跨軟弱地基防滲排水渠棧橋鋼箱支撐結(jié)構(gòu)施工設(shè)計

梁 偉

(1.中國中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430050； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室 武漢 430050)

對于跨水域橋梁工程，為滿足橋梁施工需要，通常需沿擬建橋梁線路方向搭設(shè)棧橋[1]以提供水域運輸通道，此通道一般會跨越大堤、既有線路和排水渠等構(gòu)筑物。為棧橋上部結(jié)構(gòu)提供承力點的支撐基礎(chǔ)主要有打入鋼管樁、擴大基礎(chǔ)、鋼筋混凝土樁基等結(jié)構(gòu)形式，需根據(jù)現(xiàn)場具體情況確定。

沿海區(qū)域造地一般多采用吹填方式。吹填材料尤其是粉煤灰、粉土等具有含水量高、壓縮性高、強度低的軟土性質(zhì)，吹填形成的軟弱地基場地一般都具有面積大、欠固結(jié)、承載力低、壓縮性高、在荷載作用下變形大的特點。

本文以湛江調(diào)順跨海大橋引橋側(cè)棧橋為例，對跨越下臥軟弱地基[2-3]有流水有防滲要求電廠排水渠的棧橋支撐結(jié)構(gòu)[4]施工設(shè)計進行介紹。

1 工程背景

調(diào)順跨海大橋位于湛江海灣水域，主橋為雙塔雙索面斜拉橋，其一側(cè)引橋中有一聯(lián)跨徑為28 m+2×40 m+28 m的預制小箱梁跨越電廠排水渠，其中間兩橋墩位于排水渠二級坡上。根據(jù)大橋施工統(tǒng)籌，引橋棧橋需跨越排水渠與海中主棧橋連接，形成物資供應(yīng)、機械通行完整通道，主要用于通行900 kN履帶吊、XR360旋挖鉆(主橋大規(guī)格旋挖鉆分塊運輸)，以及運輸車和混凝土罐車等。

電廠排水渠兼具大堤功能，小里程側(cè)渠頂接灰渣場，大里程側(cè)渠頂接湛江灣，兩者之間包括二級坡和渠底，以及4道斜坡，渠頂之間長度約55.4 m，渠頂與渠底高差5.53 m，渠底寬度12 m，防波墻高1.0 m，排水渠斷面布置示意見圖1。

圖1 排水渠斷面布置圖(單位：mm)

相比常規(guī)排水渠，設(shè)計主體結(jié)構(gòu)圖紙對該電廠排水渠防滲要求非常高，即采用無紡土工布和水泥土攪拌樁防滲墻[5]對排水渠進行了防滲處理，防止電廠排放污水滲入地基土層。無紡土工布上面進行了明渠護面處理，以保證無紡土工布發(fā)揮性能。

排水渠地基土主要成分為粉煤灰，與周邊堆場均采用吹填形式形成。該區(qū)域軟弱地基均采用排水動力固結(jié)法進行地基綜合處理，具體采取高真空擊密法加固地基，處理后地基承載力特征值不小于100 kPa。

跨排水渠棧橋位于海邊，地處臺風區(qū)，其跨度受制于支撐結(jié)構(gòu)形式和位置，而支撐結(jié)構(gòu)形式和位置又受制于排水渠寬度、地基承載力和地質(zhì)條件等因素。因而，選擇合適的跨排水渠棧橋支撐結(jié)構(gòu)是本棧橋的設(shè)計難點,也是本文闡述的重點。

該棧橋施工設(shè)計具有以下特點。

1) 地處近海臺風區(qū)，棧橋使用時間長，需考慮臺風大風速、落潮大流速影響。

2) 排水渠很寬，棧橋自身施工控制設(shè)計。

3) 電廠不間斷排水，不能阻斷排水渠流水。

4) 排水渠防滲要求嚴格，不能影響排水渠防滲性能。

5) 若采用類似擴大基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，計算壓力應(yīng)小于地基承載力。

6) 因棧橋基礎(chǔ)會影響排水渠受力，其上棧橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式需征得電廠同意。

2 施工設(shè)計總體思路

一般而言，棧橋主要由主梁分配梁等上部結(jié)構(gòu)和下部支撐結(jié)構(gòu)組成。基于靠海吹填形成的軟弱地基承載力有限，和排水渠水流速度快、防滲要求高，以及大堤防潮與棧橋通道重要性高的實際情況，棧橋支撐結(jié)構(gòu)宜考慮盡量不破壞防滲結(jié)構(gòu)、不大于地基承載力要求、不減小過水斷面的支撐形式，若有破壞，需采取有效措施解決。棧橋跨度與棧橋主梁形式、支撐結(jié)構(gòu)形式需對合自身施工綜合考慮確定。

