山區公路深水橋梁棧橋及平臺設計與施工技術

王志云

(中鐵十七局集團第六工程有限公司 福建福州 350011)

0 引言

棧橋和鋼平臺作為水中橋梁施工最重要的臨時設施，其設計安全、合理及經濟非常重要。棧橋作為水中橋梁施工材料和設備的運輸通道，鋼平臺作為水中橋梁樁基及圍堰施工的作業平臺，設計好壞直接影響到水中橋梁施工，而水中橋梁往往是一個項目的控制項或難點工程。因此，從某個程度來說，棧橋及鋼平臺的設計與施工質量是水中橋梁施工的關鍵點之一。基此，本文探討福建山區某公路深水橋梁棧橋及平臺設計與施工技術，旨為深水橋梁臨時設施施工提供他山之石。

1 工程概況

1.1 工程設計概況

G235國道大田德州至溪柏林A2合同段起點，位于大田縣梅山鄉姜坑村，其中橋梁工程包括姜坑1#～4#大橋、揚場坑大橋、茶地坋大橋共計6座，總長1.437km，均跨越三明大田街面水庫。水庫常水位+282.5m，水深5m～31m；其中姜坑1#大橋(3#-5#墩)位于街面水庫中，常水位時水深22m，姜坑4#橋(2#-5#墩)位于街面水庫中，常水位時水深28m。姜坑1號大橋縱斷面如圖1所示。

圖1 姜坑1號大橋縱斷面圖一

1.2 水文情況

該合同段6座橋梁均跨越街面水庫，橋址區最大水深約28m。水庫最大庫容18.24億m3，常水位+282.5m，低水位為+276.00m，受降水、蓄水和放閘發電影響，全年水位上下波動明顯，高差最大可達9m。

1.3 地形地貌情況

橋址區為丘陵夾沖洪積溝谷地貌，地形起伏較大，橋位橋墩高差大，橋臺均位于丘陵斜坡，自然坡度在25°～40°之間，山坡植被發育，自然斜坡基本穩定。

1.4 地質情況

橋址區沖洪積溝谷段上覆第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)淤泥質土、圓礫，其余段地表為第四系坡積層(Qdl)含碎石粉質粘土、碎塊狀強風化石英砂巖(J1l)，素填土零星分布，覆蓋層薄。

2 棧橋及平臺設計

2.1 棧橋及鋼平臺方案設計總體思路

因水深、水位變化高差大，故而考慮選用棧橋而不選擇浮橋。棧橋與鋼平臺考慮統一標高，雖考慮枯水期施工，但保險起見亦需考慮水庫蓄水最高水位的影響，因水深時，棧橋高寬比大，故而需重點考慮棧橋穩定性。同時，考慮河床覆蓋層薄的特點，棧橋支墩多采用制動墩來保證棧橋穩定性。制動墩設置2排4根鋼管樁，當鋼管樁長度超過20m時采用大直徑鋼管樁，以保證鋼管樁穩定受力。為加強棧橋鋼管橫向穩定，所有鋼管連接采用大直徑Φ273×6mm螺旋鋼管連接。鋼平臺既要考慮樁基鉆孔施工，還要考慮到承臺施工，故需考慮鉆孔平臺及作業平臺[1]。

2.2 棧橋與鋼平臺設計

(1)棧橋設計

棧橋總體設計：姜坑1#大橋棧橋設置在線路右側(上游)，棧橋全長(1+2×12+6×13.5+1)=107m，姜坑4#大橋棧橋設置在線路左側(下游)，棧橋全長(1+10×13.5+15+1)=152m。2座鋼棧橋總長度約259m，橋面標高均定為+286.00m，棧橋橋面寬度為6m，棧橋中心線距離橋梁中心線距離為12.5m。

(2)棧橋結構設計

棧橋結構均采用鋼管貝雷棧橋[2]，棧橋設計跨度為12m、13.5m和15m，均采用鋼管樁作為基礎，鋼管樁采用直徑φ630×8mm和大直徑φ920×12mm2螺旋鋼管，橋跨結構采用貝雷梁，橋面采用型鋼組合面板。棧橋鋼管樁支墩，共設置4種型號鋼管樁基礎，分別為A、B、C、D墩型，其中，棧橋A墩型為制動墩——采用雙排4根φ630×10mm螺旋鋼管樁，B墩型采用標準墩——單排2根φ630×10mm螺旋鋼管樁，C墩型為制動墩——采用雙排4根φ920×12mm螺旋鋼管樁，D墩型采用標準墩——單排2根φ920×12mm螺旋鋼管樁。鋼管上端設置橫梁——采用工字鋼40a雙拼；橫梁上設置6片3組貝雷片，分配梁采用I22a工字鋼，間距100cm，采用U型扣件固定于縱梁上；面板采用200×600cm的組合鋼面板；組合鋼面板下部結構，采用9根I14的工字鋼，最大間距25cm，上鋪8mm厚花紋鋼板。

