西村港跨海大橋棧橋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

鄧加成

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

目前在國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)大量跨河跨海橋梁施工，為了保證橋梁正常施工作業(yè)，施工便道采用鋼棧橋的形式比較多，針對(duì)跨西村港大橋施工環(huán)境特點(diǎn)，并綜合考慮施工進(jìn)度與工程造價(jià)可題，最終設(shè)計(jì)鋼棧橋與鉆孔平臺(tái)輔助主橋施工，鋼棧橋施工便道不僅能夠解決海上橋梁施工沒(méi)有合適的操作空間的技術(shù)難點(diǎn)，而且還提供了安全、舒適的海上施工作業(yè)平臺(tái)，同時(shí)對(duì)于海域環(huán)境沒(méi)有污染，橋梁建成后容易恢復(fù)沿線(xiàn)海域環(huán)境，并不影響設(shè)計(jì)通航。

1 工程概況

西村港跨海大橋項(xiàng)目是廣西北海市重點(diǎn)建設(shè)工程，是連接貫通銀海區(qū)銀灘東區(qū)、竹林組團(tuán)及海洋產(chǎn)業(yè)園的“百里海岸海灘海景大道”，也是北海產(chǎn)城融合、打通向海經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路的財(cái)富通道。大橋位于西村港出海口處，西起渤海路，向東延伸，跨越西村港后落地與林一路相交。由西引橋、主橋、東引橋三部分組成，全長(zhǎng) 2 544.4 m。其中橋梁長(zhǎng)度 1 775.8 m，設(shè)計(jì)采用雙向 6 車(chē)道，荷載標(biāo)準(zhǔn)城-A 級(jí)，行車(chē)速度 60 km/h，通航限界 110 m×12.5 m。主橋采用半漂浮體系雙塔雙索面景觀(guān)斜拉橋，跨徑布置為 38.9 m+70 m+238 m+70 m+38.9 m，主梁為鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)，橋?qū)挒?38 m，主塔 20 #、21 # 墩高度為 84 m，呈漢代銅鳳燈造型，有“鳳冠琴韻”之稱(chēng)。西引橋長(zhǎng) 720 m，東引橋長(zhǎng) 600 m，均采用跨徑 30 m、40 m 簡(jiǎn)支箱梁，分幅布置。根據(jù)工程規(guī)模特點(diǎn)及總體施工安排，需在東、西兩岸堤壩間修建臨時(shí)鋼棧橋一座，以滿(mǎn)足主橋海上施工作業(yè)人員、運(yùn)輸建筑材料和機(jī)械設(shè)備通行（見(jiàn)圖 1、圖 2）。

圖1 西村港跨海大橋主棧橋貫通俯視圖

圖2 西村港跨海大橋主棧橋側(cè)立面圖

2 鋼棧橋重難點(diǎn)分析

2.1 棧橋是輔助橋梁的關(guān)鍵通道

項(xiàng)目工期緊任務(wù)重，原建設(shè)工期由 900 d 壓縮至720 d，施工組織管理難度大，各項(xiàng)施工準(zhǔn)備工作需超前計(jì)劃安排，而主棧橋是修建西村港跨海大橋的生命線(xiàn)和交通要道，必須為主體施工創(chuàng)造有利條件，對(duì)于主橋、東西引橋各墩位能否盡早開(kāi)工和順利實(shí)施具有關(guān)鍵作用，保證水上施工變?yōu)殛懮鲜┕さ耐ǖ牢锪鬟\(yùn)輸通暢。

2.2 受水文地理環(huán)境影響施工難度大

橋位處海岸線(xiàn)距離約為 1 495 m，潮位標(biāo)高約3.0 m，兩岸地面標(biāo)高為 3.0～4.5 m。受潮汐影響，縱向海床標(biāo)高為 -0.65～1.1 m，航道處最深可達(dá) -1.5 m，地勢(shì)低緩。潮位低時(shí)灘涂區(qū)域出現(xiàn)，海面寬度為 150 m 左右，低潮水位為 -0.85 m，海運(yùn)船只易擱淺。巖土成因主要為第四紀(jì)沖、洪積及濱海沉積作用形成的黏土、粉質(zhì)黏土和砂類(lèi)土，管樁入土液化塑性大。同時(shí)，上游分布有“鐵山港”等大型企業(yè)時(shí)有航運(yùn)出海，受通航需求可多次拼拆重建。每年四月至九月是雷暴、雷電活動(dòng)頻繁期，屬典型沿海雷暴活動(dòng)的“多雷區(qū)”，遇龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)或暴雨、大雨，年雷暴天數(shù) 83 d，“雷害”防范風(fēng)險(xiǎn)高，必須加強(qiáng)防范預(yù)控措施。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝施工難度大風(fēng)險(xiǎn)高

