海中復(fù)雜地質(zhì)鋼棧橋設(shè)計及施工技術(shù)

高祿巍

(中國鐵建十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116000)

1 概述

大連星海灣跨海大橋西端起于高新園區(qū)河口，向東穿越大連南部海域后在金沙灘東側(cè)登陸。由主橋、引橋和匝道組成，全長4 986 m，其中西側(cè)引橋長1 848 m，主橋長1 486 m，東側(cè)引橋及匝道長1 652 m，主橋?yàn)殡p層地錨式懸索橋，雙層雙向八車道，上、下雙層均為鋼桁梁結(jié)構(gòu)，引橋?yàn)榛炷亮菏浇Y(jié)構(gòu)，引橋采用混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，西側(cè)引橋?yàn)殡p幅單層，東側(cè)引橋?yàn)閱畏p層。海上部分由主橋、引橋和A，B匝道組成，全長4 986 m，其中西側(cè)引橋長1 848 m，主橋長1 486 m，東側(cè)引橋及匝道長1 652 m(見圖1)。

圖1 大橋效果圖

2 工程區(qū)海域資料

2.1 地質(zhì)資料

濱海大道主橋及引橋位于星海灣南部海域，地貌為低丘陵、潮間帶、水下岸坡、礁盤。

東岸地形起伏較大(見圖2)，地面標(biāo)高0 m～27.43 m;灣內(nèi)海水水深變化較大。海床標(biāo)高-15.70 m～-0.20 m，最大相對高差15.5 m。根據(jù)地質(zhì)勘察成果，橋位范圍內(nèi)存在水下暗礁。東岸近海地段巖石裸露，裸露的巖石為強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r、石英巖板巖互層和輝綠巖，弱風(fēng)化石灰?guī)r和輝綠巖，主要分布情況詳如表1所示。

圖2 場地遠(yuǎn)景

表1 裸露基巖分布一覽表

海中地質(zhì)為:淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，天然狀態(tài)下呈軟塑～流塑狀態(tài)，側(cè)向約束力極小，其中淤泥揭露層厚0.30 m～7.60 m，層底標(biāo)高-20.50 m～-6.90 m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土揭露層厚0.40 m～6.20 m，層底標(biāo)高-20.50 m～-10.70 m;場地內(nèi)全風(fēng)化以及強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)下的石灰?guī)r、石英巖板巖互層、輝綠巖在應(yīng)力作用下局部風(fēng)化呈土狀以及碎屑狀、碎塊狀，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，該層物理力學(xué)性質(zhì)不均勻。

2.2 水文條件

2.2.1 水文

本標(biāo)段位于大連星海灣水域，所處海域潮汐屬于正規(guī)半日潮，每日潮位兩漲兩落，平均高潮間隙10 h 12 min，據(jù)歷年潮汐資料，年平均潮位-0.066 m，年最高潮位1.954 m，年最低潮位-2.816 m，年平均高潮位0.964 m，年平均低潮位-1.116 m，受臺風(fēng)影響時，最大海浪高達(dá)8 m。本區(qū)所處海域潮流，漲潮流向西南，落潮流向東北，流速約1.5節(jié)～2.5節(jié)，一般漲潮流速大于落潮流速。

設(shè)計高水位:1.66 m(高潮累積頻率10%);

設(shè)計低水位:-1.38 m(低潮累積頻率90%);

極端高水位:2.42 m(50年一遇);

極端低水位:-2.88 m(50年一遇);

高程采用國家1985高程系統(tǒng)。

2.2.2 波浪

根據(jù)老虎灘海洋站統(tǒng)計資料:星海灣海區(qū)大部分時間的波浪小于0.5 m(占70%)，大于1 m波高的時間僅占5.7%，大于2 m波高僅占0.4%，相對較平靜。

