深水區(qū)淺覆蓋層錨樁法鋼棧橋設(shè)計(jì)及施工

李晨，諶捷

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢430040）

1 工程概況

馬來(lái)西亞柔佛州大橋位于馬來(lái)西亞半島南部，柔佛州（Tanjung Perlepas）。項(xiàng)目緊鄰新加坡，離新加坡邊境約16 km。項(xiàng)目全長(zhǎng)7.5 km，為雙向4車(chē)道公路，主要包括橋梁3 000 m，路基4 500 m。主要結(jié)構(gòu)物有橋梁3座，平交路口2個(gè)。橋梁橋面寬22.5 m，橋1、橋2位于陸上，橋3為跨蒲萊河（內(nèi)海）大橋，主墩處通航凈寬≥100 m，通航凈高≥25 m，設(shè)計(jì)速度90 km/h。橋3水上部分采用棧橋方式作為施工通道承擔(dān)材料、機(jī)械設(shè)備、人員的運(yùn)輸任務(wù)。主棧橋分為東西兩側(cè)，分別從陸上向蒲萊河中心搭設(shè)，根據(jù)通航要求，中間留出100 m寬的通航道。

2 施工條件

2.1 材料資源及選型

棧橋材料計(jì)劃全部由文萊PMB大橋棧橋拆除后周轉(zhuǎn)使用，本地型鋼及螺旋焊管鋼管樁資源較少，且價(jià)格高昂。棧橋主要材料：600 mm直徑鋼管樁、I45/H588承重梁、貝雷片、I25及I14分配梁以及10 mm厚鋼板采用文萊周轉(zhuǎn)材料。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需新購(gòu)部分直徑為800 mm和1 200 mm的鋼管樁。

2.2 設(shè)備資源及選型

本地設(shè)備資源較少，設(shè)備較為陳舊，且租賃價(jià)格高昂。設(shè)備操作手必須為本地操作手，幾乎沒(méi)有此類(lèi)結(jié)構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)。棧橋設(shè)計(jì)承載能力為SR360旋挖鉆機(jī)（自重120 t），棧橋搭設(shè)采用100 t履帶吊配合8 t激振力為180 t的液壓振動(dòng)錘施沉。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工發(fā)現(xiàn)，鋼管樁最多只能施沉到標(biāo)準(zhǔn)貫入度擊數(shù)約40錘處就無(wú)法進(jìn)尺，意味著根據(jù)地勘報(bào)告，主墩處鋼管樁最多只能入土2～3 m，無(wú)法打到嵌固點(diǎn)以下。

3 棧橋設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)理念

通常對(duì)于淺覆蓋層或裸巖地區(qū)棧橋施工，一般會(huì)采用“板凳樁”、鋼管樁底端錨固處理、用沖擊錘預(yù)成孔后跟進(jìn)鋼管樁再澆筑混凝土進(jìn)行錨固等方法。

本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)有材料及設(shè)備資源，無(wú)法采用上述方法，對(duì)比普通棧橋，設(shè)計(jì)采用錨樁棧橋形式，通過(guò)樁底固結(jié)的錨樁，與棧橋鋼管樁平聯(lián)連接，每排棧橋鋼管樁再通過(guò)縱向平聯(lián)連接形成一個(gè)整體，大大提高棧橋穩(wěn)定性。在保證結(jié)構(gòu)安全使用的前提下，盡量使用現(xiàn)有設(shè)備及周轉(zhuǎn)材料，降低成本。

3.2 棧橋構(gòu)造

根據(jù)不同水深以及不同入土深度將整個(gè)主棧橋分為3大區(qū)域，類(lèi)型1、類(lèi)型2為普通棧橋，類(lèi)型3為錨樁棧橋。類(lèi)型3縱斷面如圖1所示。

圖1 類(lèi)型3縱斷面

類(lèi)型1區(qū)水深＜10 m，且鋼管樁能施沉到嵌固點(diǎn)以下（計(jì)算為4 m）的區(qū)段。標(biāo)準(zhǔn)跨徑為12 m，采用φ600 mm×10 mm厚鋼管樁，每排鋼管樁采用橫向平聯(lián)連接。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，主棧橋東側(cè)1～10跨以及西棧橋1～9跨為此類(lèi)型棧橋。

類(lèi)型2區(qū)水深＞10 m，且鋼管樁能施沉到嵌固點(diǎn)以下（計(jì)算為4 m）的區(qū)段。標(biāo)準(zhǔn)跨徑為10.5 m，采用φ800 mm×10 mm厚鋼管樁，每排鋼管樁采用橫向平聯(lián)連接。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，主棧橋東側(cè)11～20跨以及西棧橋10～17跨為此類(lèi)型棧橋。

類(lèi)型3區(qū)水深＞10 m，且鋼管樁不能施沉到嵌固點(diǎn)以下（計(jì)算為4 m）的區(qū)段。標(biāo)準(zhǔn)跨徑為7.5 m，采用φ1 200 mm×12 mm厚鋼管樁，每排鋼管樁采用φ600 mm×10 mm厚鋼管橫向和縱向平聯(lián)連接，采用雙拼I25斜撐連接形成格構(gòu)柱，并且每5跨設(shè)置錨樁。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，主棧橋東側(cè)21～45跨以及西棧橋18～37跨為此類(lèi)型棧橋。