3 棧橋方案

3.1 棧橋布置方案

根據(jù)總體思路，經(jīng)比較，對跨排水渠棧橋提出3種布置方案。

方案1：橋臺+混凝土擴大基礎(chǔ)+大橋I號桁梁棧橋布置，見圖2。

圖2 方案1棧橋立面布置(單位：mm)

方案2：橋臺+鋼管樁基礎(chǔ)+貝雷梁主梁棧橋布置，見圖3。

圖3 方案2棧橋立面布置(單位：mm)

方案3：鋼管樁基礎(chǔ)+鋼箱支撐結(jié)構(gòu)+型鋼主梁棧橋布置，見圖4。

圖4 方案3棧橋立面、平面布置(單位：mm)

3.2 棧橋方案比選

方案1棧橋主梁跨度最大，為38 m，下部支撐形式為混凝土擴大基礎(chǔ)和橋臺，布置在排水渠渠頂和二級坡上。該方案優(yōu)點是未破壞排水渠既有結(jié)構(gòu)，不影響排水渠過水斷面；存在的問題是：①大橋I號桁梁市場資源較少，調(diào)配困難，不滿足快速化施工需求；②棧橋自身施工對機械設(shè)備要求很高，需要不小于1 800 kN級履帶吊吊裝主梁，經(jīng)濟性不佳；③大噸位履帶吊荷載大于棧橋正常通行荷載要求，故擴大基礎(chǔ)對地基承載力要求較高，要求不小于150 kPa，大于地基承載力允許值。

相比方案1，方案2棧橋主梁跨度次之，為36 m，下部支撐形式由擴大基礎(chǔ)改為鋼管樁基礎(chǔ)，位置基本不變。該方案雖不用考慮排水渠軟弱地基承載力問題，也利用市場資源多的貝雷梁做主梁，卻也存在以下問題：①棧橋自身施工對機械設(shè)備要求很高，除需考慮主梁吊裝外，還需考慮鋼管樁遠距離插打，經(jīng)濟性同樣不佳；②鋼管樁基礎(chǔ)會破壞排水渠護面結(jié)構(gòu)、破壞土工布等防滲結(jié)構(gòu)，影響防滲要求；③振動錘插打鋼管樁也會對樁側(cè)土產(chǎn)生震動影響。因此需采取如圖5鋼管樁周側(cè)注漿布置圖所示的處理措施，即在樁周進行注漿處理[6]，以加密地基，避免污水滲透。

圖5 鋼管樁周側(cè)注漿布置圖(單位：mm)

方案3與方案2相比，區(qū)別在于：①在排水渠渠底增設(shè)鋼箱作為棧橋支撐結(jié)構(gòu)；②主梁跨度減小為19.7 m，主梁規(guī)格更改為市場常用型鋼主梁，施工相對簡單；③棧橋通行荷載變化不大，自身施工荷載變小，對地基承載力要求低。

綜上，3個棧橋方案比選見表1。

表1 跨排水渠棧橋方案比選

根據(jù)上述比選，考慮對排水渠結(jié)構(gòu)影響小、施工成本低、市場資源多及施工便捷等因素，并經(jīng)電廠邀請的專家評審后，跨排水渠棧橋最終選定方案3，即鋼管樁基礎(chǔ)+鋼箱支撐結(jié)構(gòu)+型鋼主梁棧橋布置方案，且鋼箱支撐結(jié)構(gòu)對排水渠底軟弱地基產(chǎn)生的壓力不大于100 kPa。

4 鋼箱支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 棧橋總體設(shè)計

根據(jù)圖4跨排水渠棧橋總體布置圖，跨水渠棧橋總長約103.75 m，寬7.4 m，最大跨度19.7 m。從上向下結(jié)構(gòu)依次為橋面系、縱橋向主梁、縱橫分配梁、臨時墩鋼管樁基礎(chǔ)和鋼箱支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。鋼箱支撐結(jié)構(gòu)布置于排水渠渠底頂面，長度方向平行于排水渠長度方向， 2套鋼箱支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)縱橋向間距5.0 m。棧橋鋼箱支撐基礎(chǔ)斷面布置見圖6。

圖6 棧橋鋼箱支撐基礎(chǔ)斷面布置(單位：mm)

4.2 基礎(chǔ)設(shè)計

對于臨時墩鋼管樁基礎(chǔ)，按3.2節(jié)鋼管樁側(cè)注漿處理思路設(shè)計，保證防滲要求。

對于臨時墩鋼箱支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，結(jié)合前述總體思路，鋼箱支撐結(jié)構(gòu)需滿足以下要求：①鋼箱下面排水渠渠底承載力計算值小于排水渠渠底允許承載力；②保證鋼箱剛度，使之均勻傳力至排水渠渠底；③采取措施保證鋼箱底與排水渠渠底頂面之間全截面有效接觸。

4.3 鋼箱支撐結(jié)構(gòu)

如圖6所示，支撐結(jié)構(gòu)主要包括鋼箱、鋼架斜撐、擋水條、混凝土填料、壓料管五大結(jié)構(gòu)，其設(shè)計要點和結(jié)構(gòu)如下。