3 棧橋總體設(shè)計

棧橋作為施工材料、機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)和施工人員上、下橋的主要通道，同時也作為海上施工的作業(yè)平臺，起到“海上變?yōu)殛懮稀钡淖饔谩榇_保引橋及各匝道橋梁下部結(jié)構(gòu)施工，大橋東段部分棧橋由一個主線棧橋和兩個支線棧橋共三部分組成。主線棧橋登陸點(diǎn)位于東引橋S1號墩和S2號墩之間，沿主橋線路方向延伸至43號墩處。匝道部分支線棧橋起自A4號墩，于X6號墩處接入主線分岔，經(jīng)主橋雙線之間的平臺聯(lián)通主線棧橋，并沿X線方向兩側(cè)各自延伸支線棧橋。棧橋全寬邊線(近承臺側(cè))距承臺邊線(近棧橋側(cè))3m。東段棧橋共布設(shè)35聯(lián)，全長2 400 m，其中主線棧橋1 860 m，支線棧橋540 m。

本文以東側(cè)引橋及匝道橋所處的海域鋼棧橋施工為例，對裸巖區(qū)、淺覆蓋層區(qū)和深覆蓋層區(qū)鋼棧橋設(shè)計、施工做一總結(jié)，提出針對不同狀況下的施工方法。

3.1 棧橋設(shè)計原則

棧橋作為施工中的通道和平臺，除承受豎向施工車輛荷載外，還受到風(fēng)、浪、潮涌的作用，因此棧橋必須滿足以下要求:

1)在工作狀態(tài)下，棧橋應(yīng)滿足車輛正常通行的安全性和適用性要求，并具有足夠的安全儲備。2)在非工作狀態(tài)下，棧橋停止車輛荷載通行，此時棧橋應(yīng)能滿足整體安全性的要求，允許出現(xiàn)局部可修復(fù)的損壞。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，但6級風(fēng)以上時，應(yīng)停止棧橋施工。

3.1.1 主要設(shè)計參數(shù)

設(shè)計行車速度:10 km/h;

設(shè)計使用壽命:3年。

3.1.2 設(shè)計荷載

永久荷載:棧橋自重;

施工控制活載:500 kN履帶吊載重100 kN;

基本可變活載:350 kN混凝土罐車+施工及人群荷載3kN/m2;

水平?jīng)_擊荷載:35 kN(混凝土罐車的10%，車速不大于10 km/h);

豎向沖擊荷載:105 kN(混凝土罐車的30%，車速不大于10 km/h);

風(fēng)荷載:正常工作狀態(tài)基本風(fēng)壓W0=0.27 kPa(8級風(fēng)，20.7 m/s);

非作業(yè)狀態(tài)基本風(fēng)壓W0=0.65 kPa(抗臺風(fēng)速，31.9 m/s);

波浪力:1.6 kPa(涌潮基本壓力1.2 kPa(對應(yīng)1.5 m/s潮速)+波浪基本壓力0.4 kPa(浪高H=1 m))。

3.1.3 荷載組合

1)棧橋自重+活載;

2)棧橋自重+活載+汽車制動力;

3)棧橋自重+活載+風(fēng)荷載+波浪力;

4)棧橋自重+活載+風(fēng)荷載+波浪力+汽車制動力。

圖3 棧橋橫斷面結(jié)構(gòu)圖

3.2 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋面凈寬6 m，全寬6.5 m，橋面頂標(biāo)高為黃海高程+5.7 m(以老虎灘驗(yàn)潮站歷年的潮汐資料，該海域最大潮位為+2.42 m，考慮海浪浪濺對貝雷梁的腐蝕，棧橋的設(shè)計水位按最大潮位以上1 m考慮，即+3.42 m，選用此高程作為棧橋下橫梁工字鋼底面的設(shè)計高程:H頂=2.42+1+0.36+1.5+0.25+0.126+0.01=5.666，取為5.7 m)。考慮到在施工高峰期間，棧橋上車流量較大，沿線路方向每隔300設(shè)置一個錯車平臺，平面尺寸為45 m×6 m(見圖3)。

根據(jù)海底淤泥覆蓋層厚度的不同，通過結(jié)構(gòu)計算，對本段鋼棧橋結(jié)構(gòu)形式分為深覆蓋層區(qū)和淺覆蓋層區(qū)(含裸巖區(qū))兩種設(shè)計。

