丁玉春，高 波

(江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

1 工程概況

垣澠高速南村黃河特大橋位于小浪底庫(kù)區(qū)，距小浪底壩址60.75 km(距三門(mén)峽壩址69.35 km)，主橋上部為(60+13×100+60) m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)箱梁，下部采用樁柱一體式結(jié)構(gòu)，主橋橋型布置如圖1所示。半幅橋每主墩4根直徑2.5 m樁基礎(chǔ)，橫橋向樁間距為6.25 m，順橋向間距為5.0 m。墩柱直徑為3.0 m，每墩柱與各樁基中心對(duì)應(yīng)，墩身設(shè)置多道系梁。主橋P4～P15每墩設(shè)置8個(gè)內(nèi)徑3.0 m，壁厚25 mm，長(zhǎng)度一般在66 m以上(重量120 t以上)的Q345C永久鋼護(hù)筒，主橋下部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 地形地貌

橋址位于南村鄉(xiāng)北約1 000 m處，處于澗河與黃河交匯處的西部河谷區(qū)，澗河河谷與黃河河谷呈寬“U”型，地面高程207 m～305 m，河谷寬950 m左右。橋址區(qū)具有典型的河流地貌，進(jìn)一步細(xì)分為河床、低漫灘、高漫灘、階地、丘陵5種微地貌單元。

1.2 水文與地質(zhì)條件

橋址區(qū)橫穿黃河，地表水為常年性流水，旱季流量小，汛期流量增大；枯水期水位標(biāo)高在235 m左右。據(jù)收集水文資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，豐水期最高蓄水位達(dá)275 m。

(a) 主橋立面

(b) 主橋平面

(a) 橫橋向 (b) 縱橋向

橋址區(qū)地貌單元屬河谷階地，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，地基穩(wěn)定性較差。主河槽土層自上而下依次為：粉土、卵石、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。其中飽和粉土、細(xì)砂具有液化性，地基液化等級(jí)為輕微-嚴(yán)重；卵石分布于河床、河漫灘及Ⅰ級(jí)階地，揭露厚度為1.1 m～10.2 m，一般粒徑30 mm～50 mm，最大粒徑150 mm，其中粒徑大于20 mm顆粒約占總質(zhì)量70%，充填細(xì)砂，飽和，稍密。

1.3 施工特點(diǎn)

1) 黃河小浪底庫(kù)區(qū)為季節(jié)性流水，水位起伏較大(常年水位變化高達(dá)40 m)，季節(jié)性明顯。鋼護(hù)筒入土穿過(guò)粉土、卵石、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土，最深達(dá)35 m，其中局部地區(qū)卵石層厚度超過(guò)10 m。

2) 鋼護(hù)筒直徑大，內(nèi)徑為3 m；自重超重，最重為130 t；長(zhǎng)度超長(zhǎng)，護(hù)筒最長(zhǎng)70 m；起吊、運(yùn)輸、沉放等環(huán)節(jié)存在較多困難。

3) 沉放精度要求高。永久鋼護(hù)筒不但是成樁施工的維護(hù)結(jié)構(gòu)，而且還參與受力，這就要求鋼護(hù)筒具有較高精度。本工程鋼護(hù)筒允許偏差：中心偏位小于5 cm、傾斜度不大于1/220；較JTG/T 50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[1]規(guī)定的“平面偏差小于5 cm、傾斜度不大于1/100”精度更嚴(yán)。

4) 小浪底庫(kù)區(qū)施工防洪和水資源保護(hù)要求高，且?guī)靺^(qū)與外面水域不通航，施工組織難度大。

2 施工方案比選

鋼護(hù)筒沉放施工是水上鉆孔灌注樁施工的一道關(guān)鍵工序[2]，目前超長(zhǎng)大直徑鋼護(hù)筒的沉放施工，通常有3種方案，即“施工平臺(tái)+履帶吊+振動(dòng)錘”分節(jié)沉放法、“浮吊+振動(dòng)錘”吊放下沉法、“打樁船+振動(dòng)錘”直接施沉法[3]，方案比選見(jiàn)表1。

