陡峭山嶺地形條件下雙向樁基分離式拱座施工技術(shù)

王海峰

(中鐵上海工程局集團(tuán)建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

拱橋作為一種重要的橋梁結(jié)構(gòu)類型，近年來得到不斷發(fā)展應(yīng)用，尤其在山區(qū)峭壁峽谷地貌的特殊地理?xiàng)l件下，大跨拱橋結(jié)構(gòu)無疑是一種較適宜的線路連接方式。而隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對拱橋跨越能力提出越來越高的要求，拱座作為其主要承力結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)亟待發(fā)展完善，雙向樁基分離式拱座結(jié)構(gòu)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鄭萬鐵路重慶段奉節(jié)梅溪河雙線特大橋全長687.8m，設(shè)計(jì)速度350km/h。其主橋?yàn)閯判怨羌茕摻罨炷辽铣惺教峄@拱橋，拱跨340m，矢高74m，一孔跨越梅溪河，無鉸拱結(jié)構(gòu)，拱圈設(shè)計(jì)勁性骨架，弦管內(nèi)壓注C60混凝土，拱圈外包C55混凝土。主橋拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎(chǔ)，水平樁為小傾角結(jié)構(gòu)，樁長15～30m，水平向下傾斜10°，斷面寬6m、高7～8m；豎直樁為大直徑變截面結(jié)構(gòu)，樁頂上部9m部分樁徑3.2m，以下部分樁徑2.8m，樁長在17～25.5m；異形拱座承臺的外輪廓尺寸為寬11.7m、長18.2m、高14.2m。全橋共計(jì)拱座承臺4個(gè)、水平樁4根、豎直樁24根。

1.2 地形條件

橋址位于山區(qū)，梅溪河為U字形河谷地貌，地形起伏大，河岸邊坡陡峭，高差50～60m，自然坡度25°～60°，河面寬約280m。J1，J2號拱座位于兩岸陡坡上，地形地質(zhì)復(fù)雜，施工場地狹小，修建便道困難。樁身處于強(qiáng)、弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r層，考慮附近結(jié)構(gòu)物安全，設(shè)計(jì)要求非爆破開挖，開挖難度大。施工區(qū)域處于三峽庫區(qū)，環(huán)保要求高(見圖1，2)。

圖1 J1號側(cè)拱座三維模型

圖2 J2號側(cè)拱座二維立面(單位：cm)

2 施工部署

2.1 場地規(guī)劃

開工前通過航拍采集現(xiàn)場地形信息，利用傾斜攝影技術(shù)生成三維地形圖，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)圖紙和既有地形條件，合理規(guī)劃施工部署，從既有公路上分支延伸修建施工便道至兩岸拱座施工區(qū)域，充分利用地形條件有效開辟施工場地。

2.2 邊坡支護(hù)

通過地質(zhì)勘察獲取地質(zhì)參數(shù)，采用有限元方法分析拱座邊坡分級刷坡、拱座基坑分層開挖的分區(qū)組合支護(hù)體系，針對不同區(qū)域采用不同支護(hù)方式，綜合各類支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)，做到支護(hù)結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。根據(jù)施工組織，合理確定拱座基坑開挖高度，以便豎直樁與水平樁施工。

2.3 施工順序

綜合考慮施工現(xiàn)場地形條件及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，按先防護(hù)后施工要求，首先分級開挖拱座邊坡。然后根據(jù)兩岸便道距基底高差，以及豎直樁及水平樁的施工要求，確定分3次開挖拱座基坑：第1次開挖至豎直樁作業(yè)高度，保證盡快進(jìn)行豎直樁施工，以實(shí)現(xiàn)工期目標(biāo)；第2次開挖至水平樁洞口底標(biāo)高，以便水平樁施工；第3次開挖至基底，進(jìn)行承臺施工。

