洪水期高棧橋抗傾覆研究

凌飛鵬

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000)

近年來隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)展，各類跨越大江大河甚至跨海的橋梁工程不斷興建。當(dāng)項目工期較長，水中墩較多時，為了保證工程的順利進(jìn)行，搭建穩(wěn)定可靠的棧橋作為施工通道成為大多數(shù)工程的首選。但由于部分大江大河長期受水流一般沖刷作用或者過度采砂影響，橋位處往往會出現(xiàn)水深較大的現(xiàn)象，即在較大水深的情況下，如何保證洪水作用下的高棧橋抗傾覆穩(wěn)定就成為了深水橋梁施工首先要面對的問題。本文以扶典口特大橋工程為例，通過綜合計算分析，采取有效技術(shù)措施，使棧橋在工程建設(shè)期間達(dá)到安全穩(wěn)定的使用效果，確保水上施工人員、材料及設(shè)備運輸通暢，對以后類似工程具有可借鑒性。

1 工程概況

扶典口特大橋由北到南分為：1#主橋[(145+270+145)m矮塔斜拉橋]+2#主橋[(131+198+131)m連續(xù)剛構(gòu)橋]+引橋[11×40 m先簡支后連續(xù)T梁橋]，橋梁全長1 474 m。該橋地屬梧州市城東，自北向南跨越西江，橋址河段處于西江億噸黃金水道，規(guī)劃通航等級為Ⅰ(3)級，正常水位水面寬度約1 000 m，水深10～25 m。

主橋的1#～5#墩為水中墩。根據(jù)橋位處西江河床及兩岸地貌的實際情況，南北岸兩段施工主棧橋，為主橋水中墩基礎(chǔ)及下構(gòu)、上構(gòu)施工提供材料、設(shè)備、人員運輸便道。其中南岸主棧橋長度為622.2 m，北岸主棧橋長度為72.1 m。

2 技術(shù)難點

工程項目施工棧橋橋面標(biāo)高+13 m，正常施工水位+7 m左右，河床底標(biāo)高起伏較大，主墩位河床底標(biāo)高基本為-1 m左右，局部位置，如靠近主航道位置，河水較深較急，施工難度大：

(1)跨深水大江，工程量大。扶典口特大橋橫跨西江，西江為珠江水系主流，珠江為我國第三大水系，常年雨量充沛，臺風(fēng)及洪澇頻繁，給施工造成影響。根據(jù)施工需求，主棧橋搭設(shè)長度達(dá)到700 m左右，幾乎橫貫西江，施工受過往船只影響較大。主、支棧橋用鋼量超過2 000 t，工程量巨大。

(2)高棧橋施工，水深流速大。項目工程臨時棧橋為高棧橋施工，部分位置棧橋鋼管樁達(dá)到30 m以上(包含入土深度)，而西江水流長期流速在1.5 m/s左右，20年一遇洪水流速在2.5 m/s以上，在如此不利狀況下，施工過程中超長管樁插打的準(zhǔn)確定位、過程垂直度控制以及管樁多次接長施工控制非常困難，同時鋼管樁處于一種長細(xì)承載狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)受力不利，容易產(chǎn)生側(cè)向失穩(wěn)。

(3)汛期長，水位高，洪峰多。經(jīng)初步統(tǒng)計，在2015年5月至11月汛期期間，棧橋共承受漲幅超過13 m高水位洪峰7次，其中在2015年11月遭遇自梧州1900年建站以來同期最大洪水，漲幅高達(dá)20 m，洪水頻繁沖擊給棧橋結(jié)構(gòu)使用產(chǎn)生較大影響。

(4)河床位標(biāo)高及巖層分布變化較大。河床位標(biāo)高變化較大，覆蓋層頂面標(biāo)高從-5～+6 m左右不等，礫砂層厚度從0～30 m不等，應(yīng)根據(jù)不同位置河床土層情況，采取合理措施，控制管樁插打及入土埋置深度。對于河床部分區(qū)域覆蓋層偏薄，還應(yīng)進(jìn)行特殊處理。

(5)沖刷效應(yīng)明顯。由于西江汛期較長，流量較大，河流沖刷嚴(yán)重，尤其是棧橋管樁密集及圍堰處局部沖刷相對嚴(yán)重。為保證該部位棧橋的安全，需要進(jìn)行特殊的處理。