4.3.1鋼箱

鋼箱應(yīng)設(shè)計為平面尺寸大、剛度大、質(zhì)量小的結(jié)構(gòu)，有助于鋼箱底壓力均勻。

鋼箱由鋼板組焊形成，單個鋼箱輪廓尺寸為長10 m、寬3 m、高1.2 m,單個鋼箱總重約118 kN。為增強剛度，鋼箱在橫橋向設(shè)置5道通高隔板，縱向設(shè)置6道隔板。在橫橋向5道隔板之間于頂板和底板各設(shè)置4道通長小肋板，在縱橋向6道隔板之間于底板設(shè)置3道通長小肋板。為減少重量和盡量不影響排水渠過水斷面，縱橋向6道隔板均在板中心開大長圓孔，高潮位時排水渠過水斷面減小3.3%，一般高潮位減小8.5%。鋼箱結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 鋼箱結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

4.3.2鋼架斜撐

鋼架斜撐應(yīng)對稱布置且分布均勻，確保傳遞到2個鋼箱的力基本相同。

1個鋼箱頂面設(shè)置2套鋼架斜撐，每套鋼架斜撐包括4個小規(guī)格斜鋼管。8個斜鋼管柱腳相對于鋼箱平面中心對稱布置，沿鋼箱長度方向間距2.5 m，沿寬度方向間距為1.6 m。斜鋼管柱腳均位于鋼箱縱向、橫向隔板交叉處鋼箱頂面并與其焊接連接，單個連接部位相對于鋼箱縱橫隔板交叉位置對稱布置。

單套鋼架斜撐的4個斜鋼管頂部相交于一處，通過樁帽連成整體。2套鋼箱上共有4套鋼架斜撐，沿縱橋向在2套鋼架斜撐頂部鋪縱橋向分配梁，然后在2個縱橋向分配梁上鋪設(shè)2根橫橋向分配梁，作為棧橋主梁的支撐分配梁，2根橫橋向分配梁間距0.7 m，對稱于其下縱向分配梁中心布置，有助于將棧橋主梁傳遞的荷載分散，保證2個鋼箱受力基本均勻。

4.3.3擋水條和混凝土填料

擋水條在鋼箱底部周圈豎板下方通長布置，由布袋和其內(nèi)細砂組成，與鋼箱底板通過鐵絲綁扎連接。在鋼箱下放到排水渠渠底時，利用擋水條特性與渠底壓實，形成阻水封閉空間，用于阻止流水通過鋼箱與地基間空隙，防止混凝土填料灌注時被水沖走，保證混凝土澆筑質(zhì)量。

混凝土填料采用C30標號混凝土。在混凝土壓頭作用下，混凝土逐漸填滿鋼箱與地基之間空隙直至從壓料管冒出。混凝土填料可解決排水渠渠頂不平整問題，達到將上部荷載均勻傳遞到排水渠渠底的目的。

4.3.4鋼箱計算

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，1 100 kN履帶吊位于鋼箱支撐基礎(chǔ)頂進行棧橋自身施工時，在側(cè)吊吊重工況下，鋼箱受力最大，對應(yīng)的鋼箱底板最大豎向變形為0.22 mm。易知鋼箱剛度很大，可滿足鋼箱均勻傳力要求，且對過水斷面影響很小。

4.4 地基承載力

根據(jù)棧橋上部結(jié)構(gòu)傳遞到鋼箱頂?shù)呢Q向力，考慮明渠護面處理結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和鋼箱支撐結(jié)構(gòu)自重，以及漲潮時作用在排水渠渠底的水壓，經(jīng)計算，作用到處理地基土層頂面上的壓力為74.7 kPa，小于電廠專家提出的軟弱地基承載力要求。

5 結(jié)語

對有流水和防滲要求的敞口形排水渠，尤其是下臥軟弱地基時，當有施工通道需要跨越時，通道支撐基礎(chǔ)形式的選擇應(yīng)綜合考慮交通運輸、地形地質(zhì)水位氣候條件、排水渠具體情況等多方面因素，盡可能選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的棧橋布置和支撐基礎(chǔ)形式，以達到降低施工風險和加快施工進度的目的。

本文所述調(diào)順大橋跨排水渠棧橋已通行多年，通行狀況良好，排水渠渠底經(jīng)測量基本無變形，棧橋鋼箱支撐基礎(chǔ)使用效果良好。實踐證明，本文所述的跨越下臥軟弱地基有流水有防滲要求電廠排水渠的棧橋支撐結(jié)構(gòu)合理，有效解決了地基承載力低、防滲要求高的實際問題，滿足了不破壞排水渠地基結(jié)構(gòu)，不影響防滲性能，不減小過水斷面的現(xiàn)實要求。該類支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，既安全、適用、便捷，又經(jīng)濟環(huán)保高效，可供今后類似工程借鑒。