劉 晟,周尚實(shí),張敏克
(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)
鋼棧橋常應(yīng)用于水上、水中結(jié)構(gòu)物施工,其結(jié)構(gòu)形式多為“貝雷片+鋼管樁”組合。作為臨時(shí)保通結(jié)構(gòu),鋼棧橋的建設(shè)質(zhì)量、建設(shè)速度對(duì)整個(gè)線路上的施工有著重大影響[1],常規(guī)引孔植樁工藝需配備臨時(shí)場(chǎng)地進(jìn)行挖孔及用于鋼管根部封底的混凝土供應(yīng)。
廣西龍門大橋工程的東引橋段裸巖為強(qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化砂巖,強(qiáng)度在150~300 MPa,海床傾斜角度約為15°,存在振動(dòng)錘難以打入鋼管樁、鋼管樁受水流沖擊定位誤差大、鋼管樁打設(shè)易卷口變形等困難[2],無法進(jìn)行常規(guī)引孔植樁施工。
經(jīng)研究,采用了創(chuàng)新的懸臂引孔法,擺脫了臨時(shí)場(chǎng)地及混凝土的需求,于3個(gè)月內(nèi)完成近千米深水裸巖環(huán)境下的鋼棧橋搭設(shè)。該工藝施工質(zhì)量高,且引孔作業(yè)時(shí)對(duì)臨時(shí)場(chǎng)地、臨時(shí)設(shè)備要求極小,為其他同類型鋼棧橋基礎(chǔ)施工提供了借鑒。
龍門大橋是國(guó)道G228丹東至東興廣西濱海公路建設(shè)的控制性工程,是北欽防一體化基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程之一。線路全長(zhǎng)7.637 km,由引橋+龍門大橋主橋構(gòu)成,東引橋橋跨路線在鬼仔坪至旱涇長(zhǎng)嶺處覆蓋有4~6 m的全風(fēng)化砂巖松散覆蓋層,在吊絲利竹山至松飛大嶺處覆蓋有全風(fēng)化砂巖松散覆蓋層0.5~2 m,在跨越松飛大嶺環(huán)島路附近有0.3~0.4 m的淤泥覆蓋層,在揚(yáng)帆立交處有4 m左右的淤泥覆蓋層。其余地帶均無覆蓋層,如圖1所示。
東引橋鋼棧橋基礎(chǔ)采用10 mm壁厚的φ630 mm螺旋鋼管,樁與樁之間用雙25a槽鋼作為平聯(lián)和斜撐,雙25a
圖1 東引橋線路地質(zhì)示意圖
圖2 東引橋鋼棧橋截面圖(mm)
步驟1:在搭設(shè)好的棧橋上,利用履帶式吊車提前安裝下一跨的貝雷片形成懸臂結(jié)構(gòu),安裝輔助定位架,此處的輔助定位架固定于貝雷片懸臂端頭,用于夾持鋼管樁,避免水流沖擊影響鋼管樁打設(shè)垂直度。履帶式吊車使用“釣魚法”通過90型振動(dòng)錘于輔助定位架上初步打設(shè)帶刃腳的鋼管樁,鋼管樁預(yù)留較大長(zhǎng)度以備后續(xù)二次插打。有關(guān)過程示意見圖3(a)。
步驟2:當(dāng)鋼管樁打入地層10~30 cm并可抵抗水流沖擊后,在貝雷片懸臂端放置沖孔鉆機(jī)。至此懸臂的貝雷片即是臨時(shí)的施工平臺(tái),解決了水上作業(yè)缺少施工場(chǎng)地的困難。再將履帶式吊車后退至前一跨跨中,避免前排鋼管樁處貝雷片所受的荷載過大。將鋼管樁當(dāng)作護(hù)筒,再由沖擊鉆機(jī)采用φ550 mm沖擊鉆頭在鋼管樁內(nèi)部沖孔,沖孔深度約為3~6 m[3]。有關(guān)過程示意見圖3(b)。
步驟3:此步驟類似于樁基礎(chǔ)施工中的護(hù)筒跟進(jìn),完成沖孔后抽取管內(nèi)泥漿至泥漿船,再通過振動(dòng)錘將鋼管樁打入孔內(nèi),鋼管樁底部刃腳將原先550~600 mm的孔洞擴(kuò)孔,以保證鋼管樁管壁可擠壓周遭巖體,確保鋼管樁與巖層之間充分接觸,提高樁端摩阻力;如跟進(jìn)孔深與預(yù)期不符,則重復(fù)步驟2。有關(guān)過程示意見圖3(c)。
(a)步驟1
(b)步驟2
(c)步驟3
2.2.1 刃腳加工
步驟3中鋼管樁插打擴(kuò)孔易使樁尖受擊變形,施工前應(yīng)加強(qiáng)處理。主要采取的加強(qiáng)手段為:焊接一段同等厚度的鋼板于鋼管樁內(nèi)側(cè),加大鋼管樁局部壁厚,并采用火焰切割工藝將鋼管樁端部削切成刃部形狀。該處理方式可有效避免鋼管樁入巖困難。
2.2.2 貫入度觀察
