跨软弱地基防渗排水渠栈桥钢箱支撑结构施工设计

梁 伟

(1.中国中铁大桥局集团有限公司 武汉 430050； 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430050)

对于跨水域桥梁工程，为满足桥梁施工需要，通常需沿拟建桥梁线路方向搭设栈桥[1]以提供水域运输通道，此通道一般会跨越大堤、既有线路和排水渠等构筑物。为栈桥上部结构提供承力点的支撑基础主要有打入钢管桩、扩大基础、钢筋混凝土桩基等结构形式，需根据现场具体情况确定。

沿海区域造地一般多采用吹填方式。吹填材料尤其是粉煤灰、粉土等具有含水量高、压缩性高、强度低的软土性质，吹填形成的软弱地基场地一般都具有面积大、欠固结、承载力低、压缩性高、在荷载作用下变形大的特点。

本文以湛江调顺跨海大桥引桥侧栈桥为例，对跨越下卧软弱地基[2-3]有流水有防渗要求电厂排水渠的栈桥支撑结构[4]施工设计进行介绍。

1 工程背景

调顺跨海大桥位于湛江海湾水域，主桥为双塔双索面斜拉桥，其一侧引桥中有一联跨径为28 m+2×40 m+28 m的预制小箱梁跨越电厂排水渠，其中间两桥墩位于排水渠二级坡上。根据大桥施工统筹，引桥栈桥需跨越排水渠与海中主栈桥连接，形成物资供应、机械通行完整通道，主要用于通行900 kN履带吊、XR360旋挖钻(主桥大规格旋挖钻分块运输)，以及运输车和混凝土罐车等。

电厂排水渠兼具大堤功能，小里程侧渠顶接灰渣场，大里程侧渠顶接湛江湾，两者之间包括二级坡和渠底，以及4道斜坡，渠顶之间长度约55.4 m，渠顶与渠底高差5.53 m，渠底宽度12 m，防波墙高1.0 m，排水渠断面布置示意见图1。

图1 排水渠断面布置图(单位：mm)

相比常规排水渠，设计主体结构图纸对该电厂排水渠防渗要求非常高，即采用无纺土工布和水泥土搅拌桩防渗墙[5]对排水渠进行了防渗处理，防止电厂排放污水渗入地基土层。无纺土工布上面进行了明渠护面处理，以保证无纺土工布发挥性能。

排水渠地基土主要成分为粉煤灰，与周边堆场均采用吹填形式形成。该区域软弱地基均采用排水动力固结法进行地基综合处理，具体采取高真空击密法加固地基，处理后地基承载力特征值不小于100 kPa。

跨排水渠栈桥位于海边，地处台风区，其跨度受制于支撑结构形式和位置，而支撑结构形式和位置又受制于排水渠宽度、地基承载力和地质条件等因素。因而，选择合适的跨排水渠栈桥支撑结构是本栈桥的设计难点,也是本文阐述的重点。

该栈桥施工设计具有以下特点。

1) 地处近海台风区，栈桥使用时间长，需考虑台风大风速、落潮大流速影响。

2) 排水渠很宽，栈桥自身施工控制设计。

3) 电厂不间断排水，不能阻断排水渠流水。

4) 排水渠防渗要求严格，不能影响排水渠防渗性能。

5) 若采用类似扩大基础支撑结构，计算压力应小于地基承载力。

6) 因栈桥基础会影响排水渠受力，其上栈桥基础结构形式需征得电厂同意。

2 施工设计总体思路

一般而言，栈桥主要由主梁分配梁等上部结构和下部支撑结构组成。基于靠海吹填形成的软弱地基承载力有限，和排水渠水流速度快、防渗要求高，以及大堤防潮与栈桥通道重要性高的实际情况，栈桥支撑结构宜考虑尽量不破坏防渗结构、不大于地基承载力要求、不减小过水断面的支撑形式，若有破坏，需采取有效措施解决。栈桥跨度与栈桥主梁形式、支撑结构形式需对合自身施工综合考虑确定。

