江羽習(xí), 張坤球, 黃 成, 黃文武, 黃 云
(廣西路建工程集團有限公司, 南寧 530001)
培森柳江特大橋橫跨柳江, 主橋為雙塔單索面部分斜拉橋, 主橋長570 m, 中跨跨徑280 m, 是世界第一跨徑公路預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土部分斜拉橋, 也是賀州—巴馬高速公路(象州—來賓段)的關(guān)鍵控制性工程。由于運營期河流通航和安全度汛的要求, 跨河橋梁涉水墩臺的承臺通常設(shè)計嵌入河床地層內(nèi)。柳江流域河床常見松散狀態(tài)的漂石, 間隙充填卵石、 砂礫等, 為典型的強透水地層[1]。此地層中采用傳統(tǒng)的鋼套箱圍堰進行隔水施工, 施工工期長[2-3]。同時, 雖然鋼套箱圍堰也可作承臺模板, 但因堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)與承臺鋼筋存在位置沖突, 需將圍堰尺寸加大來解決沖突以保證承臺結(jié)構(gòu)鋼筋正確通過, 因而造成了承臺實際尺寸和承臺鋼筋保護層的加大, 降低了施工精度。另外, 承臺鋼筋保護層加大還容易引起混凝土表面開裂。本文通過比選, 根據(jù)承臺尺寸及橋位區(qū)水文地質(zhì)情況, 提出一種新型堰模一體結(jié)構(gòu), 在隔水嚴(yán)密性、 結(jié)構(gòu)施工快捷性、 材料節(jié)省、 結(jié)構(gòu)施工精度承臺施工零干擾和施工安全上均取得了良好的效果。
培森柳江特大橋[4]是廣西賀州—巴馬高速公路象州—來賓段的控制性工程。橋位處, 象州岸岸頂高程為74 m, 來賓岸岸頂高程為72 m。培森柳江特大橋P2、P3主墩位于柳江主河道兩側(cè), 主墩墩頂(主梁0#塊底部)高程為119.568 m。主墩承臺為整體式群樁基礎(chǔ)承臺, 承臺底標(biāo)高為50 m, 承臺頂標(biāo)高為56 m, 承臺尺寸為長(橫橋向)32.342 m×寬(順橋向)19 m×高6 m。承臺尺寸見圖1。
圖1 主墩承臺構(gòu)造及地質(zhì)剖面圖(單位:cm)
兩橋墩承臺區(qū)域河床覆蓋大厚度漂石, 間隙充填卵石、 砂礫, 狀態(tài)松散, 透水性強。P2主橋墩處覆蓋層頂?shù)赘叱虨?4.0~55.2 m,P3主橋墩處覆蓋層頂?shù)赘叱虨?5.1~56.4 m。承臺底部未嵌巖。
橋位區(qū)每年5—9月為汛期, 10月至次年4月為枯水期, 枯水期水位在52~54.55 m內(nèi)波動。進入汛期后, 水位波動較大, 5年一遇洪水位為68 m。根據(jù)施工進度計劃, 將在枯水期進行承臺施工。施工時考慮最高水位為55 m。
進入汛期后, 河水水位漲落大, 水面寬度寬, 兩岸灘涂被完全淹沒。主墩墩身施工和大橋主梁施工合龍前工期較長, 需從兩岸往主墩搭設(shè)棧橋作為施工通道??菟谒惠^低, 大部分時間僅兩主墩之間的主河道部分有明流, 人員設(shè)備可直接進入主橋墩平面范圍出露的河床卵漂石覆蓋層進行施工。值得指出的是, 覆蓋層頂面與水位高差僅1~2 m, 覆蓋層下相對水位較高, 且覆蓋層具有強透水性。上述復(fù)雜的水文地質(zhì)情況增加了主橋墩承臺施工的難度。為了科學(xué)快捷地完成主墩承臺的施工, 并在汛期到來前使主橋墩墩身施工高出洪水位, 避免汛期對主墩施工的影響, 先進行了承臺施工方案比選。
