淺覆蓋層河床環(huán)境鋼棧橋引孔施工技術(shù)研究

陳 曦,解穎超,李 鴻

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

鋼棧橋以其建設(shè)工藝簡單、施工工期短、便于拆除、對環(huán)境影響小等特點,常常作為臨時保通設(shè)施或水中施工平臺而出現(xiàn)于各類建設(shè)工程[1]。針對河床覆蓋層淺薄、基巖偏硬的施工環(huán)境,鋼棧橋的豎向承載能力能夠得到很好的保障,其設(shè)計施工關(guān)鍵便是如何確保在上部施工設(shè)備偏心受力、河道高流速水流沖擊等不利工況下,橋梁結(jié)構(gòu)側(cè)向抗滑移及抗傾覆能力滿足使用需要[2-3]。引孔植樁加固施工工藝因其制約因素少、施工簡單等優(yōu)點,應(yīng)用最為普及,目前行業(yè)內(nèi)引孔植樁加固方式繁多[4],在此依托浙江緊水灘抽水蓄能電站三望潭鋼棧橋工程,對其施工方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 工程概況

1.1 項目概況

浙江緊水灘抽水蓄能電站位于浙江省麗水市云和縣緊水灘鎮(zhèn)境內(nèi)。電站總裝機(jī)容量297 MW(3×99 MW),建成后主要承擔(dān)浙江電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和備用等任務(wù)。電站上水庫利用已建的緊水灘電站水庫,下水庫利用已建的石塘電站水庫,樞紐工程主要建筑物由輸水系統(tǒng)、半地下廠房等組成。電站屬Ⅲ等中型工程,主要永久建筑物按3級建筑物設(shè)計,次要永久建筑物按4級建筑物設(shè)計。

為保障工程進(jìn)場公路施工建設(shè),計劃于進(jìn)場公路三望潭大橋上游側(cè)搭設(shè)一座鋼棧橋,一方面,承擔(dān)北岸三望潭隧道施工通行及運輸任務(wù),另一方面,作為橋梁水中樁基承臺施工作業(yè)平臺。

1.2 水文地質(zhì)條件

鋼棧橋橫跨龍泉溪水域進(jìn)行搭設(shè),龍泉溪屬石塘水庫庫尾,常年水位相對平穩(wěn)。施工區(qū)域兩側(cè)臨山,河道水面寬度122.8 m,常水位102.4m,最大水深8.2 m。

鋼棧橋施工區(qū)域上游1.9 km處為緊水灘電站大壩,施工區(qū)域徑流變化主要受電站發(fā)電影響。電站滿負(fù)荷發(fā)電狀態(tài),下泄流量2000 m3/s,對應(yīng)橋址區(qū)域水位106.4m,極限水流速為2.0 m/s。

根據(jù)設(shè)計地質(zhì)勘測資料,鋼棧橋施工區(qū)域河床底強(qiáng)風(fēng)化層分布厚度為3.5 m,其下為弱風(fēng)化、微風(fēng)化中細(xì)粒花崗巖,對應(yīng)飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值分別為82.23 MPa、121.84 MPa,為堅硬巖。實際施工過程中發(fā)現(xiàn),由于受長期沖刷,河道中部約100 m寬度范圍內(nèi)河床覆蓋層厚度平均僅有0.8 m。

2 鋼棧橋設(shè)計情況

根據(jù)使用需求,鋼棧橋按照施工臨時道路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計[5],主要設(shè)計指標(biāo)如下:

(1)設(shè)計安全等級二級,使用年限16個月;

(2)設(shè)計限載100 t,行車速度控制值為10 km/h;

(3)設(shè)計允許施工最大基本風(fēng)速為13.8 m/s,考慮5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

