閩江特大橋深水裸巖河床棧橋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

梁之海

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 工程概況

南龍鐵路閩江特大橋位于福建省南平市境內(nèi)，橋梁長(zhǎng)度1 066.41 m，跨越峰福鐵路、閩江及朱熹路。橋梁主橋跨越閩江為孔跨（118+216+138+83）m鐵路雙線剛構(gòu)連續(xù)梁，主跨216 m為目前鐵路剛構(gòu)連續(xù)梁世界最大跨度。主橋17#、18#主墩位于江中，墩高59.5 m，采用24根φ2.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)23 m。承臺(tái)尺寸為30.25 m×19.75 m×5 m，承臺(tái)嵌入河床2.5～3 m。橋址位于閩江水口水庫(kù)庫(kù)尾，橋位處閩江水面開(kāi)闊，江面寬度420 m，河道順直。閩江橋區(qū)段為Ⅳ級(jí)航道，下游不泄洪的情況下，橋位處流速為0.5 m／s左右；泄洪時(shí)設(shè)計(jì)流速3.3 m／s，橋位處平均水深17 m。河床為裸露基巖，無(wú)覆蓋層，巖性為強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化花崗巖，σ0＝1 000 kPa，巖石堅(jiān)硬。

橋梁主墩深水基礎(chǔ)采用雙壁鋼圍堰施工，剛構(gòu)連續(xù)梁采用掛籃懸臂施工。橋梁施工需搭設(shè)水中棧橋，棧橋分別從閩江兩岸搭設(shè)至主墩位置。

2 棧橋設(shè)計(jì)方案

深水橋梁施工中，棧橋設(shè)計(jì)及施工是保證大橋施工順利的重要環(huán)節(jié)。棧橋應(yīng)考慮使用功能、荷載、通航條件、水文、地質(zhì)、防洪防撞能力及施工成本等綜合因素。因河床為裸露巖石河床，棧橋鋼支墩錨固困難。綜合安全、經(jīng)濟(jì)性比較，本橋采用簡(jiǎn)易棧橋方案。17#、18#主墩棧橋分別從閩江兩岸向主墩方向搭設(shè)簡(jiǎn)易棧橋，棧橋位于水中墩鋼圍堰上游側(cè)。簡(jiǎn)易棧橋滿足混凝土泵管安裝及人員通行，橋梁其余施工材料及機(jī)具采用水上運(yùn)輸船運(yùn)輸［1］。

18#主墩棧橋跨徑采用3×30 m＝90 m，設(shè)兩個(gè)水中鋼支墩；17#主墩棧橋跨徑采用2×30 m＝60 m，設(shè)一個(gè)水中鋼支墩。棧橋兩端頭分別支撐于碼頭鋼平臺(tái)橫梁上和橋墩鋼圍堰平臺(tái)上。棧橋結(jié)構(gòu)主梁采用貝雷梁（“321”型），采用三排單層上承式結(jié)構(gòu)，貝雷梁片采用90 cm支架連接，棧橋橋面寬度2.5 m。自下而上分別為鋼支墩、橫向分配梁、貝雷梁+橋面板+防護(hù)欄桿［2］。棧橋中間鋼支墩采用4×φ630 mm鋼管焊接1.3 m×1.0 m“井”字形結(jié)構(gòu)，鋼管之間采用 25b型鋼連接形成整體，上下每隔5 m焊接一道。采用φ2.5 m鉆孔灌注樁單樁錨固，錨固深度為5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。鋼支墩頂設(shè)置兩道2×40b型鋼橫向分配梁，在分配梁上安裝貝雷梁作為棧橋承重主梁。橋面采用 14b型鋼作為橋面橫向分配梁，鋪設(shè)厚度6 mm鋼板作為橋面板，橋面設(shè)置1.2 m高防護(hù)欄桿。棧橋區(qū)域?yàn)榻絽^(qū)域，做好航標(biāo)設(shè)置［3］。

棧橋設(shè)計(jì)恒載主要考慮貝雷梁、分配梁、鋼板、欄桿、限位卡、混凝土輸送管等自重；活荷載主要考慮混凝土輸送管內(nèi)的混凝土重量、人行荷載、流水沖擊力、橫橋向風(fēng)荷載等。經(jīng)過(guò)檢算棧橋結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求［4］。棧橋及鋼支墩結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 棧橋立面布置（單位：m）

圖2 棧橋鋼支墩結(jié)構(gòu)（單位：cm）

3 棧橋施工

3.1 鋼支墩施工方案比選

在河床有覆蓋層情況下，一般采用“釣魚(yú)法”進(jìn)行棧橋鋼管樁施工，采用振動(dòng)錘插打鋼管樁。但在裸露堅(jiān)硬巖石河床狀態(tài)下，無(wú)法采用傳統(tǒng)方法插打鋼管樁。結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)棧橋鋼支墩施工進(jìn)行方案比選如下:

方案一:采用普通沖擊鉆成孔栽樁法施工。因在水流情況下鋼護(hù)筒下放及固定困難，無(wú)法進(jìn)行泥漿循環(huán)清渣鉆孔，且裸巖河床搭設(shè)鉆孔平臺(tái)較困難。

方案二:采用直接灌注水下混凝土包裹鋼支墩。需要安裝套箱式模板，混凝土澆筑方量比較大，且施工質(zhì)量不好控制，鋼支墩錨固效果差，在汛期閩江上游水庫(kù)泄洪情況下鋼支墩穩(wěn)定性難以保證，而且棧橋使用完成后還需按航道及水利部門(mén)相關(guān)規(guī)定采用爆破開(kāi)挖法清除混凝土至原河床面。

方案三:采用浮平臺(tái)配全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)鉆孔錨固鋼支墩?？衫酶∠渥鳛殂@孔平臺(tái)，全液壓沖擊反循環(huán)鉆孔，采用“井”字錨固樁作為棧橋鋼樁，施工方便、安全可靠，無(wú)需設(shè)置鋼護(hù)筒、無(wú)需泥漿護(hù)壁，施工環(huán)保［5］。

根據(jù)上述方案比選，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，確定采用方案三進(jìn)行棧橋鋼支墩施工。

3.2 施工工藝及方法

根據(jù)深水堅(jiān)硬裸巖河床棧橋設(shè)計(jì)及使用要求，水中棧橋鋼支墩鋼管采用鉆孔灌注樁錨固，“栽樁”法施工。采用浮箱拼裝浮平臺(tái)作為移動(dòng)鉆孔平臺(tái)，設(shè)四個(gè)“八”字錨調(diào)整及固定浮平臺(tái)位置。利用裸露堅(jiān)硬巖石河床面鉆孔樁孔壁堅(jiān)固不易塌孔的特點(diǎn)，在無(wú)需安裝鋼護(hù)筒及泥漿護(hù)壁的情況下，直接采用YCJF-25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)從裸巖河床面向下鉆孔，采用氣舉法出渣及清孔。然后在樁孔內(nèi)安裝棧橋鋼管支墩并臨時(shí)固定，采用導(dǎo)管法灌注水下混凝土，混凝土灌注高度略高出河床面，即完成一個(gè)鋼支墩錨固施工。當(dāng)完成一個(gè)鋼支墩錨固施工后，移動(dòng)浮平臺(tái)進(jìn)行下一個(gè)鋼支墩施工，重復(fù)以上步驟依次完成全部棧橋鋼支墩錨固工作。然后根據(jù)實(shí)際鋼支墩頂標(biāo)高情況，對(duì)鋼支墩焊接接高至設(shè)計(jì)標(biāo)高，從而完成全部棧橋鋼支墩施工。最后依次進(jìn)行棧橋橫向分配梁安裝、主梁架設(shè)、橋面板及欄桿扶手等施工，完成全部棧橋施工任務(wù)。棧橋水上作業(yè)施工采用20 t浮吊吊裝作業(yè)，碼頭及岸邊吊裝采用汽車(chē)吊完成［6］。

施工順序:浮平臺(tái)拼裝→鉆機(jī)安裝→移動(dòng)平臺(tái)鉆機(jī)就位→鉆孔→清孔、驗(yàn)孔→安裝鋼支墩→灌注水下砼錨固樁→鋼支墩接高→棧橋上部結(jié)構(gòu)安裝→棧橋驗(yàn)收。

3.2.1 浮平臺(tái)拼裝施工

鉆孔浮平臺(tái)采用六七式標(biāo)準(zhǔn)舟節(jié)浮箱拼裝，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)舟節(jié)浮箱尺寸為9 m×2.7 m×1.65 m，每?jī)蓚€(gè)浮箱拼裝成一組整體結(jié)構(gòu)（9 m×5.4 m×1.65 m）。然后根據(jù)鉆機(jī)尺寸將兩組浮箱分開(kāi)距離2.8～3 m（大于 2.5 m），采用型鋼將兩組浮箱連接成整體，采用7根 36b型鋼作為承重橫梁支撐在浮箱上形成鉆孔平臺(tái)，共計(jì)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)舟節(jié)浮箱拼裝形成一個(gè)鉆孔平臺(tái)［7］。鉆孔浮平臺(tái)拼裝見(jiàn)圖3。