棧橋下部結(jié)構(gòu)采用“釣魚(yú)法”［1］施打鋼管樁，上部貝雷梁組拼與鋼構(gòu)件吊裝、聯(lián)結(jié)焊接工序多，各種周轉(zhuǎn)材料一次性投入大，水上作業(yè)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，承重支撐體系穩(wěn)定性要求高，且需滿(mǎn)足主橋鋼箱梁大噸位構(gòu)件上棧橋吊裝作業(yè)，其工藝技術(shù)必須進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)、受力檢算與專(zhuān)項(xiàng)評(píng)審，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)操作規(guī)程，確保棧橋質(zhì)量安全受控。

2.4 棧橋地處生態(tài)保護(hù)區(qū)環(huán)水保要求高

項(xiàng)目橋址屬于熱帶濕熱區(qū)氣候與 Ⅲ 類(lèi)海洋大氣環(huán)境區(qū)，又跨越“金海灣紅樹(shù)林”和蝦塘生態(tài)保護(hù)區(qū)。施工中，堅(jiān)持“環(huán)保、安全、合理、適用”的綠色施工原則，定時(shí)安排專(zhuān)人到岸灘清理垃圾，嚴(yán)禁排放污染海水，最大限度節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染。

3 棧橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 橋位選擇

根據(jù)西村港跨海大橋工程規(guī)模特點(diǎn)及總體施工安排，橋位選擇在東、西兩岸堤壩間 4 #～33 # 墩北側(cè)上游，總體平行于大橋方向，棧橋與主橋中心線(xiàn)相距 22 m，且兩岸縱向貫通，其端頭與兩岸海防堤壩外便道相接。考慮棧橋?qū)嵱眯浴⒔?jīng)濟(jì)性，各主墩承臺(tái)平面大小不同，在東、西引橋與主橋交界處設(shè)加寬彎道，棧橋中心線(xiàn)與同側(cè)邊線(xiàn)錯(cuò)位間距均為 4 m，最寬處輔助墩承臺(tái)邊緣距棧橋中心線(xiàn) 22.8 m，引橋墩承臺(tái)邊緣距主棧橋中心線(xiàn)為 14.5 m。

3.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)參數(shù)［2］

棧橋由西棧橋 4 #～18 # 墩、通航道 18 #～23 # 墩、東棧橋 23 #～S33 # 墩段三部分組成，采用鋼管柱貝雷梁結(jié)構(gòu)形式，總長(zhǎng)度為 1 450 m。設(shè)計(jì)行車(chē)速度 10 km/h，主棧橋荷載不小于 800 kN，支棧橋荷載不小于 1 000 kN，橋面控制標(biāo)高 5.8 m，底面標(biāo)高為 4 m，累年最高潮位 3.3 m，保證棧橋梁部構(gòu)造高于累年高潮位 0.7 m，使用年限 2 年。

下部結(jié)構(gòu)采用φ630×10 mm、φ529×10 mm 鋼管樁，單根長(zhǎng)度 19～22 m，單墩單排 3 根，制動(dòng)過(guò)渡墩雙排 6 根。墩柱高 3～6 m，樁間剪刀撐［20 b 聯(lián)結(jié)系橫向連接，樁頂設(shè)樁帽、牛腿加勁板，上鋪 2I40 a 工字鋼橫梁，橫梁與貝雷梁限位架、墩柱焊接連接。

經(jīng)比選，確定跨徑為 12 m，主棧橋、主墩支棧橋（沿墩周一圈）縱梁采用四組 8 片貝雷梁，橋面寬度為8 m（見(jiàn)圖 3）。每聯(lián)中間設(shè)一處雙排制動(dòng)墩，每三聯(lián)有一孔 6 m 制動(dòng)跨，其它為 3 m 制動(dòng)跨，每三聯(lián)一組正好與三孔邊跨位置相對(duì)應(yīng)，單聯(lián)長(zhǎng)度 39 m 或 42 m，支點(diǎn)均設(shè)置在貝雷梁節(jié)點(diǎn)豎桿位置。引橋墩、主橋邊墩及輔助墩支棧橋垂直于主棧橋下游修建，在制動(dòng)墩附近交會(huì)，跨徑 6 m 或 9 m，縱梁采用三組 6 片貝雷梁，橋面寬為 6 m，保證車(chē)輛在主、支棧橋間順利轉(zhuǎn)彎過(guò)渡（見(jiàn)圖 4）。在主橋東、西兩端錨跨范圍左右設(shè)疊拼式彎道［3］，單側(cè)加寬4 m（見(jiàn)圖 5、圖 6）。考慮跨航道段及東棧橋通過(guò)主橋鋼梁運(yùn)輸車(chē)，橫向分配梁采用工字鋼 I25b@300，西棧橋分配梁采用工字鋼 I20b@300。橋面系鋪設(shè)厚 10 mm 花紋鋼板，兩側(cè)設(shè)防護(hù)欄桿。

