淺談河床巖面上的棧橋鋼管樁加固方法

吳鋼偉，沈煒

（浙江省大成建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著時(shí)代經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的腳步加快，為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的有效流通，各類跨江河大橋開始有序建立，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)互通的同時(shí)，不斷深化著交通強(qiáng)國(guó)的理念。用于運(yùn)送物資和設(shè)備的鋼棧橋是確保橋梁順利建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，鋼棧橋的穩(wěn)固和安全為項(xiàng)目建設(shè)提供了重要保障。在水深較大，流速平穩(wěn)的河流中，可將棧橋鋼管樁打設(shè)在河底的覆蓋層中；在水深不大，流速湍急的河流中，棧橋鋼管樁只能放置在河床的巖面上。位于巖面上的鋼管樁由于沒有柱底的錨固，只能靠其自重抵抗水流沖擊帶來(lái)的滑移和傾覆，具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。

本文結(jié)合衢州綠色產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)跨衢江大橋項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)建造在河床巖面上的棧橋進(jìn)行穩(wěn)定性分析，提出一種在鋼管樁底部澆筑擴(kuò)大基礎(chǔ)，提供柱底錨固并增加抗傾覆配重的方法，為相關(guān)河床巖面上的棧橋鋼管樁穩(wěn)定加固提供參考。

1 工程背景

1.1 工程簡(jiǎn)介

衢州綠色產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)跨衢江大橋項(xiàng)目位于衢州市龍游縣，橫跨衢江，連接模環(huán)鄉(xiāng)和湖鎮(zhèn)，在衢江流域建造跨江橋梁，施工期間衢江不通航。衢江水量受氣候和季節(jié)影響較大，春夏季節(jié)雨水豐盈，江水充沛，水流湍急；秋冬季進(jìn)入枯水期，水流相對(duì)平緩。由于衢江上游建設(shè)多處水電站，橋位處的實(shí)際水深直接與水電站放水發(fā)電產(chǎn)生聯(lián)系。因此在平時(shí)的運(yùn)行中，基本是晚上蓄水，白天防水發(fā)電的基本模式。施工期間鋼棧橋處常水位平均水深約4m。

1.2 水文地質(zhì)特點(diǎn)

衢州市的地理位置以盆地為主，地理方位主要呈彎月形。衢江作為其主要河流之一，與區(qū)域內(nèi)其他河流共同形成了錢塘江上游分支。

亞熱帶季風(fēng)是衢州的主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)。該氣候的特點(diǎn)主要是夏季時(shí)易多發(fā)雨季，而冬季降雨量低，因此全年降水的高峰集中于溫度較高的春季和夏季。

衢州這一區(qū)域因?yàn)樨S富的降水量而擁有多樣的地下水資源。第四系松散巖土類孔隙潛水是衢江大橋項(xiàng)目所屬區(qū)域的主要地下水類型。這類潛水的主要依存區(qū)域?yàn)榧?xì)膩的粉質(zhì)砂石和較大密度的卵石之間，整體的水密度較大。其中水位的波動(dòng)主要是受到平時(shí)降水及其他次要地下水支流的影響，實(shí)際靜止的水位大概在4～5米左右，地下水位的變動(dòng)水位大概在2～3米左右。

1.3 工程設(shè)計(jì)

根據(jù)衢江大橋的主河道流向，這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要主引橋梁的有效結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)橋梁實(shí)際呈現(xiàn)的穩(wěn)定性和安全性。整體的橋梁寬度較大，所需的承載力和建筑規(guī)模都較大。因此，主橋采用到了v型的剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，以提供拱橋所需的預(yù)應(yīng)力，構(gòu)建起更為堅(jiān)固的橋梁基礎(chǔ)。其中主橋的結(jié)構(gòu)主要是以組合型的拱橋?yàn)榛驹O(shè)計(jì)，在引橋的設(shè)計(jì)上加上混凝土的分離構(gòu)造，打造堅(jiān)實(shí)的橋梁基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，讓橋梁整體結(jié)構(gòu)擁有雙重基礎(chǔ)，使得整個(gè)橋梁建筑在具備先進(jìn)技術(shù)性的同時(shí)，也能夠具有傳統(tǒng)拱橋的外形特征，達(dá)到技術(shù)性和美觀性的有機(jī)統(tǒng)一。

