海中软弱地层箱梁现浇支架设计与搭设技术研究

刘成和

(中铁十四局集团有限公司市政工程分公司 山东青岛 266071)

1 引言

随着我国桥梁建设事业的不断发展，铁路简支箱梁的跨度不断增大，梁体的重量也在不断增加。目前铁路架桥机能够架设的简支箱梁最大跨度为32 m，40 m简支箱梁的预制建造技术已取得突破性进展。但在一些特殊地段简支梁跨度要求更大，采用预制架设法已无法实现，只能采取节段预制拼装或现场支架现浇的施工方法。在海中淤泥质软弱地层中进行大吨位简支箱梁支架现浇[1]，施工难度和安全风险都很高，如何消除支架的不均匀沉降，提高支架的横向抗风、抗波浪冲击能力，是施工中需要解决的一大难题。

2 工程背景

青连铁路跨胶州湾特大桥跨越胶州湾区段，设计采用40孔50 m预应力混凝土节段预制拼装箱梁通过。其中第175～178孔设计梁长为49.8 m，截面采用单箱单室、等高度简支箱梁形式。箱梁计算跨度为48.2 m，桥面宽度11.6 m，箱梁底板宽6.4 m，梁高4.3 m，支座中心至梁端0.85 m，横桥向支座中心距为5.1 m。采用C50混凝土，单孔重量约1 800 t。

由于受节段拼装法工艺及工效限制，采用原设计的节段预制拼装法施工，无法满足施组工期要求。为保证海中桥按期顺利贯通，将原设计的节段预制拼装施工变更为梁柱式支架现浇施工。

胶州湾为典型的半日潮，平均潮差为3.46 m，最大潮差为6.8 m。桥址表覆第四系全新统人工堆积层杂填土、冲海积层粉质黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥及砂类土；下伏白垩系下统青山群泥质粉砂岩。在此环境条件下，进行梁体支架现浇，施工难度大、安全风险极高。

3 支架设计方案及检算

3.1 海中箱梁支架现浇的风险分析

在海中淤泥质黏土、粉土、粉细砂地层中，采用梁柱式支架进行大跨度箱梁现浇存在以下困难和风险：

(1)在软弱地层中，钢管桩支架可能产生不均匀沉降，从而导致混凝土开裂、成桥后桥面标高不满足要求；

(2)饱和砂层液化可能引起钢管桩承载能力不足，从而导致支架局部失稳；

(3)海洋环境下横向波浪力、风力对支架的横向稳定性会产生一定的影响；

(4)每天涨落潮，海水长时间浸泡对钢管桩具有较大的侵蚀性，钢管桩需进行耐蚀处理；

(5)海上施工作业场地狭小，施工机械设备、材料运输、堆放干扰大，施工组织困难。

3.2 梁柱式支架布置

综合上述各种因素，支架立柱选用φ630×8 mm的螺旋钢管，每排5根，每孔9排；钢管桩顶设240a工字钢作为支架横向主梁，纵桥向采用贝雷梁作为纵向主梁；贝雷梁上方横桥向设置20a工字钢作为分配梁，间距为60 cm，上方纵桥向铺设15 cm×10 cm方木，中心间距30 cm，方木上铺设厚15 mm竹胶板作底模。翼缘板下部采用碗扣式钢管支架，支架顶横桥向布设15 cm×10 cm方木作为主横梁，上方纵桥向铺设10 cm×10 cm方木作为分配梁。侧模采用15 mm厚竹胶板作面板，并采用10 cm×10 cm方木作肋加固，间距为0.3 m。支架布置形式如图1、图2所示[2-4]。

图1 支架立面布置图

图2 支架断面图

3.3 支架的受力检算

在海中淤泥质黏土、粉土、粉细砂地层中进行支架现浇施工，钢管立柱的下沉和稳定性最易出现问题，因此主要对立柱的受力及横向稳定性进行检算，贝雷梁及模板系统受力检算不再赘述。

3.3.1 钢管桩嵌固深度计算

根据《港口工程桩基规范》(JTS 167-4-2012)式(D.3.3-3)，桩的相对刚度系数T(m)为：

式中，Ep为桩材料的弹性模量，钢材为2.1×108kN/m2；Ip为桩截面的惯性矩，此处为1.02×10-3m4；m为桩侧地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系数，取4 500 kN/m4；b0为桩的换算宽度，取b0＝2d＝2×0.63＝1.26 m，d为钢管桩直径。

根据《港口工程桩基规范》式(4.3.2)，嵌固点深度可取为：

t＝ηT＝2.2×2.06＝4.5 m

式中，η为系数，取1.8～2.2；T为相对刚度系数(m)。

按照水位最深的钢管计算，则钢管立柱长度取为12.5+4.5＝17 m，并在底端固结。

3.3.2 钢管桩波浪力计算

根据《海港水文规范》(JTS 145-2-2013)式(8.3.2-5、8.3.2-6、8.3.4-4)可知最大总波浪力矩为：

式中，H为建筑物所在处进行波波高(m)；L为波长(m)；CD为速度里系数，圆形截面取1.2；γ为水的重度(kN/m3)；D为柱体的直径(m)；K3、K4为系数，可查表确定；A为柱体的断面面积(m2)；MDmax为作用于柱体计算高度上的最大速度力矩(kN·m)；MImax为作用于柱体计算高度上的最大惯性力矩(kN·m)；Mmax为作用于柱体计算高度上的最大总波浪力矩(kN·m)。

由上式得，钢管桩所受最大波浪力矩为214.5 kN·m。

3.3.3 钢管桩横向风荷载计算

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)式(8.1.1-1)：

Wk＝βzμsμzw0

式中，Wk为风荷载标准值(kN/m2)；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压(kN/m2)。