3.3 錨樁棧橋受力分析

3.3.1 荷載分析

荷載包括：（1）結(jié)構(gòu)自重；（2）移動(dòng)荷載：100 t履帶吊、45 t SR150旋挖鉆機(jī)、8 m3混凝土罐車(chē)；（3）水流力[1]。錨樁棧橋上部結(jié)構(gòu)受力計(jì)算與普通棧橋相同，不再描述。

3.3.2 錨樁棧橋下部結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

棧橋下部結(jié)構(gòu)采用Midas Civil建立模型，鋼管樁樁底臨界條件錨樁為固結(jié)，其余為鉸接。全橋在施工階段即施工完第5跨，施工錨樁時(shí)受力最不利。經(jīng)Midas Civil計(jì)算，棧橋下部結(jié)構(gòu)受力計(jì)算匯總見(jiàn)表1。

表1 棧橋下部結(jié)構(gòu)受力計(jì)算匯總

3.3.3 錨樁施工及嵌巖要求

錨樁棧橋每5跨需在棧橋兩側(cè)增設(shè)錨樁。當(dāng)在第5跨棧橋完成搭設(shè)后，施工錨樁，先施工迎水面?zhèn)儒^樁，2根錨樁施工完成，并待錨樁樁身混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，才可繼續(xù)進(jìn)行下一跨棧橋施工。

錨樁采用C30混凝土，嵌巖深度≥3倍樁徑，巖層單軸抗壓強(qiáng)度≥5 000 kPa，同時(shí)混凝土灌注高度需滿足混凝土與管樁的接觸長(zhǎng)度≥3倍樁徑?；炷凉嘧⑶埃璺胖娩摻罨\，樁基配筋需滿足規(guī)范要求。

3.4 錨樁棧橋施工

3.4.1 總體施工工藝

材料到場(chǎng)后，對(duì)鋼管樁進(jìn)行除銹、橫梁制作、貝雷片的拼裝，施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋼管接長(zhǎng)、平聯(lián)、橫梁、貝雷片安裝以及橋面系安裝焊接，總體施工工藝如圖2所示。

圖2 總體施工工藝流程圖

3.4.2 總體施工方法

棧橋采用“釣魚(yú)法”施工，從一側(cè)開(kāi)始進(jìn)行平臺(tái)搭設(shè)。機(jī)械設(shè)備采用80 t/100 t履帶吊配振動(dòng)錘，具體為：

1）利用履帶起重機(jī)提升振樁錘沉放鋼管樁；

2）鋼管樁沉放就位，安裝主梁；

3）利用履帶起重機(jī)安裝貝雷梁；

4）利用履帶起重機(jī)安裝橋面系。

3.4.3 鋼管樁施沉

由于水較深，且類(lèi)型3棧橋鋼管樁入土深度淺，單樁無(wú)法穩(wěn)定，需提前制作鋼管樁施沉導(dǎo)向架，安裝在貝雷梁上。履帶吊起振動(dòng)錘并夾好鋼管樁后，利用履帶吊擺動(dòng)大臂將鋼管樁插入導(dǎo)向架定位孔中，通過(guò)提前引至導(dǎo)向架上的鋼管樁的點(diǎn)位，進(jìn)行鋼管樁定位。無(wú)誤后開(kāi)啟振動(dòng)錘進(jìn)行施沉直至達(dá)到設(shè)計(jì)高程。沉樁過(guò)程中，利用吊錘在棧橋及導(dǎo)向架2個(gè)垂直方向進(jìn)行垂直度檢查，保證最終樁的垂直度滿足要求[2]。

3.4.4 平聯(lián)鋼管及斜撐安裝

鋼管樁施沉后，在低潮位時(shí)安裝φ420 mm×6 mm/φ600 mm×10 mm鋼管平聯(lián)，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。平聯(lián)通過(guò)哈佛接頭與鋼管樁焊接牢固。

對(duì)于類(lèi)型3錨樁棧橋，由于單樁入土深度較淺，無(wú)法穩(wěn)定，需要先將平聯(lián)及斜撐與鋼管樁連接后再拆除導(dǎo)向架。提前預(yù)制好縱向平聯(lián)及斜撐，鋼管樁施沉后整體吊裝至設(shè)計(jì)位置將鋼管樁與上一跨鋼管樁通過(guò)哈佛接頭連接并滿焊，拆除導(dǎo)向架，焊接橫向平聯(lián)及相關(guān)斜撐。

3.4.5 承重梁及貝雷梁安裝

采用雙拼I45或HM588 mm×300 mm×12 mm×20 mm作為承重梁，樁頂采用16 mm鋼板作為樁帽板，四周焊接加強(qiáng)勁板。安裝時(shí)將首排鋼管樁經(jīng)測(cè)量復(fù)核后將高于理論標(biāo)高的多余鋼管樁切割并找平，后續(xù)采用水平管進(jìn)行測(cè)量并切割，由于水平管操作存在人工誤差，因此，需每隔兩跨進(jìn)行測(cè)量復(fù)核。找平后安裝樁帽并焊接在鋼管樁上，安裝承重梁，并將加強(qiáng)勁板焊接牢固。

