無(淺)覆蓋層深水鋼棧橋及平臺搭設研究

周誠兮

(保利長大工程有限公司，廣東 廣州 511431)

1 工程概況

溧陽至寧德國家高速公路云常線大橋跨越千島湖庫灣，橋梁全長806 m，橋墩采用樁基礎，其中2#～17#墩位于水庫中，每個墩位設置8～16根樁基，樁徑1.8～2.2 m。橋位場地水域深度約27.5 m(常水位102 m計)，水下岸坡地形傾向河谷，起伏較大，床覆蓋層較淺(無)，部分橋墩河床為裸強風化鈣質泥巖。

根據新安江水庫(千島湖)1995年～2015年逐月水位統計資料，近21年庫區年平均水位基本維持在97～102 m左右，最低水位93 m，最高水位108 m，其中105 m以下水位淹沒時間變化幾乎沒有周期性的規律可循。庫區(千島湖)，航道等級Ⅶ級，航道凈空38 m×3.5 m。

2 技術標準及功能要求

2.1 技術標準

大橋橫跨千島湖封閉庫區，大型起吊設備無法進場作業，水中樁基建造均采用搭設水上棧橋加固定平臺方式，主要結構設計為：棧橋設計標高+105.5 m；橋面設計寬度8 m；最大跨徑12 m；荷載按80 t履帶吊走行及吊重30 t，混凝土運輸車按40設計；8根樁平臺考慮上2臺鉆機，10根、12根樁平臺考慮上3臺鉆機，14根、16根平臺考慮上4臺鉆機。

2.2 功能要求

棧橋主要用于施工人員通行、施工材料運輸、機械設備作業、架設電力線路和供水管線等，用以輔助橋梁基礎及下部構造的施工。棧橋作為施工中的通道和平臺，除承受施工車輛荷載外，還受到風、浪、水流的作用因此棧橋必須滿足以下要求：

(1)在工作狀態下，云常線大橋橋棧橋應滿足80 t履帶吊和40 t混凝土運輸車正常通行，并具有足夠的安全儲備。

(2)在非工作狀態下，棧橋禁止車輛荷載通行，此時棧橋應能滿足整體安全性的要求。

(3)在棧橋施工狀態下，棧橋應滿足自身施工過程的安全，6級風以上時停止吊裝作業，8級以上大風時應停止棧橋施工。

3 施工棧橋設計

3.1 鋼管樁設計

(1)深水區(水深大于20 m)采用雙排6根Ф1 020 mm×10 mm鋼管板凳樁，在有覆蓋層區域采用單排3根Ф1 020 mm×10 mm鋼管樁基礎，制動墩采用6根Ф1 020 mm×10 mm鋼管板凳樁，樁長根據現場實際打入長度確定。

(2)在有需要時抗傾覆斷面布置單排5根Ф1 020 mm×10 mm，用于鋼管樁的抗傾覆穩定，抗傾覆穩定斷面采用Ф325 mm×6 mm鋼管作為連接系。

(3)根據現場實際情況為加強棧橋整體穩定性，樁間縱橫向采用聯系結連成整體。

(4)鋼管樁采用80 t履帶吊配合DZ90型振動錘由岸邊向江中心打設。根據地質條件，本橋棧橋鋼管樁按照端承樁設計為主，以貫入度控制。

(5)河床為全風化鈣質泥巖或管樁插打不滿足強度及穩定性要求的管樁需設置錨樁[1]。錨樁采用“植樁法”進行鋼管樁施工，采用沖擊鉆成孔，插入管樁并振打，鋼管樁采用混凝土充填。

3.2 承重梁、分配梁、平聯設計

(1)承重梁：樁頂橫向分配梁采用2工40a，雙排樁縱向采用2HN500用作上橫聯及支承貝雷梁的橫向承重。分配梁上布置6片“33”貝雷梁作為縱梁，貝雷片間采用90型標準花窗連成桁架結構。

(2)分配梁：貝雷梁上按照間距75 cm鋪設I20a工字鋼作分配梁，分配梁在兩端通過卡板鎖定在貝雷主梁上。

(3)平聯：棧橋橫向平聯采用φ325 mm×6 mm鋼管，錨樁采用φ526 mm×6 mm鋼管。

4 施工平臺設計

平臺主要是為下部構造施工提供工作平臺，并作為設備、材料臨時堆放場地。平臺頂面標高與棧橋頂面標高一致，采用“鋼管樁+承重梁+貝雷梁”的形式布設。單排樁的橋墩平臺按6 m寬度設計，群樁的橋墩平臺按11.225 m寬度設計，平臺支棧橋寬度為6 m。

