埂埕大桥卵石、光板岩地层栈桥钢管桩施工技术

李刚

摘要：南平埂埕大桥在大横镇埂埕村横跨闽江上游支流建溪，设置钢栈桥连接左右岸作为桥梁施工通道。河床覆盖卵石层或光板岩地层，桥位处常年流速大于2m/s，高水位流速达到4.3m/s，当地有建溪栈桥“无桥不跨”的流言。经方案施工设计，近河侧采用清理卵石后锤击沉桩，深水区及光板岩地层采用增设临时墩、钻孔跟进钢护筒及孔内填充混凝土成桩，有效解决了山区大流速条件下钢管桩施工复杂的技术难题。采用MIDAS2010建立栈桥计算模型，均满足10年一遇洪水条件下强度、刚度及稳定性要强。

Abstract： The Nanping Gengcheng Bridge is built across Jianxi， an upper reaches of the Minjiang River in Gengcheng village of Daheng Town， and the steel trestle bridge is connected to the left and right banks as a bridge construction channel. The riverbed is covered with the pebble layer or the light slate formation. The annual flow velocity of the bridge is more than 2m/s， and the high water velocity reaches 4.3m/s. After the scheme construction design， the near-river side is cleaned with pebble and then hammered and piled. In the deep water area and the light slate formation， additional temporary piers， drilled steel casings and concrete filled piles are used to effectively solve the complicated technical problems of the construction of steel pipe piles in large flow conditions in the mountainous area. The calculation model of the trestle bridge is established by MIDAS2010， which is strong in strength， stiffness and stability under the condition of 10 years of flood.

关键词：埂埕大桥;卵石;光板岩;栈桥;钢管桩;施工技术

Key words： Gengcheng Bridge;pebbles;light slate;trestle;steel pipe pile;construction technology

中图分类号：U448.18                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0124-04

1  工程概况

南平市渡改桥工程埂埕大桥起点位于建溪西岸大横镇埂埕新村光明小学南侧约90m，与G205平面交叉，新建埂埕大桥跨越建溪，改线公路线往南北向布设，终点与现有马大线连接，路线总长948.559m。为保证东西两岸正常施通行拟在桥位下游处新建一座棧桥，栈桥西岸起点桩号K0+78.800m，东岸终点桩号K0+384.200m，栈桥全长305.4m，位于主桥下游侧，桥面宽5.5m，跨径为12m的连续梁设计（跨中设置临时墩），每四跨设置一联，每联设置一个制动墩，在制动墩处设置2cm伸缩缝。在4#墩下游侧设置一处会车（调车）平台，长度都为30m，会车平台总宽8.5m。栈桥桥式布置图如图1所示，栈桥断面布置示意图如图2所示。

根据调查勘探报告，地层分为9层，自上而下分别为：素填土、残积性粘土、卵石、细砂、风化砂岩、强风化砂岩、中风化砂岩、微风化砂岩。3～4#墩之间为卵石层，4～5#墩之间为风化岩层。桥位处降水量年内分配不均匀，4～6月份雨量占全年的60%左右，盛夏和秋季雨量偏少，易出现干旱。根据现场调查近十年最高水位为80.8m，最大流速4.11m/s。

本工程存在的重难点：①桥址处存在卵石层及裸岩，卵石层中大块石较多，栈桥钢管桩插打施工困难，保证栈桥管桩埋置深度且嵌入强风化持力层一定深度是施工难点;②流速大、岩面倾斜，钢管桩精确定位难度大[6]。

2  施工方案

2.1 钢管桩施工方案比选

2.1.1 钢管桩内插入钢棒成桩

4～5#墩之间无覆盖层，钢管桩难以直接插打至设计深度，当贯入度达到设计要求后，采用在钢管内部、河床顶面插入3根钢棒，钢棒和钢管桩的总入土深度不小于设计值，钢棒露出岩面不小于3m。完后将水下混凝土灌注在钢管桩内，使钢管与钢棒连接成整体。本方案具有工序多、工期长、效率低、施工费用高且后期需水下切割或爆破拆除，但是成桩质量高、有利于栈桥的整体稳定性。