鋼套箱圍堰[5-6]是水下承臺最常用的隔水結(jié)構(gòu), 但在本橋水文地質(zhì)條件并不適用, 主要原因在于: ①本橋主墩承臺嵌入河床較深, 汛期洪水位又較高。為保證總體工期, 須在汛期內(nèi)施工, 圍堰頂部高程至少高于5年一遇水位, 從堰底水下混凝土封底層起算, 則圍堰結(jié)構(gòu)高達(dá)19 m。另外, 需搭設(shè)高大鋼平臺對圍堰進行整體拼裝、 整體下沉。同時主墩承臺平面尺寸大, 因此鋼套箱圍堰的工程規(guī)模很大, 施工速度慢, 圍堰鋼結(jié)構(gòu)材料用量及損耗大。②兩主墩承臺靠近主河道, 高大鋼套箱圍堰迎水面積大, 在汛期受洪水沖擊力大, 圍堰垮塌風(fēng)險高。③ 因承臺設(shè)計嵌入河床, 鋼圍堰亦需嵌入河床松散覆蓋層, 很難解決圍堰在堰內(nèi)開挖, 下沉嵌入河床階段地層的摩阻力和單側(cè)土壓力容易導(dǎo)致的下沉不順利、 不均勻和不到位, 以及圍堰底截面受土壓力擠壓變形、 失穩(wěn)破壞等問題。
鋼板(鋼管)樁圍堰[7-8]施工速度快, 但地質(zhì)適應(yīng)性較差。在施打過程中容易因遇硬土、 孤石受阻不能到達(dá)設(shè)計深度。大周長施打時合龍精度差, 容易出現(xiàn)難以處理的楔形合攏缺口, 造成大滲水。在本橋采用時打入深度須達(dá)10 m, 但因覆蓋層廣泛分布形狀不規(guī)則的漂石, 鋼板(鋼管)樁刃腳受漂石引導(dǎo)很容易產(chǎn)生偏位, 且極易變形, 施工現(xiàn)場試打時遠(yuǎn)達(dá)不到目標(biāo)深度。
綜上所述, 傳統(tǒng)應(yīng)用最多的鋼套箱圍堰和鋼板(鋼管)樁圍堰并不適合于本橋主墩承臺施工, 須因地制宜開發(fā)一套新型的圍堰技術(shù)和工藝。
根據(jù)承臺尺寸及橋位區(qū)水文地質(zhì)情況, 承臺圍堰既要解決卵漂石強透水問題, 也要考慮圍堰支撐與承臺施工沖突問題, 同時兼顧施工便利和快速, 確保柳江進入汛期前完成承臺施工, 因此提出一種新型堰模一體結(jié)構(gòu)。該新型堰模一體結(jié)構(gòu), 采用外圍穩(wěn)固的方法替代傳統(tǒng)內(nèi)支撐設(shè)計, 即通過在鋼圍堰外側(cè)設(shè)計兩排型鋼樁, 內(nèi)排型樁作為堰模結(jié)構(gòu)的支撐樁用于支撐固定圍堰模板, 外排型鋼樁作為加固樁對內(nèi)排鋼管樁起拉撐作用, 保證堰模結(jié)構(gòu)在抽水和澆筑混凝土兩種不同工況時穩(wěn)固可靠。
堰模壁板(模板)采用大塊鋼模板設(shè)計, 結(jié)構(gòu)簡單, 加工、 運輸、 安裝方便, 壁板可直接兼作承臺模板使用。
圍堰模板在工廠定制, 其分塊大小結(jié)合承臺尺寸具體設(shè)計, 標(biāo)準(zhǔn)寬度為3 m, 既盡量減少了拼縫, 也滿足運輸條件。承臺倒角為圓弧形, 拼縫設(shè)計在圓弧段中間, 可降低模板拼裝合攏施工的控制難度。
圍堰模板具體設(shè)計: 圍堰模板分上下兩節(jié)設(shè)計, 第一節(jié)高度4 m, 第二節(jié)高度3 m, 通用標(biāo)準(zhǔn)大塊平面模板尺寸分3 m×4 m和3 m×3 m兩種, 承臺圍堰直線段用標(biāo)準(zhǔn)平面模拼裝, 長度不足處通過弧面模板的直線段進行調(diào)節(jié), 面板采用6 mm鋼板; 豎肋為8#槽鋼, 間距為30 cm; 橫肋為∠63 mm×5 mm角鋼, 間距40 cm。