3.2.1 深覆蓋層區(qū)

棧橋標(biāo)準(zhǔn)跨15 m，以5跨為1標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)，聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)置制動墩。連續(xù)墩采用單排3根φ720×8 mm鋼管樁，橫橋向樁間距2.5 m;制動墩采用雙排φ720×8 mm鋼管樁，排距3.0 m。鋼管樁于標(biāo)高+0.5 m處設(shè)置φ273×8 mm鋼管平聯(lián)，平聯(lián)與下橫梁之間設(shè)置［20剪刀撐。

棧橋下橫梁采用雙肢Ⅰ36b，以“321”型貝雷桁架作為主梁，兩榀一組，榀與榀之間連接花架的寬度為0.9 m，相鄰兩組貝雷梁中心間距2.5 m，全斷面共計3組。橋面橫向分配梁采用Ⅰ25b@1 500 mm，縱向分配梁采用普通Ⅰ12.6@300 mm，橋面鋪 δ=10 mm厚的Q235b鋼板。

棧橋圍欄硬防護(hù)采用Ⅰ20b工字鋼為豎桿，高度1 m，以［20b槽鋼做扶手欄桿，水平桿采用φ48普通鋼管，壁厚0.3mm(見圖4)。

3.2.2 淺覆蓋層區(qū)

棧橋標(biāo)準(zhǔn)跨12 m，以3跨為1標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)，聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)置制動墩。連續(xù)墩采用單排3根φ720×8 mm鋼管樁，橫橋向樁間距2.5 m;制動墩采用雙排φ720×8 mm鋼管樁，排距3.0 m。鋼管樁于標(biāo)高+0.5 m處設(shè)置φ273×8 mm鋼管平聯(lián)，平聯(lián)與下橫梁之間設(shè)置［20剪刀撐。

圖4 “深覆蓋層區(qū)”棧橋結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

棧橋下橫梁采用雙肢Ⅰ36b，以“321”型貝雷桁架作為主梁，兩榀一組，榀與榀之間連接花架的寬度為0.9 m，相鄰兩組貝雷梁中心間距2.5 m，全斷面共計3組。橋面結(jié)構(gòu)采用厚度為20 cm的鋼筋混凝土預(yù)制板，單塊尺寸為6 m×2 m，貝雷梁與預(yù)制板之間墊置緩沖膠皮(見圖5)。

圖5 “淺覆蓋層區(qū)”棧橋結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

棧橋圍欄硬防護(hù)結(jié)構(gòu)同深覆蓋層區(qū)棧橋。

3.3 施工平臺設(shè)計

為解決本橋各墩在下部結(jié)構(gòu)施工過程中的施工材料堆放或起重設(shè)備作業(yè)的擺放不會影響到施工棧橋上各施工車輛的正常通行以及在施工棧橋上雙向行駛的部分超寬車輛的錯車問題，特在各墩垂直于棧橋方向設(shè)置一作業(yè)平臺，這樣既解決了施工棧橋上車輛間的擁堵問題，又解決了從起始墩到最末墩在各施工過程中做到了互不干擾的問題。施工平臺面與棧橋橋面平齊并連接成整體，便于行車，施工平臺與承臺邊凈距為2.0 m。