贝雷梁和主梁的风荷载标准值为：

Wk1＝1×1.3×1.52×0.6＝1.19(kN/m2)

贝雷梁和主梁所受总风荷载为：

贝雷梁和主梁所受风荷载作用在钢管立柱上，则每根立柱所受水平风力为：

F均＝F总/50＝6.6(kN)

钢管立柱的风荷载标准值为：

Wk2＝1×0.6×1.52×0.6＝0.55(kN/m2)

钢管立柱所受风荷载为：

F柱＝Wk2×A柱＝0.55×12.86＝7.1(kN)

则钢管立柱所受横向弯矩为：

3.3.4 钢管桩强度及稳定性计算[5]

钢管净截面积：A＝213.911 cm2

最小回转半径：ix＝21.89

钢管材料选用Q235钢，fy＝235 MPa，所以。

查《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)附录表C-2，得到稳定系数：φ＝0.703 4。

所以，钢管立柱强度及稳定性验算满足规范要求。

3.3.5 桩长计算

通过结构受力计算，最大桩顶竖向力为691.9 kN，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)5.2.2和5.3.7-1可得：

式中，K为安全系数，取值为2；Ra为单桩竖向承载力特征值；Quk为单桩竖向极限承载力标准值；qsik为桩周第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限桩端阻力标准值，取1 400 kPa；μ为桩身周长；Ap为桩端面积；λp为桩端土塞效应系数，当hd/d＜5时，λp＝0.16hd/d，当hd/d≥5时，λp＝0.8，本处取λp＝0.8(hd为桩端进入持力层深度；d为钢管桩外径)。

因此，钢管桩的打入深度16.3 m(＝1+2.5+1.7+3.8+1.4+3.6+1.8+0.5)即可满足要求。

4 梁柱式支架搭设

4.1 承载力检测

海中施工环境复杂，安全风险更高，必须确保支架万无一失。为验证钢管桩沉桩后承载力是否满足要求，在支架正式搭设前选用70 t履带吊配合120 t的液压振动锤进行试桩试验[6-7]，利用150 t液压千斤顶检测钢管桩的承载力，如图3所示。经检测贯入深度达到17 m时，承载力满足设计要求。

图3 承载力检测立面图

4.2 钢管桩插打

(1)测设预埋钢板标高，根据钢管桩设计长度，在施工现场对钢管桩接长。利用汽车吊将钢管移动对中，确保2根钢管在同一轴线上；连接接头周边满焊，并采用20 cm×10 cm×1.2 cm钢板加固帮焊，对称布置且不小于4块，帮焊钢板在连接钢管两端各搭接10 cm[8]。

(2)测设钢管立柱在预埋钢板位置中心点，用钢圆规根据钢管半径确定钢管立柱的外边框的轮廓，在外轮廓线上确定4个控制点，并焊接定位三角钢板。

(3)钢管柱起吊安装过程中及时校正钢管垂直度，确保垂直度偏差小于钢管桩高度的1/500，且柱顶偏移值不大于50 mm。

(5)插打完成后及时跟进测量管桩顶部标高，根据设计标高计算顶部调节段长度，并下料接长。

(6)钢管桩固定牢靠后，开始安装桩间的纵横向剪刀撑。剪刀撑采用16a槽钢，间距3 m，槽钢长度根据桩间实测距离下料、加工[10]，焊接成整体后吊装与钢管桩焊接牢固。

4.3 落梁装置安装

钢管桩顶部采用活动式柱帽，采用φ650 mm×8 mm、高400 mm的钢管与20 mm厚钢板满焊，并在四周焊接加劲钢板，嵌套在钢管桩顶。完成后测设钢管桩桩顶标高，复核无误安装落梁装置。落梁装置采用两侧三拼12槽钢，沿线路方向布置，并与柱帽钢板焊接固定；若横梁与落梁装置之间有间隙时，采用适当厚度的钢板填塞密实并焊接牢固。

4.4 主横梁安装

4.5 纵向主梁安装

根据设计要求，在主横梁上测设纵梁的位置，纵梁采用贝雷梁作主梁，贝雷梁按设计图逐片组装，整组吊装就位。翼缘板和底板处每2片为一组，腹板处每3片为一组，中间每隔3 m设置支撑架，防止侧倾。贝雷梁安装时，桁架片的竖杆位置要处于主横梁上方。贝雷梁采用10槽钢做限位挡板，焊接在横梁上，同时横梁对应贝雷梁节点处用10槽钢加固处理[11]。顺桥向每间隔6 m采用20a工字钢在贝雷梁底部将其横向连接成一个整体，工字钢与贝雷梁之间用U型螺栓连接牢固。

4.6 横、纵向分配梁安装

4.7 支架预压[13]

支架搭设完成后，为了尽可能消除软弱地层中支架的不均匀沉降和非弹性变形，避免混凝土浇筑时支架局部失稳坍塌，适当加大预压荷载值，采用1.2倍的施工总荷载对支架进行预压。同时加大观测频次、延长预压时间不少于7 d。

加载时，采用塔吊及汽车吊配合将预压块吊至模板顶并依次分层对称摆放好，按设计布置好观测点，并记录好加载数值。

预压卸载后，根据观测所得的支架弹性变形值，对支架底模标高重新进行调整。

5 结束语

青连铁路跨胶州湾特大桥海中第175～178孔50 m简支箱梁，采用支架法现浇与两侧的节段拼装造桥机同步作业，利用75 d的时间，安全、顺利地完成了从支架搭设、模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑、预应力张拉压浆等工序，较原方案工期提前了一个月，于2018年5月底实现了跨海桥的全面贯通，确保了青连铁路的按期开通，为今后类似工程的施工积累了经验。