西村港跨海大橋棧橋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

鄧加成

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

目前在國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)大量跨河跨海橋梁施工，為了保證橋梁正常施工作業(yè)，施工便道采用鋼棧橋的形式比較多，針對(duì)跨西村港大橋施工環(huán)境特點(diǎn)，并綜合考慮施工進(jìn)度與工程造價(jià)可題，最終設(shè)計(jì)鋼棧橋與鉆孔平臺(tái)輔助主橋施工，鋼棧橋施工便道不僅能夠解決海上橋梁施工沒有合適的操作空間的技術(shù)難點(diǎn)，而且還提供了安全、舒適的海上施工作業(yè)平臺(tái)，同時(shí)對(duì)于海域環(huán)境沒有污染，橋梁建成后容易恢復(fù)沿線海域環(huán)境，并不影響設(shè)計(jì)通航。

1 工程概況

西村港跨海大橋項(xiàng)目是廣西北海市重點(diǎn)建設(shè)工程，是連接貫通銀海區(qū)銀灘東區(qū)、竹林組團(tuán)及海洋產(chǎn)業(yè)園的“百里海岸海灘海景大道”，也是北海產(chǎn)城融合、打通向海經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路的財(cái)富通道。大橋位于西村港出?？谔帲髌鸩澈Ｂ?，向東延伸，跨越西村港后落地與林一路相交。由西引橋、主橋、東引橋三部分組成，全長(zhǎng) 2 544.4 m。其中橋梁長(zhǎng)度 1 775.8 m，設(shè)計(jì)采用雙向 6 車道，荷載標(biāo)準(zhǔn)城-A 級(jí)，行車速度 60 km/h，通航限界 110 m×12.5 m。主橋采用半漂浮體系雙塔雙索面景觀斜拉橋，跨徑布置為 38.9 m+70 m+238 m+70 m+38.9 m，主梁為鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)，橋?qū)挒?38 m，主塔 20 #、21 # 墩高度為 84 m，呈漢代銅鳳燈造型，有“鳳冠琴韻”之稱。西引橋長(zhǎng) 720 m，東引橋長(zhǎng) 600 m，均采用跨徑 30 m、40 m 簡(jiǎn)支箱梁，分幅布置。根據(jù)工程規(guī)模特點(diǎn)及總體施工安排，需在東、西兩岸堤壩間修建臨時(shí)鋼棧橋一座，以滿足主橋海上施工作業(yè)人員、運(yùn)輸建筑材料和機(jī)械設(shè)備通行（見圖 1、圖 2）。

圖1 西村港跨海大橋主棧橋貫通俯視圖

圖2 西村港跨海大橋主棧橋側(cè)立面圖

2 鋼棧橋重難點(diǎn)分析

2.1 棧橋是輔助橋梁的關(guān)鍵通道

項(xiàng)目工期緊任務(wù)重，原建設(shè)工期由 900 d 壓縮至720 d，施工組織管理難度大，各項(xiàng)施工準(zhǔn)備工作需超前計(jì)劃安排，而主棧橋是修建西村港跨海大橋的生命線和交通要道，必須為主體施工創(chuàng)造有利條件，對(duì)于主橋、東西引橋各墩位能否盡早開工和順利實(shí)施具有關(guān)鍵作用，保證水上施工變?yōu)殛懮鲜┕さ耐ǖ牢锪鬟\(yùn)輸通暢。

2.2 受水文地理環(huán)境影響施工難度大

橋位處海岸線距離約為 1 495 m，潮位標(biāo)高約3.0 m，兩岸地面標(biāo)高為 3.0～4.5 m。受潮汐影響，縱向海床標(biāo)高為 -0.65～1.1 m，航道處最深可達(dá) -1.5 m，地勢(shì)低緩。潮位低時(shí)灘涂區(qū)域出現(xiàn)，海面寬度為 150 m 左右，低潮水位為 -0.85 m，海運(yùn)船只易擱淺。巖土成因主要為第四紀(jì)沖、洪積及濱海沉積作用形成的黏土、粉質(zhì)黏土和砂類土，管樁入土液化塑性大。同時(shí)，上游分布有“鐵山港”等大型企業(yè)時(shí)有航運(yùn)出海，受通航需求可多次拼拆重建。每年四月至九月是雷暴、雷電活動(dòng)頻繁期，屬典型沿海雷暴活動(dòng)的“多雷區(qū)”，遇龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)或暴雨、大雨，年雷暴天數(shù) 83 d，“雷害”防范風(fēng)險(xiǎn)高，必須加強(qiáng)防范預(yù)控措施。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝施工難度大風(fēng)險(xiǎn)高

