談水中鋼管臨時(shí)支架施工技術(shù)

李英俊 徐結(jié)明

(中鐵三局橋隧分公司，河北 邯鄲 056036)

1 工程概況

廣雅大橋位于柳州市區(qū)，大致呈東西走向。大橋東岸接廣雅路，通往市中心;西岸接河西路和磨灘路，與西環(huán)線(xiàn)相連。大橋?qū)⒘兄行某菂^(qū)與河西片區(qū)以最短捷的路徑有機(jī)的連系起來(lái)，對(duì)柳州市河西片區(qū)的開(kāi)發(fā)，形成柳州市區(qū)路網(wǎng)總體構(gòu)架，配合柳州市調(diào)整社會(huì)經(jīng)濟(jì)布局，帶動(dòng)柳州市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義。

本工程包括主體工程與雅儒路改造工程，主體工程起點(diǎn)里程為:K0+0.000，終點(diǎn)里程為:K1+410.487，主線(xiàn)全長(zhǎng) 1 410.487 m(含引道及橋梁總長(zhǎng))，其中主橋長(zhǎng)546 m，橋?qū)?6 m，結(jié)構(gòu)形式為(63 m+2×210 m+63 m)海鷗式雙孔中承式鋼箱拱橋。主跨拱圈為懸鏈線(xiàn)變截面鋼箱拱，鋼箱拱肋采用等寬變高的單箱單室截面，組合跨徑為主跨雙孔210 m，由于主橋?yàn)閱蜗蚩v坡，因此主拱采用坡拱形式，傾斜角度(即拱腳連線(xiàn)與水平向夾角)為0.273°，其斜向凈跨徑(即兩拱腳起拱點(diǎn)連線(xiàn)距離)為200 m，斜向凈矢高50 m，凈矢跨比1/4，拱軸系數(shù)m=1.6。道路等級(jí)是城市主干路Ⅰ級(jí);設(shè)計(jì)車(chē)速50 km/h;橋下通航標(biāo)準(zhǔn):內(nèi)河航道Ⅲ級(jí);通航凈空:高度為10 m，單向通航孔凈寬為55 m。橋梁立面布置圖見(jiàn)圖1。

2 鋼管支架方案選定

1)根據(jù)橋址實(shí)際情況，大橋東西兩岸拆遷進(jìn)行緩慢，沒(méi)有場(chǎng)地進(jìn)行纜索吊后錨施工，則無(wú)法采用纜索吊吊裝作業(yè);

2)由于橋址處東西兩岸旁有不多的覆蓋層，而柳江內(nèi)覆蓋層很少幾乎沒(méi)有，局部地方有很薄一層砂卵石，若采用先梁后拱的施工方法，則根據(jù)橋面梁分節(jié)段(標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段9 m一塊)需在水中進(jìn)行很多鋼管支架搭設(shè)，既浪費(fèi)材料又無(wú)法滿(mǎn)足工期要求;

3)經(jīng)專(zhuān)家多次評(píng)審確定采用先拱后梁的施工方案，拱肋分三角剛構(gòu)區(qū)和主拱區(qū)，三角剛構(gòu)區(qū)采用三排支架施工，主拱區(qū)分為4個(gè)大節(jié)段和1個(gè)合龍段，在水中搭設(shè)三道鋼管支架支撐，即為臨時(shí)支架加浮吊進(jìn)行吊裝施工，具體如圖2，圖3所示。

圖1 橋梁立面布置圖

3 水中鋼管下部施工

3.1 施工說(shuō)明

主橋13號(hào)，14號(hào)，15號(hào)墩三角剛構(gòu)區(qū)拱肋節(jié)段最大重量為217 t，另柳江內(nèi)局部地區(qū)才有覆蓋層，則需在鋼管樁內(nèi)進(jìn)行鉆孔，澆筑混凝土以確保支架基礎(chǔ)穩(wěn)定性。另用需鉆孔的鋼管樁進(jìn)行搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，減少鋼管投入于水中施工。

圖2 三角剛構(gòu)支架立面布置圖

圖3 主拱支架立面布置圖

3.2 施工工藝

施工工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 水中鋼管下部施工工藝流程圖

3.3 支架計(jì)算

3.3.1 三角剛構(gòu)支架計(jì)算

利用Midas Civil建立拼裝支架空間模型，拼裝工況下的豎向力作用到分配梁上;拱肋異形段B2節(jié)段重217 t，考慮節(jié)段吊裝過(guò)程及受力不均勻影響，節(jié)段重量按270 t考慮。

根據(jù)異形段B2號(hào)節(jié)段重心及鋼管支撐位置，可知鋼管樁從外側(cè)至內(nèi)側(cè)受力分別為 18.2 t，116.2 t，21.6 t。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，柳州地區(qū)風(fēng)速按18.2 m/s考慮，風(fēng)荷載強(qiáng)度按320 Pa，風(fēng)荷載以結(jié)點(diǎn)力施加于鋼管支架相應(yīng)結(jié)點(diǎn)上。拼裝支架底部樁基在入河床為鉆孔，采用固定約束。