2.1.2 小跨径钻孔跟进成桩

对于无覆盖层，管桩难以打入至设计深度时，减小栈桥单跨跨径，同时减小了单桩受力，使管桩达到设计要求;管桩仍不能插打至设计深度时，采用冲孔方式跟进管桩，跟进后管桩内回填沙土或浇筑混凝土。本方案需增加钢管桩、分配梁等的投入，造价高、工期长、跟进距离小，但结构稳定性较好、无后期拆出除问题。

2.1.3 增设临时桩标准跨径成桩

对于无覆盖层，管桩直接插打难以打入至设计深度时，设置临时桩，为便于拆除临时桩中心距为6m，距前一排管桩距离为9m，同时贝雷梁安装至临时桩，在临时装上冲击钻机，在下一排管桩内冲600mm孔至不小于设计深度，然后下放钢筋笼灌注混凝土至河床面以上2m。本方案需增加混凝土、钢筋笼及临时管桩的投入，造价高、工期长，且混凝土桩基深入河床，后期需爆破或水下拆除，但结构受力清晰、稳定性最好。（图5）

根据以上3个方案的优缺点，结合现场实际情况及可用资源，从经济性、工期影响、结构稳性能等方面综合考虑，当管桩插打距离设计深度较小地段时采用小跨境钻孔跟进方案，当钢管插打深度距离设计深度较大地段时采用增设临时桩标准跨径成孔。

2.2 栈桥钢管桩施工方案

2.2.1 卵石清理后锤击成桩

枯水期施工时，水位较低处管桩施工先采用挖机将卵石层放坡开挖，开挖深度不小于2m，然后采用振动打桩机插打，钢管桩插打采用履带吊机整桩起吊，Φ630×10mm采用DZ-60振动打桩机及液压夹持器，Φ820×10mm采用DZ-90振动打桩机及液压夹持器，插打至贯入度小于2cm/min。当插打深度不小于3.5m时直接将原状土回填压实[5]。

2.2.2 扩大基础接钢管桩

采用直接插打方式进行管桩施工时，当插打深度小于3.5m时在开挖处设置钢套箱，外侧形成筑岛围堰，在管桩外浇筑扩大条形基础，扩大基础尺寸为2×5×1.5m。（图6）

2.2.3 设置临时墩钻孔成桩

高水位施工时，每跨管桩中间增设一排Φ630×10mm临时桩（须与前排管桩增设连接系），作为冲击钻机的施工平台，避免因贝雷梁变形过大引起钻机倾覆，临时桩以贯入度控制，当贯入度小于2cm/min时，停止插打（不进行冲孔），待前排管桩贝雷梁施工完成后方可拆除[2]。

钢管桩采用振动打桩机插打，钢管桩插打采用履带吊机整桩起吊，DZ-60振动打桩机及液压夹持器，插打至贯入度小于2cm/min，对于入岩深度小于4m的管桩，采用冲击钻冲击成孔，冲孔过程中可跟进管桩，保证泥浆不外流，孔底标高至卵石层顶标高不小于6m，下放钢筋笼，浇筑C30水下混凝土（参考钻孔桩施工方案），混凝土与管桩粘结长度不小于2m;对于入岩深度大于4m管桩满足施工要求，不再进行冲孔。

3  施工关键技术

3.1 近岸侧钢管桩施工

3.1.1 下河道路设置

栈桥面距离河床面约17m，在栈桥上直接清理河床困难，枯水期近岸侧水深约1.5m，且栈桥处于回水湾，东岸栈桥处水流小、冲刷小，可从东岸便道直接修建临时道路下河至栈桥桩位处。临时道路采用钻渣、黏土及附近卵石土进行修筑，下部设置过水管道，便道宽度4m，自然放坡，坡底距栈桥管桩不小于1m。此便道后期可作为主桥4#墩承台施工通道。