圍檁支撐具體設(shè)計: 在距離承臺邊1.53 m處沿承臺四周設(shè)置一圈鋼管樁作為堰模結(jié)構(gòu)的支撐樁, 樁間距為3 m; 在支撐樁上焊接牛腿, 用以安裝圍檁; 第一、 二節(jié)圍堰模板分別設(shè)置2層圍檁, 牛腿圍檁層距下部為125 cm、 上部為150 cm。圍檁兼作模板的大背楞, 水上圍檁、 牛腿采用焊接形式, 水下圍檁及牛腿無法進行焊接, 設(shè)計采用撐拉桿體系的形式, 其作用是: 圍堰抽水時, 利用拉桿抵抗水壓力對堰模的變形; 澆筑混凝土?xí)r, 利用撐桿抵抗混凝土壓力對堰模的變形。鋼管樁及牛腿作為模板支撐, 對應(yīng)支撐樁外側(cè)凈距約7.7 m處(距開挖的基坑邊坡2 m)設(shè)置一排加固樁, 在加固樁頂部設(shè)置3道橫斜撐支撐于內(nèi)側(cè)鋼管樁上牛腿圍檁對應(yīng)處, 斜撐與內(nèi)、 外側(cè)鋼管樁焊接固定形成拉撐桿。鋼管樁及圍檁支撐充分利用現(xiàn)場鋼平臺及鋼棧橋所剩型鋼材料, 其中牛腿圍檁采用I20a工字鋼, 斜撐采用20#槽鋼, 鋼管樁采用Φ529 mm×10 mm螺旋鋼管。堰模一體結(jié)構(gòu)總體布置見圖2。
圖2 堰模一體結(jié)構(gòu)總體立面圖(單位: mm)
本承臺堰模一體結(jié)構(gòu)采用MIDAS CIVIL進行分析計算, 模型如圖3所示。
圖3 堰模一體結(jié)構(gòu)驗算模型
計算參數(shù)如下: 圍堰內(nèi)總面積585.56 m2, 鋼圍堰結(jié)構(gòu)自重1 900 kN, 圍堰設(shè)計水位標(biāo)高56.0 m, 承臺底設(shè)計標(biāo)高50.0 m, 圍堰內(nèi)外最大水頭差6 m, 封底混凝土厚度1.0 m, 樁基礎(chǔ)根數(shù)24根, 樁基鋼護筒直徑2.7 m, 樁基鋼護筒與封底混凝土的摩阻力取200 kPa, 鋼管樁樁側(cè)土的摩阻力取90 kPa, 地基抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取106kN/m4。主要計算兩種工況下堰模一體結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定性, 工況一: 河水上漲至圍堰設(shè)計水位時, 圍堰內(nèi)抽干水; 工況二: 澆筑承臺混凝土。綜合兩種工況下的驗算結(jié)果, 堰模結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力為146.61 MPa, 最大剪應(yīng)力為33.62 MPa, 出現(xiàn)在封底混凝土頂面位置的豎肋處, 均小于Q235鋼材的強度設(shè)計值; 最大變形為1.46 mm, 滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2020)L/400=2.75 mm要求。另外, 對封底混凝土、 結(jié)構(gòu)抗浮能力、 穩(wěn)定性進行驗算, 結(jié)果均滿足規(guī)范(JTG/T F50—2020)要求。
總體施工工序: 測量放樣→基坑開挖→打設(shè)內(nèi)側(cè)鋼管樁→逐層焊接牛腿→安裝圍檁→安裝下層圍堰模板→打設(shè)外側(cè)加固樁→安裝上層圍堰模板→斜撐連接→水下封底砼施工→圍堰抽水→調(diào)平層施工→樁頭清理→第一層承臺施工→第二層承臺施工→圍堰拆除。