表1 施工方案比選

本工程平臺(tái)至漫灘河床高差約35 m，根據(jù)地勘資料，河床表層為15 m的淤泥層，首節(jié)鋼護(hù)筒穩(wěn)定還需入土5 m，這樣首節(jié)鋼護(hù)筒長(zhǎng)度約55 m，其重量將達(dá)100 t以上，需要300 t履帶吊才能滿足，不考慮吊重，履帶吊本身自重就很大，對(duì)棧橋、平臺(tái)的承載力要求太高，且該項(xiàng)目棧橋較長(zhǎng)、平臺(tái)數(shù)量較多，按方案1實(shí)施不經(jīng)濟(jì)。施工水域?yàn)樾±说讕?kù)區(qū)與外界不通航，大型浮吊或打樁船無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，再加上枯水季節(jié)部分段落的河床露出水面，施工受到限制，不能連續(xù)施工，方案2和方案3不可行。

鑒于現(xiàn)有大型鋼護(hù)筒的施工方法，無(wú)法適用于黃河小浪底庫(kù)區(qū)特定水域，因此需要?jiǎng)?chuàng)新一種適用于季節(jié)性水位變化大、與外界不通航庫(kù)區(qū)的大型鋼護(hù)筒施工方法。

3 新方案施工工藝

3.1 施工準(zhǔn)備

1) 鉆孔平臺(tái)搭建。按照樁基施工需搭建鉆孔平臺(tái)，平面布置如圖3所示。南村黃河特大橋鉆孔平臺(tái)緊靠棧橋設(shè)置，平臺(tái)平面尺寸36 m×30 m，頂面標(biāo)高277.4 m，在河床以上35 m～45 m。平臺(tái)采用Φ1 000 mm×14 mm鋼管樁直接打入河床，鋼管樁之間采用Φ500×8 mm鋼管焊接設(shè)置雙層橫向聯(lián)系，鋼管樁頂采用HM58.8 cm×30 cm型鋼作為貝雷梁的承重梁；貝雷梁上放置75 cm間距的I25 cm工字鋼作橫向分配梁，其上鋪設(shè)定型橋面板。平臺(tái)預(yù)留孔尺寸應(yīng)方便施工，并保證平臺(tái)能可靠地承受施工荷載，一般比鋼護(hù)筒外徑大40 cm～50 cm。

2) 龍門(mén)吊配置。龍門(mén)吊起吊重量應(yīng)考慮鋼護(hù)筒在河床著床穩(wěn)定前能吊起接長(zhǎng)后的鋼護(hù)筒，龍門(mén)吊起吊高度應(yīng)盡量減少鋼護(hù)筒現(xiàn)場(chǎng)豎向?qū)拥拇螖?shù)，所對(duì)應(yīng)的分節(jié)鋼護(hù)筒長(zhǎng)度能夠正常起吊，南村黃河特大橋現(xiàn)場(chǎng)龍門(mén)吊主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

單位：cm

3) 履帶吊配置。履帶吊性能考慮能提起振動(dòng)錘和控制鋼護(hù)筒振動(dòng)下沉，以及協(xié)助龍門(mén)吊起吊分節(jié)鋼護(hù)筒，南村黃河特大橋現(xiàn)場(chǎng)履帶吊主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