棧橋下部結(jié)構(gòu)采用“釣魚法”［1］施打鋼管樁，上部貝雷梁組拼與鋼構(gòu)件吊裝、聯(lián)結(jié)焊接工序多，各種周轉(zhuǎn)材料一次性投入大，水上作業(yè)專業(yè)性強(qiáng)，承重支撐體系穩(wěn)定性要求高，且需滿足主橋鋼箱梁大噸位構(gòu)件上棧橋吊裝作業(yè)，其工藝技術(shù)必須進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)、受力檢算與專項(xiàng)評(píng)審，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)操作規(guī)程，確保棧橋質(zhì)量安全受控。

2.4 棧橋地處生態(tài)保護(hù)區(qū)環(huán)水保要求高

項(xiàng)目橋址屬于熱帶濕熱區(qū)氣候與 Ⅲ 類海洋大氣環(huán)境區(qū)，又跨越“金海灣紅樹林”和蝦塘生態(tài)保護(hù)區(qū)。施工中，堅(jiān)持“環(huán)保、安全、合理、適用”的綠色施工原則，定時(shí)安排專人到岸灘清理垃圾，嚴(yán)禁排放污染海水，最大限度節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染。

3 棧橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 橋位選擇

根據(jù)西村港跨海大橋工程規(guī)模特點(diǎn)及總體施工安排，橋位選擇在東、西兩岸堤壩間 4 #～33 # 墩北側(cè)上游，總體平行于大橋方向，棧橋與主橋中心線相距 22 m，且兩岸縱向貫通，其端頭與兩岸海防堤壩外便道相接。考慮棧橋?qū)嵱眯?、?jīng)濟(jì)性，各主墩承臺(tái)平面大小不同，在東、西引橋與主橋交界處設(shè)加寬彎道，棧橋中心線與同側(cè)邊線錯(cuò)位間距均為 4 m，最寬處輔助墩承臺(tái)邊緣距棧橋中心線 22.8 m，引橋墩承臺(tái)邊緣距主棧橋中心線為 14.5 m。

3.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)參數(shù)［2］

棧橋由西棧橋 4 #～18 # 墩、通航道 18 #～23 # 墩、東棧橋 23 #～S33 # 墩段三部分組成，采用鋼管柱貝雷梁結(jié)構(gòu)形式，總長(zhǎng)度為 1 450 m。設(shè)計(jì)行車速度 10 km/h，主棧橋荷載不小于 800 kN，支棧橋荷載不小于 1 000 kN，橋面控制標(biāo)高 5.8 m，底面標(biāo)高為 4 m，累年最高潮位 3.3 m，保證棧橋梁部構(gòu)造高于累年高潮位 0.7 m，使用年限 2 年。

下部結(jié)構(gòu)采用φ630×10 mm、φ529×10 mm 鋼管樁，單根長(zhǎng)度 19～22 m，單墩單排 3 根，制動(dòng)過渡墩雙排 6 根。墩柱高 3～6 m，樁間剪刀撐［20 b 聯(lián)結(jié)系橫向連接，樁頂設(shè)樁帽、牛腿加勁板，上鋪 2I40 a 工字鋼橫梁，橫梁與貝雷梁限位架、墩柱焊接連接。

經(jīng)比選，確定跨徑為 12 m，主棧橋、主墩支棧橋（沿墩周一圈）縱梁采用四組 8 片貝雷梁，橋面寬度為8 m（見圖 3）。每聯(lián)中間設(shè)一處雙排制動(dòng)墩，每三聯(lián)有一孔 6 m 制動(dòng)跨，其它為 3 m 制動(dòng)跨，每三聯(lián)一組正好與三孔邊跨位置相對(duì)應(yīng)，單聯(lián)長(zhǎng)度 39 m 或 42 m，支點(diǎn)均設(shè)置在貝雷梁節(jié)點(diǎn)豎桿位置。引橋墩、主橋邊墩及輔助墩支棧橋垂直于主棧橋下游修建，在制動(dòng)墩附近交會(huì)，跨徑 6 m 或 9 m，縱梁采用三組 6 片貝雷梁，橋面寬為 6 m，保證車輛在主、支棧橋間順利轉(zhuǎn)彎過渡（見圖 4）。在主橋東、西兩端錨跨范圍左右設(shè)疊拼式彎道［3］，單側(cè)加寬4 m（見圖 5、圖 6）。考慮跨航道段及東棧橋通過主橋鋼梁運(yùn)輸車，橫向分配梁采用工字鋼 I25b@300，西棧橋分配梁采用工字鋼 I20b@300。橋面系鋪設(shè)厚 10 mm 花紋鋼板，兩側(cè)設(shè)防護(hù)欄桿。