施工平臺橋面寬度為8 m，按照50 t履帶吊能夠在平臺上吊裝不大于10 t的工況設(shè)計，共計63個，全長1 992 m。橋面采用δ10 mm鋼板，并做防滑處理。基礎(chǔ)采用φ529×8 mm鋼管樁，鋼管樁基礎(chǔ)順橋向每排3根，樁中心間距3.0 m;橫橋向標(biāo)準(zhǔn)跨度9 m;下橫梁采用雙支Ⅰ36b，以321型貝雷桁架作為主梁，兩榀一組，花架寬度為0.45 m，相鄰兩組中心距3.0 m，全斷面共計3組。貝雷梁頂?shù)臋M向分配梁采用Ⅰ25b@1 500 mm，橋面縱向分配梁采用普通Ⅰ12.6@300 mm，橋面鋪δ10 mm鋼板，橋面標(biāo)高+5.7 m;鋼管樁于標(biāo)高-0.4 m處設(shè)置2［20平聯(lián)，平聯(lián)與下橫梁之間設(shè)置［20剪刀撐;外側(cè)采用直徑48 mm鋼管做圍欄硬防護(hù)，欄桿的豎桿、扶手涂刷上紅白相間的油漆，并粘貼反光膜用于警示橋梁界限，豎桿高度1 m。每隔30 m設(shè)置安全警示燈，每隔20 m設(shè)置夜間照明燈。為了確保作業(yè)平臺的穩(wěn)定性和抗傾覆性，因?yàn)槁膸У跽玖⒃谄脚_邊緣吊裝較重物體時，履帶吊前支點(diǎn)對平臺的壓力比較大，為減小履帶吊前支點(diǎn)對棧橋貝雷梁的彎矩，盡量將荷載分散，考慮將靠近承臺側(cè)的貝雷梁由兩榀一組更換為三榀一組，這樣就增大了貝雷梁的剛度和穩(wěn)定性(見圖6)。

防撞措施:在平臺右側(cè)設(shè)置兩排鋼管樁作為防撞設(shè)施，主要靠泊工程駁船及運(yùn)輸駁船。防撞設(shè)施由鋼管樁和連接系統(tǒng)組成。該平臺樁基采用φ529×8 mm鋼管樁，按照4 m×4 m呈矩形布置，共13列，每列2根，共計26根。鋼管樁連接系采用2［20焊制的槽鋼盒組成，剪刀撐采用［20槽鋼，采取縱向、橫向及交叉連接方式，將所有鋼管樁聯(lián)結(jié)成一個整體。防撞墩橫截面如圖7所示。考慮靠泊船舶的類型和尺寸、靠泊方式、碼頭結(jié)構(gòu)形式、水位變幅和使用要求等因素，在每個防撞樁外側(cè)連續(xù)布置橡膠、輪胎護(hù)舷。

圖6 施工平臺橫斷面結(jié)構(gòu)圖

圖7 防撞墩立面圖、樁位平面布置圖

4 棧橋主要施工方法

在搭設(shè)棧橋時，先搭設(shè)主線棧橋，當(dāng)主線棧橋完成后再搭設(shè)A，B匝道(A5號～A10號墩)右側(cè)支線棧橋，S線左側(cè)(S1號～S6號墩)支線棧橋在X0號～X6號墩上部梁體架設(shè)完成后搭設(shè)，用以施工S1號～S6號墩。由于受作業(yè)場地的限制，棧橋采用船載50 t履帶吊逐跨推進(jìn)施工，即履帶吊置于1 000 t的工程駁船上直接進(jìn)行打樁、貝雷梁架設(shè)。待搭設(shè)完成足夠長度的棧橋形成一定的作業(yè)面后，1臺50 t履帶吊和1 000 t的工程駁船配合插打鋼管樁，用100 t浮吊將另1臺50 t履帶吊置于棧橋上，進(jìn)行下橫梁、貝雷梁、縱橫向分配梁的安裝和橋面板鋪設(shè)，逐跨推進(jìn)。

4.1 鋼管樁施工

海上鋼棧橋搭設(shè)的第一道工序是鋼管樁插打，同時也是最關(guān)鍵的工序。經(jīng)過對本橋施工區(qū)域內(nèi)的海底地質(zhì)情況進(jìn)行研究，分為兩種施工方法:1)淺水區(qū)、淺覆蓋層、裸巖區(qū)的鋼管樁施工;2)深水區(qū)、深覆蓋層區(qū)鋼管樁施工。

4.1.1 淺水區(qū)、淺覆蓋層、裸巖區(qū)的鋼管樁施工

按照地質(zhì)資料顯示，本區(qū)域?yàn)榻秱?cè)且?guī)r層傾角較大。經(jīng)過多次方案比選，采用環(huán)切法施工和鋼板凳法施工。