基坑采用放坡開挖, 基坑底開挖尺寸按寬出承臺2 m控制, 預(yù)留充足作業(yè)空間和鋼圍堰施工位置。采用長臂挖掘機從上游往下游階梯式分層開挖, 從上往下層高分別為1.5、 1.5、 1.5 m, 豎向開挖至基底時, 邊挖邊檢測基底標(biāo)高, 用測繩或測桿逐點檢測, 確?;拥讟?biāo)高滿足封底砼厚度要求。開挖至承臺下游端部時, 將長臂挖掘機轉(zhuǎn)至到筑島平臺上, 從上往下開挖至基坑底。開挖時盡量整平基底, 特別是鋼圍堰安裝位置。
距承臺邊1.53 m和基坑邊2 m處, 沿承臺周圍插打內(nèi)、 外兩排鋼管樁(即支撐樁和加固樁), 樁間距按3 m控制。內(nèi)側(cè)鋼管樁入土深度不小于3 m, 外側(cè)鋼管樁入土深度不小于7 m, 深度嚴(yán)重不足的可通過加密布置以確保鋼管樁的支撐效果[9]。外側(cè)鋼管樁單樁水平承載力滿足圍堰結(jié)構(gòu)單樁所受水平力要求。
在內(nèi)側(cè)支撐樁上按設(shè)計逐層焊接牛腿圍檁用于定位支撐圍堰模板, 圍檁可預(yù)先在場地分段拼裝好再進行吊裝。安裝時, 牛腿圍檁的標(biāo)高和平面位置通過測量放樣精準(zhǔn)定位, 上下層圍檁內(nèi)側(cè)面控制在同一豎直面上, 保證圍檁線型順直, 確保圍堰模板安裝時能與圍檁平整貼合。圍檁須形成閉環(huán), 圍檁兼作圍堰模板的大背楞, 與牛腿及內(nèi)側(cè)鋼管樁共同支撐圍堰模板。
外側(cè)加固樁與內(nèi)側(cè)鋼管樁之間焊接橫斜撐進行聯(lián)結(jié), 外側(cè)鋼管樁通過橫斜撐對內(nèi)側(cè)鋼管樁形成拉撐作用。橫斜撐向外支撐于外側(cè)鋼管樁頂部, 向內(nèi)支撐于焊接在內(nèi)側(cè)鋼管樁上的②、 ③和④號圍檁對應(yīng)處, 見圖2。
堰模采用定制大塊鋼模, 工廠加工好試拼合格后, 運輸至現(xiàn)場安裝。安裝前, 圍堰模板先在岸上兩塊一組拼裝成型, 減少水下拼裝作業(yè)。同時預(yù)先在圍堰模板上焊接鋼板卡扣(圖4a)及內(nèi)外底圍檁支腿(圖5), 便于模板安裝時臨時固定及內(nèi)外底圍檁定位支撐。圍堰模板拼接時拼縫需粘貼止水條, 止水條通長設(shè)置, 防止接口滲漏。圍堰模板整體安裝順序從直線段向圓弧段進行, 最終在圓角處合攏。依次吊裝好的模板及時擰緊法蘭螺栓夾緊止水條。
圖4 局部大樣圖
采用吊車在承臺兩側(cè)作業(yè)平臺逐一吊裝組拼好的模板, 模板緊靠圍檁就位, 并沿圍檁逐塊拼接,模板與圍檁臨時焊接固定, 模板底部支墊牢靠, 相鄰模板及時上螺栓擰緊, 同時在內(nèi)側(cè)用I20a工字鋼斜撐頂撐模板。斜撐頂部支撐在首節(jié)鋼圍堰最上面一道圍檁對應(yīng)處, 并在斜撐工字鋼上翼板與模板臨時焊接固定, 底部支撐在樁頭上。斜撐設(shè)置見圖5。
圖5 內(nèi)外底圍檁支腿及斜撐設(shè)置示意圖
采用吊錘線檢查模板豎直度, 拉設(shè)水平線嚴(yán)格控制模板頂面標(biāo)高。模板拼接時, 在已安裝定位好的模板頂部設(shè)置定位角鋼, 定位角鋼用螺栓與模板連接牢固, 沿模板拼接方向伸出10 cm, 用以定位下一塊吊裝的模板, 確保模板頂面標(biāo)高一致。模板就位后要及時上螺栓擰緊。連接螺栓先在上、 下部初步緊固模板, 待模板調(diào)整豎直、 頂部水平后, 逐孔上緊螺栓。位于水下部分, 需潛水員在水下安裝并檢查螺栓上滿上緊, 防止水下砼澆筑時漲模擠開。模板調(diào)整好后, 與圍檁點焊固定。