姜坑4號大橋棧橋縱斷面如圖2所示。

(3)鉆孔鋼平臺設計

姜坑1#、4#大鉆孔鋼平臺，采用鋼管貝雷(型鋼)平臺，其中，姜坑1#大橋平臺尺寸為18m×15.2m，姜坑4#大橋平臺尺寸為18m×15.7m；平臺面與棧橋橋面等高設置，為+286.00m，平臺鋼管樁采用大直徑φ920×12mm螺旋鋼管，縱梁采用單組3片貝雷梁，橫梁采用單組2片貝雷梁，分配梁采用雙拼40a工字鋼，面板采用14a槽鋼。

圖2 姜坑1號大橋縱斷面圖二

姜坑1#大橋3#墩、4#墩施工鋼平臺尺寸為18.3m×15.2m，鋼管立柱主要采用4根φ920×12mm鋼管加2根φ630×10mm鋼管輔助,如圖3所示。

姜坑4#大橋2#墩、3#墩的施工鋼平臺尺寸為18m×15.2m，鋼管立柱主要采用4根φ920×12mm鋼管加2根φ630×10mm鋼管輔助，4#墩平臺設計尺寸為18m×15.2m,鋼管基礎采用4根φ920×12mm鋼管加4根φ630×10mm鋼管組合，如圖4所示。