1)內(nèi)力計(jì)算。

根據(jù)建模計(jì)算鋼管最不利內(nèi)力:N=117.5 t，My=1.42 t·m，鋼管計(jì)算長(zhǎng)度l=14 m。

鋼管支架豎桿為壓彎構(gòu)件，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，穩(wěn)定性計(jì)算為:

單根鋼管φ1 200×12，截面面積A=59 484 mm2。

經(jīng)計(jì)算，拼裝支架最大組合應(yīng)力為33.8 MPa＜170 MPa;壓桿屈曲穩(wěn)定計(jì)算的最小值為8.1，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均達(dá)到要求。

2)單樁軸向容許承載力計(jì)算。

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，嵌巖樁軸向容許承載力為:

取φ1 200×12的嵌巖樁的軸向容許承載力[Ra]=1 593 kN。拼裝支架樁中受到的最大軸向力為1 175 kN，小于樁的軸向容許承載力，滿(mǎn)足要求。

3.3.2 主拱肋臨時(shí)支架計(jì)算

將風(fēng)荷載、拱肋傳遞下來(lái)的力、支架支反力等輸入Midas Civil建立拼裝支架空間模型，同三角剛構(gòu)支架計(jì)算滿(mǎn)足要求。由于臨時(shí)墩高度高，因拱肋及臨時(shí)支墩上的水平風(fēng)荷載會(huì)在臨時(shí)支架底產(chǎn)生較大彎矩，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)看，如果支架底鉆孔灌注樁抗拔能力不夠，不能有效抵抗軸向拉力，則存在臨時(shí)支架發(fā)生整體傾覆的可能。因此支架水面處與水下鉆孔均應(yīng)有質(zhì)量保證。

3.4 鋼管樁支架基礎(chǔ)施工

1)先用三根鋼管樁根據(jù)江水深度加工成三角穩(wěn)定型，然后測(cè)量定位距施工平臺(tái)3 m處，用振動(dòng)錘振動(dòng)插打以便三角支架更加穩(wěn)定立于河床上。

2)打樁起重設(shè)備用50 t浮吊在風(fēng)浪及水流情況比較好的時(shí)候用75 kW振動(dòng)錘進(jìn)行施工。打樁作業(yè)時(shí)，吊機(jī)吊起振動(dòng)錘，利用振動(dòng)錘的夾子夾住鋼管樁頂口做好下樁準(zhǔn)備。測(cè)量棱鏡立在船舶邊緣，測(cè)量定位并緩慢移動(dòng)船體，直到滿(mǎn)足定位精度要求(5 cm以?xún)?nèi))，緩慢下放鋼管樁直到河床面，再次精確調(diào)整并定位鋼管樁，然后開(kāi)動(dòng)振動(dòng)錘振動(dòng)鋼管樁下沉，振動(dòng)下沉過(guò)程中定時(shí)測(cè)量監(jiān)控，防止管樁偏斜，以便及時(shí)調(diào)整管樁平面位置和垂直度。當(dāng)鋼管樁最后2 min內(nèi)貫入度在5 cm以?xún)?nèi)，可以停錘。然后將插打的鋼管樁與旁邊三角支架用型鋼進(jìn)行剪刀連接保證已插打鋼管樁穩(wěn)定性，連接完成再進(jìn)行下一根插打，再將這一根與上一根插打好的鋼管和三角支架進(jìn)行連接，第三、四根鋼管均按上面步驟進(jìn)行插打與連接。

3)將四根插打的鋼管樁用剪刀撐兩兩連接形成框架，再利用鉆孔鋼管樁搭設(shè)平臺(tái)，在鋼管上焊接牛腿鋪設(shè)分配梁后，再鋪槽鋼面層。

4)平臺(tái)上面擺放鉆機(jī)，進(jìn)行鋼管樁內(nèi)鉆孔。由于覆蓋層很少，鋼管與河床面接觸地方容易漏漿，則通過(guò)清水鉆孔樁法進(jìn)行鉆孔，每根鉆孔2 m～3 m時(shí)進(jìn)行清渣，然后灌注混凝土，靜待24 h后使鋼管樁與河床緊密連接，再進(jìn)行鉆孔至設(shè)計(jì)孔深。每個(gè)平臺(tái)面積有限只能放一臺(tái)鉆機(jī)，采用對(duì)角交叉的鉆孔順序進(jìn)行鉆孔灌注至4根全部灌注混凝土。

4 水中鋼管支架接高施工

孔樁內(nèi)灌注完成混凝土后，則進(jìn)行鋼管的接高，進(jìn)行水上結(jié)構(gòu)物施工。立柱鋼管三角剛構(gòu)區(qū)支架采用直徑1.2 m，主拱臨時(shí)支墩支架采用鉆孔樁直徑1.0 m，中間施工連接系梁，然后接高采用φ0.8 m鋼管。連接鋼管采用直徑0.5 m和0.35 m兩種。主橋接高支架約有2 700 t，鋼材數(shù)量大，水中作業(yè)多，根據(jù)實(shí)際工期，將水中作業(yè)轉(zhuǎn)換到加工場(chǎng)內(nèi)，節(jié)省工期，保證質(zhì)量和施工安全。下面分兩部分進(jìn)行介紹三角剛構(gòu)和臨時(shí)支架鋼管施工:

1)三角剛構(gòu)支架施工。

三角剛構(gòu)支撐架為直接在鉆孔鋼管樁上采用法蘭接高。先在加工車(chē)間焊接φ1.2 m鋼管長(zhǎng)50 cm一端帶有法蘭的剛構(gòu)件，然后將構(gòu)件等強(qiáng)焊接在水中鉆孔鋼管樁上，再進(jìn)行上部支架連接。由于水中插打鋼管樁位置存在偏差，則用全站儀將鋼管樁位置坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，然后將接高鋼管樁一根一根先接高，再根據(jù)測(cè)量位置進(jìn)行放樣，將縱向連接鋼管做成整體進(jìn)行整體吊裝，橫橋向兩根鋼管之間的連接鋼管先在車(chē)間焊接在一根接高鋼管上，再同這根鋼管整體安裝并焊接在另一根已接高的鋼管上。將連接鋼管部分焊接在立柱鋼管上后再連接其他鋼管，然后安排專(zhuān)人進(jìn)行焊接連接，直到全部搭設(shè)完成。

工程實(shí)例照片見(jiàn)圖5。

圖5 工程實(shí)例照片

2)主拱肋臨時(shí)支架鋼管施工。

臨時(shí)支架頂與水面高度在45 m～60 m之間，柳江水深在10 m～20 m之間，為減少鋼管支架水中長(zhǎng)度的自由度，保證支架接高的穩(wěn)定性，在水面以上1 m處增加施工臨時(shí)承臺(tái)，將橫橋向兩兩鋼管連接在一起，另在混凝土上預(yù)埋背面帶有鋼筋的法蘭盤(pán)。承臺(tái)下面距水面1 m的鋼管上焊接交叉剪刀連接系，將一個(gè)平臺(tái)四根鋼管樁形成一個(gè)整體，保證接高支架底部的穩(wěn)定性。

將帶鋼筋的法蘭測(cè)量定位在混凝土承臺(tái)模板里面，再澆筑承臺(tái)混凝土。根據(jù)已經(jīng)預(yù)埋的法蘭之間的尺寸在加工車(chē)間進(jìn)行整體加工接高支架，支架上設(shè)有休息平臺(tái)和施工通道，鋼管之間是法蘭螺栓連接，所以需要進(jìn)行預(yù)拼裝，每個(gè)節(jié)段取12 m～14 m，每?jī)晒?jié)進(jìn)行整體螺栓連接后進(jìn)行焊接，焊接完成后將第一節(jié)運(yùn)輸至安裝部位進(jìn)行整體吊裝焊接，第二節(jié)與第三節(jié)再整體預(yù)制拼裝焊接，完成后將第二節(jié)吊裝至第一節(jié)上用螺栓連接上，其他節(jié)段均按這種流程依次施工。

對(duì)于高聳結(jié)構(gòu)支架在墩頂穩(wěn)定性較差，根據(jù)計(jì)算需對(duì)橫橋向支架和縱橋向鋼管支架之間采用鋼管桁架進(jìn)行連接，使支架之間形成井形框架結(jié)構(gòu)，使支架更加穩(wěn)定。

鋼管支架施工圖見(jiàn)圖6。

圖6 鋼管支架施工圖

5 施工關(guān)鍵技術(shù)控制

1)根據(jù)河床覆蓋層情況在插打鋼管樁時(shí)保證鋼管樁盡量進(jìn)入覆蓋層和鋼管樁垂直度不大于鋼管長(zhǎng)度的1%且不大于2 cm，使鋼管連接后增加平臺(tái)穩(wěn)定性;

2)根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的尺寸調(diào)整鋼管間距，充分利用鋼管樁作為搭設(shè)平臺(tái)和沖孔鋼管，鋼管樁沖孔時(shí)應(yīng)時(shí)刻關(guān)注鋼管沉降，防止鋼管平臺(tái)焊縫開(kāi)裂和孔內(nèi)漏漿現(xiàn)象;

3)支架整體預(yù)制時(shí)一定要在預(yù)拼裝的時(shí)候控制好法蘭的螺栓連接，要保證支架整體吊裝時(shí)能用螺栓連接。

6 結(jié)語(yǔ)

柳州市廣雅大橋主橋拱肋支架的順利、安全施工，使得在河道內(nèi)淺覆蓋層搭設(shè)鋼管支架得以實(shí)施。通過(guò)輔助平臺(tái)的放置，保證鉆孔平臺(tái)鋼管的插打和搭設(shè)，另直接利用鉆孔鋼管直接搭設(shè)鉆孔平臺(tái)節(jié)省了鋼管使用。上部結(jié)構(gòu)支架的連接三角剛構(gòu)支架采用連接系整體拼裝連接，臨時(shí)支墩采用直接整體接高，都大大節(jié)省了水上施工作業(yè)，節(jié)省了工期，且保證了焊接質(zhì)量。

[1] JTJ 025－86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50017－2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JTJ 041－2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4] GB 50205－2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[5] GB 50135－2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].