貝雷梁在后場(chǎng)組拼，并運(yùn)輸?shù)綏蚯岸耍陕膸У醢惭b。安裝過(guò)程中需保持順直，防止棧橋偏位，每隔兩跨進(jìn)行測(cè)量復(fù)核。安裝就位后，在主橫梁上用騎馬卡板進(jìn)行限位。

3.4.6 面板及附屬安裝

按1.5 m間距鋪設(shè)I25a作為橫向分配梁并用U形螺栓與貝雷梁固定。每根橫向分配梁上安裝5個(gè)U形螺栓，相鄰的橫向分配梁上U形螺栓交替布置。橫向分配梁固定好后，按照0.3 m的間距鋪設(shè)I14作縱向分配梁，縱向分配梁與橫向分配梁交接處滿焊。

鋼棧橋面板采用8 000 mm（6 000 mm）×1 500 mm×10 mm鋼板，鋼板焊接在I14上。鋼板縱向分幅鋪設(shè)，每幅之間留有2 cm空隙以便與I14焊接。

棧橋欄桿高1.0 m，采用φ48 mm×3.5 mm普通鋼管焊接而成，立柱間距1.5 m，焊在貼腳板[25上，欄桿及貼腳板統(tǒng)一用紅白油漆涂刷，交替布置，達(dá)到既簡(jiǎn)潔又美觀。

3.4.7 錨樁施工

類(lèi)型3錨樁棧橋，第5跨施工完成后進(jìn)行錨樁施工，具體施工步驟包括：

1）按照設(shè)計(jì)位置以及上述方法沉錨樁護(hù)筒（φ1 200 mm），并且臨時(shí)固定。

2）履帶吊退出，采用SR250鉆機(jī)鉆孔，鉆至設(shè)計(jì)深度終孔，由于河床覆蓋層淺，以下為硬質(zhì)黏土或者強(qiáng)風(fēng)化巖層，故無(wú)須泥漿護(hù)壁，采用清水鉆。錨樁直徑為φ1 000 mm。

3）成孔后，鉆機(jī)退出，若護(hù)筒嵌巖不足3 m，采用履帶吊及振動(dòng)錘跟進(jìn)護(hù)筒，直至滿足要求，然后焊接護(hù)筒與棧橋鋼管樁之間平聯(lián)，將錨樁護(hù)筒和棧橋鋼管樁連接。

4）采用履帶吊將后場(chǎng)提前預(yù)制好的鋼筋籠下放安裝并臨時(shí)固定在護(hù)筒上，共計(jì)1節(jié)。

5）安裝導(dǎo)管及大料斗，按照樁基施工首封混凝土流程澆筑錨樁水下混凝土至設(shè)計(jì)高度。

6）等錨樁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后上履帶吊進(jìn)行棧橋下一跨施工。

4 施工關(guān)鍵控制要點(diǎn)

施工關(guān)鍵控制要點(diǎn)主要內(nèi)容有：

1）由于地質(zhì)可能存在起伏變化，要求對(duì)每根鋼管樁施沉進(jìn)行入土深度記錄，一旦入土深度不能達(dá)到嵌固點(diǎn)以下，就采用類(lèi)型3錨樁棧橋。

2）由于鋼管樁入土深度較淺，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定，在施沉?xí)r必須采用導(dǎo)向架，施沉完后必須將鋼管樁與上一跨鋼管樁通過(guò)平聯(lián)連接穩(wěn)定后再拆除導(dǎo)向架。

3）對(duì)于整個(gè)類(lèi)型3棧橋，其穩(wěn)定性主要是通過(guò)錨樁與棧橋鋼管樁之間的連接得以加強(qiáng)，故錨樁與鋼管樁之間的平聯(lián)焊縫質(zhì)量必須特別重視。另外，通過(guò)錨樁連接的棧橋需要通過(guò)縱向平聯(lián)將每跨連成一個(gè)整體，共同抵抗水平外力，增強(qiáng)棧橋穩(wěn)定性，所以縱向平聯(lián)的焊縫質(zhì)量也應(yīng)該特別重視。在今后的棧橋維護(hù)過(guò)程中，錨樁與鋼管樁之間以及錨樁縱向平聯(lián)這兩個(gè)位置的焊縫質(zhì)量作為重點(diǎn)檢查位置。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)馬來(lái)西亞柔佛州大橋主墩處深水、淺覆蓋層的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有資源，通過(guò)設(shè)計(jì)及實(shí)施采用錨樁法，克服因水深大鋼管樁自由端大導(dǎo)致的穩(wěn)定性不足，以及由于鋼管樁入土深度淺導(dǎo)致鋼管樁樁底約束不足引起的棧橋穩(wěn)定性問(wèn)題。在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，節(jié)約成本，可為同類(lèi)型深水區(qū)淺覆蓋層棧橋施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。