫向分配梁采用2工40a，雙排樁縱向采用2HN500用作上橫聯(lián)及支承貝雷梁的橫向承重。分配梁上布置6片“33”貝雷梁作為縱梁，貝雷片間采用90型標(biāo)準(zhǔn)花窗連成桁架結(jié)構(gòu)。

(2)分配梁：貝雷梁上按照間距75 cm鋪設(shè)I20a工字鋼作分配梁，分配梁在兩端通過卡板鎖定在貝雷主梁上。

(3)平聯(lián)：棧橋橫向平聯(lián)采用φ325 mm×6 mm鋼管，錨樁采用φ526 mm×6 mm鋼管。

4 施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)主要是為下部構(gòu)造施工提供工作平臺(tái)，并作為設(shè)備、材料臨時(shí)堆放場地。平臺(tái)頂面標(biāo)高與棧橋頂面標(biāo)高一致，采用“鋼管樁+承重梁+貝雷梁”的形式布設(shè)。單排樁的橋墩平臺(tái)按6 m寬度設(shè)計(jì)，群樁的橋墩平臺(tái)按11.225 m寬度設(shè)計(jì)，平臺(tái)支棧橋?qū)挾葹? m。

鋼棧橋平臺(tái)主要考慮80 t履帶吊、相應(yīng)數(shù)量鉆機(jī)及混凝土運(yùn)輸車進(jìn)行輔助施工作業(yè)，輔助平臺(tái)下部采用φ820 mm×10 mm鋼管樁及φ325 mm×6 mm平聯(lián)+2[20a斜撐，上部采用2工40a承重梁+貝雷梁的形式布設(shè)，平臺(tái)上再鋪設(shè)25a工字鋼+12.6工字鋼分布梁及花紋鋼板作為面板。

5 樁基鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)計(jì)算

鋼護(hù)筒的設(shè)計(jì)綜合考慮地質(zhì)情況、插打的工藝，防止鋼護(hù)筒變形、防止塌孔、漏漿、確保鉆孔安全以及其他各種因素。

5.1 鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)厚度的計(jì)算

樁基樁徑為大于1.8 m。鋼護(hù)筒采用14 mm三種規(guī)格鋼板卷制而成，由集中鋼筋加工廠按9～12 m一節(jié)加工運(yùn)輸至現(xiàn)場焊接下放，樁徑擴(kuò)大30 cm。

以12#鋼護(hù)筒強(qiáng)度按最不利14 mm驗(yàn)算，護(hù)筒受力如圖1所示。

圖1 護(hù)筒受力示意圖(單位：cm)

(1)基本數(shù)據(jù)

鋼護(hù)筒在地面以上長度h=27.52 m

混凝土比重取值γr=24 kN/m3

水比重取值γw=10 kN/m3

(2)鋼護(hù)筒受力驗(yàn)算

在混凝土澆筑時(shí)混凝土對(duì)鋼護(hù)筒壁產(chǎn)生壓力qR，在水中水對(duì)鋼護(hù)筒壁產(chǎn)生壓力qw，因一正一反兩抵后對(duì)鋼護(hù)筒壁產(chǎn)生壓力qmax，

qmax=γR×h-γw×h=(24-10)×27.52=385.28 kN/m

(1)

(3)鋼護(hù)筒強(qiáng)度驗(yàn)算

取鋼護(hù)筒最底位置一截1 m長計(jì)算

圖2 護(hù)筒受拉力示意圖

由于混凝土對(duì)鋼護(hù)筒壁的壓力qmax使鋼護(hù)筒壁內(nèi)產(chǎn)生最大拉力N

設(shè)最大壓力qmax為均勻受壓F=qmax×1 m=385.28 kN/m

N=F×D/2=346.75 kN

(2)

σ=F/A(面積)=346.75/(1.4×10)=24.77 MPa <1.3[σ]=185 MPa

(3)

滿足施工要求。

5.2 鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)長度的計(jì)算

(1)計(jì)算依據(jù)

公路施工手冊《橋涵》。對(duì)于深水湖床護(hù)筒底端埋置深度的計(jì)算公式如下

L=[(h+H)γw-Hγ0]/(γd-γw)

(4)