3 洪水期高棧橋失穩(wěn)傾覆原因分析

高棧橋相對于常規(guī)低棧橋的不利主要表現(xiàn)為棧橋結(jié)構(gòu)過高以致整體剛度不足，尤其是在遭遇橫向作用或可變作用情況下，棧橋整體穩(wěn)定受到較大影響。

當(dāng)水位上漲至鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)貝雷片或漫過橋面時，由于貝雷梁及橋面系阻水面積相對較大，且常常伴隨著許多垃圾漂浮物等，導(dǎo)致水流阻力加大，所以在棧橋上側(cè)產(chǎn)生較大的橫向推力，使鋼棧橋處于一種不利的受力狀態(tài)，從而導(dǎo)致鋼棧橋發(fā)生傾覆垮塌。

一般常規(guī)鋼棧橋設(shè)計通常只考慮豎向荷載以及縱向車輛的制動荷載，故往往只注重豎向承載穩(wěn)定性以及縱向穩(wěn)定性，忽視了鋼棧橋橫向尤其是遭遇洪水沖擊下鋼棧橋的橫向承載及整體抗傾覆穩(wěn)定性分析，導(dǎo)致鋼棧橋在此不利的承載條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

3.1 常規(guī)鋼棧橋洪水期受力分析

3.1.1 建立計算模型

棧橋單跨12 m，每聯(lián)布置6跨共72 m。主棧橋雙排樁距縱向3.2 m，其余采用單排樁。墩中心距離(橫向跨徑)為4.2 m。橫向樁之間用φ320×6 mm鋼管水平橫聯(lián)，橫向用φ320×6 mm鋼管斜撐連接，縱向用[20a作為斜撐連接。鋼管樁頂縱向設(shè)2×Ⅰ36a工字鋼帽梁。鋼橫梁上架設(shè)貝雷梁棧橋，采用六排單層結(jié)構(gòu)，排間距為(115+90+115+90+115)cm形成空間主縱梁，貝雷梁上設(shè)Ⅰ25a工字鋼分配橫梁，間距為35 cm；其頂面設(shè)8 mm鋼板為橋面板。見圖1。

圖1 按常規(guī)鋼棧橋設(shè)計計算模型示意圖

3.1.2 邊界處理

由于河床覆蓋層主要為礫砂，層厚變化較大，但除了3#、4#墩位置覆蓋層過厚，部分位置達(dá)到20 m以上，鋼管樁底部無法支承到巖層之上外，其余管樁基本能夠穿透覆蓋層支承于巖層之上。故綜合考慮管樁底部土層情況，以管樁在礫砂中埋置深度5 m作為計算參考，在模型建立過程中，對于管樁底部采用一般支承邊界條件，約束Dz、SDx、SDy、SDz四個方向自由度，同時在管樁底部5 m范圍內(nèi)，模擬覆蓋層橫向抵抗作用，采用彈性支承邊界條件。

彈性剛度結(jié)合設(shè)計勘探地質(zhì)條件參數(shù)，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》關(guān)于“m法”理論計算樁基的橫向彈性剛度，計算公式：

K=abmZ

式中：a——各土層厚度，本次計算按0.5 m層厚進(jìn)行取值；

b——基礎(chǔ)計算寬度，對于鋼管樁，直徑≤1 m時，b=0.9×(1.5d+0.5)=1.3 m，其中d為鋼管樁直徑0.63 m；

m——土層水平抗力系數(shù)，橋位覆蓋層主要為礫砂，根據(jù)設(shè)計圖紙地勘數(shù)據(jù)得m值為7 000 kN/m4；

Z——各土層計算點距河床頂面的距離。

則根據(jù)上述計算可得以下各土層點彈性剛度值(見表1)。

表1 管樁節(jié)點彈性支承計算表

3.1.3 荷載加載

洪水水位最高時漫過橋面板，棧橋禁止通行，棧橋主要受自重及流水荷載，由于汛期上游攜帶的大量垃圾被貝雷片阻擋，在計算水平荷載時需予以考慮。

水流作用處主要為鋼管樁柱、組合貝雷片梁以及固定墩位置鋼管水平聯(lián)接。橋面分配梁、樁頂梁以及垂直棧橋軸線的水平連接因為是處于順?biāo)鞣较颍易杷娣e相對很小，計算中不予考慮，在計算結(jié)果處理中，對于水流荷載取1.4倍荷載系數(shù)。