圖3 姜坑1號大橋3#墩、4#墩鋼平臺圖

圖4 姜坑4號大橋2#墩、3#墩鋼平臺圖

3 棧橋及鋼平臺受力計算

3.1 計算荷載

(1)恒載

梁部恒載包括：橫梁、貝雷梁、分配梁、橋面系、欄桿等結構重量[3]。經主要工程材料數量統計，采用G=2.0t/m。

(2)施工荷載

考慮棧橋為臨時結構，棧橋搭設及運行，主要以通行砼罐車、70t履帶吊以及平板運輸車。綜合以上情況僅考慮以下2種荷載作為棧橋主要計算工況荷載。

工況一：10m3砼罐車，如圖5～圖6所示。

圖5 荷載立面圖

圖6 荷載平面圖

工況二：70t履帶吊。履帶與橋面接觸長度為5.15m，接觸寬度(單條履帶)0.76m。

3.2 驗算內容：面板縱梁、分配梁、貝雷縱梁、橫梁、鋼管立柱

(1)面板縱梁14工字鋼：2個工況均分別對最大彎矩應力、最大剪切應力及最大變形驗算，結果均滿足要求。

(2)I22a工字鋼分配梁：2個工況均分別對最大彎矩應力、最大剪切應力及最大變形驗算，結果均滿足要求。

(3)貝雷縱梁：考慮到當70t履帶吊吊重15t且作用于12m跨跨中作業時最不利工況，此時彎矩最大；履帶吊橫向寬4.6m，由6片貝雷梁承受，按集中荷載計算。

偏載系數為1.4，則單片貝雷梁最不利集中荷載Pmax=19.8t；

貝雷梁跨中最大彎矩Mmax=PL/4=59.4t·m<78.82t·m；

最大剪力Qmax=P=19.8t<24.52t；

跨中最大撓度f總=PL3/48EI+0.05n2=13.6mm<30mm；

均滿足要求。

(4)橫梁：當70t履帶吊車且吊重15t作業在D型鋼管基礎上方時為最不利工況下，此時上部重量通過6片貝雷片傳至橫梁上，按6片貝雷梁平均受力。

彎曲應力σ=Mmax/Wx=103.6MPa，滿足要求；

最大剪力Qmax=28.677t<39.7MPa，滿足要求；

最大撓度fmax=4.095mm<10.25mm,滿足要求。

(5)鋼管立柱：按照最不利工況70t履帶吊正好行駛到單排樁(D型墩)正上方時：

①豎向荷載

總荷載：P總=94t,單根鋼管樁豎向荷載：P=47t。

②水平沖擊荷載

P=9.4t，單根鋼管樁水平沖擊力P=4.9t。

③鋼管樁穩定性驗算

鋼管樁回旋半徑ix=32.11cm；

計算長度l=32.0m(一端固結、一端可移動但不轉動u=1)；

長細比：λ=99.7<140滿足要求；

查表(b類截面)穩定折減系數：φ=0.557；

σ=M/W+N/(φA)=126.9MPa<[σ]=160MPa滿足要求。

④鋼管樁承載力計算

最大軸向荷載：由橫梁計算知，2種工況下單根鋼管樁(B型墩)豎向最大軸向N=47t，自重G=9.2t，則鋼管樁基底最大受力Nmax=56.2t。

鋼管樁承載力計算：Q=78.4t>56.2t滿足要求。

4 棧橋及鋼平臺施工要點

4.1 棧橋材料進場驗收

棧橋為特殊臨時結構，進場后項目總工要組織相關人員驗收，驗收內容包括出廠質量合格證、棧橋鋼管樁尺寸與壁厚、貝雷梁型號及配件是否齊全等，驗收合格方可投入使用[4]。

4.2 鋼管樁基礎施工

(1)施工工藝

受工作面限制,棧橋采用逐跨推進施工，水深超過20m處(姜坑1#大橋第3#-5#及姜坑4#大橋2#～5#管樁基礎)φ920×12mm鋼管基礎采用植樁工藝施工，即采用樁機先行鉆孔至設計深度后植入鋼管，定位完成后灌入設計混凝土成樁；其余墩位有覆蓋層的可采用60kW振動錘，激振力為45t，配合履帶吊逐跨進行打入鋼管樁。

(2)施工方法

鋼管樁采用釣魚法施工，70t履帶吊配合振動錘進行管樁施工，鋼管樁基礎施工包括鋼管樁后場加工運輸。棧橋鋼管樁采用保證無明顯缺陷、變形，焊縫飽滿，接頭良好、樁頂標高與設計標高一致。鋼管接長時，必須先將接頭切割整齊，管節對口應保持在同一個軸線上，保證接口對接完好，然后周邊滿焊，如圖7～圖8所示。

圖7 固定鋼管樁示意圖

圖8 姜坑1號大橋棧橋施工圖

(3)施工控制

用全站儀放出橋臺樁和水中樁的位置，采用吊裝設備配合樁基定位；定位后，吊裝設備配合振動錘施打或者安裝鋼管樁。

①施工中，要保證鋼管樁的中心位置和垂直度，垂直度控制在1%，樁平面位置控制在±10cm，樁頂標高控制在±10cm。施打過程中應該一氣呵成，中途停頓時間不能太長。

②施工過程，應采取入土深度和貫入度雙控保證樁基承載力。當樁尖已達到設計標高，而貫入度仍較大時，應繼續錘擊，使貫入度接近控制貫入度；貫入度已達標，而樁頂標高未達到設計標高時，繼續錘擊100mm，如無異常變化時，即可停錘；當樁尖標高比設計標高高得多時，報請設計、監理研究確定[5]。

③一個棧橋墩鋼管樁施工完成，在有條件的情況下立即進行該墩鋼管樁間平聯、樁頂縱橫梁施工[6]。

4.3 鋼管樁穩定連接

(1)鋼管樁打設完成后，截除至設計標高，割出槽體，焊接平面鋼板，吊裝頂面縱橫梁[7]。

(2)為加強鋼管樁穩定性，鋼管頂面橫梁與鋼管樁采用焊接連接，同時待水位較低時焊接鋼管縱橫向連接系，保證鋼管的穩定。

4.4 棧橋與平臺連接

棧橋施工完成后盡快施工鋼平臺，其施工方法及施工工藝、要求與施工棧橋基本一致，并將棧橋與鋼平臺連接、鋼平臺與鋼護筒連接，形成一個穩定體系。

5 結語

山區水庫橋梁施工有其獨特的特點，與大江大海相比，主要區別在于缺少大型水上設備；同時，應充分考慮山區地形變化大、地質變化大、水位較深等特點。本文即針對其特點，在G235國道大田德州至溪柏林A2合同段跨街面水庫姜坑1、2、4號大橋施工設計中，采用鋼棧橋及平臺臨時設施，從結構孔跨布置、材料選擇等方面均做出相應設計，以保證其適應性。棧橋及平臺的施工采用履帶吊“釣魚法”，以確保鋼管樁的穩定是施工關鍵。該標段棧橋施工完成后使用期間，沒有出現過異常情況，施工車輛通行順利，經得起實踐驗證。