2.4 施工方法

豎直樁采取人機(jī)結(jié)合多孔套鉆工藝成孔，大型樁基鋼筋籠主筋徑向雙肢并置，采用內(nèi)外分解安裝成型，最終采用水下灌注工藝成樁。水平樁參照隧道采用上下臺階法開挖成洞，設(shè)計(jì)操作平臺用于鋼筋安裝及混凝土澆筑，預(yù)設(shè)壓漿管在澆筑后壓漿填充保證樁身混凝土密實(shí)。合理確定拱座承臺的施工分層，優(yōu)化設(shè)計(jì)拱腳預(yù)埋支架，精確定位安裝預(yù)埋段。

3 主要施工技術(shù)

3.1 大直徑變截面豎直樁施工

1)人機(jī)結(jié)合多孔套鉆成孔 考慮復(fù)雜地形環(huán)境不滿足大型鉆機(jī)進(jìn)場條件，結(jié)合旋挖鉆孔、人工挖孔等工藝優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出人機(jī)結(jié)合多孔套鉆成孔工藝。根據(jù)樁基變截面以下2.8m樁徑尺寸，先在設(shè)計(jì)樁孔范圍內(nèi)采用直徑1m鉆頭干作業(yè)套鉆4個(gè)小孔，回填小孔后采用人工開挖成孔。該工藝融合了機(jī)械作業(yè)效率高及人工開挖修孔可保證樁孔尺寸精度的特點(diǎn)，套鉆后巖體出現(xiàn)臨空面，便于人工鑿?fù)冢蟠蠼档土顺煽资┕るy度(見圖3)。

圖3 多孔套鉆施工照片及模型

2)大型鋼筋籠分解安裝 豎直樁鋼筋籠主筋采用φ32鋼筋雙肢并置，共108根，鋼筋籠總長在19.5～28m，單根鋼筋籠最重達(dá)22t。由于地形復(fù)雜、場地狹小，大型汽車式起重機(jī)無法進(jìn)場進(jìn)行回轉(zhuǎn)吊裝作業(yè)，采用外主筋組籠吊裝安放+內(nèi)主筋孔內(nèi)散裝的方式進(jìn)行安裝。

根據(jù)70t汽車式起重機(jī)起重性能，將雙肢并置的外側(cè)54根主筋與加強(qiáng)箍、螺旋箍筋整體加工，分2節(jié)采用2臺汽車式起重機(jī)抬吊安裝，鋼筋籠在孔口采用螺紋套筒連接；待外側(cè)鋼筋籠安裝完成后，將事先通長連接完成的內(nèi)側(cè)54根主筋逐根吊入孔內(nèi)，并與已安裝鋼筋籠的外側(cè)主筋逐一對應(yīng)綁扎固定，然后安裝聲測管等附屬設(shè)施(見圖4)。

圖4 大型鋼筋籠分解安裝示意

3)水下灌注成樁 為保證大直徑豎直樁的樁身實(shí)體質(zhì)量，采用水下灌注工藝施工，對于混凝土運(yùn)輸車無法駛?cè)氲臉段唬玫乇门浜瞎嘧⒊蓸丁２捎弥睆?50mm導(dǎo)管，提前通過閉水試驗(yàn)保證導(dǎo)管氣密性良好，然后根據(jù)計(jì)算確定的首灌封底混凝土方量，采用大小2個(gè)料斗配合灌注。

3.2 小傾角水平樁施工

1)水平樁隧洞開挖 第2次開挖拱座基坑至水平樁洞口底標(biāo)高，做好拱座邊坡及基坑支護(hù)，同時(shí)施作水平樁洞門。水平樁斷面尺寸小，普通挖掘機(jī)在洞內(nèi)回轉(zhuǎn)困難，參照隧道施工采用上下臺階法開挖，同步推進(jìn)開挖并及時(shí)完成初期支護(hù)，包括初噴、安裝系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、安裝鋼拱架、復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，進(jìn)入下一循環(huán)。施工前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測，施工過程中做好沉降及收斂等變形監(jiān)測，開挖完成后及時(shí)進(jìn)行隱伏巖溶探測。