3 栈桥方案

3.1 栈桥布置方案

根据总体思路，经比较，对跨排水渠栈桥提出3种布置方案。

方案1：桥台+混凝土扩大基础+大桥I号桁梁栈桥布置，见图2。

图2 方案1栈桥立面布置(单位：mm)

方案2：桥台+钢管桩基础+贝雷梁主梁栈桥布置，见图3。

图3 方案2栈桥立面布置(单位：mm)

方案3：钢管桩基础+钢箱支撑结构+型钢主梁栈桥布置，见图4。

图4 方案3栈桥立面、平面布置(单位：mm)

3.2 栈桥方案比选

方案1栈桥主梁跨度最大，为38 m，下部支撑形式为混凝土扩大基础和桥台，布置在排水渠渠顶和二级坡上。该方案优点是未破坏排水渠既有结构，不影响排水渠过水断面；存在的问题是：①大桥I号桁梁市场资源较少，调配困难，不满足快速化施工需求；②栈桥自身施工对机械设备要求很高，需要不小于1 800 kN级履带吊吊装主梁，经济性不佳；③大吨位履带吊荷载大于栈桥正常通行荷载要求，故扩大基础对地基承载力要求较高，要求不小于150 kPa，大于地基承载力允许值。

相比方案1，方案2栈桥主梁跨度次之，为36 m，下部支撑形式由扩大基础改为钢管桩基础，位置基本不变。该方案虽不用考虑排水渠软弱地基承载力问题，也利用市场资源多的贝雷梁做主梁，却也存在以下问题：①栈桥自身施工对机械设备要求很高，除需考虑主梁吊装外，还需考虑钢管桩远距离插打，经济性同样不佳；②钢管桩基础会破坏排水渠护面结构、破坏土工布等防渗结构，影响防渗要求；③振动锤插打钢管桩也会对桩侧土产生震动影响。因此需采取如图5钢管桩周侧注浆布置图所示的处理措施，即在桩周进行注浆处理[6]，以加密地基，避免污水渗透。

图5 钢管桩周侧注浆布置图(单位：mm)

方案3与方案2相比，区别在于：①在排水渠渠底增设钢箱作为栈桥支撑结构；②主梁跨度减小为19.7 m，主梁规格更改为市场常用型钢主梁，施工相对简单；③栈桥通行荷载变化不大，自身施工荷载变小，对地基承载力要求低。

综上，3个栈桥方案比选见表1。

表1 跨排水渠栈桥方案比选

根据上述比选，考虑对排水渠结构影响小、施工成本低、市场资源多及施工便捷等因素，并经电厂邀请的专家评审后，跨排水渠栈桥最终选定方案3，即钢管桩基础+钢箱支撑结构+型钢主梁栈桥布置方案，且钢箱支撑结构对排水渠底软弱地基产生的压力不大于100 kPa。

4 钢箱支撑结构设计

4.1 栈桥总体设计

根据图4跨排水渠栈桥总体布置图，跨水渠栈桥总长约103.75 m，宽7.4 m，最大跨度19.7 m。从上向下结构依次为桥面系、纵桥向主梁、纵横分配梁、临时墩钢管桩基础和钢箱支撑结构基础。钢箱支撑结构布置于排水渠渠底顶面，长度方向平行于排水渠长度方向， 2套钢箱支撑结构基础纵桥向间距5.0 m。栈桥钢箱支撑基础断面布置见图6。

图6 栈桥钢箱支撑基础断面布置(单位：mm)

4.2 基础设计

对于临时墩钢管桩基础，按3.2节钢管桩侧注浆处理思路设计，保证防渗要求。

对于临时墩钢箱支撑结构基础，结合前述总体思路，钢箱支撑结构需满足以下要求：①钢箱下面排水渠渠底承载力计算值小于排水渠渠底允许承载力；②保证钢箱刚度，使之均匀传力至排水渠渠底；③采取措施保证钢箱底与排水渠渠底顶面之间全截面有效接触。