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》，對于水流力作用計算如下：

水流力標(biāo)準(zhǔn)值Fw：

式中：Fw——水流力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；

V——水流設(shè)計流速(m/s)；

Cw——水流阻力系數(shù)；

ρ——水的密度(t/m3)；

A——計算構(gòu)件在流向垂直平面上的投影面積(m2)。

當(dāng)計算作用于沿水流方向排列的梁、桁架、墩、柱等構(gòu)件上的水流力Cw時，應(yīng)將各構(gòu)件的水流阻力系數(shù)乘以相應(yīng)的遮流影響系數(shù)m1。

3.1.4 應(yīng)力統(tǒng)計

表2 應(yīng)力計算表

表3 位移計算表

表4 穩(wěn)定性計算表

由表2～4計算結(jié)果可知：

(1)按常規(guī)棧橋設(shè)計布置條件，在洪水沖擊作用下，棧橋結(jié)構(gòu)受力已經(jīng)超過容許值。

(2)棧橋整體結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大橫向變形，最大彈性位移變形76 mm，無法滿足正常施工需求。

(3)從結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定分析可知，棧橋失穩(wěn)臨界荷載值剛剛達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值，存在較大失穩(wěn)風(fēng)險。

3.2 沖刷數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過對鋼管樁樁位實際沖刷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，對了解棧橋下部受力現(xiàn)狀及后期的防護(hù)措施有指導(dǎo)性的作用。由于鋼管樁數(shù)量已經(jīng)超過150根，現(xiàn)列出2015年6月底，在棧橋經(jīng)歷約2個月洪水沖擊沖刷后，2#、4#、5#圍堰附件鋼管樁及部分非圍堰處樁位的沖刷數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

沖刷情況較為嚴(yán)重，尤其是2#、4#、5#主墩位置，其中在2#、5#墩位置，基本快沖刷至風(fēng)化巖層頂面，4#墩位置附近沖刷底面標(biāo)高接近-11 m左右。

圖2 沖刷數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

由圖2統(tǒng)計可知，在主墩位置，由于圍堰及支棧橋管樁密集等原因，局部沖刷相對嚴(yán)重，在非主墩位置，沖刷作用相對較緩。在主墩圍堰位置應(yīng)采取處理措施。

3.3 分析結(jié)論

根據(jù)以上計算分析及施工過程中實際存在的部分因素的綜合考慮，再結(jié)合以往棧橋沖垮案例，得出洪水期導(dǎo)致常規(guī)鋼棧橋失穩(wěn)破壞的主要因素如下：

(1)高棧橋在洪水期水流沖擊作用以及垃圾漂浮物堆積阻流情況下，高棧橋鋼管樁樁身應(yīng)力過大，容易產(chǎn)生橫向屈曲失穩(wěn)，甚至發(fā)生折斷，導(dǎo)致棧橋傾覆。

(2)由于受沖刷影響，上右側(cè)管樁埋置深度不夠，導(dǎo)致覆蓋層對鋼管摩擦力不夠，使得上游鋼管樁先于下游樁被洪水拔出，造成旋轉(zhuǎn)傾覆失穩(wěn)破壞。

(3)由于受沖刷影響，尤其是靠近主墩圍堰位置，上下游鋼管樁底部均被掏空，無覆蓋，管樁底部無法起到各項支承作用，在橫向水流沖擊作用下，單幅棧橋整體被沖垮。

(4)上部結(jié)構(gòu)貝雷片與鋼管樁頂連接不牢固，貝雷片在橫向水流作用下直接發(fā)生橫向側(cè)移，脫落垮塌。

(5)在水流作用及有垃圾、漂浮物阻擋情況下，橋面系分配梁及橋面鋼板等發(fā)生局部破壞。

針對上述原因分析情況，需進(jìn)行相應(yīng)的處理措施，以防止棧橋主體結(jié)構(gòu)破壞。

4 高棧橋抗傾覆設(shè)計

根據(jù)水文資料和現(xiàn)場調(diào)查，因洪水期跨度時間較長，沖刷嚴(yán)重，上游漂浮物多，對棧橋施工安全、穩(wěn)定造成威脅。為確保鋼棧橋在洪水期結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，針對棧橋破壞原因分析，對棧橋進(jìn)行抗傾覆設(shè)計。