2)洞內(nèi)鋼筋安裝 在洞內(nèi)搭設(shè)型鋼支架，作為鋼筋綁扎及混凝土澆筑施工的操作平臺。對于大體積混凝土施工，提前采用軟件模擬分析水化熱影響，鋼筋安裝過程中合理布置冷卻水管(見圖5，6)。

圖5 操作平臺示意(單位：cm)

圖6 水平樁端模開孔施工照片

3)水平樁混凝土澆筑 在洞內(nèi)頂部通過吊筋掛設(shè)泵管，水平樁外端口設(shè)置端模封閉，端模上部設(shè)小孔供泵管通過及人員進(jìn)出，樁身混凝土一次性澆筑成型，從樁底向洞口逐步推進(jìn)澆筑、跟進(jìn)振搗。對于大體積混凝土施工，根據(jù)計(jì)算按要求在冷卻水管中通水降溫；在頂部預(yù)設(shè)高壓注漿管注漿填充，以保證樁身混凝土密實(shí)，最后采用鉆芯法驗(yàn)證樁身質(zhì)量全部合格。

3.3 拱座異形承臺分層施工

1)合理分層 拱座承臺總高度14.2m，單個(gè)承臺混凝土量2 616m3，采用分層法施工。根據(jù)承臺與拱腳預(yù)埋段的尺寸大小及相對位置關(guān)系，考慮混凝土量、預(yù)埋支架設(shè)計(jì)及安裝精度等因素，將承臺劃分為4層澆筑施工。為減小預(yù)埋支架高度、提高預(yù)埋段安裝精度，考慮在第1層承臺混凝土澆筑后安裝拱腳預(yù)埋段定位支架，為保證預(yù)埋段結(jié)構(gòu)的最低點(diǎn)高出第1層混凝土面30～50cm以便安裝，確定承臺第1層澆筑高度為2.5m；其余各層澆筑高度可依據(jù)單次澆筑方量及施工組織等因素確定，第2～4層高度分別為4，3，4.7m，每次澆筑方量均控制在500～800m3。承臺分層及拱腳預(yù)埋段支架立面如圖7所示。

圖7 承臺分層及拱腳預(yù)埋段支架立面

2)承臺施工控制 豎直樁和水平樁施工完成后，第3次開挖拱座基坑至基底標(biāo)高，及時(shí)做好基坑側(cè)壁支護(hù)措施，按要求鑿除樁頭、調(diào)整樁頭鋼筋。根據(jù)有限的場地條件，合理組織現(xiàn)場施工，配置混凝土運(yùn)輸車數(shù)量并規(guī)劃其行駛路線，保證混凝土供應(yīng)滿足現(xiàn)場澆筑需求。第1層承臺施工時(shí)設(shè)置鋼板預(yù)埋件，用于拱腳預(yù)埋支架的安裝固定。

針對拱座大體積混凝土施工，通過有限元軟件模擬分析計(jì)算，采用φ50mm×3.5mm冷卻水管按間距1.0m布置，并合理設(shè)置測溫元件。混凝土澆筑后及時(shí)通水冷卻，并定期監(jiān)測溫度變化，根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整進(jìn)水溫度和流速，以控制水化熱的不利影響。

3.4 拱腳預(yù)埋段安裝

拱腳作為拱肋與拱座承臺的連接結(jié)構(gòu)，拱腳預(yù)埋段的安裝精度直接影響拱橋整體線形，其受力復(fù)雜、安裝精度要求高，設(shè)計(jì)專用的定位支架進(jìn)行預(yù)埋精調(diào)。