圖3 主棧橋及主墩支棧橋橫斷面

圖4 引橋及邊墩支棧橋橫斷面

圖5 17 #～19 # 墩疊拼式彎道平面布置圖

圖6 疊拼式彎道橫斷面圖

3.3 受力檢算

3.3.1 荷載

棧橋拼裝與使用期間采用 QUY75 履帶吊，主臂33 m，最大工作幅度為 15 m，自重 68.6 t，配重 25 t。DZ 60 振動(dòng)錘及夾具重 5 000 kg，每孔單組 2 片貝雷梁最大吊重為 2 400 kg。10 m3罐車(chē)總重為 400 kN，按單車(chē)重力 10 % 計(jì)算，單支墩制動(dòng)力為 50 kN，橋面系沖擊系數(shù)［4］為 1.303。施工人員與機(jī)具荷載為 1.5 kN/m2。

3.3.2 使用期貝雷梁受力檢算

1）有限元模型以 MIDAS 整體建立三維模型如圖 7 所示。僅對(duì)主棧橋貝雷支架受力數(shù)據(jù)分析，利用有限元軟件 midas civil 計(jì)算。

圖7 棧橋三維模型

2）貝雷梁撓度、應(yīng)力按多跨 12 m 連續(xù)梁建模，履帶吊按偏心 50 cm，罐車(chē)按偏心 60 cm 計(jì)算。履帶吊、罐車(chē)最大撓度 f=28.5 mm＜12 000/400=30 mm；罐車(chē)偏載會(huì)車(chē)時(shí)，弦桿最大軸力 415.6 kN＜560 kN；豎桿最大軸力 293.9 kN＞210 kN，支點(diǎn)處單豎桿需加強(qiáng)，并注意控制偏載；斜桿最大軸力 157.5 kN＜171.5 kN，滿(mǎn)足要求［5］。

3）橋面結(jié)構(gòu)檢算橋面系均為常規(guī)做法，詳細(xì)計(jì)算分析略。

3.3.3 臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)檢算

1）荷載及計(jì)算模型豎向荷載分別取罐車(chē)荷載、履帶吊荷載，不計(jì)水流荷載、潮汐荷載及風(fēng)荷載。鋼管樁柱按底部鉸接考慮（見(jiàn)圖 8）。

圖8 臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)模型

2）墩頂橫梁檢算考慮履帶吊、罐車(chē)偏載及棧橋自重，橫梁最大彎應(yīng)力為 113.6 MPa，最大剪應(yīng)力為 75.5 MPa，均滿(mǎn)足受力要求。

3）支墩軸力［6］罐車(chē)偏載自重作用下，單排墩邊立柱軸力最大為 485.9 kN。主橋鋼梁運(yùn)輸車(chē)及自重作用下，單排墩中間立柱軸力最大為 555.9 kN。根據(jù)φ630×10 鋼管截面特性，按最長(zhǎng)外露 6 m，單樁長(zhǎng)細(xì)比 27.4，查表 ψx=0.945，立柱彎應(yīng)力為 46.8 MPa。同理，φ529×10 鋼管單樁長(zhǎng)細(xì)比 32.7，查表 ψx=0.926，立柱彎應(yīng)力為 60.6 MPa。均滿(mǎn)足要求。

4）支墩基礎(chǔ)檢算采用樁底標(biāo)高和貫入度進(jìn)行雙控，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際承載力與貫入度的測(cè)試值。鉆孔勘探資料顯示，12 # 墩附近地層承載力較差，管樁φ630、φ529最小入土長(zhǎng)度分別為 19 m、22 m。樁頂反力 600 kN，單樁承載力 1 496.37 kN，豎向力特征值 748.18 kN。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工方法與工藝

自西岸、東岸堤壩位置起分兩個(gè)作業(yè)面，依次同步平行于主橋方向展開(kāi)施工，再于跨通航段海上相應(yīng)主墩附近位置合龍成橋，并適時(shí)增加資源投入，同步展開(kāi)主橋各墩位支線(xiàn)棧橋、鉆孔平臺(tái)的搭設(shè)施工。鋼管樁、貝雷桁片、各類(lèi)型鋼等周轉(zhuǎn)材料采用平板車(chē)運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)組拼安裝就位。鋼管樁采用“釣魚(yú)法”插打，全站儀控制樁位，每天按成橋 12 m 計(jì)。每個(gè)作業(yè)面各配備一臺(tái)DZ 60 型振動(dòng)錘，一臺(tái) 50 t 履帶吊配合插打鋼管樁，輔助一臺(tái) 400 kW 發(fā)電機(jī)、四臺(tái) BX-315 電焊機(jī)。必要時(shí)，采用 DZ 90 型振動(dòng)錘、75 t 履帶吊插打拔除管樁。

