深水区浅覆盖层锚桩法钢栈桥设计及施工

2022-05-24李晨谌捷

工程建设与设计 2022年8期

李晨，谌捷

（中交第二航务工程局有限公司，武汉430040）

1 工程概况

马来西亚柔佛州大桥位于马来西亚半岛南部，柔佛州（Tanjung Perlepas）。项目紧邻新加坡，离新加坡边境约16 km。项目全长7.5 km，为双向4车道公路，主要包括桥梁3 000 m，路基4 500 m。主要结构物有桥梁3座，平交路口2个。桥梁桥面宽22.5 m，桥1、桥2位于陆上，桥3为跨蒲莱河（内海）大桥，主墩处通航净宽≥100 m，通航净高≥25 m，设计速度90 km/h。桥3水上部分采用栈桥方式作为施工通道承担材料、机械设备、人员的运输任务。主栈桥分为东西两侧，分别从陆上向蒲莱河中心搭设，根据通航要求，中间留出100 m宽的通航道。

2 施工条件

2.1 材料资源及选型

栈桥材料计划全部由文莱PMB大桥栈桥拆除后周转使用，本地型钢及螺旋焊管钢管桩资源较少，且价格高昂。栈桥主要材料：600 mm直径钢管桩、I45/H588承重梁、贝雷片、I25及I14分配梁以及10 mm厚钢板采用文莱周转材料。另外，根据设计要求，需新购部分直径为800 mm和1 200 mm的钢管桩。

2.2 设备资源及选型

本地设备资源较少，设备较为陈旧，且租赁价格高昂。设备操作手必须为本地操作手，几乎没有此类结构施工经验。栈桥设计承载能力为SR360旋挖钻机（自重120 t），栈桥搭设采用100 t履带吊配合8 t激振力为180 t的液压振动锤施沉。通过现场实际施工发现，钢管桩最多只能施沉到标准贯入度击数约40锤处就无法进尺，意味着根据地勘报告，主墩处钢管桩最多只能入土2～3 m，无法打到嵌固点以下。

3 栈桥设计

3.1 设计理念

通常对于浅覆盖层或裸岩地区栈桥施工，一般会采用“板凳桩”、钢管桩底端锚固处理、用冲击锤预成孔后跟进钢管桩再浇筑混凝土进行锚固等方法。

本项目根据现有材料及设备资源，无法采用上述方法，对比普通栈桥，设计采用锚桩栈桥形式，通过桩底固结的锚桩，与栈桥钢管桩平联连接，每排栈桥钢管桩再通过纵向平联连接形成一个整体，大大提高栈桥稳定性。在保证结构安全使用的前提下，尽量使用现有设备及周转材料，降低成本。

3.2 栈桥构造

根据不同水深以及不同入土深度将整个主栈桥分为3大区域，类型1、类型2为普通栈桥，类型3为锚桩栈桥。类型3纵断面如图1所示。

图1 类型3纵断面

类型1区水深＜10 m，且钢管桩能施沉到嵌固点以下（计算为4 m）的区段。标准跨径为12 m，采用φ600 mm×10 mm厚钢管桩，每排钢管桩采用横向平联连接。根据地质报告，主栈桥东侧1～10跨以及西栈桥1～9跨为此类型栈桥。

类型2区水深＞10 m，且钢管桩能施沉到嵌固点以下（计算为4 m）的区段。标准跨径为10.5 m，采用φ800 mm×10 mm厚钢管桩，每排钢管桩采用横向平联连接。根据地质报告，主栈桥东侧11～20跨以及西栈桥10～17跨为此类型栈桥。

类型3区水深＞10 m，且钢管桩不能施沉到嵌固点以下（计算为4 m）的区段。标准跨径为7.5 m，采用φ1 200 mm×12 mm厚钢管桩，每排钢管桩采用φ600 mm×10 mm厚钢管横向和纵向平联连接，采用双拼I25斜撑连接形成格构柱，并且每5跨设置锚桩。根据地质报告，主栈桥东侧21～45跨以及西栈桥18～37跨为此类型栈桥。

3.3 锚桩栈桥受力分析

3.3.1 荷载分析

荷载包括：（1）结构自重；（2）移动荷载：100 t履带吊、45 t SR150旋挖钻机、8 m3混凝土罐车；（3）水流力[1]。锚桩栈桥上部结构受力计算与普通栈桥相同，不再描述。

3.3.2 锚桩栈桥下部结构受力计算

栈桥下部结构采用Midas Civil建立模型，钢管桩桩底临界条件锚桩为固结，其余为铰接。全桥在施工阶段即施工完第5跨，施工锚桩时受力最不利。经Midas Civil计算，栈桥下部结构受力计算汇总见表1。

表1 栈桥下部结构受力计算汇总

3.3.3 锚桩施工及嵌岩要求

锚桩栈桥每5跨需在栈桥两侧增设锚桩。当在第5跨栈桥完成搭设后，施工锚桩，先施工迎水面侧锚桩，2根锚桩施工完成，并待锚桩桩身混凝土达到规定强度后，才可继续进行下一跨栈桥施工。

锚桩采用C30混凝土，嵌岩深度≥3倍桩径，岩层单轴抗压强度≥5 000 kPa，同时混凝土灌注高度需满足混凝土与管桩的接触长度≥3倍桩径。混凝土灌注前，需放置钢筋笼，桩基配筋需满足规范要求。