4.3 钢箱支撑结构

如图6所示，支撑结构主要包括钢箱、钢架斜撑、挡水条、混凝土填料、压料管五大结构，其设计要点和结构如下。

4.3.1钢箱

钢箱应设计为平面尺寸大、刚度大、质量小的结构，有助于钢箱底压力均匀。

钢箱由钢板组焊形成，单个钢箱轮廓尺寸为长10 m、宽3 m、高1.2 m,单个钢箱总重约118 kN。为增强刚度，钢箱在横桥向设置5道通高隔板，纵向设置6道隔板。在横桥向5道隔板之间于顶板和底板各设置4道通长小肋板，在纵桥向6道隔板之间于底板设置3道通长小肋板。为减少重量和尽量不影响排水渠过水断面，纵桥向6道隔板均在板中心开大长圆孔，高潮位时排水渠过水断面减小3.3%，一般高潮位减小8.5%。钢箱结构见图7。

图7 钢箱结构示意(单位：mm)

4.3.2钢架斜撑

钢架斜撑应对称布置且分布均匀，确保传递到2个钢箱的力基本相同。

1个钢箱顶面设置2套钢架斜撑，每套钢架斜撑包括4个小规格斜钢管。8个斜钢管柱脚相对于钢箱平面中心对称布置，沿钢箱长度方向间距2.5 m，沿宽度方向间距为1.6 m。斜钢管柱脚均位于钢箱纵向、横向隔板交叉处钢箱顶面并与其焊接连接，单个连接部位相对于钢箱纵横隔板交叉位置对称布置。

单套钢架斜撑的4个斜钢管顶部相交于一处，通过桩帽连成整体。2套钢箱上共有4套钢架斜撑，沿纵桥向在2套钢架斜撑顶部铺纵桥向分配梁，然后在2个纵桥向分配梁上铺设2根横桥向分配梁，作为栈桥主梁的支撑分配梁，2根横桥向分配梁间距0.7 m，对称于其下纵向分配梁中心布置，有助于将栈桥主梁传递的荷载分散，保证2个钢箱受力基本均匀。

4.3.3挡水条和混凝土填料

挡水条在钢箱底部周圈竖板下方通长布置，由布袋和其内细砂组成，与钢箱底板通过铁丝绑扎连接。在钢箱下放到排水渠渠底时，利用挡水条特性与渠底压实，形成阻水封闭空间，用于阻止流水通过钢箱与地基间空隙，防止混凝土填料灌注时被水冲走，保证混凝土浇筑质量。

混凝土填料采用C30标号混凝土。在混凝土压头作用下，混凝土逐渐填满钢箱与地基之间空隙直至从压料管冒出。混凝土填料可解决排水渠渠顶不平整问题，达到将上部荷载均匀传递到排水渠渠底的目的。

4.3.4钢箱计算

根据有限元模型计算结果，1 100 kN履带吊位于钢箱支撑基础顶进行栈桥自身施工时，在侧吊吊重工况下，钢箱受力最大，对应的钢箱底板最大竖向变形为0.22 mm。易知钢箱刚度很大，可满足钢箱均匀传力要求，且对过水断面影响很小。

4.4 地基承载力

根据栈桥上部结构传递到钢箱顶的竖向力，考虑明渠护面处理结构的质量和钢箱支撑结构自重，以及涨潮时作用在排水渠渠底的水压，经计算，作用到处理地基土层顶面上的压力为74.7 kPa，小于电厂专家提出的软弱地基承载力要求。

5 结语

对有流水和防渗要求的敞口形排水渠，尤其是下卧软弱地基时，当有施工通道需要跨越时，通道支撑基础形式的选择应综合考虑交通运输、地形地质水位气候条件、排水渠具体情况等多方面因素，尽可能选择安全可靠、经济合理的栈桥布置和支撑基础形式，以达到降低施工风险和加快施工进度的目的。

本文所述调顺大桥跨排水渠栈桥已通行多年，通行状况良好，排水渠渠底经测量基本无变形，栈桥钢箱支撑基础使用效果良好。实践证明，本文所述的跨越下卧软弱地基有流水有防渗要求电厂排水渠的栈桥支撑结构合理，有效解决了地基承载力低、防渗要求高的实际问题，满足了不破坏排水渠地基结构，不影响防渗性能，不减小过水断面的现实要求。该类支撑结构基础，既安全、适用、便捷，又经济环保高效，可供今后类似工程借鉴。