圖3 鉆孔浮平臺(tái)平面（單位：mm）

3.2.2 鉆機(jī)安裝

YCJF-25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)主要由液壓動(dòng)力站、液壓步履、液壓操作臺(tái)、主副卷?yè)P(yáng)機(jī)、導(dǎo)繩架、鉆塔、油缸沖擊機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、沖擊錘頭及排渣系統(tǒng)組成。鉆機(jī)主要性能參數(shù):鉆孔直徑1.2～2.5 m，最大鉆孔深度80 m；沖擊錘頭最大質(zhì)量10 t，沖程0.1～1.3 m，沖擊頻率0～30次／min；主卷?yè)P(yáng)機(jī)提升能力100 kN，副卷?yè)P(yáng)機(jī)提升能力30 kN；排查主電機(jī)功率75 kW，主機(jī)質(zhì)量19 t，運(yùn)輸尺寸776 cm×280 cm×330 cm。排渣采用泵吸（或氣舉）反循環(huán)，采用6BS／3PN反循環(huán)泵組和φ159 mm排渣管，采用氣舉法排渣空壓機(jī)。

3.2.3 移動(dòng)平臺(tái)鉆機(jī)就位

鉆機(jī)采用浮吊配合安裝鉆機(jī)，先安裝主機(jī)，然后吊裝錘頭就位，最后安裝附屬機(jī)具。鉆機(jī)安裝底座應(yīng)平穩(wěn)、牢固，在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)不得產(chǎn)生位移。采用機(jī)動(dòng)舟頂推浮動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到樁位附近位置，拋4個(gè)3 t錨碇將浮平臺(tái)粗調(diào)錨固，采用GPS坐標(biāo)測(cè)量控制位置。最后采用卷?yè)P(yáng)機(jī)調(diào)整錨索力微調(diào)進(jìn)行樁位對(duì)中，保證鉆機(jī)的鉆頭中心與樁孔中心一致，偏差不得大于5 cm。

3.2.4 鉆孔施工

錨固樁鉆孔施工是棧橋施工重要環(huán)節(jié)。因河床為堅(jiān)硬巖石河床，無(wú)需安裝鋼護(hù)筒；孔壁不會(huì)坍塌，無(wú)需泥漿護(hù)壁，直接進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

鉆機(jī)利用鉆塔上的液壓油缸提升、下落沖擊錘頭，實(shí)現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)，液壓油缸提升錘頭質(zhì)量大，鉆機(jī)破碎巖石能量大，破碎效率高。同時(shí)鉆機(jī)錘頭中間預(yù)留孔洞供排渣管插入，采用泵吸（或氣舉）反循環(huán)連續(xù)排渣，能有效避免孔底巖屑的重復(fù)破碎。故該鉆機(jī)施工成孔質(zhì)量好、鉆進(jìn)效率高。

氣舉反循環(huán)出渣是利用空壓機(jī)的壓縮空氣，通過(guò)安裝在排渣管外的進(jìn)氣閥門(mén)嘴將壓縮空氣送入排渣管內(nèi)，高壓氣體與孔內(nèi)泥水混合，在排渣管內(nèi)形成一種密度小于泥水的水氣混合物。水氣混合物因其比重小而上升，在管內(nèi)底端形成負(fù)壓，下面的泥水在負(fù)壓的作用下迅速上升，形成向上流動(dòng)的泥、渣、氣混合體。因?yàn)楣艿膬?nèi)斷面積大大小于管外與樁壁間的環(huán)狀斷面積，便形成了流速、流量極大的反循環(huán)，攜帶沉渣從排渣管內(nèi)反吸排出管外。排渣過(guò)程中，不斷向孔內(nèi)補(bǔ)水（江水自動(dòng)補(bǔ)水）［8］。

為減少?zèng)_擊鉆孔對(duì)浮平臺(tái)的擾動(dòng)，確保平臺(tái)穩(wěn)定，開(kāi)孔一般采用低沖程沖擊（0.3～0.5 m），然后根據(jù)平臺(tái)的平穩(wěn)情況逐步適當(dāng)增大沖程、高頻次沖孔。鉆進(jìn)時(shí)排渣管底口距孔底0.3～0.5 m為宜，過(guò)高排渣效率則低，過(guò)低易造成堵管［9］。

3.2.5 鋼支墩安裝

棧橋中間鋼支墩采用4×φ630 mm鋼管焊接1.3 m×1.0 m“井”字形結(jié)構(gòu)，鋼管之間采用 25b型鋼連接形成整體。在碼頭平臺(tái)加工完成后浮運(yùn)到樁位處安裝，采用浮吊吊裝，GPS測(cè)量坐標(biāo)定位，鋼支墩與浮平臺(tái)臨時(shí)固定，鋼支墩位置及垂直度滿足規(guī)范要求［10］。

