薄覆蓋層河床鋼棧橋鋼管樁的錨固方法探索與實(shí)踐

彭鑫

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司 , 湖南 長沙 410005)

1 工程概況

某公路梁橋橫跨湘江支流，河道寬約242 m。100年一遇洪水位為39.21 m，施工水位為35.00 m。施工棧橋長約2.35 km，最大跨徑6.0 m，橋面寬6 m，設(shè)計(jì)頂面標(biāo)高為36.50 m。棧橋下部結(jié)構(gòu)均采用φ630 mm×8 mm鋼管樁，在鋼管樁頂面以下1.4 m，橫橋向采用2[16a槽鋼設(shè)置一道剪刀撐，在鋼管樁頂面以下2.0 m，縱橋向加2[16a槽鋼橫撐、斜撐。上部結(jié)構(gòu)枕梁采用2I40a工字鋼，縱梁為間距50 cm的I36a工字鋼，橋面滿鋪[16號(hào)槽鋼，槽鋼間隙為1 cm，并設(shè)置防護(hù)欄桿。鋼棧橋示意圖如圖1所示。

圖1 鋼棧橋示意圖(單位：除標(biāo)高為m外，其余：cm)

利用50 t履帶吊車配合DZ60振樁錘施工棧橋鋼管樁，選取“釣魚法”施工方式，沿一邊河岸向?qū)γ婧影犊v向逐步施打鋼管樁，安裝棧橋。在施工河道中主橋2#～4#橋墩位置處鋼管樁(對(duì)應(yīng)鋼管樁編號(hào)72#～98#)時(shí)，鋼管樁下沉困難，甚至有跳錘現(xiàn)象發(fā)生，通過更換DZ90振動(dòng)錘增大鋼管樁下沉的激振力，但是效果不明顯；必須采用加固方法完成鋼管施工。

2 錨固方法

經(jīng)調(diào)查當(dāng)?shù)厮馁Y料，并結(jié)合現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，由于河道支流無通航要求，河道受非法采砂影響嚴(yán)重，此外，河道中間水流湍急，河床受沖刷嚴(yán)重，導(dǎo)致河床覆蓋層較薄。具體位置為主橋2#～5#墩處，約80 m范圍河床巖層表面僅有約30 cm厚的沉積泥層，如圖2所示。薄覆蓋層處鋼管樁下沉深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，棧橋鋼管樁與河床的咬合力很小，棧橋抗推、抗傾覆能力均不足，且水位越高，棧橋的自穩(wěn)能力越差，洪水期間存在極大的安全隱患。常規(guī)的加固方式為鋼管樁+錨固樁方案，若采用該施工方案需增設(shè)臨時(shí)施工平臺(tái)，這樣增加了取芯鉆機(jī)鉆孔，錨桿安裝、孔底注漿等工藝，施工工藝復(fù)雜、工期長，且河床底隱蔽工程施工質(zhì)量很難保證。

圖2 河道薄覆蓋層區(qū)域

經(jīng)過反復(fù)比較后，提出在鋼管樁底部澆筑混凝土覆蓋層的方式對(duì)棧橋鋼管樁進(jìn)行錨固。在鋼管樁施工完成后，下沉鋼套箱，澆筑水下混凝土，形成覆蓋層，增大鋼棧橋(鋼管樁底部)與河床的接觸面。利用覆蓋層(水下混凝土)在水中的重力(扣除浮力)及鋼棧橋重力來抵抗上游水流、漂浮物沖擊力及風(fēng)荷載對(duì)棧橋的傾覆力，其次覆蓋層與巖面的摩擦力可以增大棧橋抗滑力，可保證棧橋的整體穩(wěn)定性。但該錨固方案需考慮在該非通航河道可能存在旅游船通行需要，故鋼管樁底部覆蓋層混凝土高度不宜超過2 m，為保證鋼棧橋在施工水位(+35.0 m)時(shí)的穩(wěn)定，可以增大覆蓋層混凝土底部面積。最終確定在橫橋向兩根鋼管樁底部設(shè)置高度2 m，長度8.47 m，寬度3.63 m的覆蓋層混凝土，具體尺寸如圖3所示。

圖3 覆蓋層混凝土斷面示意圖(單位：m)

3 方案計(jì)算

3.1 技術(shù)參數(shù)選取

施工水位處于+35.00 m以下時(shí)，棧橋上車輛正常通行，實(shí)際水位超過該水位時(shí)，橋面禁止車輛通行，發(fā)生洪水時(shí)，考慮棧橋結(jié)構(gòu)被淹沒。按照最不利控制設(shè)計(jì)原則，選取施工水位最深位置棧橋結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象(3#橋墩位置棧橋)，河床標(biāo)高為18.81 m。根據(jù)運(yùn)輸車輛所處位置與施工水位，選取計(jì)算工況如下：