圖3 主棧橋及主墩支棧橋橫斷面

圖4 引橋及邊墩支棧橋橫斷面

圖5 17 #～19 # 墩疊拼式彎道平面布置圖

圖6 疊拼式彎道橫斷面圖

3.3 受力檢算

3.3.1 荷載

棧橋拼裝與使用期間采用 QUY75 履帶吊，主臂33 m，最大工作幅度為 15 m，自重 68.6 t，配重 25 t。DZ 60 振動(dòng)錘及夾具重 5 000 kg，每孔單組 2 片貝雷梁最大吊重為 2 400 kg。10 m3罐車總重為 400 kN，按單車重力 10 % 計(jì)算，單支墩制動(dòng)力為 50 kN，橋面系沖擊系數(shù)［4］為 1.303。施工人員與機(jī)具荷載為 1.5 kN/m2。

3.3.2 使用期貝雷梁受力檢算

1）有限元模型以 MIDAS 整體建立三維模型如圖 7 所示。僅對(duì)主棧橋貝雷支架受力數(shù)據(jù)分析，利用有限元軟件 midas civil 計(jì)算。

圖7 棧橋三維模型

2）貝雷梁撓度、應(yīng)力按多跨 12 m 連續(xù)梁建模，履帶吊按偏心 50 cm，罐車按偏心 60 cm 計(jì)算。履帶吊、罐車最大撓度 f=28.5 mm＜12 000/400=30 mm；罐車偏載會(huì)車時(shí)，弦桿最大軸力 415.6 kN＜560 kN；豎桿最大軸力 293.9 kN＞210 kN，支點(diǎn)處單豎桿需加強(qiáng)，并注意控制偏載；斜桿最大軸力 157.5 kN＜171.5 kN，滿足要求［5］。

3）橋面結(jié)構(gòu)檢算橋面系均為常規(guī)做法，詳細(xì)計(jì)算分析略。

3.3.3 臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)檢算

1）荷載及計(jì)算模型豎向荷載分別取罐車荷載、履帶吊荷載，不計(jì)水流荷載、潮汐荷載及風(fēng)荷載。鋼管樁柱按底部鉸接考慮（見圖 8）。

圖8 臨時(shí)支墩結(jié)構(gòu)模型

2）墩頂橫梁檢算考慮履帶吊、罐車偏載及棧橋自重，橫梁最大彎應(yīng)力為 113.6 MPa，最大剪應(yīng)力為 75.5 MPa，均滿足受力要求。

3）支墩軸力［6］罐車偏載自重作用下，單排墩邊立柱軸力最大為 485.9 kN。主橋鋼梁運(yùn)輸車及自重作用下，單排墩中間立柱軸力最大為 555.9 kN。根據(jù)φ630×10 鋼管截面特性，按最長(zhǎng)外露 6 m，單樁長(zhǎng)細(xì)比 27.4，查表 ψx=0.945，立柱彎應(yīng)力為 46.8 MPa。同理，φ529×10 鋼管單樁長(zhǎng)細(xì)比 32.7，查表 ψx=0.926，立柱彎應(yīng)力為 60.6 MPa。均滿足要求。

4）支墩基礎(chǔ)檢算采用樁底標(biāo)高和貫入度進(jìn)行雙控，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際承載力與貫入度的測(cè)試值。鉆孔勘探資料顯示，12 # 墩附近地層承載力較差，管樁φ630、φ529最小入土長(zhǎng)度分別為 19 m、22 m。樁頂反力 600 kN，單樁承載力 1 496.37 kN，豎向力特征值 748.18 kN。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工方法與工藝

自西岸、東岸堤壩位置起分兩個(gè)作業(yè)面，依次同步平行于主橋方向展開施工，再于跨通航段海上相應(yīng)主墩附近位置合龍成橋，并適時(shí)增加資源投入，同步展開主橋各墩位支線棧橋、鉆孔平臺(tái)的搭設(shè)施工。鋼管樁、貝雷桁片、各類型鋼等周轉(zhuǎn)材料采用平板車運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)組拼安裝就位。鋼管樁采用“釣魚法”插打，全站儀控制樁位，每天按成橋 12 m 計(jì)。每個(gè)作業(yè)面各配備一臺(tái)DZ 60 型振動(dòng)錘，一臺(tái) 50 t 履帶吊配合插打鋼管樁，輔助一臺(tái) 400 kW 發(fā)電機(jī)、四臺(tái) BX-315 電焊機(jī)。必要時(shí)，采用 DZ 90 型振動(dòng)錘、75 t 履帶吊插打拔除管樁。

