无(浅)覆盖层深水钢栈桥及平台搭设研究

2022-08-25周诚兮

黑龙江交通科技 2022年7期

周诚兮

(保利长大工程有限公司，广东广州 511431)

1 工程概况

溧阳至宁德国家高速公路云常线大桥跨越千岛湖库湾，桥梁全长806 m，桥墩采用桩基础，其中2#～17#墩位于水库中，每个墩位设置8～16根桩基，桩径1.8～2.2 m。桥位场地水域深度约27.5 m(常水位102 m计)，水下岸坡地形倾向河谷，起伏较大，床覆盖层较浅(无)，部分桥墩河床为裸强风化钙质泥岩。

根据新安江水库(千岛湖)1995年～2015年逐月水位统计资料，近21年库区年平均水位基本维持在97～102 m左右，最低水位93 m，最高水位108 m，其中105 m以下水位淹没时间变化几乎没有周期性的规律可循。库区(千岛湖)，航道等级Ⅶ级，航道净空38 m×3.5 m。

2 技术标准及功能要求

2.1 技术标准

大桥横跨千岛湖封闭库区，大型起吊设备无法进场作业，水中桩基建造均采用搭设水上栈桥加固定平台方式，主要结构设计为：栈桥设计标高+105.5 m；桥面设计宽度8 m；最大跨径12 m；荷载按80 t履带吊走行及吊重30 t，混凝土运输车按40设计；8根桩平台考虑上2台钻机，10根、12根桩平台考虑上3台钻机，14根、16根平台考虑上4台钻机。

2.2 功能要求

栈桥主要用于施工人员通行、施工材料运输、机械设备作业、架设电力线路和供水管线等，用以辅助桥梁基础及下部构造的施工。栈桥作为施工中的通道和平台，除承受施工车辆荷载外，还受到风、浪、水流的作用因此栈桥必须满足以下要求：

(1)在工作状态下，云常线大桥桥栈桥应满足80 t履带吊和40 t混凝土运输车正常通行，并具有足够的安全储备。

(2)在非工作状态下，栈桥禁止车辆荷载通行，此时栈桥应能满足整体安全性的要求。

(3)在栈桥施工状态下，栈桥应满足自身施工过程的安全，6级风以上时停止吊装作业，8级以上大风时应停止栈桥施工。

3 施工栈桥设计

3.1 钢管桩设计

(1)深水区(水深大于20 m)采用双排6根Ф1 020 mm×10 mm钢管板凳桩，在有覆盖层区域采用单排3根Ф1 020 mm×10 mm钢管桩基础，制动墩采用6根Ф1 020 mm×10 mm钢管板凳桩，桩长根据现场实际打入长度确定。

(2)在有需要时抗倾覆断面布置单排5根Ф1 020 mm×10 mm，用于钢管桩的抗倾覆稳定，抗倾覆稳定断面采用Ф325 mm×6 mm钢管作为连接系。

(3)根据现场实际情况为加强栈桥整体稳定性，桩间纵横向采用联系结连成整体。

(4)钢管桩采用80 t履带吊配合DZ90型振动锤由岸边向江中心打设。根据地质条件，本桥栈桥钢管桩按照端承桩设计为主，以贯入度控制。

(5)河床为全风化钙质泥岩或管桩插打不满足强度及稳定性要求的管桩需设置锚桩[1]。锚桩采用“植桩法”进行钢管桩施工，采用冲击钻成孔，插入管桩并振打，钢管桩采用混凝土充填。

3.2 承重梁、分配梁、平联设计

(1)承重梁：桩顶横向分配梁采用2工40a，双排桩纵向采用2HN500用作上横联及支承贝雷梁的横向承重。分配梁上布置6片“33”贝雷梁作为纵梁，贝雷片间采用90型标准花窗连成桁架结构。

(2)分配梁：贝雷梁上按照间距75 cm铺设I20a工字钢作分配梁，分配梁在两端通过卡板锁定在贝雷主梁上。

(3)平联：栈桥横向平联采用φ325 mm×6 mm钢管，锚桩采用φ526 mm×6 mm钢管。

4 施工平台设计

平台主要是为下部构造施工提供工作平台，并作为设备、材料临时堆放场地。平台顶面标高与栈桥顶面标高一致，采用“钢管桩+承重梁+贝雷梁”的形式布设。单排桩的桥墩平台按6 m宽度设计，群桩的桥墩平台按11.225 m宽度设计，平台支栈桥宽度为6 m。