3.1.2 基础清理

近岸侧河床已覆盖层和卵石层为主，厚度约2m。基础清理前首先确定清理挖掘边线，然后采用普通挖掘机对河道进行清理施工，并将清理出淤泥的转移及装载。由于清理出的淤泥含水量大，运输过程中容易造成道路及周边环境污染，因此淤泥需经过晾晒，然后通过渣土运输车外运。基础清理至无大颗粒卵石为止，再整平河床面便于后续施工。

3.1.3 扩大基础施工

扩大基础采用钢套箱围堰进行水下混凝土浇筑施工。钢套箱组件的制作按工艺设计将模板制成后拼装，然后分组、编号、上油保护，所用橡胶防水垫圈和连接螺栓等设专箱存放，与钢套箱钢模一起待用组装。组件加工完成后在岸上拼装组件，组装成无底钢套箱。拼装完成的钢套箱围堰需做好严密性及渗水措施。

基礎清理完成后用履带吊机在已拼装栈桥上将钢套箱吊起，放入桩位处，测量套箱位置，使钢套箱依靠自重漫漫下沉至基底，再采用黏土在套箱四周外回填，防止浇筑混凝土时渗漏。然后按照设计工艺进行钢管桩插打至设计贯入度后再水下浇筑混凝土至设计标高。待混凝土达到设计强度后接高管桩至设计位置。

3.2 深水钢管桩施工

3.2.1 钢管桩精确定位

钢管桩采用钓鱼法进行施工，为保证施工的精度，快速施工，首先就是控制钢管桩的定位。由于临时桩与栈桥桩距离只有一片贝雷梁的距离（3m），管桩插打用导向架将临时桩与栈桥桩合并成为一个新型悬臂式导向架，施工更为方便，且缩短了导向架安拆的时间。导向架分为上下两层，层高约1.5m，且导向架与前端2组贝雷梁上弦杆采用螺栓固定，增强导向架的整体性和横向稳定性，可以有效控制钢管桩的插打精度。管桩插打前铺设临时钢板、安装护栏，保证施工人员的安全作业，插打过程中测量人员从上下游两个相互垂直的方向同时观测管桩的垂直度，采用设置在导向架上的纠偏装置随偏随纠，确保成桩后管桩垂直度小于0.5%。组合式导向架将管桩中水定位调整为岸上定位，同时临时桩与栈桥桩可以实现同步精确定位，受水流影响小，大大加快施工进度[4]。

3.2.2 临时墩及钻孔成桩

在河床段大粒径刚性卵石层及风化裸岩地质条件下，钢管桩插打困难，打入深度不能满足汛期水流力作用下水平抵抗力要求。改用Ф810mm（δ=10mm）钢管桩桩内冲孔，用振动锤插打管桩，以贯入度为控制标准，插打完成后在桩内冲孔，孔径直径600mm。冲孔完成后，下放钢筋笼，灌注混凝土锚固嵌岩。

钻机采用CJF-15冲击钻机，气举反循环成孔工艺。在铺设完成的栈桥贝雷梁上，靠近桥墩附近直接横向安装2根I45分配梁，在其上安装钻机钻孔，钻机安装时要求其底座平稳、水平，钻架竖直，且保持钻机顶部的起重滑轮槽、钻头、桩位中心在同一铅垂线上，以保证钻孔垂直度。孔口处偏差不大于2cm。若桩身较长，应根据桩的倾斜度计算出桩底位置，应保证钻头对准桩底中心，以防在钻孔时护筒脱空。在墩位处设置钻碴船，钻碴外运到指定地点处理[5]。

钻孔前应清理钻孔平台周围的杂物，严禁其他临时荷载堆放于所在施工位置及相邻位置。钻进过程中需经常对顶口标高进行测量，检查管桩是否下沉，钻头进行检查和修复，钻头直径磨耗不应超过1.5cm。孔内水位不低于护筒外水位，钻孔深度以出护筒底2m为宜，护筒打入深度不足时应加大钻孔深度，以进入岩层4m为准，若地质条件不理想时可适当加深。