工況1：運(yùn)輸車輛位于棧橋跨中。

工況2：運(yùn)輸車輛位于棧橋墩頂。

工況3：洪水淹沒棧橋。

棧橋?yàn)椴牧显O(shè)備運(yùn)輸通道，不得作為除施工車輛以外運(yùn)輸車輛的通道，因此通行車輛荷載有：10 m3混凝土攪拌車(滿載)50 t，50、70 t履帶吊、50 t吊車，各車輛均不同時(shí)通行，其中棧橋通行車輛中70 t履帶吊對(duì)棧橋影響最大，履帶橫向間距取2.5 m，履帶接地長度4.5 m，履帶寬76 cm。橋?qū)? m，擬計(jì)劃中間4 m過車，兩側(cè)1 m為人行通道，人群荷載取3.5 kN/m2。

作用在棧橋結(jié)構(gòu)上的水流沖擊力：

Fw=KA[γv2/(2g)]

(1)

式中：γ為水的重度(kN/m3)，取υ=10 kN/m3；v為水的流速，取v=1.46 m/s；A為阻水面積(m2)；g為重力加速度,取10 m/s2；K為結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)，取K=0.8。

發(fā)生洪水時(shí)，考慮棧橋全部淹沒，上部結(jié)構(gòu)阻水面積按封閉考慮。計(jì)算得：F1=0.54 kN/m(鋼管樁)；F2=0.38 kN/m(枕梁、縱梁與橋面槽鋼)；F3=0.14 kN/m(縱向橫撐、斜撐)；F4=6.19 kN/條(覆蓋層混凝土)。

3.2 正常使用狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果

為了研究分析棧橋結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在各工況荷載作用下的受力特性，采用有限元軟件Midas對(duì)棧橋進(jìn)行模擬。各構(gòu)件采用梁單元模擬，枕梁與鋼管樁頂部、枕梁與縱梁均采用鉸接，鋼管樁底部與水下混凝土底部約束豎向向下位移、橫向位移與縱向位移。根據(jù)GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中3.1.5條規(guī)定，工況1、2荷載組合相同，僅作用位置不同，對(duì)兩個(gè)工況荷載作用下的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行驗(yàn)算。由于棧橋結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算工作量，工況1選取一跨棧橋進(jìn)行模擬，工況2選取兩跨棧橋模擬。

在工況1荷載作用下棧橋結(jié)構(gòu)最大位移位于縱梁跨中位置，最大位移為14.3 mm<6 000/250=24.0 mm，剛度滿足要求；在工況2作用下，棧橋結(jié)構(gòu)最大位移位于枕梁跨中位置，豎向最大撓度為7.7 mm<4 550/250=18.2 mm，剛度滿足要求。

在工況1荷載作用下，棧橋結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力位于橋面分配槽鋼上，為193.3 MPa<[σ]=215 MPa；在工況2荷載作用下，棧橋結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力也位于橋面分配槽鋼上，為207.3 MPa<[σ]=215 MPa，即工況1、2荷載作用下棧橋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。在工況1荷載作用下，除橋面槽鋼外棧橋結(jié)構(gòu)最大正應(yīng)力位于縱梁跨中，與最大豎向位移位置吻合；在工況2荷載作用下，除橋面槽鋼外棧橋最大正應(yīng)力位于枕梁跨中，與最大豎向位移位置吻合。最大正應(yīng)力位置與最大位移位置吻合，驗(yàn)證了模型計(jì)算的有效性。

3.3 特殊狀態(tài)下驗(yàn)算

發(fā)生洪水時(shí)棧橋結(jié)構(gòu)無車輛荷載通行，此外，若鋼棧橋鋼管樁插入深度不夠，主要影響其抗水流沖擊時(shí)的穩(wěn)定性，因此工況3只驗(yàn)證其在洪水沖擊作用下的穩(wěn)定性。若選取整個(gè)錨固施工段的鋼棧橋進(jìn)行計(jì)算分析，則計(jì)算工程量過大，若僅選取1跨鋼棧橋進(jìn)行模擬則無法準(zhǔn)確模擬其邊界條件，因此按照棧橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)建立3跨整體空間模型進(jìn)行分析計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明：在洪水作用下棧橋結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生傾覆。具體結(jié)果如下：

(1)工況3荷載作用下，鋼管樁頂部最大位移為19.5 mm，滿足規(guī)范要求。

(2)棧橋結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力最大值位于鋼管樁根部，為15.7 MPa<[σ]=125 MPa。