1)支架設(shè)計(jì) 單個(gè)承臺的拱腳預(yù)埋段主要由4根φ750×24主弦鋼管及組合角鋼連接桿件組成，每根主弦鋼管長約6m，重約3.7t，埋入承臺3m，埋入端管內(nèi)設(shè)加強(qiáng)鋼筋與承臺連接。由于本橋?yàn)闊o鉸拱結(jié)構(gòu)，且受運(yùn)輸及吊裝場地條件限制，拱腳預(yù)埋段只能采用汽車式起重機(jī)散件安裝，故需專門設(shè)計(jì)預(yù)埋支架以保證預(yù)埋段安裝精度。根據(jù)預(yù)埋段結(jié)構(gòu)尺寸及施工特點(diǎn)，上、下弦管的預(yù)埋支架分開獨(dú)立設(shè)計(jì)。以承臺底以上2.500m作為標(biāo)高基準(zhǔn)設(shè)計(jì)拱腳預(yù)埋支架，支架立柱及主要連接桿采用I18，柱腳與第1層承臺預(yù)埋件焊接，柱頂設(shè)置雙拼I25a橫梁用于安裝定位拱腳預(yù)埋段，采用角鋼作為次要連接桿增加支架整體穩(wěn)定性，桿件間均采用焊接連接。經(jīng)建模計(jì)算，上弦預(yù)埋支架的最大豎向變形發(fā)生在橫梁上，最大數(shù)值≤2mm，其精度滿足施工要求。

2)預(yù)埋段安裝及精調(diào) 預(yù)埋支架分單元加工，現(xiàn)場逐排安裝后采用連接桿件形成整體。根據(jù)定位標(biāo)高，在支架橫梁上采用鋼板墊高，粗調(diào)支架定位標(biāo)高略低于目標(biāo)值，根據(jù)主弦管設(shè)計(jì)定位位置沿豎向、橫向、斜縱向布置好調(diào)節(jié)千斤頂，然后逐根吊裝預(yù)埋段主弦管，并及時(shí)進(jìn)行精調(diào)定位。通過精確的三維坐標(biāo)放樣及現(xiàn)場測量控制，采用倒鏈及千斤頂?shù)仍O(shè)備配合精調(diào)，保證拱腳預(yù)埋段安裝精度。

注意混凝土澆筑時(shí)避免振搗器碰觸支架及拱腳，防止施工干擾導(dǎo)致拱腳變形移位。通過優(yōu)化支架設(shè)計(jì)及現(xiàn)場精調(diào)控制，施工完畢后最終實(shí)測拱腳安裝精度在3mm以內(nèi)，滿足后續(xù)安裝上部拱肋節(jié)段的精度要求，為拱橋施工創(chuàng)造了良好基礎(chǔ)。

4 技術(shù)創(chuàng)新總結(jié)

1)研究應(yīng)用了人機(jī)結(jié)合多孔套鉆工藝，先利用旋挖鉆機(jī)鉆出小孔，然后再人工開挖成孔，大型鋼筋籠采用外主筋組籠安放+內(nèi)主筋孔內(nèi)散裝方式進(jìn)行分解安裝，成功地解決了臨江陡峭山嶺條件下大直徑變截面豎直樁的施工難題，操作方便，質(zhì)量可控。

2)小傾角水平樁參照隧道采用上下臺階法非爆破開挖，樁身內(nèi)部設(shè)置的操作平臺便于水平樁鋼筋、冷卻管等安裝，保證鋼筋骨架穩(wěn)定、冷卻循環(huán)系統(tǒng)通暢；樁身混凝土一次性澆筑成型，頂部預(yù)設(shè)注漿管，確保混凝土澆筑成型后注漿填充密實(shí)，解決了小角度下傾水平樁施工的技術(shù)難題。

3)根據(jù)承臺和拱腳預(yù)埋段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理劃分承臺施工單元，采用分層澆筑法施工，設(shè)計(jì)專用的定位支架，保證拱腳預(yù)埋段安裝精度。

5 結(jié)語

陡峭山嶺地形條件下雙向樁基分離式拱座施工技術(shù)具有較多創(chuàng)新點(diǎn)，通過鄭萬鐵路奉節(jié)梅溪河雙線特大橋的工程實(shí)踐，充分證明其在復(fù)雜地形條件下的優(yōu)越性，綜合技術(shù)水平較先進(jìn)，在以后類似工程中具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。