環(huán)切法采用自行設(shè)計加工的環(huán)切鉆頭施工，在淺水區(qū)和淺覆蓋層區(qū)采用高壓風(fēng)輔助作業(yè)，深水區(qū)采用高壓水輔助作業(yè)。成孔后再將鋼管樁插打到位，樁外側(cè)四周拋填砂袋后灌注混凝土形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。

“鋼板凳法”，即采用雙排鋼管樁焊接成一個板凳形式，每根鋼管樁長短根據(jù)地形確定，上部平齊安放縱梁;樁身上部剪刀撐和橫聯(lián)焊接完成后即安放下橫梁。“鋼板凳法”為在每個棧橋墩位均采用雙排鋼管樁，鋼管樁采用模具定位，使每根鋼管樁可以自由下沉，當(dāng)沉至海底不動后將兩排鋼管樁進(jìn)行垂直度和平面定位，焊接平聯(lián)和剪刀撐加固，使其形成一個板凳的形式，然后在樁周身拋擲砂袋，從樁內(nèi)灌注水下不分散混凝土，灌注高度2 m左右，混凝土從管口向外流，與樁周圍砂袋形成一個整體。施工時，先將φ529鋼管樁插入模具內(nèi)，鋼管樁的長度根據(jù)地形實(shí)測數(shù)據(jù)計算后確定;吊裝時，模具帶著鋼管樁就位，鋼管樁在導(dǎo)管內(nèi)可以自由伸縮。鋼管樁安裝完成后，拆除模具至下一個墩位繼續(xù)安裝鋼管樁施工。

4.1.2 深水區(qū)及深覆蓋層區(qū)的鋼管樁施工

深水區(qū)且覆蓋層較厚，鋼管樁可以直接打入海底覆蓋層內(nèi)，直至持力層。鋼管樁的插打采用50 t履帶吊起吊DZ90型振動錘逐跨推進(jìn)，履帶吊置于1 000 t的工程駁船上。待搭設(shè)形成一定作業(yè)面后(至少1聯(lián))，采用50 t履帶吊位于安裝好的棧橋上逐跨推進(jìn)棧橋上部結(jié)構(gòu)施工。鋼管樁插打前根據(jù)樁位圖計算每一根樁中心的平面坐標(biāo)，同時確定好插打順序，防止先施打的樁妨礙后續(xù)的樁施工。鋼管樁的插打可以采用以下兩種方法:

1)浮吊施工法。所謂“浮吊施工法”，即是首先采用浮吊或者船載履帶吊輔助振動錘完成鋼管樁振動下沉，待完成樁頂處理之后，鋪設(shè)工字鋼下橫梁，再起吊已經(jīng)預(yù)拼好的貝雷梁直接進(jìn)行架設(shè)，最后鋪設(shè)橋面結(jié)構(gòu)的施工方法，見圖8。

圖8 “浮吊施工法”施工棧橋示意圖

該施工方法適用于作業(yè)區(qū)域內(nèi)的水深較大，能夠滿足浮吊或者駁船的工作吃水深度的工況。

采用此種施工方法的優(yōu)點(diǎn)是可以迅速打開工作面，在船機(jī)及吊機(jī)足夠的情況下，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)開花，全面開工。但是受海況和天氣的影響較大，如遇較大風(fēng)浪，船機(jī)顛簸嚴(yán)重，鋼管樁的定位精確度不高。

2)釣魚法。所謂“釣魚法”，即是在前期已經(jīng)搭設(shè)完成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且足夠長度的棧橋之后，履帶吊上棧橋直接向前推進(jìn)作業(yè)，完成鋼管樁插打、貝雷梁架設(shè)及橋面結(jié)構(gòu)等工作的施工方法，見圖9。