每排管樁打設(shè)完畢后，在樁頂擺放大橫梁，依次成組安裝貝雷梁，再鋪設(shè)橋面系。每孔棧橋完成后，應(yīng)進(jìn)行安全檢查和驗(yàn)收，合格后方可通行車輛，繼續(xù)下一孔棧橋施工。

施工中，在已架設(shè)的棧橋上，將一孔單組跨貝雷梁懸挑，端頭安裝臨時(shí)導(dǎo)向架（見圖 9）。將管樁吊入定位架內(nèi)，履帶吊小鉤起吊點(diǎn)在管樁 1/3 樁長(zhǎng)位置，樁端用雙夾具固定。待樁身和振動(dòng)錘重力下進(jìn)入河床后，通過全站儀和錘球觀測(cè)樁位，對(duì)講機(jī)指揮履帶吊前后、左右擺動(dòng)，以調(diào)整管樁垂直度。檢查無誤后啟動(dòng)振動(dòng)錘，將管樁振入河床。進(jìn)入海床 2～3 m 后可松開吊鉤，讓管樁在振動(dòng)錘的作用下繼續(xù)打入，直至插打成樁。

圖9 棧橋臨時(shí)導(dǎo)向架

4.2 施工控制要點(diǎn)

1）編制跨海棧橋安全專項(xiàng)施工方案，繪制棧橋施工圖，進(jìn)行專項(xiàng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與受力檢算，經(jīng)通過方案評(píng)審后方可實(shí)施。

2）當(dāng)首節(jié)管樁頂位于導(dǎo)向架以上 1～1.5 m，停止振入，移開振動(dòng)錘進(jìn)行管樁滿焊接長(zhǎng)，并增焊加勁板。進(jìn)入持力層后，最后 10 擊平均貫入度不超過 2～4 mm 時(shí)停打。打樁精度控制在 H/100 范圍內(nèi)，且不得超過 5 cm。

3）主棧橋與支棧橋、平臺(tái)連接處的頂部分配橫梁應(yīng)通長(zhǎng)連接，同向行駛的重型車輛不得同時(shí)處于一聯(lián)棧橋內(nèi)，保證車輛和棧橋結(jié)構(gòu)安全［7］。遵循輕車避讓重車的行駛原則，且行駛速度不得大于 5 km/h。

4）合理使用和必要的維護(hù)是維持棧橋使用壽命的有力保障。使用期需定期進(jìn)行全方位的檢查和保養(yǎng)。

5）因打樁時(shí)振動(dòng)錘對(duì)樁身周圍振搗導(dǎo)致土體液化，減少了樁身土質(zhì)的摩阻力，為確保鋼棧橋穩(wěn)定性，在鋼棧橋施工完成后不得立即使用。待停放三天，經(jīng)驗(yàn)收合格方可投入使用。

6）使用期間設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，定期觀測(cè)沖刷情況，檢查貝雷桁架連接處和各構(gòu)件的焊縫，做好鋼棧橋的監(jiān)控測(cè)量。

7）遇大潮汛情、大霧、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣，在安全撤退海上全部機(jī)械設(shè)備人員后，關(guān)閉棧橋，待解除警報(bào)后再使用。

8）支棧橋在對(duì)應(yīng)橋墩施工結(jié)束后進(jìn)行拆除。主棧橋待主橋鋼梁安裝、橋面系施工完成后停止使用，依循“自上向下，后裝先拆、先裝后拆［8］”原則，由跨航道中間合龍段開始，向東、西兩岸依次拆除。入土樁必須整根拔除，防止剩余樁頭阻礙船只通航。拆下的棧橋材料用平板車運(yùn)輸?shù)酱a頭附近堆場(chǎng)臨時(shí)堆放，然后外運(yùn)。

5 結(jié)語(yǔ)

西村港跨海大橋項(xiàng)目主棧橋于 2019 年 8 月 15 日順利合龍成橋。截至目前，主橋各墩位支棧線施工已接近尾聲，成為一道亮麗的北海風(fēng)景線，隨著大橋工程建設(shè)的有序推進(jìn)，已投入使用的主棧橋與支棧橋總體運(yùn)行良好，受到了建設(shè)單位、監(jiān)理單位和社會(huì)各界的高度贊譽(yù)，積累儲(chǔ)備了跨海棧橋施工技術(shù)創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)。