4.1 棧橋抗傾覆方案

針對棧橋傾覆原因，主要從以下三方面采取措施：

(1)針對棧橋傾覆趨勢機理，優(yōu)化棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加棧橋結(jié)構(gòu)局部連接作用及整體抗傾覆穩(wěn)定性。

(2)針對沖刷因素影響，合理控制管樁埋深，同時加強過程監(jiān)控，對沖刷嚴(yán)重部分采取防沖刷處理。

(3)注意洪水期棧橋遮擋垃圾及漂浮物的及時清理。

4.2 棧橋抗傾覆加強設(shè)計

4.2.1 棧橋抗傾覆棧橋結(jié)構(gòu)加強設(shè)計

4.2.1.1 “斜撐加固”設(shè)計

從棧橋結(jié)構(gòu)受力情況分析，采取在下游面插打斜撐鋼管，加強橫向穩(wěn)定性。主要通過在下游側(cè)設(shè)置φ630 mm×10 mm斜撐管，采用Ⅰ25a工字鋼等型鋼與主棧橋鋼管立柱及橋面系進(jìn)行焊接形成整體，間距根據(jù)鋼棧橋排距相同布置。斜撐鋼管插打深度不低于5 m。

4.2.1.2 “局部加強、限位”設(shè)計

針對鋼棧橋可能存在的上部結(jié)構(gòu)貝雷片在橫向力作用下發(fā)生側(cè)移、脫落情況，在施工過程中，加強上部結(jié)構(gòu)連接(見圖3)。

圖3 棧橋局部加強及限位設(shè)計示意圖

(1)加強支撐鋼管與樁頂橫梁連接：采取在兩側(cè)加焊三角加強鋼板焊接；

(2)加強貝雷梁與樁頂橫梁限位連接，采用焊接閉合[10槽鋼對貝雷梁進(jìn)行限位，防止貝雷梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)移脫落。

4.2.2 加固后棧橋驗算分析

加固后的棧橋應(yīng)力計算情況見表5～7。

表5 加固設(shè)計棧橋應(yīng)力計算表

表6 加固設(shè)計棧橋位移計算表

表7 加固設(shè)計棧橋穩(wěn)定性計算表

通過對比表2～4的常規(guī)棧橋受力計算結(jié)果可知，在對棧橋進(jìn)行加固設(shè)計后，棧橋在洪水作用下受力明顯改善，尤其表現(xiàn)在棧橋橫向位移變形及棧橋整體結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定方面，對棧橋結(jié)構(gòu)在汛期抗洪抗傾覆有顯著作用。

4.3 棧橋管樁沖刷穩(wěn)定設(shè)計

從棧橋失穩(wěn)傾覆分析可知，棧橋鋼管樁埋置深度的控制也是整個棧橋在洪水沖擊及水流沖刷作用下保持穩(wěn)定的一個關(guān)鍵因素，故對于管樁沖刷穩(wěn)定主要從以下幾點進(jìn)行設(shè)計控制：

4.3.1 “埋置深度控制”設(shè)計

由棧橋傾覆原因分析可知，管樁的埋置深度尤其是在河床上遭受水流沖刷影響的管樁，其底部埋置深度L也是整個棧橋在洪水沖擊下保持穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。見圖4。

根據(jù)設(shè)計和地質(zhì)勘探資料對河床位預(yù)打管樁位置河床覆蓋層及巖層標(biāo)高進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

圖4 管樁設(shè)計埋置深度示意圖

圖5 河床面及土層標(biāo)高統(tǒng)計圖

4.3.2 “管樁灌砂加固”設(shè)計

從管樁受力進(jìn)行分析可知，對于高棧橋管樁，由于鋼管長細(xì)，且管壁相對較薄，在洪水沖擊力作用下，可能發(fā)生管樁折斷現(xiàn)象(如圖6所示)。