桩基钢筋笼在车间制作。并且在安装钢筋笼前，计算钢筋笼底标高，因钢筋笼较轻且不用放到孔底，采用铁丝吊挂方法安装，并根据实际钻孔深度调整，采取防止钢筋笼上浮措施。

桩基混凝土采用垂直导管法进行灌注。导管使用前须进行组装编号，并进行接头拉力和水密试验，确保导管的良好状态。进行水密试验的压力不应小于孔内水深1.3倍的压力，也不应小于导管和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力的1.3倍。安装导管时注意防止挂碰钢筋笼。混凝土和易性须满足运输和灌注的要求，检测方法和结果应符合规范要求。水下混凝土灌注高度以进入护筒不少于2m。

4  计算分析

栈桥除贝雷梁构件采用16Mn材質，其余各构件均为Q235B材质，在建立计算模型时，由于单元数量庞大，为加快建模和分析过程，采用midas建立单跨整体计算模型，未按全桥进行建模，对计算结果偏于安全，计算模型图如图7所示。

栈桥进行受力分析计算时综合考虑了栈桥结构自重、50t履带吊机、10m3混凝土罐车、行人荷载、风荷载、水流冲击力及其他可能产生的荷载，分5个工况对栈桥结构的强度、位移及内力进行分析：①履带吊机墩顶作业;②履带吊机跨中行走;③8级风荷载下混凝土罐车运输;④撤离水流力作用下罐车运输;⑤人员、机械撤离，仅考虑设计最大水流力+结构自重。

各工况下栈桥管桩的轴力、弯矩及正应力值如表1所示。

钢管桩最大轴力522kN，最大应力72.7MPa，经验算，钢管桩稳定性、地基承载力、水平推力、抗拔力均满足要求。

经计算，桥面板、小横梁、分配梁、连接系的强度、位移及贝雷梁各杆件的内力均满足设计及规范要求。贝雷梁应按设计要求安装横向水平、竖向支撑架，并在端部上下弦设横向通长槽钢连接贝雷片，以保证主梁结构整体性。

5  结语

福建南平市大横镇渡改桥工程埂埕大桥临时施工栈桥，地质水文条件极其复杂，对于临时栈桥当地流传着“无桥不跨”，无成功经验可供借鉴。施工过程中，结合本工程实际施工特点，浅水区通过设置钢套箱浇筑扩大基础、直接挖除卵石层;深水区通过设置临时墩、钻孔跟进或者灌注混凝土等一系列关键技术，成功的完成了南平埂埕大桥临时施工的施工。到目前为止已顺利度过三个汛期，且今年汛期超过设计水位，通过汛期前后栈桥监控数据对比发现，管桩最大下沉量约2cm，最大倾斜度不超过0.5%（含施工偏差），河床最大冲刷为60cm，栈桥整体稳定性能良好，预计明年汛前拆除。该栈桥的成功实施打破了南平建溪临时栈桥“无桥不跨”的魔咒，可为今后类似复杂水文地质条件修建临时栈桥提供借鉴[3]。

参考文献：

[1]李方峰，张瑞霞，徐满明.孟加拉帕德玛大桥大直径钢桩插打施工关键技术[J].世界桥梁，2019，47（2）：22-27.

[2]王鹏，高加林，周健芝.深基坑装配式钢栈桥施工技术[J].施工技术，2015，44（增）：554-557.

[3]周小毛.临近既有铁路线大型钢筋混凝土围堰沉井施工技术[J].世界桥梁，2019，47（2）：33-37.

[4]吴永红.栈桥钢管桩施工质量控制 [J].工程质量，2015，33（1）：92-96.

[5]李垚，卢勇，关成元，丁富军.浅覆盖地层钢栈桥施工技术[J].公路工程，2013，38（5）：249-253.

[6]袁舫.杭州市九堡大桥施工栈桥设计计算研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[7]喻佳.钢栈桥、平台施工技术应用研究[D].西安：长安大学，2017.