式中：H封為護(hù)筒埋置深度，m；H水為施工水位至湖床表面深度，m；h為護(hù)筒內(nèi)水頭，即護(hù)筒內(nèi)水位與施工水位之差，m；γw為護(hù)筒內(nèi)泥漿容重，kN/m3；γ0為水的容重，10 kN/m3；γd為護(hù)筒外湖床土的飽和容重，kN/m3

γd=(Δ+e)γ0/(1+e)

(5)

式中：Δ為土粒的相對(duì)密度；取2.76.e為飽和土的孔隙比；取0.3～0.9平均值，取0.6

(2)取值說明

鉆孔樁施工中，為了控制護(hù)筒內(nèi)外泥漿面差值，現(xiàn)場采取了輔助泥漿泵等來調(diào)節(jié)泥漿面高度，防止護(hù)筒內(nèi)外壓力差過大。本計(jì)算，護(hù)筒內(nèi)泥漿面比護(hù)筒外差值相對(duì)維持在3 m左右。

(3)計(jì)算

以10#墩基樁為例進(jìn)行計(jì)算，由公式(5)

γd=(2.76+0.6)/(1+0.6)×10=21 kN/m3

(6)

工況：護(hù)筒內(nèi)泥漿面與施工水位差值3 m。

即：10#墩

h=3,γd=21 kN/m3,γw=11 kN/m3,γ0=10 kN/m3

(7)

由公式(4)：

L=[(h+H)γw-Hγ0]/(γd-γw)

=[(3+27.9)×11-27.9×10]/(21-11)=6.1 m

(8)

即護(hù)筒的埋深需大于6.1 m。

6 鋼棧橋關(guān)鍵施工工藝

6.1 鋼管樁插打施工

鋼管樁基采用“植樁法”進(jìn)行鋼管樁施工，用沖擊錘和浮箱配合施工：(1)施工橋臺(tái)到岸上基礎(chǔ)墩架設(shè)完畢，80T履帶吊上第一跨主棧橋。(2)浮箱運(yùn)到現(xiàn)場，履帶吊吊裝下水拼裝完成。(3)把沖擊錘鉆機(jī)吊到鋼浮箱上進(jìn)行固定，沖鋒舟牽引到?jīng)_孔位置，全站儀定位，精確安裝導(dǎo)向架，浮箱拋錨固定。(4)履帶吊吊裝護(hù)筒到導(dǎo)向架內(nèi)安裝，進(jìn)行沖孔；(5)沖孔完成后，安裝導(dǎo)管，進(jìn)行孔內(nèi)混凝土澆筑；(6)混凝土澆筑完成后拔出導(dǎo)管，復(fù)測導(dǎo)向架，把鋼管樁植入混凝土中。

6.2 “植樁法”工藝流程

“植樁法”用沖擊錘和浮箱配合施工，分三個(gè)步驟進(jìn)行。

步驟一：

(1)用浮吊船和浮箱配合施工，利用GPRS定位系統(tǒng)找到樁位位置，把浮箱錨固后，用測繩探查樁位處水下巖面情況，每50 cm設(shè)一個(gè)點(diǎn)，如果測繩水下偏移值大于50 cm，改用測深儀或水下掃描儀測地層巖面起伏。

(2)安裝導(dǎo)向架，測量復(fù)核導(dǎo)向架垂直度和空間位置滿足設(shè)計(jì)要求后，安放φ130臨時(shí)護(hù)筒高出水面，在安放過程中利用鋼管測斜儀來校核柱位與護(hù)筒垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正[2]。

(3)接長護(hù)筒，測量控制鋼護(hù)筒接長傾斜度；現(xiàn)場技術(shù)人員用超聲波無聲檢測儀對(duì)接頭焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測。

步驟二：

用φ120沖擊鍾頭進(jìn)行沖擊，及時(shí)調(diào)整沖鍾的行程及沖擊方法，用撈渣桶清除巖渣。入巖不小于4 m后安裝導(dǎo)管，進(jìn)行C25水下混凝土澆筑。