鋼棧橋平臺主要考慮80 t履帶吊、相應數量鉆機及混凝土運輸車進行輔助施工作業，輔助平臺下部采用φ820 mm×10 mm鋼管樁及φ325 mm×6 mm平聯+2[20a斜撐，上部采用2工40a承重梁+貝雷梁的形式布設，平臺上再鋪設25a工字鋼+12.6工字鋼分布梁及花紋鋼板作為面板。

5 樁基鋼護筒設計計算

鋼護筒的設計綜合考慮地質情況、插打的工藝，防止鋼護筒變形、防止塌孔、漏漿、確保鉆孔安全以及其他各種因素。

5.1 鋼護筒設計厚度的計算

樁基樁徑為大于1.8 m。鋼護筒采用14 mm三種規格鋼板卷制而成，由集中鋼筋加工廠按9～12 m一節加工運輸至現場焊接下放，樁徑擴大30 cm。

以12#鋼護筒強度按最不利14 mm驗算，護筒受力如圖1所示。

圖1 護筒受力示意圖(單位：cm)

(1)基本數據

鋼護筒在地面以上長度h=27.52 m

混凝土比重取值γr=24 kN/m3

水比重取值γw=10 kN/m3

(2)鋼護筒受力驗算

在混凝土澆筑時混凝土對鋼護筒壁產生壓力qR，在水中水對鋼護筒壁產生壓力qw，因一正一反兩抵后對鋼護筒壁產生壓力qmax，

qmax=γR×h-γw×h=(24-10)×27.52=385.28 kN/m

(1)

(3)鋼護筒強度驗算

取鋼護筒最底位置一截1 m長計算

圖2 護筒受拉力示意圖

由于混凝土對鋼護筒壁的壓力qmax使鋼護筒壁內產生最大拉力N

設最大壓力qmax為均勻受壓F=qmax×1 m=385.28 kN/m

N=F×D/2=346.75 kN

(2)

σ=F/A(面積)=346.75/(1.4×10)=24.77 MPa <1.3[σ]=185 MPa

(3)

滿足施工要求。

5.2 鋼護筒設計長度的計算

(1)計算依據

公路施工手冊《橋涵》。對于深水湖床護筒底端埋置深度的計算公式如下

L=[(h+H)γw-Hγ0]/(γd-γw)

(4)

式中：H封為護筒埋置深度，m；H水為施工水位至湖床表面深度，m；h為護筒內水頭，即護筒內水位與施工水位之差，m；γw為護筒內泥漿容重，kN/m3；γ0為水的容重，10 kN/m3；γd為護筒外湖床土的飽和容重，kN/m3

γd=(Δ+e)γ0/(1+e)

(5)

式中：Δ為土粒的相對密度；取2.76.e為飽和土的孔隙比；取0.3～0.9平均值，取0.6

(2)取值說明

鉆孔樁施工中，為了控制護筒內外泥漿面差值，現場采取了輔助泥漿泵等來調節泥漿面高度，防止護筒內外壓力差過大。本計算，護筒內泥漿面比護筒外差值相對維持在3 m左右。

(3)計算

以10#墩基樁為例進行計算，由公式(5)

γd=(2.76+0.6)/(1+0.6)×10=21 kN/m3

(6)

工況：護筒內泥漿面與施工水位差值3 m。

即：10#墩

h=3,γd=21 kN/m3,γw=11 kN/m3,γ0=10 kN/m3

(7)

由公式(4)：

L=[(h+H)γw-Hγ0]/(γd-γw)

=[(3+27.9)×11-27.9×10]/(21-11)=6.1 m

(8)

即護筒的埋深需大于6.1 m。

6 鋼棧橋關鍵施工工藝

6.1 鋼管樁插打施工

鋼管樁基采用“植樁法”進行鋼管樁施工，用沖擊錘和浮箱配合施工：(1)施工橋臺到岸上基礎墩架設完畢，80T履帶吊上第一跨主棧橋。(2)浮箱運到現場，履帶吊吊裝下水拼裝完成。(3)把沖擊錘鉆機吊到鋼浮箱上進行固定，沖鋒舟牽引到沖孔位置，全站儀定位，精確安裝導向架，浮箱拋錨固定。(4)履帶吊吊裝護筒到導向架內安裝，進行沖孔；(5)沖孔完成后，安裝導管，進行孔內混凝土澆筑；(6)混凝土澆筑完成后拔出導管，復測導向架，把鋼管樁植入混凝土中。

