湘江特大橋深水裸露基巖棧橋施工技術研究

劉 曉 棟

(中鐵三局集團第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

1 工程概況

1.1 橋位

懷邵衡鐵路湘江特大橋位于湖南省衡陽市石鼓區(qū)境內(nèi)。主跨28號～32號墩位于湘江內(nèi)，采用雙壁鋼圍堰、棧橋方案進行深水基礎施工，上部采用(72+4×130+72)m連續(xù)梁懸臂澆筑施工，立面布置見圖1。

1.2 棧橋概況

依據(jù)總體施工組織設計及海事航道部門要求，預留30號～31號墩間為施工期間河道通航孔，分別需要自兩岸到30號、31號墩架設長度300 m,160 m的重型棧橋。

1.3 水文地質(zhì)資料

橋址處雨水充足，湘江水面寬度630 m左右，水深10 m～15 m，常水位50 m。主墩墩位處地質(zhì)條件復雜，河床為裸露基巖，無覆蓋層。河床下地質(zhì)從上往下分別為強風化泥巖，σ0=300 kPa，弱風化泥巖，σ0=450 kPa。

2 棧橋方案的構思

2.1 方案比選

根據(jù)地質(zhì)核對資料，基床以下基本為裸巖，這種地質(zhì)特點也是該橋施工的難點。棧橋鋼管樁難以打入巖層，可采取三種措施解決，即栽樁、板凳樁基礎、人造覆蓋層后打入樁。

栽樁就是先在孔位用旋挖鉆或沖擊樁等設備沖孔，鋼管樁跟進，滿足錨固長度。其優(yōu)點是結(jié)構穩(wěn)定性好，沉降小、水流和施工期地質(zhì)變化影響較小。缺點是施工周期長。

板凳樁基礎是采取四根或多根鋼管樁通過鋼結(jié)構連接后，直接置于河床或覆蓋層中。其優(yōu)點是施工簡單、周期短。缺點是結(jié)構穩(wěn)定性差，存在沉降風險，使用材料多。

人造覆蓋層打入樁是在孔位進行水下爆破，然后打入鋼管樁。其優(yōu)點是施工成本低。缺點一是爆破需要精度高，二是受水流影響大，水流沖刷時間較長導致人造覆蓋層厚度減薄。

2.2 方案確定

施工棧橋根據(jù)施工組織設計安排使用時間35個月，施工時間較長，施工期間水位變化比較大，且湘江水流最高可達到2 m/s，采取人造覆蓋層與板凳樁基礎方案風險大，因此不采取。

綜上所述，鋼管樁施工確定采取栽樁的方案，為解決其施工周期長和水中作業(yè)鋼管樁進行回收的難點，在栽樁數(shù)量、棧橋跨度、施工周期之間尋找一個平衡點，通過經(jīng)濟比選，確定了本工程棧橋的合理跨度為15 m。

3 棧橋結(jié)構設計

3.1 棧橋布置

棧橋每跨15 m。樁基使用φ850 mm混凝土鉆孔灌注樁，持力層為弱風化泥巖。下部結(jié)構以φ1 000×10 mm鋼管樁做承力基礎，普通墩設2根鋼管樁，管樁間距為6 m，制動墩為雙排管樁，兩排管樁間距為3 m。上部結(jié)構以H700型鋼作為主分配梁，沿橋軸線用三組貝雷梁為鋼棧橋主梁，橋軸中心布設一組貝雷梁,橋面系以間距為0.3 m的Ⅰ18b作分配梁，8 mm花紋鋼板做面板，橋兩側(cè)焊接欄桿。棧橋結(jié)構中除貝雷架為Q345鋼外，其他材料均為Q235鋼，見圖2。

3.2 棧橋計算

3.2.1有限元模型

棧橋采用貝雷梁的形式，布置為連續(xù)的單排單層，均未進行加強。取3跨連續(xù)結(jié)構進行檢算，單跨跨度按15 m進行計算。建立1聯(lián)3跨貝雷梁棧橋結(jié)構的計算模型，貝雷架所有銷軸連接處作鉸接約束處理。有限元計算模型見圖3。