步驟三：

(1)混凝土澆好后，把臨時(shí)護(hù)筒向上提升50 cm，為方便后面植樁完成后臨時(shí)護(hù)筒的拔出作準(zhǔn)備。

(2)同時(shí)安裝導(dǎo)向架，利用振動(dòng)鍾插入鋼管樁，在植入過程中不斷檢測樁位與護(hù)筒垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正。下沉鋼管樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。等混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，慢慢拔出臨量護(hù)筒。

(3)測量組復(fù)測鋼管樁偏位、傾斜度、頂標(biāo)高符合要求后，方可焊接平聯(lián)及安裝上部結(jié)構(gòu)。

(4)移動(dòng)導(dǎo)向架，進(jìn)行下一根鋼管樁施工。

6.3 施工過程中的不可預(yù)見因素的應(yīng)對(duì)措施

考慮到該地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)情況，在施工過程中如遇穿越巖土交界處、相鄰兩種不同巖層、斷層及傾角大的斜面巖層時(shí)，如何對(duì)植樁的鋼管樁進(jìn)行準(zhǔn)確定位，安放臨時(shí)護(hù)筒就成難題了。如果遇到這種情況，為穿越斜面巖層，采取以下處理方法：首先在施工區(qū)域利用測繩探查水下巖面情況，每50 cm設(shè)一個(gè)點(diǎn)，如探查巖面呈窩狀，可拋擲碎石或塊石黃土，填到巖面呈平緩狀態(tài)，然后安放φ130臨時(shí)護(hù)筒，用φ120沖擊鍾頭進(jìn)行沖擊，及時(shí)調(diào)整沖鍾的行程及沖擊方法，用撈渣桶清除巖渣，入巖4.0 m后安裝導(dǎo)管，進(jìn)行C25混凝土澆筑，進(jìn)入下一步φ100鋼管樁植樁施工；如沖鍾下去還是出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜下沉的情況，可先用φ120沖擊鍾頭放低沖程不間斷鍾擊巖面，時(shí)刻觀測沖擊垂直度，等巖面鍾出一個(gè)臺(tái)階式時(shí)，再換小沖鍾鉆頭繼續(xù)沖擊，直到巖面呈平緩狀態(tài)再進(jìn)行上述植樁施工[3]。

6.4 鋼管聯(lián)系結(jié)施工

水下連接是本工程施工的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，在鋼管植樁完成后，需要先進(jìn)行水下連接，再進(jìn)行露出水面的聯(lián)系結(jié)施工；縱橫向均有水下連接的，先連接縱向，再連接橫向。具體施工步驟如下。(1)將水下連接與抱箍連接成整體，抱箍口通過螺栓將抱箍頂開10 cm距離，便于抱箍下放，通過螺栓a將抱箍連接成整體。(2)將鋼絲繩捆在水下連接的中心點(diǎn)，利用沖擊錘吊桿將聯(lián)系結(jié)放入水中，下放過程中，一側(cè)一個(gè)潛水員，調(diào)節(jié)抱箍的平穩(wěn)，水下連接的頂端連接板系上測繩，測繩的上端通過浮箱上的施工人員控制，便于測量下放的位置?？紤]施工時(shí)候，鋼管樁的垂直度存在誤差，聯(lián)系結(jié)可以通過銷軸調(diào)節(jié)4個(gè)抱箍的位置，便于聯(lián)系結(jié)下放到設(shè)計(jì)位置。

(3)聯(lián)系結(jié)下放到牛腿位置(牛腿提前焊接在鋼管樁上)，調(diào)整好抱箍，拆除螺栓b，將螺栓a用扳手?jǐn)Q緊，使抱箍與鋼管樁連接緊密。

(4)將聯(lián)系結(jié)的[25在交叉點(diǎn)焊接，使結(jié)構(gòu)為剛構(gòu)。

7 結(jié) 語

通過對(duì)千島湖庫區(qū)云常線大橋無(淺)覆蓋層深水鋼棧橋及平臺(tái)搭設(shè)研究，可知深水鋼棧橋控制要點(diǎn)為管樁布設(shè)和應(yīng)對(duì)裸巖的錨樁采用“植樁法”施工。該高速公路已建成通車，該棧橋歷經(jīng)2年半的運(yùn)營，始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，各構(gòu)件牢固穩(wěn)定、剛度大變形小、安全系數(shù)高，保證了工程的順利完成。