王志云

(中鐵十七局集團(tuán)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(shè)施，其設(shè)計安全、合理及經(jīng)濟(jì)非常重要。棧橋作為水中橋梁施工材料和設(shè)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(yè)平臺，設(shè)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(shè)計與施工質(zhì)量是水中橋梁施工的關(guān)鍵點之一。基此，本文探討福建山區(qū)某公路深水橋梁棧橋及平臺設(shè)計與施工技術(shù)，旨為深水橋梁臨時設(shè)施施工提供他山之石。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)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(xiāng)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(qū)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(fā)電影響，全年水位上下波動明顯，高差最大可達(dá)9m。

1.3 地形地貌情況

橋址區(qū)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(fā)育，自然斜坡基本穩(wěn)定。

1.4 地質(zhì)情況

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

2 棧橋及平臺設(shè)計

2.1 棧橋及鋼平臺方案設(shè)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(tǒng)一標(biāo)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(wěn)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(wěn)定性。制動墩設(shè)置2排4根鋼管樁，當(dāng)鋼管樁長度超過20m時采用大直徑鋼管樁，以保證鋼管樁穩(wěn)定受力。為加強(qiáng)棧橋鋼管橫向穩(wěn)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(yè)平臺[1]。

2.2 棧橋與鋼平臺設(shè)計

(1)棧橋設(shè)計

棧橋總體設(shè)計：姜坑1#大橋棧橋設(shè)置在線路右側(cè)(上游)，棧橋全長(1+2×12+6×13.5+1)=107m，姜坑4#大橋棧橋設(shè)置在線路左側(cè)(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(biāo)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(jié)構(gòu)設(shè)計

棧橋結(jié)構(gòu)均采用鋼管貝雷棧橋[2]，棧橋設(shè)計跨度為12m、13.5m和15m，均采用鋼管樁作為基礎(chǔ)，鋼管樁采用直徑φ630×8mm和大直徑φ920×12mm2螺旋鋼管，橋跨結(jié)構(gòu)采用貝雷梁，橋面采用型鋼組合面板。棧橋鋼管樁支墩，共設(shè)置4種型號鋼管樁基礎(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)墩——單排2根φ920×12mm螺旋鋼管樁。鋼管上端設(shè)置橫梁——采用工字鋼40a雙拼；橫梁上設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)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(shè)計尺寸為18m×15.2m,鋼管基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)重量[3]。經(jīng)主要工程材料數(shù)量統(tǒng)計，采用G=2.0t/m。

(2)施工荷載

考慮棧橋為臨時結(jié)構(gòu)，棧橋搭設(shè)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(nèi)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(yīng)力、最大剪切應(yīng)力及最大變形驗算，結(jié)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(yīng)力、最大剪切應(yīng)力及最大變形驗算，結(jié)果均滿足要求。

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

偏載系數(shù)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(dāng)70t履帶吊車且吊重15t作業(yè)在D型鋼管基礎(chǔ)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(yīng)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?jīng)_擊荷載

P=9.4t，單根鋼管樁水平?jīng)_擊力P=4.9t。

③鋼管樁穩(wěn)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(jié)、一端可移動但不轉(zhuǎn)動u=1)；

長細(xì)比：λ=99.7<140滿足要求；

查表(b類截面)穩(wěn)定折減系數(shù)：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(jìn)場驗收

棧橋為特殊臨時結(jié)構(gòu)，進(jìn)場后項目總工要組織相關(guān)人員驗收，驗收內(nèi)容包括出廠質(zhì)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(chǔ)施工

(1)施工工藝

受工作面限制,棧橋采用逐跨推進(jìn)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(chǔ))φ920×12mm鋼管基礎(chǔ)采用植樁工藝施工，即采用樁機(jī)先行鉆孔至設(shè)計深度后植入鋼管，定位完成后灌入設(shè)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(jìn)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(jìn)行管樁施工，鋼管樁基礎(chǔ)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(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高一致。鋼管接長時，必須先將接頭切割整齊，管節(jié)對口應(yīng)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(shè)備配合樁基定位；定位后，吊裝設(shè)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(biāo)高控制在±10cm。施打過程中應(yīng)該一氣呵成，中途停頓時間不能太長。

②施工過程，應(yīng)采取入土深度和貫入度雙控保證樁基承載力。當(dāng)樁尖已達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，而貫入度仍較大時，應(yīng)繼續(xù)錘擊，使貫入度接近控制貫入度；貫入度已達(dá)標(biāo)，而樁頂標(biāo)高未達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時，繼續(xù)錘擊100mm，如無異常變化時，即可停錘；當(dāng)樁尖標(biāo)高比設(shè)計標(biāo)高高得多時，報請設(shè)計、監(jiān)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(jìn)行該墩鋼管樁間平聯(lián)、樁頂縱橫梁施工[6]。

4.3 鋼管樁穩(wěn)定連接

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

(2)為加強(qiáng)鋼管樁穩(wěn)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(wěn)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(hù)筒連接，形成一個穩(wěn)定體系。

5 結(jié)語

山區(qū)水庫橋梁施工有其獨特的特點，與大江大海相比，主要區(qū)別在于缺少大型水上設(shè)備；同時，應(yīng)充分考慮山區(qū)地形變化大、地質(zhì)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(shè)計中，采用鋼棧橋及平臺臨時設(shè)施，從結(jié)構(gòu)孔跨布置、材料選擇等方面均做出相應(yīng)設(shè)計，以保證其適應(yīng)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(wěn)定是施工關(guān)鍵。該標(biāo)段棧橋施工完成后使用期間，沒有出現(xiàn)過異常情況，施工車輛通行順利，經(jīng)得起實踐驗證。