考慮到鋼管樁擴(kuò)孔至孔底時(shí)易直接沖擊完好的巖石,在鋼管樁跟進(jìn)擴(kuò)孔時(shí),插打速度不宜過快,并時(shí)刻記錄當(dāng)前貫入度。受巖層摩阻力影響,貫入度的衰減應(yīng)呈線性變化,當(dāng)前后記錄的貫入度變化幅度不一致時(shí),應(yīng)停止插打,并復(fù)核孔深及管長(zhǎng)。如復(fù)核確定鋼管樁已打入到位則應(yīng)停止跟進(jìn);如未到位,則應(yīng)降低打設(shè)速度,通過管底刃腳緩慢削切孔內(nèi)孤石。
在懸臂引孔施工中,貝雷片共計(jì)懸挑12 m長(zhǎng),端部承受沖孔鉆機(jī)荷載,后側(cè)有履帶式吊車停放,故前排鋼管樁處的貝雷片承受較大彎矩,此工況為最不利工況。
采用Midas軟件建模進(jìn)行有限元分析。模型中采用梁?jiǎn)卧M“鋼管樁+貝雷片”結(jié)構(gòu),鋼管樁入巖部分固結(jié),貝雷片與樁頂橫梁間接觸處、分配梁與貝雷片接觸處均采用剛性連接,兩者都對(duì)位移約束,釋放單元軸向法向上轉(zhuǎn)動(dòng),貝雷片插銷連接處釋放梁端約束,模擬鉸接連接。如圖4所示。
圖4 懸臂引孔模型圖
結(jié)構(gòu)自重系數(shù)為-1,鋼材基本容重取78.5 kN/ m3;80 t履帶吊車觸地面積為8 000 mm×5 440 mm×2,整車含配重、震動(dòng)錘等合計(jì)95.5 t,影響范圍內(nèi)作用于單根分配梁上的荷載為28.4 kN/m;沖擊鉆機(jī)自重為8.7 t,鉆頭自重為1.8 t,鉆機(jī)采用方木支墊,單點(diǎn)觸地面積為500 mm×500 mm,前支撐點(diǎn)處作用于單根分配梁的荷載為48 kN/m,后支點(diǎn)處作用于單根分配梁的荷載為23.2 kN/m。
模型計(jì)算采用容許應(yīng)力計(jì)算法,參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015),臨時(shí)結(jié)構(gòu)分項(xiàng)系數(shù)取1,各項(xiàng)荷載系數(shù)取1,鋼材安全系數(shù)取1.7;型鋼及鋼管樁為Q235鋼材,容許應(yīng)力[σ]=138 MPa,容許剪應(yīng)力[τ]=0.6[σ]=82.8 MPa;貝雷片為Q345鋼材,容許應(yīng)力[σ]=203 MPa,容許剪應(yīng)力[τ]=0.6[σ]=122 MPa;容許位移為1/250最大跨徑,即12 000/250=48 mm。各單元項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表1所示。
懸臂施工法中,各項(xiàng)材料皆符合相關(guān)規(guī)范要求,并留存有大量安全余量,可滿足正常施工需求。
表1 模型內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表
(1)與正常引孔工藝對(duì)比,懸臂引孔法對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備的依賴更小,設(shè)備機(jī)械僅活動(dòng)于已搭設(shè)好的鋼棧橋及貝雷片懸臂端,易于廣泛開展施工。
(2)常規(guī)引孔植樁工藝需使用混凝土護(hù)腳,額外增加了棧橋施工階段對(duì)材料的需求;而懸臂引孔法無須設(shè)置額外的樁底護(hù)腳設(shè)施,無須改善交通運(yùn)輸條件,降低了施工階段的成本投入,提高了材料利用效率。
(3)鋼管樁擴(kuò)孔插打過程中可觀測(cè)插打的貫入度,及時(shí)反映鋼管樁承載摩阻力的數(shù)據(jù),便于施工人員計(jì)算、復(fù)核鋼管樁承載力。
裸巖地質(zhì)下鋼管樁難以插打或易導(dǎo)致鋼管樁樁端變形,而常規(guī)引孔植樁工藝需將材料、設(shè)備運(yùn)送至鋼管樁底部并進(jìn)行處理,此工藝在水上施工難以開展。改進(jìn)自“釣魚法”的懸臂引孔法適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易可靠,成本較傳統(tǒng)引孔植樁工藝更低,符合安全、適用、經(jīng)濟(jì)的原則,在地形條件復(fù)雜、苛刻的情況下可開展大規(guī)模施工。懸臂引孔法應(yīng)用于廣西欽州市龍門大橋東引橋棧橋建設(shè)中,在3個(gè)月內(nèi)完成深水裸巖區(qū)域內(nèi)的逾千米鋼棧橋建設(shè),取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。棧橋投入施工近兩年,期間未出現(xiàn)安全質(zhì)量問題,為水中、裸巖條件下的鋼管樁施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。