模板安裝固定好后, 吊裝內(nèi)外底圍檁于預(yù)焊在模板上的支腿上, 由潛水員水下調(diào)整就位。內(nèi)底圍檁采用I20a工字鋼, 外底圍檁采用雙拼20#槽鋼。先安裝內(nèi)底圍檁及其支撐, 內(nèi)底圍檁支撐用可調(diào)節(jié)螺桿作頂撐桿, 一端頂撐在鋼護筒側(cè)壁上, 另一端頂撐內(nèi)底圍檁; 后安裝外底圍檁及拉箍裝置。拉箍裝置由JZ-16精軋螺紋鋼筋拉桿、 ф16 mm螺紋鋼筋加工成的余留50 cm直線段的半圓箍及焊接在半圓箍上的鋼筋套筒組成。內(nèi)外底圍檁可調(diào)頂撐及拉箍裝置見圖4b、 圖6。安裝外底圍檁及拉箍, 施工時, 半圓箍套在鋼護筒上, 由潛水員在水下穿設(shè)拉桿, 先穿出模板孔, 再穿鋼筋箍接頭處套筒, 在拉桿兩頭上緊螺帽, 通過擰緊拉桿螺帽, 可以實現(xiàn)調(diào)整拉箍裝置的箍緊力和拉力。
內(nèi)底圍檁的頂撐桿和外底圍檁的拉箍裝置發(fā)揮各自受力特性形成抗拉壓體系, 保證鋼護筒與鋼模板之間的相對位置不發(fā)生變化, 達(dá)到高精度目的。其原理為: 鋼圍堰封底施工時, 封底混凝土向外擠壓壁板, 易造成堰模壁板變形, 圍堰尺寸精度降低。承臺混凝土澆筑時, 承臺混凝土向外擠壓模板, 使堰模壁板底部與封底混凝土脫離產(chǎn)生縫隙, 易導(dǎo)致滲水。為保證水下堰模底部封水效果, 同時控制堰模壁板底部變形和精度, 在堰模底部對應(yīng)各樁基處設(shè)置拉撐結(jié)構(gòu)裝置; 利用套在樁身上的半圓箍與拉桿連接, 拉桿穿過堰模壁板與外底圍檁拉結(jié), 同時在內(nèi)側(cè)樁基對應(yīng)處設(shè)置可調(diào)頂撐支撐于內(nèi)底圍檁上, 通過撐拉作用使堰模壁板穩(wěn)固牢靠。拉撐結(jié)構(gòu)見圖5、 圖6。
圖6 內(nèi)外底圍檁頂撐及拉箍示意圖
拉箍在封底混凝土施工時能抵抗圍堰底部的模板變形, 封底后, 埋入封底混凝土, 抵抗?jié)仓信_混凝土?xí)r的壓力, 有效解決模板底部變形問題。
水下圍檁及牛腿無法進行焊接, 設(shè)計采用撐拉桿體系的形式, 其結(jié)構(gòu)由拉桿、 撐桿以及設(shè)置在鋼管樁上的橫梁組成, 橫梁位于水面之上, 圍檁位于水下; 拉桿采用精軋螺紋鋼, 連接橫梁及圍檁, 形成拉桿體系; 撐桿采用工字鋼, 安裝在橫梁與圍檁之間, 與拉桿共同形成撐拉體系。施工時, 在橫梁及圍檁所用的工字鋼翼板上開孔, 用拉桿連接; 撐桿兩端切割成一個梯形缺口, 放置在橫梁與圍檁之間, 水面上的橫梁與撐桿點焊固定。在抽水階段, 拉桿發(fā)揮作用, 而在澆筑承臺混凝土?xí)r, 撐桿起到支撐模板作用。
首節(jié)堰模安裝完成后, 安裝第二層模板對應(yīng)的牛腿及圍檁, 按同樣的安裝順序進行第二節(jié)堰模安裝。安裝前, 先在模板邊安裝粘貼好止水條, 再進行模板安裝。
模板安裝完成后, 在模板外側(cè)基底堆疊土袋封堵圍堰底部空隙, 防止?jié)仓路獾谆炷習(xí)r外流。水下封底混凝土施工要求一次性完成, 避免冷縫形成斷板。水下封底施工采用混凝土泵車澆筑, 利用泵車泵管連續(xù)移動完成水下砼封底。泵管口插入水下距離基底約15~30 cm, 灌注時從下游側(cè)向上游側(cè)方向進行。水下封底施工, 混凝土頂面平整較難控制, 因此需預(yù)留10~20 cm作為調(diào)平層, 封底厚度控制在80~90 cm。封底施工過程中要多點測量, 時刻掌握封底混凝土的流動方向及高程, 確保封底厚度達(dá)到設(shè)計要求[10-11]。