3.2 鋼護(hù)筒加工

根據(jù)擬定的龍門(mén)吊高度優(yōu)化鋼護(hù)筒分節(jié)長(zhǎng)度，分節(jié)長(zhǎng)度宜12 m～15 m，具體以加工、運(yùn)輸、吊裝方便，同時(shí)兼顧盡量減少鋼板材料的浪費(fèi)和現(xiàn)場(chǎng)接頭數(shù)量為原則，南村黃河特大橋現(xiàn)場(chǎng)鋼護(hù)筒分節(jié)長(zhǎng)度13 m/節(jié)。首節(jié)鋼護(hù)筒底口外側(cè)加焊一圈高約50 cm的鋼板箍，增強(qiáng)鋼護(hù)筒底口剛度使進(jìn)入卵石層時(shí)不發(fā)生卷口、變形，鋼護(hù)筒底口及加焊鋼板箍均開(kāi)坡口，便于切割土體下沉。

表2 龍門(mén)吊主要技術(shù)參數(shù)

表3 履帶吊主要技術(shù)參數(shù)

為防止鋼護(hù)筒在加工、運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中變形，每節(jié)鋼護(hù)筒的兩端及吊點(diǎn)處設(shè)置“米”字形支撐[9]。鋼護(hù)筒端部按對(duì)接需要加工坡口以便焊接接長(zhǎng)，鋼護(hù)筒轉(zhuǎn)運(yùn)前焊接相應(yīng)配屬附件如吊耳等，鋼護(hù)筒上的吊耳設(shè)置如圖4所示。

圖4 分節(jié)鋼護(hù)筒吊耳設(shè)置

3.3 導(dǎo)向架設(shè)置

根據(jù)鉆孔平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工便利性[10]，導(dǎo)向架采用“井”字形型鋼框，內(nèi)側(cè)長(zhǎng)寬尺寸略大于護(hù)筒外徑8 cm～10 cm為宜[11]，如圖5所示。

上層導(dǎo)向架的型鋼框直接支撐在平臺(tái)頂面的定型橋面板上，承受接長(zhǎng)鋼護(hù)筒的豎向荷載并傳遞給平臺(tái)，下層導(dǎo)向架型鋼框固定在平臺(tái)鋼管樁的平聯(lián)管上。為更好地控制永久鋼護(hù)筒平面位置和傾斜度，在現(xiàn)場(chǎng)條件許可情況下，2層導(dǎo)向架之間的間距宜盡量大一些[12]。每層導(dǎo)向架上設(shè)4個(gè)外層橡膠墊導(dǎo)向輪(內(nèi)層為鋼輪，外層為聚氨酯包膠)，如圖6所示。每個(gè)導(dǎo)向輪對(duì)應(yīng)1個(gè)千斤頂，沉放精度通過(guò)雙層導(dǎo)向架上的千斤頂控制導(dǎo)向輪來(lái)實(shí)現(xiàn)[11]。

圖5 導(dǎo)向架平面示意

Fig.5 Plane of guide frame

圖6 外層橡膠墊的導(dǎo)向輪裝置

3.4 測(cè)量定位

上層導(dǎo)向架用全站儀進(jìn)行測(cè)量控制，使導(dǎo)向架中心準(zhǔn)確定位于樁位設(shè)計(jì)中心，下層“井”字形結(jié)構(gòu)安裝由上層導(dǎo)向架垂球法吊線定位[10]，且確保上、下“井”字形框架水平方向穩(wěn)固，上、下方向豎直[13]，如圖7所示。測(cè)量定位后將上層導(dǎo)向架與平臺(tái)橋面板、下層導(dǎo)向架與鋼管樁的平聯(lián)管焊接固定。

圖7 上、下層導(dǎo)向架設(shè)置

3.5 首節(jié)鋼護(hù)筒吊放

平板車(chē)將永久鋼護(hù)筒運(yùn)到平臺(tái)的龍門(mén)吊下，為保證鋼護(hù)筒不變形，起吊時(shí)采用三點(diǎn)吊[14]，即龍門(mén)吊吊鋼護(hù)筒頂2個(gè)吊耳+履帶吊吊鋼護(hù)筒底一個(gè)吊耳，如圖8所示。