3.2.6 灌注水下砼錨固樁

當(dāng)棧橋鋼支墩安裝就位后，應(yīng)加快灌注錨固樁混凝土。C30混凝土采用泵送入孔灌注，采用浮箱搭設(shè)泵管通道，灌注施工方法同普通鉆孔灌注樁施工。水下混凝土灌注前，對(duì)鋼支墩平面位置再進(jìn)行一次復(fù)測(cè)，核實(shí)孔深及沉渣厚度是否滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求?；炷翆?dǎo)管從“井”字架中間下放至錨固樁中心位置，導(dǎo)管底部應(yīng)高出孔底20～30 cm。安裝滿足首批混凝土方量的料斗，然后正常灌注水下錨固樁混凝土。施工過(guò)程中，盡量避免導(dǎo)管及其他設(shè)備觸碰鋼支墩，確保錨固效果。灌注混凝土標(biāo)高適當(dāng)高出河床面即可［11］。棧橋鋼支墩錨固施工見(jiàn)圖4。

圖4 棧橋鋼支墩錨固施工

3.2.7 鋼支墩接高

鋼支墩錨固完成后，對(duì)鋼支墩接高施工。利用浮平臺(tái)作為接柱工作平臺(tái)，采用浮吊吊裝配合接高施工，上下鋼管對(duì)焊設(shè)置加勁板連接，重點(diǎn)控制鋼管柱的垂直度及對(duì)接焊接質(zhì)量。鋼支墩接高完成后，松錨移動(dòng)浮平臺(tái)至下一個(gè)棧橋鋼支墩位置，重復(fù)以上步驟至棧橋水中橋墩施工完成。

3.2.8 棧橋上部結(jié)構(gòu)施工

鋼支墩施工完成后安裝棧橋分配梁，然后安裝貝雷梁，采用浮吊配合安裝。貝雷梁在碼頭拼裝成組片后浮運(yùn)到橋位處安裝，貝雷梁支架采用90 cm型鋼支架。貝雷梁拼裝完成后，下弦桿橫橋向采用14型鋼配U型螺栓連接成整體，增加水平穩(wěn)定性。貝雷梁頂橫向安裝 14型鋼分配梁，間距1.0 m，然后鋪設(shè)6 mm鋼板，最后安裝防護(hù)欄桿。棧橋貝雷梁在承重分配梁左右兩側(cè)及棧橋梁端頭設(shè)置限位裝置，增加棧橋的穩(wěn)定性。

4 施工安全及質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）鉆孔平臺(tái)拼裝及鉆孔過(guò)程一直因處于流水沖擊狀態(tài)及樁基施工振動(dòng)狀態(tài)中，需隨時(shí)檢測(cè)樁孔位置，采用錨機(jī)調(diào)整平臺(tái)位置，確保樁孔位置準(zhǔn)確［12］。

（2）混凝土灌注過(guò)程中，保證鋼支墩的垂直度，施工平臺(tái)及機(jī)具不能碰撞鋼支墩。

（3）鋼支墩錨固樁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后方可進(jìn)行鋼支墩接高、貝雷梁架設(shè)等工作，避免對(duì)樁基混凝土的擾動(dòng)。

（4）凡是進(jìn)入水上作業(yè)人員必須穿戴救生衣，高空作業(yè)正確系安全帶，確保人員安全。

（5）避免汛期施工棧橋，做好防洪應(yīng)急預(yù)案及應(yīng)急演練；設(shè)置安全的停泊區(qū)?？克显O(shè)備，確保施工安全。

（6）水上作業(yè)過(guò)程中，加強(qiáng)通航安全警戒，與地方海事、航道部門(mén)加強(qiáng)溝通，必要時(shí)封航，確保施工及通航安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）河床為堅(jiān)硬巖石裸露河床時(shí)，采用全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行錨固樁施工，氣舉法清孔。堅(jiān)硬巖石不會(huì)塌孔，不需要鋼護(hù)筒、泥漿護(hù)壁及泥漿循環(huán)清渣等措施，施工方便、速度快、環(huán)保好及節(jié)省成本。本技術(shù)解決了深水裸巖河床棧橋鋼支墩錨固“生根”施工技術(shù)難題。

（2）采用移動(dòng)浮平臺(tái)作為棧橋鋼支墩錨固樁施工平臺(tái)，拆裝方便，無(wú)需另外搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，施工方便靈活、投入較小。

（3）棧橋鋼支墩采用“井”字形結(jié)構(gòu)，單樁錨固。鋼支墩錨固效果好，棧橋抵抗洪水沖擊能力強(qiáng)，安全可靠。

（4）在特定條件下，簡(jiǎn)易棧橋施工方便、速度快、安全可靠；棧橋拆除方便，對(duì)填筑碼頭及深水基礎(chǔ)鋼圍堰平臺(tái)配套要求不高。棧橋拆除時(shí)只需將鋼支墩從河床面位置切除即可，滿足航道及防洪要求。