每排管樁打設(shè)完畢后，在樁頂擺放大橫梁，依次成組安裝貝雷梁，再鋪設(shè)橋面系。每孔棧橋完成后，應(yīng)進(jìn)行安全檢查和驗(yàn)收，合格后方可通行車(chē)輛，繼續(xù)下一孔棧橋施工。

施工中，在已架設(shè)的棧橋上，將一孔單組跨貝雷梁懸挑，端頭安裝臨時(shí)導(dǎo)向架（見(jiàn)圖 9）。將管樁吊入定位架內(nèi)，履帶吊小鉤起吊點(diǎn)在管樁 1/3 樁長(zhǎng)位置，樁端用雙夾具固定。待樁身和振動(dòng)錘重力下進(jìn)入河床后，通過(guò)全站儀和錘球觀(guān)測(cè)樁位，對(duì)講機(jī)指揮履帶吊前后、左右擺動(dòng)，以調(diào)整管樁垂直度。檢查無(wú)誤后啟動(dòng)振動(dòng)錘，將管樁振入河床。進(jìn)入海床 2～3 m 后可松開(kāi)吊鉤，讓管樁在振動(dòng)錘的作用下繼續(xù)打入，直至插打成樁。

圖9 棧橋臨時(shí)導(dǎo)向架

4.2 施工控制要點(diǎn)

1）編制跨海棧橋安全專(zhuān)項(xiàng)施工方案，繪制棧橋施工圖，進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與受力檢算，經(jīng)通過(guò)方案評(píng)審后方可實(shí)施。

2）當(dāng)首節(jié)管樁頂位于導(dǎo)向架以上 1～1.5 m，停止振入，移開(kāi)振動(dòng)錘進(jìn)行管樁滿(mǎn)焊接長(zhǎng)，并增焊加勁板。進(jìn)入持力層后，最后 10 擊平均貫入度不超過(guò) 2～4 mm 時(shí)停打。打樁精度控制在 H/100 范圍內(nèi)，且不得超過(guò) 5 cm。

3）主棧橋與支棧橋、平臺(tái)連接處的頂部分配橫梁應(yīng)通長(zhǎng)連接，同向行駛的重型車(chē)輛不得同時(shí)處于一聯(lián)棧橋內(nèi)，保證車(chē)輛和棧橋結(jié)構(gòu)安全［7］。遵循輕車(chē)避讓重車(chē)的行駛原則，且行駛速度不得大于 5 km/h。

4）合理使用和必要的維護(hù)是維持棧橋使用壽命的有力保障。使用期需定期進(jìn)行全方位的檢查和保養(yǎng)。

5）因打樁時(shí)振動(dòng)錘對(duì)樁身周?chē)駬v導(dǎo)致土體液化，減少了樁身土質(zhì)的摩阻力，為確保鋼棧橋穩(wěn)定性，在鋼棧橋施工完成后不得立即使用。待停放三天，經(jīng)驗(yàn)收合格方可投入使用。

6）使用期間設(shè)置沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)，定期觀(guān)測(cè)沖刷情況，檢查貝雷桁架連接處和各構(gòu)件的焊縫，做好鋼棧橋的監(jiān)控測(cè)量。

7）遇大潮汛情、大霧、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣，在安全撤退海上全部機(jī)械設(shè)備人員后，關(guān)閉棧橋，待解除警報(bào)后再使用。

8）支棧橋在對(duì)應(yīng)橋墩施工結(jié)束后進(jìn)行拆除。主棧橋待主橋鋼梁安裝、橋面系施工完成后停止使用，依循“自上向下，后裝先拆、先裝后拆［8］”原則，由跨航道中間合龍段開(kāi)始，向東、西兩岸依次拆除。入土樁必須整根拔除，防止剩余樁頭阻礙船只通航。拆下的棧橋材料用平板車(chē)運(yùn)輸?shù)酱a頭附近堆場(chǎng)臨時(shí)堆放，然后外運(yùn)。

5 結(jié)語(yǔ)

西村港跨海大橋項(xiàng)目主棧橋于 2019 年 8 月 15 日順利合龍成橋。截至目前，主橋各墩位支棧線(xiàn)施工已接近尾聲，成為一道亮麗的北海風(fēng)景線(xiàn)，隨著大橋工程建設(shè)的有序推進(jìn)，已投入使用的主棧橋與支棧橋總體運(yùn)行良好，受到了建設(shè)單位、監(jiān)理單位和社會(huì)各界的高度贊譽(yù)，積累儲(chǔ)備了跨海棧橋施工技術(shù)創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)。