(3)棧橋結(jié)構(gòu)正應(yīng)力最大值位于斜撐與鋼管樁交接位置，為121.9 MPa<[σ]=215 MPa。

綜上所述可知：鋼管樁在洪水沖擊作用下可以保持穩(wěn)定。

4 錨固施工

4.1 鋼套箱制作與下沉

首先采用吸泥機(jī)結(jié)合潛水員下水作業(yè)方式清除河床原有薄弱覆蓋層，消除覆蓋層混凝土與河床之間的軟弱結(jié)構(gòu)面，增大兩者之間的摩阻力，提高迎水面抗力。由于河床底坡度較大，為保證套箱模板底部與巖面吻合嚴(yán)密，并具有足夠的穩(wěn)定性，通過測繩測量套箱4個(gè)角點(diǎn)的河床高程，確定套箱前后高差，通過高差確定套箱的結(jié)構(gòu)尺寸，在保證套箱頂面高程一致的基礎(chǔ)上，巖面較傾斜使得套箱各側(cè)模板高度不同，套箱底口形成“齒口型”，簡稱“齒口套箱”。齒口套箱現(xiàn)場加工及拼裝完成后，用 50 t履帶吊整體吊裝下放到指定位置，當(dāng)模板精確定位好后，由潛水員檢查模板著床情況，對(duì)四周有小縫隙的位置采用袋裝快硬水泥進(jìn)行堵漏，同時(shí)在外圍拋填不小于1 m的砂夾石，砂夾石拋填方向從上游到下游進(jìn)行。

4.2 覆蓋層混凝土澆筑

通過下放導(dǎo)管澆筑水下混凝土，一次澆筑成型人工覆蓋層混凝土。每組鋼管樁覆蓋層混凝土約61.5 m3，水下混凝土的流動(dòng)半徑按4 m計(jì)算，此外考慮到覆蓋層為長條形，因此在每組鋼管樁底覆蓋層混凝土澆筑時(shí)設(shè)置3個(gè)灌注點(diǎn)。導(dǎo)管底口距河床底部按15 cm懸空計(jì)算，初始埋深按55 cm考慮，選用0.8 m3小料斗和10 m3混凝土運(yùn)輸車作為集料設(shè)備。覆蓋層混凝土厚度為2 m，為保證導(dǎo)管有一定的埋深，混凝土灌注順利時(shí)，一般不隨便提升導(dǎo)管，即使需要提管時(shí)，提升的高度都應(yīng)嚴(yán)格控制為30～50 cm。混凝土澆筑臨近結(jié)束時(shí)，采用測錘全面測出覆蓋層混凝土標(biāo)高，根據(jù)測量結(jié)果，對(duì)混凝土表面標(biāo)高偏低的測點(diǎn)附近導(dǎo)管增加灌注量，直至所測結(jié)果滿足要求。

4.3 錨固棧橋運(yùn)營與拆除

通過對(duì)運(yùn)營期棧橋結(jié)構(gòu)的監(jiān)控，錨固施工后棧橋使用良好，尤其是 2018 年7月湘江下游區(qū)域遭遇超過50年一遇的洪水時(shí)，棧橋結(jié)構(gòu)鋼管樁頂部順?biāo)鞣较虻淖畲笪灰莆挥谥鳂?#與4#墩中間位置，即河水最深位置，位移達(dá)到 22.5 mm，雖較理論計(jì)算值(19.5 mm)偏大，考慮到?jīng)_擊物的沖擊力及沖掛在棧橋上的各類雜物造成過水面積的減小等影響，實(shí)際情況與理論計(jì)算值基本吻合，表明加固后的棧橋經(jīng)受住了洪水的考驗(yàn)。棧橋拆除按照后安先拆的思路進(jìn)行，橋面系的拆除為常規(guī)拆除，水下鋼管樁拆除前由潛水員在水下進(jìn)行平聯(lián)的解除工作，底部采用切割方式配合吊車進(jìn)行拆除。

5 結(jié)論

針對(duì)裸巖、覆蓋層薄、水位高等條件下鋼棧橋施工特點(diǎn)，提出采用澆筑水下混凝土、形成人工覆蓋層，錨固鋼棧橋豎向鋼管樁等措施施工得以順利進(jìn)行，得到以下結(jié)論：

(1)與利用大型施工平臺(tái)施工錨固樁加固棧橋的常規(guī)做法相比，澆筑覆蓋層混凝土錨固棧橋工藝成熟，施工簡單、施工難度小、工期短。其次澆筑混凝土覆蓋層錨固技術(shù)僅增加了混凝土材料成本，無需增加其他設(shè)備，經(jīng)濟(jì)效果好。

(2)澆筑覆蓋層混凝土錨固棧橋后，棧橋結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度均滿足規(guī)范要求。

(3)被洪水淹沒后，棧橋不會(huì)發(fā)生傾覆滑移，理論計(jì)算鋼管樁頂最大位移為19.5 mm，發(fā)生50年一遇洪水時(shí)實(shí)際樁頂最大位移為22.5 mm，考慮到漂流物減小了過水面積等的影響，理論值與實(shí)際值基本吻合，洪水期間棧橋可保持穩(wěn)定。

(4)鋼棧橋施工過程中，每次洪水過后，應(yīng)及時(shí)清理沖掛在棧橋上的各類漂浮物，防止其過水面積減小，流水沖擊力增大。施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)位移增大區(qū)域，及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)加固措施。