采用此種施工方法的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)受天氣影響程度較小，履帶吊位于棧橋上比較穩(wěn)定，不會晃動，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，在海面風(fēng)力不超過6級的情況下，采用“釣魚法”可以進(jìn)行正常施工。但是受履帶吊(50 t)起重能力和作業(yè)半徑的限制，采用“釣魚法”施工的棧橋跨度不得大于12 m，因此只能進(jìn)行淺覆蓋層區(qū)域棧橋的施工，或者直接從岸邊開始的棧橋施工。

4.1.3 鋼管樁抄平及水平橫聯(lián)

圖9 “釣魚法”施工棧橋示意圖

鋼管樁打設(shè)好后，緊接著按設(shè)計標(biāo)高抄平切割，焊接φ273 mm鋼管平聯(lián)及［20剪刀撐。鋼管頂橫向開27 cm寬，36 cm深的槽口，然后用履帶吊將提前拼裝、焊接好的2Ⅰ36b工字鋼放入鋼管槽口內(nèi)，與鋼管頂面持平，形成水平聯(lián)系。管樁槽口與工字鋼之間采用鋼板滿焊連接，工字鋼底管樁兩側(cè)用鋼板焊接加勁牛腿，工字鋼兩側(cè)腹板采用鋼板焊接加勁肋板。至此，工字鋼下橫梁、鋼管樁和加勁牛腿被完全連成一個結(jié)構(gòu)整體，避免局部失穩(wěn)。平聯(lián)、加勁板等均采用等強(qiáng)焊縫。

4.2 貝雷梁及橫向分配梁、縱向分配梁和橋面板拼裝

貝雷梁首先在陸上、船上或已搭設(shè)好的棧橋上按每組尺寸拼裝好，然后運(yùn)輸?shù)轿唬茉O(shè)在Ⅰ36b工字鋼上方，并依次安裝固定銷子及花架。架設(shè)步驟為:

1)在下部結(jié)構(gòu)樁頂橫梁上進(jìn)行測量放樣，定出貝雷架的準(zhǔn)確位置。2)將拼裝好的一組貝雷主桁片裝船并運(yùn)至履帶吊后面或已經(jīng)架好的棧橋橋面上。3)每兩貝雷片分為一組，履帶吊首先安裝一組貝雷梁，準(zhǔn)確就位后先牢固捆綁在橫梁上，再安裝另一組貝雷片，同時與安裝好的一組貝雷片剪刀撐進(jìn)行連接。依此類推完成整跨貝雷梁的安裝。

需要注意的是，貝雷梁與下橫梁接觸的兩側(cè)必須焊接倒“U”形固定槽鋼擋塊，防橫移。

為了提高棧橋搭設(shè)效率和施工進(jìn)度，提前在鋼結(jié)構(gòu)加工場地內(nèi)或船舶上將棧橋Ⅰ25b，Ⅰ12.6按照設(shè)計間距焊接成6 m×6 m的“網(wǎng)片”節(jié)段。貝雷梁安裝固結(jié)完成以后，采用50 t履帶吊直接吊裝“節(jié)段”置于貝雷梁上，安裝φ18鋼筋制作而成的騎馬螺栓，將Ⅰ25b分配梁和貝雷梁連接在一起，再將厚度為10 mm鋼板點(diǎn)焊在Ⅰ12.6工字鋼上，完成棧橋主體結(jié)構(gòu)施工。

4.3 橋面附屬結(jié)構(gòu)施工

棧橋橋面欄桿高1.0 m，欄桿立柱和水平桿均采用 φ48×3mm鋼管，立柱間距1.5 m，鋼管底部焊接在Ⅰ25b分配梁上。

5 結(jié)語

星海灣跨海大橋東段部分受匝道橋設(shè)計影響棧橋工程量大，海中地質(zhì)復(fù)雜，投入的人員、機(jī)械及材料數(shù)量多，經(jīng)過對地質(zhì)的多次實(shí)勘和對多種方案的比選，確定的方案目前已經(jīng)實(shí)施完成，并投入運(yùn)行近1年的時間，從設(shè)計到施工上均達(dá)到了使用功能，安全性較高，為主體工程施工奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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