3.2.2計算分析情況

對棧橋臨時結(jié)構的工作狀態(tài)進行驗算，其中活載驗算包括公路Ⅰ級車輛荷載、80 t履帶吊工作兩種荷載，考慮人群機具荷載，水流沖擊荷載和風荷載，并對橋面小分配梁在各種工況作用下的受力狀態(tài)進行計算分析，建立了鋼管樁等基礎設施的有限元計算模型并進行計算分析，結(jié)果表明，棧橋臨時結(jié)構的各個構件受力情況均滿足要求。

3.2.3貝雷梁受彎矩最大

經(jīng)計算貝雷梁彎矩最不利工況為80 t履帶吊側(cè)吊8 t工況。

為真實地反映結(jié)構受力，對結(jié)構建立空間有限元計算模型進行計算，計算軟件為Midas2010。根據(jù)等跨連續(xù)梁的受力特點知道，兩個邊跨在荷載作用下，受力最不利。計算模型見圖4～圖6。

工況一：自重+人群機具荷載+55 t重載汽車行走到邊跨跨中；

工況二：自重+人群機具荷載+80 t履帶吊跨中側(cè)吊8 t(站位1)；

工況三：自重+人群機具荷載+80 t履帶吊跨中側(cè)吊8 t(站位2)。

貝雷梁構件計算結(jié)果如表1所示。

表1 彎矩最不利工況下貝雷梁構件計算結(jié)果

3.2.4貝雷梁受剪力最大

該工況為計算豎桿和斜桿內(nèi)力最不利工況。此時履帶吊機荷載作用于貝雷梁的端部，計算模型如圖7～圖10所示。

工況四：自重+人群機具荷載+55 t重載汽車行走到墩頂；

工況五：自重+人群機具荷載+80 t履帶吊墩頂順橋向側(cè)吊14 t荷載(站位1)；

工況六：自重+人群機具荷載+80 t履帶吊墩頂順橋向側(cè)吊14 t荷載(站位2)；

工況七：自重+人群機具荷載+80 t履帶吊在正墩頂側(cè)吊14 t。

計算結(jié)果見表2。

表2 剪力最不利工況下貝雷梁構件計算結(jié)果 kN

最大撓跨比：

由上述計算可知，彎矩最大發(fā)生在80 t履帶吊側(cè)吊8 t，剪力最大發(fā)生在80 t履帶吊在墩頂側(cè)吊14 t荷載工況。實際施工過程中，應禁止履帶吊在墩頂一側(cè)進行側(cè)吊。其他各構件內(nèi)力值均小于相應的容許值，貝雷梁豎向位移小于容許值。

4 裸巖河床施工關鍵技術

4.1 鉆孔浮平臺拼組

水上吊裝作業(yè)采用1臺20 t動臂浮吊。浮吊為67式鐵路舟橋配套設備，由10個標準舟節(jié)和桿件組成，現(xiàn)場拼組。拼組時在岸邊用汽車吊將浮箱下水，拼組浮箱，在浮箱上拼組桿件。

鉆孔浮平臺用8個標準舟節(jié)浮箱組裝，浮箱在岸邊下水拼組后，在浮吊、汽車吊配合下將浮箱連接成整體，中間部位根據(jù)鉆機需要預留位置下放鉆頭，完成后在浮平臺四角安裝4臺3 t電動錨機。標準舟節(jié)浮箱長9 m，寬2.7 m，甲板至舟底高1.5 m，全高1.65 m，重4.65 t，見圖11。