圖8 分節(jié)鋼護(hù)筒三點(diǎn)吊

鋼護(hù)筒吊起后，平板車(chē)返回至加工點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)下一節(jié)，龍門(mén)吊繼續(xù)提升，同時(shí)履帶吊鉤下落，實(shí)現(xiàn)鋼護(hù)筒由水平變豎直，拆除鋼護(hù)筒底部的吊點(diǎn)和底口“米”字形支撐。龍門(mén)吊吊起鋼護(hù)筒豎向穿過(guò)上層導(dǎo)向架，下放至首節(jié)鋼護(hù)筒頂部吊耳支撐在上層導(dǎo)向架的型鋼框上，如圖9所示。吊耳避開(kāi)導(dǎo)向裝置支撐在上層導(dǎo)向架型鋼框上，如吊耳位置有偏差，可采用鋼板支墊吊耳或另在鋼護(hù)筒上焊反向牛腿支撐在型鋼框上，使鋼護(hù)筒豎直吊掛在導(dǎo)向架的型鋼框中。

圖9 首節(jié)鋼護(hù)筒吊掛支撐在上層導(dǎo)向架上

3.6 鋼護(hù)筒豎向吊掛接長(zhǎng)

1) 起吊第2節(jié)鋼護(hù)筒。采用與首節(jié)鋼護(hù)筒相同的方法，在履帶吊的配合下龍門(mén)吊將下一節(jié)鋼護(hù)筒豎直吊起后，與之前吊掛支撐在上層導(dǎo)向架型鋼框上的鋼護(hù)筒豎向?qū)?，如圖10所示。

圖10 第2節(jié)鋼護(hù)筒豎向?qū)?/p>

2) 鋼護(hù)筒對(duì)接。對(duì)接前在原鋼護(hù)筒頂口設(shè)置碼板，上節(jié)鋼護(hù)筒傾斜度通過(guò)千斤頂調(diào)整，接長(zhǎng)時(shí)，用全站儀監(jiān)控對(duì)接的傾斜度，滿足要求后先點(diǎn)焊固定，定型后再正式焊接；采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，接長(zhǎng)焊縫采用單邊V形坡口，上節(jié)的坡口角度采用 45°～55°，下節(jié)不開(kāi)坡口，焊縫等級(jí)為一級(jí)，在內(nèi)壁設(shè)內(nèi)襯墊[15]，如圖11所示。對(duì)接后的鋼護(hù)筒按規(guī)范進(jìn)行接縫處的防腐處理。

圖11 鋼護(hù)筒對(duì)接示意

3) 龍門(mén)吊吊起接長(zhǎng)后的鋼護(hù)筒(重量大時(shí)采用頂部4點(diǎn)吊)，割除之前用于吊掛支撐在上層導(dǎo)向架型鋼框上的吊耳，并將接長(zhǎng)后的鋼護(hù)筒徐徐下放，如圖12所示。龍門(mén)吊緩慢松鉤下放，至接長(zhǎng)后的鋼護(hù)筒也利用其頂部吊耳吊掛支撐在上層導(dǎo)向架的型鋼框上。施工中對(duì)吊耳和上層導(dǎo)向架型鋼框按最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算，確保施工安全。接長(zhǎng)后鋼護(hù)筒下端處在2層導(dǎo)向架之間時(shí)，如遇大風(fēng)在鋼護(hù)筒的下端設(shè)置臨時(shí)纜風(fēng)增強(qiáng)鋼護(hù)筒的穩(wěn)定性。

4) 這樣一節(jié)節(jié)接長(zhǎng)鋼護(hù)筒直至最底節(jié)(首節(jié))鋼護(hù)筒到達(dá)河床面，選擇流速較小、水面較為平靜時(shí)龍門(mén)吊徐徐下放鋼護(hù)筒至河床面，進(jìn)入泥面前調(diào)節(jié)上下層導(dǎo)向架上的千斤頂，控制鋼護(hù)筒的平面位置及傾斜度。為防鋼護(hù)筒剛?cè)胪習(xí)r，因河床存在沖刷土質(zhì)分布不均勻，導(dǎo)致鋼護(hù)筒產(chǎn)生不均勻下沉，應(yīng)待鋼護(hù)筒自重被土層摩阻克服不再下沉后再解鉤[16]。