圖6 管樁被折斷示意圖

針對上述破壞情況，在施工過程中，對于長細(xì)管樁，采取在管樁內(nèi)進(jìn)行灌砂處理的措施，以增強管樁抗剪能力，防止折斷情況發(fā)生。

圖7 管樁灌砂現(xiàn)場圖

4.3.3 “管樁底部灌混凝土”設(shè)計

針對部分位置，由于河床砂礫覆蓋層覆蓋較淺，尤其是北岸1#墩位置附近，河床面基本為中風(fēng)化砂巖，鋼管樁底部直接坐落在巖層上面，受插打振動錘以及管樁本身結(jié)構(gòu)限制，管樁入巖深度基本只達(dá)到20～30 cm左右，為加強管樁底部受力，在管樁底部采取灌注水下混凝土的形式，對管樁底部進(jìn)行包裹處理，增強底部固結(jié)受力。

圖8 淺覆蓋層灌注混凝土處理示意圖

4.3.4 汛期沖刷過程“處理”設(shè)計

對于西江洪水沖刷影響，雖事先有沖刷計算及預(yù)控準(zhǔn)備，但根據(jù)現(xiàn)場實測信息，洪水沖刷尤其是主墩承臺圍堰位置以及主支棧橋交接位置沖刷尤為嚴(yán)重。

在2015年6月底，經(jīng)歷西江19.6 m高水位沖刷影響后，現(xiàn)場對管樁位置河床頂面進(jìn)行量測，發(fā)現(xiàn)沖刷情況嚴(yán)重，尤其是2#、5#主墩位置，其中2#、5#墩位置，基本快沖刷至風(fēng)化巖層頂面，4#墩位置附近沖刷底面標(biāo)高接近-11 m左右，針對這一情況，及時采取沖刷處理設(shè)計措施。

4.3.4.1 回填處理措施

在沖刷嚴(yán)重位置如主墩圍堰位置附近采用先拋沙袋然后回填風(fēng)化石的方式，以減緩河床沖刷影響，確保主體棧橋結(jié)構(gòu)安全。因汛期較長，前后針對沖刷較為嚴(yán)重部位進(jìn)行了3次大規(guī)模回填處理施工，回填方量達(dá)到66 000 m3，回填基本以達(dá)到?jīng)_刷前標(biāo)高為準(zhǔn)?；靥罡叨瓤蓾M足管樁承載需求。見圖9。

圖9 沙袋回填現(xiàn)場圖

4.3.4.2 上游插打管樁阻流設(shè)計措施

根據(jù)現(xiàn)場觀測，對于主墩位尤其是覆蓋層較厚的4#墩位置，由于主支棧橋管樁相對密集，同時因圍堰阻流形成回旋渦流影響，雖然經(jīng)過初期回填處理，但沖刷情況依舊很強烈，嚴(yán)重影響了棧橋結(jié)構(gòu)及主墩圍堰結(jié)構(gòu)安全。結(jié)合現(xiàn)場實際情況條件，采取在主棧橋上右側(cè)插打擋水管樁的形式，對水流形成遮擋，減緩對主墩位置沖刷影響。管樁插打深度與棧橋管樁一致。見圖10。

5 設(shè)計使用效果

自2017年5月起，水位就保持在一個比較高的狀態(tài)，根據(jù)項目部每日水位統(tǒng)計數(shù)據(jù)，水位漲幅超過13 m，天數(shù)達(dá)到55 d，占到整個汛期的26 %。經(jīng)初步統(tǒng)計，在2015年5月至11月汛期期間，棧橋共受到漲幅超過13 m高水位洪峰7次，大小洪峰16次，同時在2015年11月遭遇自1900年以來同期最大洪水，水位漲幅高達(dá)20 m左右。經(jīng)過洪水長時間的洗禮，主棧橋除部分欄桿及橋面板受損外，棧橋主體結(jié)構(gòu)完好，沉降及軸線偏離均在可控范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

本文結(jié)合扶典口特大橋鋼棧橋施工的實踐經(jīng)驗，研究了高棧橋方案設(shè)計、計算分析、主要技術(shù)措施等，總結(jié)出一套合理的、可操作性強的洪水期高棧橋抗傾覆施工技術(shù)，保證施工的安全和進(jìn)度，為同類工程提供有價值的參考。

[1]周水興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]JTG/T F50-20011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB 50017-2016，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].