浮平臺拼組好后，用20 t動臂浮吊將鉆機錘頭吊上浮平臺就位，四角錨機上連接混凝土錨，用機動舟將4個混凝土錨拋入河上下游，通過錨機拉動錨繩定位樁位。

沖孔船就位完成后，以沖孔船為作業(yè)平臺，20 t浮吊配合，在沖孔位置放置雙層導向框架，在導框內(nèi)插打鋼管樁，如圖12所示。

4.2 鋼管樁沖孔栽樁與接高

鋼管樁下沉采用20 t浮吊配合振動錘施工。首先起吊鋼管樁，在測量人員的測量控制下，鋼管樁精確定位。調(diào)整其垂直度，確定無誤后開動振動錘，由指揮人員指揮插打鋼管樁。開鉆前用全站儀定好棧橋管樁位置，開始鉆孔，孔深控制在大于4 m，利用鋼管樁作為護筒進行沖孔作業(yè)。棧橋采用1 000 mm管樁，采用800 mm直徑十字實心鉆鉆孔。沉樁初期可依靠樁的自重下沉，之后使用振樁錘振動沉樁。采用DZ90的振動錘，10 min進尺小于5 cm時，即停止振動下沉。

每個墩位的一排鋼管樁沖孔栽樁完成后，檢查樁的偏斜及入土深度與設計無誤，將鋼管樁按照設計要求進行接高，接高前，測量沖孔樁鋼管樁高程，按照鋼管樁設計高程進行接高鋼管樁下料，下料長度較設計長5 cm，避免找平時鋼管樁長度不足。接長采用浮吊吊裝鋼管樁進行接長，兩鋼管樁焊接部位打坡口進行滿焊，同時在鋼管樁四周采用4塊鋼板貼焊。

鋼管樁接長完成后及時將鋼管樁間的剪刀撐焊接加固。對樁頂進行找平，利用浮吊將橫墊梁吊放在鋼管樁上，保證底面平整，與鋼管樁焊接固定，見圖13，圖14。

4.3 主梁安裝

主梁貝雷梁在拼裝場地拼組完成，每組長15 m，由運輸船運輸至作業(yè)面，利用浮吊直接吊裝就位。架設完畢貝雷梁后，在扁擔梁上焊接貝雷梁限位裝置，防止車輛動載導致貝雷梁移位，達到固定貝雷梁目的。安放好一組主梁并確定位置無偏差后，再安裝另一組，以免吊裝時發(fā)生碰撞，見圖15。

4.4 橋面系鋪設施工

貝雷梁施工完畢后，進行橋面系施工，橋面系由Ⅰ18a分配梁和8 mm厚花紋鋼板組成，分配梁間距30 cm，由于貝雷梁不能焊割，但貝雷梁上必須固定橋面系，采用騎馬螺栓及扁擔梁將工字鋼固定在貝雷梁上。鋪設橋面板時接頭處必須設置在分配梁頂，與分配梁進行焊接，見圖16，圖17。

4.5 棧橋附屬結(jié)構施工

棧橋完成后，在橋上焊接欄桿作為防護，欄桿用方鋼管及鋼板進行加工成型，欄桿高1.2 m，立桿間距3 m。護欄下方設置踢腳板，踢腳板采用4 mm花紋鋼板制作。護欄及踢腳板均刷紅白相間反光漆或熒光漆。

5 結(jié)語

水中橋梁基礎施工從水中轉(zhuǎn)到陸地是施工發(fā)展的方向，尤其在通航受限的條件下，可能是唯一的方案。棧橋提供了物流通道和作業(yè)平臺，其構思和施工方案需因地制宜制定方案，湘江橋施工已完成，施工過程中棧橋安全可靠。形成如下結(jié)論:

1)通過對鋼管樁施工方法比選，開發(fā)了一種適用于深水裸巖河床鋼管樁鉆孔栽樁施工方法，解決了淺覆蓋層地質(zhì)情況下棧橋鋼管樁底部無法固結(jié)的問題，且對河床面破壞小，環(huán)境污染小，節(jié)約資金。

2)鋼管樁施工確定采取栽樁的方案，為解決其施工周期長和水中作業(yè)鋼管樁進行回收的難點，在栽樁數(shù)量、棧橋跨度、施工周期之間尋找一個平衡點，通過經(jīng)濟比選，確定了本工程棧橋的合理跨度及棧橋結(jié)構布置，經(jīng)有限元計算分析，棧橋結(jié)構的各個構件受力情況均滿足要求。