2 棧橋方案

從整體上來(lái)看，在鋼棧橋的架設(shè)過(guò)程當(dāng)中，主要是以輕便的標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼材料對(duì)整個(gè)橋梁的連接構(gòu)造。如圖1所示，衢江大橋的項(xiàng)目建設(shè)主要是應(yīng)用到貝雷梁，工字鋼，鋼管樁等材料，通過(guò)科學(xué)的力學(xué)計(jì)算，保證其使用規(guī)格的有效合理，再進(jìn)行均勻科學(xué)的組裝，以完成整個(gè)橋梁的架構(gòu)，為后續(xù)工程提供堅(jiān)實(shí)的橋梁基礎(chǔ)。其中鋼管樁是在整體橋梁工程中處于下部的主要傳力結(jié)構(gòu)，其通過(guò)機(jī)械振動(dòng)穿透巖土表層，在巖土層或軟土層找到一定的支撐點(diǎn)來(lái)進(jìn)行橋梁架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)橋梁最基礎(chǔ)的支撐，因此鋼管樁施工的穩(wěn)定性在直接程度上決定了整個(gè)橋梁工程的實(shí)際穩(wěn)定程度。但在目前的工程施工基礎(chǔ)上容易出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題就是隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，水土沖刷的作用力會(huì)越來(lái)越大，對(duì)橋梁整體設(shè)計(jì)的影響也就越來(lái)越大。比如經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)評(píng)，在水電站下游的水土沖刷力較之上游更大，在下游能夠附著的基本上是較大的卵石，其余細(xì)微的泥沙都被沖沙殆盡。因此整個(gè)棧橋的設(shè)計(jì)需要合理且有效[2]。

圖1 棧橋橫斷面原設(shè)計(jì)圖

項(xiàng)目的具體情況如下。棧橋長(zhǎng)度為180.33m，考慮到貝雷梁底高于20年一遇洪水位，定橋面標(biāo)高38.7m。棧橋連接衢江南岸施工便道和北岸施工便道。其中跨越衢江主航道部分采用上承式貝雷梁棧橋長(zhǎng)120.4m，跨徑組合為3×12+3×12+4×12m，伸縮縫的設(shè)計(jì)將設(shè)定為20cm，以保證聯(lián)與聯(lián)之間的安全距離，在8#主墩處設(shè)置一個(gè)24m長(zhǎng)，9.6m寬的加寬段作洪水期停放材料車、砼罐車、砼輸送泵用。從主航道棧橋下到衢江北岸施工便道的棧橋采用I56a工字鋼主梁，棧橋長(zhǎng)60m，跨徑組合為10×6m。為防止I56a工字鋼主梁被洪水沖走，洪水來(lái)臨前將I56a工字鋼主梁拆除，洪水期只保留貝雷梁棧橋。

本棧橋?yàn)閱诬嚨?，橋面總?.5m，行車道寬2.7m，棧橋中心距橋中心27m，車道考慮通過(guò)1輛60t重車，同時(shí)按掛-80校核。汛期考慮汽車吊機(jī)、地泵、汽車泵落在棧橋上施工。

整個(gè)棧橋基礎(chǔ)建設(shè)所使用的鋼管樁為φ630mm，厚8mm。覆蓋層為卵石層的，將鋼管樁通過(guò)振動(dòng)下沉至卵石層中，航道中無(wú)覆蓋層的裸露基巖，將鋼管板凳樁安置在河床巖面上。鋼管樁間焊接槽鋼做橫向聯(lián)系。

I45a工字鋼將成為上、下橫梁的樁頂，橫梁上進(jìn)行貝雷梁的布設(shè)。

橋面設(shè)計(jì)的行車道會(huì)使用槽鋼和花紋鋼板作為基礎(chǔ)，而以I18a工字鋼為基礎(chǔ)橫向分配梁將搭建在縱向的貝雷梁上。

前后橋臺(tái)采用C25鋼筋砼，橋臺(tái)落在卵石層上，外側(cè)設(shè)置防沖刷設(shè)施；臺(tái)背回填采用透水性材料回填。

3 加固方案

鋼棧橋的加固施工過(guò)程中，常出現(xiàn)河床厚漂石覆蓋層上鋼管樁穿透巖土層或滲入軟土層的情況，導(dǎo)致整體橋梁的構(gòu)造穩(wěn)定性不足。這樣的情況下只能在整體棧橋施工完成后對(duì)鋼管的薄弱處進(jìn)行二度加固，實(shí)際操作主要是采取到?jīng)_孔植樁的方式。這一方式的主要操作即在施工完成后，針對(duì)已完成的鋼管樁嵌入的實(shí)際深度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)于實(shí)際深度不足的鋼管，在其附近預(yù)埋一定數(shù)量的鋼護(hù)筒，為后續(xù)沖孔作業(yè)打下基礎(chǔ)（見圖2）。但是這樣的沖孔植樁作業(yè)整套工序較為復(fù)雜，且所需成本較高。因此，針對(duì)于衢江大橋項(xiàng)目的具體情況，如果棧橋鋼管樁直接落在裸露的巖面上，在洪水來(lái)臨時(shí)，棧橋本身的自重?zé)o法抵抗洪水沖擊力?？紤]到在橋位上游打設(shè)鋼管錨固樁的施工難度較大，最終選擇在枯水期施作鋼管樁擴(kuò)大基礎(chǔ)以提供鋼管樁底的摩擦力和本身的抗傾覆力來(lái)抵抗洪水沖擊力[3]。