6.2 “植樁法”工藝流程

“植樁法”用沖擊錘和浮箱配合施工，分三個步驟進行。

步驟一：

(1)用浮吊船和浮箱配合施工，利用GPRS定位系統找到樁位位置，把浮箱錨固后，用測繩探查樁位處水下巖面情況，每50 cm設一個點，如果測繩水下偏移值大于50 cm，改用測深儀或水下掃描儀測地層巖面起伏。

(2)安裝導向架，測量復核導向架垂直度和空間位置滿足設計要求后，安放φ130臨時護筒高出水面，在安放過程中利用鋼管測斜儀來校核柱位與護筒垂直度，發現偏差及時糾正[2]。

(3)接長護筒，測量控制鋼護筒接長傾斜度；現場技術人員用超聲波無聲檢測儀對接頭焊接質量進行檢測。

步驟二：

用φ120沖擊鍾頭進行沖擊，及時調整沖鍾的行程及沖擊方法，用撈渣桶清除巖渣。入巖不小于4 m后安裝導管，進行C25水下混凝土澆筑。

步驟三：

(1)混凝土澆好后，把臨時護筒向上提升50 cm，為方便后面植樁完成后臨時護筒的拔出作準備。

(2)同時安裝導向架，利用振動鍾插入鋼管樁，在植入過程中不斷檢測樁位與護筒垂直度，發現偏差及時糾正。下沉鋼管樁至設計標高。等混凝土達到一定強度時，慢慢拔出臨量護筒。

(3)測量組復測鋼管樁偏位、傾斜度、頂標高符合要求后，方可焊接平聯及安裝上部結構。

(4)移動導向架，進行下一根鋼管樁施工。

6.3 施工過程中的不可預見因素的應對措施

考慮到該地區復雜的地質情況，在施工過程中如遇穿越巖土交界處、相鄰兩種不同巖層、斷層及傾角大的斜面巖層時，如何對植樁的鋼管樁進行準確定位，安放臨時護筒就成難題了。如果遇到這種情況，為穿越斜面巖層，采取以下處理方法：首先在施工區域利用測繩探查水下巖面情況，每50 cm設一個點，如探查巖面呈窩狀，可拋擲碎石或塊石黃土，填到巖面呈平緩狀態，然后安放φ130臨時護筒，用φ120沖擊鍾頭進行沖擊，及時調整沖鍾的行程及沖擊方法，用撈渣桶清除巖渣，入巖4.0 m后安裝導管，進行C25混凝土澆筑，進入下一步φ100鋼管樁植樁施工；如沖鍾下去還是出現嚴重傾斜下沉的情況，可先用φ120沖擊鍾頭放低沖程不間斷鍾擊巖面，時刻觀測沖擊垂直度，等巖面鍾出一個臺階式時，再換小沖鍾鉆頭繼續沖擊，直到巖面呈平緩狀態再進行上述植樁施工[3]。

6.4 鋼管聯系結施工

水下連接是本工程施工的一個重點和難點之一，在鋼管植樁完成后，需要先進行水下連接，再進行露出水面的聯系結施工；縱橫向均有水下連接的，先連接縱向，再連接橫向。具體施工步驟如下。(1)將水下連接與抱箍連接成整體，抱箍口通過螺栓將抱箍頂開10 cm距離，便于抱箍下放，通過螺栓a將抱箍連接成整體。(2)將鋼絲繩捆在水下連接的中心點，利用沖擊錘吊桿將聯系結放入水中，下放過程中，一側一個潛水員，調節抱箍的平穩，水下連接的頂端連接板系上測繩，測繩的上端通過浮箱上的施工人員控制，便于測量下放的位置。考慮施工時候，鋼管樁的垂直度存在誤差，聯系結可以通過銷軸調節4個抱箍的位置，便于聯系結下放到設計位置。

(3)聯系結下放到牛腿位置(牛腿提前焊接在鋼管樁上)，調整好抱箍，拆除螺栓b，將螺栓a用扳手擰緊，使抱箍與鋼管樁連接緊密。

(4)將聯系結的[25在交叉點焊接，使結構為剛構。

7 結 語

通過對千島湖庫區云常線大橋無(淺)覆蓋層深水鋼棧橋及平臺搭設研究，可知深水鋼棧橋控制要點為管樁布設和應對裸巖的錨樁采用“植樁法”施工。該高速公路已建成通車，該棧橋歷經2年半的運營，始終保持穩定狀態，各構件牢固穩定、剛度大變形小、安全系數高，保證了工程的順利完成。