钢栈桥平台主要考虑80 t履带吊、相应数量钻机及混凝土运输车进行辅助施工作业，辅助平台下部采用φ820 mm×10 mm钢管桩及φ325 mm×6 mm平联+2[20a斜撑，上部采用2工40a承重梁+贝雷梁的形式布设，平台上再铺设25a工字钢+12.6工字钢分布梁及花纹钢板作为面板。

5 桩基钢护筒设计计算

钢护筒的设计综合考虑地质情况、插打的工艺，防止钢护筒变形、防止塌孔、漏浆、确保钻孔安全以及其他各种因素。

5.1 钢护筒设计厚度的计算

桩基桩径为大于1.8 m。钢护筒采用14 mm三种规格钢板卷制而成，由集中钢筋加工厂按9～12 m一节加工运输至现场焊接下放，桩径扩大30 cm。

以12#钢护筒强度按最不利14 mm验算，护筒受力如图1所示。

图1 护筒受力示意图(单位：cm)

(1)基本数据

钢护筒在地面以上长度h=27.52 m

混凝土比重取值γr=24 kN/m3

水比重取值γw=10 kN/m3

(2)钢护筒受力验算

在混凝土浇筑时混凝土对钢护筒壁产生压力qR，在水中水对钢护筒壁产生压力qw，因一正一反两抵后对钢护筒壁产生压力qmax，

qmax=γR×h-γw×h=(24-10)×27.52=385.28 kN/m

(1)

(3)钢护筒强度验算

取钢护筒最底位置一截1 m长计算

图2 护筒受拉力示意图

由于混凝土对钢护筒壁的压力qmax使钢护筒壁内产生最大拉力N

设最大压力qmax为均匀受压F=qmax×1 m=385.28 kN/m

N=F×D/2=346.75 kN

(2)

σ=F/A(面积)=346.75/(1.4×10)=24.77 MPa <1.3[σ]=185 MPa

(3)

满足施工要求。

5.2 钢护筒设计长度的计算

(1)计算依据

公路施工手册《桥涵》。对于深水湖床护筒底端埋置深度的计算公式如下

L=[(h+H)γw-Hγ0]/(γd-γw)

(4)

式中：H封为护筒埋置深度，m；H水为施工水位至湖床表面深度，m；h为护筒内水头，即护筒内水位与施工水位之差，m；γw为护筒内泥浆容重，kN/m3；γ0为水的容重，10 kN/m3；γd为护筒外湖床土的饱和容重，kN/m3

γd=(Δ+e)γ0/(1+e)

(5)

式中：Δ为土粒的相对密度；取2.76.e为饱和土的孔隙比；取0.3～0.9平均值，取0.6

(2)取值说明

钻孔桩施工中，为了控制护筒内外泥浆面差值，现场采取了辅助泥浆泵等来调节泥浆面高度，防止护筒内外压力差过大。本计算，护筒内泥浆面比护筒外差值相对维持在3 m左右。

(3)计算

以10#墩基桩为例进行计算，由公式(5)

γd=(2.76+0.6)/(1+0.6)×10=21 kN/m3

(6)

工况：护筒内泥浆面与施工水位差值3 m。

即：10#墩

h=3,γd=21 kN/m3,γw=11 kN/m3,γ0=10 kN/m3

(7)

由公式(4)：

L=[(h+H)γw-Hγ0]/(γd-γw)

=[(3+27.9)×11-27.9×10]/(21-11)=6.1 m

(8)

即护筒的埋深需大于6.1 m。

6 钢栈桥关键施工工艺

6.1 钢管桩插打施工

钢管桩基采用“植桩法”进行钢管桩施工，用冲击锤和浮箱配合施工：(1)施工桥台到岸上基础墩架设完毕，80T履带吊上第一跨主栈桥。(2)浮箱运到现场，履带吊吊装下水拼装完成。(3)把冲击锤钻机吊到钢浮箱上进行固定，冲锋舟牵引到冲孔位置，全站仪定位，精确安装导向架，浮箱抛锚固定。(4)履带吊吊装护筒到导向架内安装，进行冲孔；(5)冲孔完成后，安装导管，进行孔内混凝土浇筑；(6)混凝土浇筑完成后拔出导管，复测导向架，把钢管桩植入混凝土中。