3.7 鋼護(hù)筒振動(dòng)下沉

龍門(mén)吊移位給下沉設(shè)備避讓位置，如圖13所示。

履帶吊提起振動(dòng)錘，操作振動(dòng)錘夾鉗夾緊鋼護(hù)筒頂部，如圖14所示。放松履帶吊與振動(dòng)錘連接鋼絲繩。開(kāi)啟振動(dòng)錘，先點(diǎn)振下沉，確保鋼護(hù)筒穩(wěn)定入土，然后再連續(xù)施振下沉，逐漸增加振動(dòng)頻率，鋼護(hù)筒下沉過(guò)程中注意觀測(cè)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是否有變形，用2臺(tái)全站儀或經(jīng)緯儀成90°方向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鋼護(hù)筒下沉過(guò)程中的傾斜度。

圖12 龍門(mén)吊吊起接長(zhǎng)后鋼護(hù)筒下放

圖13 龍門(mén)吊移位給下沉設(shè)備避讓位置

3.8 鋼護(hù)筒入土穩(wěn)定后接長(zhǎng)

鋼護(hù)筒入土深度不夠時(shí)，在沉設(shè)至下一節(jié)鋼護(hù)筒接長(zhǎng)操作便利的位置，停止振動(dòng)沉設(shè)，吊起下一節(jié)鋼護(hù)筒，與已沉設(shè)穩(wěn)定的鋼護(hù)筒豎向?qū)硬⑦M(jìn)行接縫處防腐處理后，再繼續(xù)沉設(shè)施工。

3.9 鋼護(hù)筒驗(yàn)收、固定

鋼護(hù)筒沉設(shè)到位后，對(duì)平面位置和傾斜度進(jìn)行驗(yàn)收，若水深較大或鋼護(hù)筒頂至河床距離較大時(shí)，鋼護(hù)筒驗(yàn)收合格后在頂部適當(dāng)?shù)奈恢煤附訖M向聯(lián)系鋼管，增強(qiáng)其整體穩(wěn)定性，橫向聯(lián)系鋼管在樁基施工完成永久鋼護(hù)筒剛度增大后拆除。

圖14 鋼護(hù)筒振動(dòng)沉設(shè)

4 結(jié)束語(yǔ)

南村黃河特大橋全橋96根永久鋼護(hù)筒自2017年5月開(kāi)始沉放，同年10月全部結(jié)束，平均每墩 15 d/8 根，完工后檢測(cè)偏位均小于5 cm，傾斜度均小于1/220。該工程實(shí)施效果表明，針對(duì)庫(kù)區(qū)水位變化大、與外界不通航的特點(diǎn)，采用履帶吊配合龍門(mén)吊在鉆孔平臺(tái)上將鋼護(hù)筒分節(jié)吊掛接長(zhǎng)、分次沉放的工藝能夠滿足施工精度和進(jìn)度要求，是一種行之有效的施工方法，為庫(kù)區(qū)水域環(huán)境鋼護(hù)筒施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，可供同類(lèi)橋梁施工參考。

南村黃河特大橋根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、工期等實(shí)際情況，采用履帶吊配合龍門(mén)吊沉放永久鋼護(hù)筒的方法是合理的。應(yīng)用項(xiàng)目若永久鋼護(hù)筒沉放數(shù)量少或工期不緊，可在平臺(tái)上采用2臺(tái)吊車(chē)抬吊或設(shè)置豎向千斤頂代替龍門(mén)吊承擔(dān)鋼護(hù)筒重量及下放功能，可節(jié)約設(shè)備的使用成本。