3.4 锚桩栈桥施工

3.4.1 总体施工工艺

材料到场后，对钢管桩进行除锈、横梁制作、贝雷片的拼装，施工现场进行钢管接长、平联、横梁、贝雷片安装以及桥面系安装焊接，总体施工工艺如图2所示。

图2 总体施工工艺流程图

3.4.2 总体施工方法

栈桥采用“钓鱼法”施工，从一侧开始进行平台搭设。机械设备采用80 t/100 t履带吊配振动锤，具体为：

1）利用履带起重机提升振桩锤沉放钢管桩；

2）钢管桩沉放就位，安装主梁；

3）利用履带起重机安装贝雷梁；

4）利用履带起重机安装桥面系。

3.4.3 钢管桩施沉

由于水较深，且类型3栈桥钢管桩入土深度浅，单桩无法稳定，需提前制作钢管桩施沉导向架，安装在贝雷梁上。履带吊起振动锤并夹好钢管桩后，利用履带吊摆动大臂将钢管桩插入导向架定位孔中，通过提前引至导向架上的钢管桩的点位，进行钢管桩定位。无误后开启振动锤进行施沉直至达到设计高程。沉桩过程中，利用吊锤在栈桥及导向架2个垂直方向进行垂直度检查，保证最终桩的垂直度满足要求[2]。

3.4.4 平联钢管及斜撑安装

钢管桩施沉后，在低潮位时安装φ420 mm×6 mm/φ600 mm×10 mm钢管平联，增强其稳定性。平联通过哈佛接头与钢管桩焊接牢固。

对于类型3锚桩栈桥，由于单桩入土深度较浅，无法稳定，需要先将平联及斜撑与钢管桩连接后再拆除导向架。提前预制好纵向平联及斜撑，钢管桩施沉后整体吊装至设计位置将钢管桩与上一跨钢管桩通过哈佛接头连接并满焊，拆除导向架，焊接横向平联及相关斜撑。

3.4.5 承重梁及贝雷梁安装

采用双拼I45或HM588 mm×300 mm×12 mm×20 mm作为承重梁，桩顶采用16 mm钢板作为桩帽板，四周焊接加强劲板。安装时将首排钢管桩经测量复核后将高于理论标高的多余钢管桩切割并找平，后续采用水平管进行测量并切割，由于水平管操作存在人工误差，因此，需每隔两跨进行测量复核。找平后安装桩帽并焊接在钢管桩上，安装承重梁，并将加强劲板焊接牢固。

贝雷梁在后场组拼，并运输到栈桥前端，由履带吊安装。安装过程中需保持顺直，防止栈桥偏位，每隔两跨进行测量复核。安装就位后，在主横梁上用骑马卡板进行限位。

3.4.6 面板及附属安装

按1.5 m间距铺设I25a作为横向分配梁并用U形螺栓与贝雷梁固定。每根横向分配梁上安装5个U形螺栓，相邻的横向分配梁上U形螺栓交替布置。横向分配梁固定好后，按照0.3 m的间距铺设I14作纵向分配梁，纵向分配梁与横向分配梁交接处满焊。

钢栈桥面板采用8 000 mm（6 000 mm）×1 500 mm×10 mm钢板，钢板焊接在I14上。钢板纵向分幅铺设，每幅之间留有2 cm空隙以便与I14焊接。

栈桥栏杆高1.0 m，采用φ48 mm×3.5 mm普通钢管焊接而成，立柱间距1.5 m，焊在贴脚板[25上，栏杆及贴脚板统一用红白油漆涂刷，交替布置，达到既简洁又美观。

3.4.7 锚桩施工

类型3锚桩栈桥，第5跨施工完成后进行锚桩施工，具体施工步骤包括：

1）按照设计位置以及上述方法沉锚桩护筒（φ1 200 mm），并且临时固定。

2）履带吊退出，采用SR250钻机钻孔，钻至设计深度终孔，由于河床覆盖层浅，以下为硬质黏土或者强风化岩层，故无须泥浆护壁，采用清水钻。锚桩直径为φ1 000 mm。

3）成孔后，钻机退出，若护筒嵌岩不足3 m，采用履带吊及振动锤跟进护筒，直至满足要求，然后焊接护筒与栈桥钢管桩之间平联，将锚桩护筒和栈桥钢管桩连接。

4）采用履带吊将后场提前预制好的钢筋笼下放安装并临时固定在护筒上，共计1节。

5）安装导管及大料斗，按照桩基施工首封混凝土流程浇筑锚桩水下混凝土至设计高度。

6）等锚桩混凝土强度达到设计值后上履带吊进行栈桥下一跨施工。

4 施工关键控制要点

施工关键控制要点主要内容有：

1）由于地质可能存在起伏变化，要求对每根钢管桩施沉进行入土深度记录，一旦入土深度不能达到嵌固点以下，就采用类型3锚桩栈桥。

2）由于钢管桩入土深度较浅，无法单独稳定，在施沉时必须采用导向架，施沉完后必须将钢管桩与上一跨钢管桩通过平联连接稳定后再拆除导向架。

3）对于整个类型3栈桥，其稳定性主要是通过锚桩与栈桥钢管桩之间的连接得以加强，故锚桩与钢管桩之间的平联焊缝质量必须特别重视。另外，通过锚桩连接的栈桥需要通过纵向平联将每跨连成一个整体，共同抵抗水平外力，增强栈桥稳定性，所以纵向平联的焊缝质量也应该特别重视。在今后的栈桥维护过程中，锚桩与钢管桩之间以及锚桩纵向平联这两个位置的焊缝质量作为重点检查位置。