6.2 “植桩法”工艺流程

“植桩法”用冲击锤和浮箱配合施工，分三个步骤进行。

步骤一：

(1)用浮吊船和浮箱配合施工，利用GPRS定位系统找到桩位位置，把浮箱锚固后，用测绳探查桩位处水下岩面情况，每50 cm设一个点，如果测绳水下偏移值大于50 cm，改用测深仪或水下扫描仪测地层岩面起伏。

(2)安装导向架，测量复核导向架垂直度和空间位置满足设计要求后，安放φ130临时护筒高出水面，在安放过程中利用钢管测斜仪来校核柱位与护筒垂直度，发现偏差及时纠正[2]。

(3)接长护筒，测量控制钢护筒接长倾斜度；现场技术人员用超声波无声检测仪对接头焊接质量进行检测。

步骤二：

用φ120冲击锺头进行冲击，及时调整冲锺的行程及冲击方法，用捞渣桶清除岩渣。入岩不小于4 m后安装导管，进行C25水下混凝土浇筑。

步骤三：

(1)混凝土浇好后，把临时护筒向上提升50 cm，为方便后面植桩完成后临时护筒的拔出作准备。

(2)同时安装导向架，利用振动锺插入钢管桩，在植入过程中不断检测桩位与护筒垂直度，发现偏差及时纠正。下沉钢管桩至设计标高。等混凝土达到一定强度时，慢慢拔出临量护筒。

(3)测量组复测钢管桩偏位、倾斜度、顶标高符合要求后，方可焊接平联及安装上部结构。

(4)移动导向架，进行下一根钢管桩施工。

6.3 施工过程中的不可预见因素的应对措施

考虑到该地区复杂的地质情况，在施工过程中如遇穿越岩土交界处、相邻两种不同岩层、断层及倾角大的斜面岩层时，如何对植桩的钢管桩进行准确定位，安放临时护筒就成难题了。如果遇到这种情况，为穿越斜面岩层，采取以下处理方法：首先在施工区域利用测绳探查水下岩面情况，每50 cm设一个点，如探查岩面呈窝状，可抛掷碎石或块石黄土，填到岩面呈平缓状态，然后安放φ130临时护筒，用φ120冲击锺头进行冲击，及时调整冲锺的行程及冲击方法，用捞渣桶清除岩渣，入岩4.0 m后安装导管，进行C25混凝土浇筑，进入下一步φ100钢管桩植桩施工；如冲锺下去还是出现严重倾斜下沉的情况，可先用φ120冲击锺头放低冲程不间断锺击岩面，时刻观测冲击垂直度，等岩面锺出一个台阶式时，再换小冲锺钻头继续冲击，直到岩面呈平缓状态再进行上述植桩施工[3]。

6.4 钢管联系结施工

水下连接是本工程施工的一个重点和难点之一，在钢管植桩完成后，需要先进行水下连接，再进行露出水面的联系结施工；纵横向均有水下连接的，先连接纵向，再连接横向。具体施工步骤如下。(1)将水下连接与抱箍连接成整体，抱箍口通过螺栓将抱箍顶开10 cm距离，便于抱箍下放，通过螺栓a将抱箍连接成整体。(2)将钢丝绳捆在水下连接的中心点，利用冲击锤吊杆将联系结放入水中，下放过程中，一侧一个潜水员，调节抱箍的平稳，水下连接的顶端连接板系上测绳，测绳的上端通过浮箱上的施工人员控制，便于测量下放的位置。考虑施工时候，钢管桩的垂直度存在误差，联系结可以通过销轴调节4个抱箍的位置，便于联系结下放到设计位置。

(3)联系结下放到牛腿位置(牛腿提前焊接在钢管桩上)，调整好抱箍，拆除螺栓b，将螺栓a用扳手拧紧，使抱箍与钢管桩连接紧密。

(4)将联系结的[25在交叉点焊接，使结构为刚构。