封底混凝土、 抽水施工后, 再進行封底調(diào)平層施工, 同時拆除首節(jié)堰模斜撐及內(nèi)底圍檁支撐, 即可以得到一個對承臺施工零干擾零沖突的施工環(huán)境, 大大提高承臺施工效率, 加快施工進度。
承臺澆筑及養(yǎng)護完成后, 即可進行堰模一體結(jié)構(gòu)拆除。 拆除時, 首先進行水下拉箍裝置的螺栓解除后, 拆除外底圍檁; 然后依次分段拆除圍檁, 解除模板連接螺栓, 用吊車配合, 將上、 下節(jié)兩塊模板整體拆除吊出, 直至拆除所有模板; 最后進行內(nèi)、 外側(cè)型鋼樁及樁間橫斜撐的拆除。拆除的模板、 型鋼、 鋼管等可以周轉(zhuǎn)到其他臨時工程結(jié)構(gòu)。
(1)堰模一體結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)鋼板樁圍堰、 鎖口鋼管樁圍堰等圍堰形式, 傳統(tǒng)鋼板樁、 鋼管樁圍堰壁不能同時兼作承臺模板用, 需另外加工安裝模板。而本堰模一體結(jié)構(gòu)將圍堰及模板的功能通過堰模一體來實現(xiàn), 大幅減少了施工環(huán)節(jié)、 施工時間和施工費用。
(2)堰模的支撐和穩(wěn)固構(gòu)造主要通過外部鋼管樁及各道圍檁支撐進行支撐固定。內(nèi)部支撐僅在堰模安裝時作臨時支撐作用, 且在堰模內(nèi)封底混凝土施工完成并抽水后, 即可將內(nèi)部支撐拆除, 內(nèi)部完全處于空箱狀態(tài), 實現(xiàn)承臺構(gòu)造與圍堰構(gòu)造的零沖突、 零干擾, 可以保證承臺構(gòu)造完全滿足設(shè)計要求。
(3)在堰模一體結(jié)構(gòu)精度方面, 通過在承臺邊線外圍打設(shè)鋼管樁, 在鋼管樁水面以上部分準(zhǔn)確放樣并焊接定位牛腿圍檁, 精準(zhǔn)控制堰模安裝的平面位置, 而堰模在水下部分的定位, 通過內(nèi)、 外底圍檁及其頂撐桿和拉箍裝置形成的抗拉壓體系, 可保證堰模定位的精確性及穩(wěn)固性, 最終達(dá)到堰模按承臺設(shè)計邊線精確安裝就位的效果。
(4)在圍堰拆除及周轉(zhuǎn)利用方面, 本堰模一體結(jié)構(gòu)水下各結(jié)構(gòu)構(gòu)件與堰模的連接均采用非固結(jié)形式, 無需采用水下焊接工藝。拆除時, 擰松拉箍的螺絲拆除外底圍檁非固結(jié)的連接形式, 安裝拆除方便, 且最大限度保證了堰模結(jié)構(gòu)的完整性, 除內(nèi)底拉箍裝置埋在封底混凝土內(nèi)無法再次周轉(zhuǎn)利用外, 其他結(jié)構(gòu)均能周轉(zhuǎn)使用。高周轉(zhuǎn)利用率能創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益、 節(jié)約成本, 符合綠色施工理念。
實踐表明, 該堰模一體結(jié)構(gòu)設(shè)計施工成套技術(shù)為在淺水強透水地層內(nèi)水下承臺的施工提供了諸多有利條件, 安全、 經(jīng)濟、 環(huán)保、 高效, 可為類似工程項目提供參考。