圖2 棧橋鋼管樁基礎(chǔ)加固圖

由于增設(shè)的鋼管樁擴(kuò)大基礎(chǔ)在航道中，常水位期間水深較大。因此，只有在晚上上游小溪灘水電站關(guān)閉閘門后水位下降時(shí)（水深不足1m）才能施工C20擴(kuò)大基礎(chǔ)。

（1）模板安裝。擴(kuò)大基礎(chǔ)模板采用鋼模板，模板安裝好后及時(shí)用水泵將模板內(nèi)的水抽干，然后將河床面的雜物清理干凈，保證擴(kuò)大基礎(chǔ)與河床間的粘結(jié)力，加大摩擦系數(shù)。

（2）砼澆筑。混凝土拌和站集中拌制，砼罐車開至棧橋上用滑槽將砼直接從滑槽滑入模板內(nèi)，采用水下混凝土澆筑法。

通過(guò)使用振動(dòng)棒對(duì)待處理的混凝土進(jìn)行分層式的頻率性振搗，保證在整個(gè)操作過(guò)程中混凝土始終處于分層狀態(tài)，且層級(jí)實(shí)際厚度在30cm以下，保持上述狀態(tài)對(duì)混凝土分層澆注振搗，直至完全混合。

在進(jìn)行振搗砼的操作時(shí)，要注意進(jìn)快出慢，進(jìn)入混凝土的實(shí)際深度控制在5～10cm，振動(dòng)頻率要安全適宜，不漏不過(guò)。同時(shí)，為了保證預(yù)埋設(shè)備和模板不被損壞，振動(dòng)棒在運(yùn)行過(guò)程中要注意與其的擦碰。而振動(dòng)最終要達(dá)成的效果是混凝土不再下沉，出現(xiàn)氣泡，能夠達(dá)到緊實(shí)平整的狀態(tài)。因此在具體的操作過(guò)程中要嚴(yán)格控制振搗的規(guī)范性，保證混凝土最終呈現(xiàn)狀態(tài)的良好，為后續(xù)工程的開展打下基礎(chǔ)。

振動(dòng)過(guò)程中，設(shè)備實(shí)際移動(dòng)需要固定在1.5倍的半徑距離內(nèi)，并與模板保持10～15cm的安全距離。

（3）拆模。基礎(chǔ)拆模在混凝土澆筑一天以后。上個(gè)基礎(chǔ)拆模與下一個(gè)基礎(chǔ)模板安裝，在水電站關(guān)閘，水位下降后有序進(jìn)行，直至最后一個(gè)基礎(chǔ)澆筑完成。

4 位移觀測(cè)

為了滿足變形觀測(cè)的需要，需要在每孔棧橋橋面上跨中位置左右各設(shè)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)擴(kuò)大基礎(chǔ)的鋼管樁上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。

在岸上架設(shè)全站儀，對(duì)棧橋全線進(jìn)行變形觀測(cè)，并記錄匯總成表。平時(shí)過(guò)程中一周觀測(cè)一次，洪水期間一天3次。

（1）棧橋測(cè)量的實(shí)際精度控制在±10mm，數(shù)值精確至1mm。

（2）觀測(cè)完成后，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)資料要進(jìn)行有效的匯總探究，及時(shí)送往定向?qū)I(yè)單位進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)評(píng)估量。

（3）針對(duì)棧橋全線的變形觀測(cè)不能僅針對(duì)一個(gè)階段進(jìn)行考察，要全面觀察分析各階段實(shí)際數(shù)值。

（4）觀測(cè)的變形量和時(shí)間關(guān)系曲線直接決定了變形是否已持續(xù)穩(wěn)定，因此近三個(gè)周期變形量在誤差范圍以內(nèi)，即可認(rèn)定其變形值已穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

在棧橋鋼管樁底增設(shè)的擴(kuò)大基礎(chǔ)與河床巖面膠結(jié)，不僅提供了阻止棧橋滑移的摩阻力，還通過(guò)增加自重和抗傾覆力矩阻止了棧橋傾覆。施工實(shí)踐證明，此方法可有效抵抗洪水對(duì)棧橋的沖擊力，保全棧橋在55年一遇大洪水中屹立不倒。當(dāng)然，此方法有一定的局限性，需要把握好枯水期難得的幾天上游水電站晚上關(guān)閘的機(jī)會(huì)，也為后期棧橋拆除增加了一定的難度。