綜上,鋼棧橋設(shè)計長度141.1m,橋面寬度6 m,最大跨間距12.0 m,橋面縱坡0.71 %。

鋼棧橋墩柱采用φ630 mm鋼管樁立柱,柱間采用[22槽鋼設(shè)置連接系,柱頂開槽架設(shè)雙拼40 a工字鋼主橫梁,其上依次鋪設(shè)321型貝雷片、22 a工字鋼分配梁及定制橋面板。鋼棧橋見圖1、圖2。

圖1 鋼棧橋正視

圖2 鋼棧橋剖面

3 施工方法及注意事項

3.1 施工規(guī)劃

鑒于本工程河床強(qiáng)風(fēng)化層淺薄,下部河床基巖為堅硬巖,棧橋鋼管樁震動下沉僅能貫穿強(qiáng)風(fēng)化層,而無法直接進(jìn)入河床弱風(fēng)化基巖。完整的河床弱風(fēng)化基巖一方面為鋼棧橋提供了有效的樁底承載持力作用,另一方面也造成了樁體入土深度不足,棧橋抗傾覆能力及抗側(cè)向沖擊能力不足。

通過鋼棧橋結(jié)構(gòu)建模驗算,鋼管樁入土深度≥2.5 m方能保證棧橋抗傾覆能力及抗側(cè)向沖擊能力滿足規(guī)范要求。如入土深度不能滿足≥2.5 m要求,則采用引孔植樁的施工方法,對每排樁基上下游側(cè)兩根鋼管樁進(jìn)行引孔,引孔深度6.0 m,采用級配碎石作為引孔填料。

3.2 施工工藝

鋼管樁引孔植樁施工工藝是一種采用機(jī)械成孔方式,在設(shè)計沉樁位置對應(yīng)河床底部開鑿一定深度的嵌孔,將鋼管樁安設(shè)于該嵌孔并采用混凝土或土石料進(jìn)行嵌孔填埋的施工方法。經(jīng)過設(shè)計樁位試樁,當(dāng)入土深度不能夠滿足設(shè)計要求時,啟用引孔植樁工藝進(jìn)行施工。該施工方法可有效確保鋼管樁的錨固力,提高整體抗傾覆能力及抗側(cè)向沖擊能力。

3.3 主要施工步驟

與常規(guī)鋼棧橋逐樁施工工藝相比較,為確保核實每個設(shè)計樁位覆蓋層情況,需增加設(shè)計樁位試樁施工環(huán)節(jié)。試樁采用與設(shè)計樁同規(guī)格的直徑630 mm,壁厚10 mm的鋼管樁;選用DZ60振動錘按照常規(guī)沉樁工藝進(jìn)行施工;貫入度按2 cm/ min進(jìn)行控制,測定沉樁入土深度,如不滿足≥2.5 m的設(shè)計要求,則按照引孔植樁工藝進(jìn)行施工。

引孔植樁工藝主要施工步驟及操作要點如下:

(1)臨時鋼管樁安設(shè)

臨時樁采用與設(shè)計樁同規(guī)格的直徑630 mm,壁厚10 mm的鋼管樁,布設(shè)位置位于設(shè)計鋼管樁位向施工外側(cè)方向2～3 m處,每排布設(shè)根數(shù)與設(shè)計樁相同。

施工時采用同型號履帶吊及振動錘進(jìn)行臨時樁打設(shè),臨時樁樁底需沉至持力層,以貫入度進(jìn)行控制,貫入度控制值2 cm/ min,達(dá)到貫入度控制值后持續(xù)錘擊50擊。

完成臨時鋼管樁打設(shè)后,進(jìn)行樁間連接系焊接,臨時樁樁間連接系設(shè)置與設(shè)計樁間連接系一致,連接系可在后場分片加工并倒運至現(xiàn)場進(jìn)行焊接安裝。臨時樁安置示意見圖3。

圖3 臨時樁安置示意

(2)臨時作業(yè)平臺搭設(shè)

完成臨時樁安設(shè)后,對樁頂高程進(jìn)行復(fù)測,確保樁頂高程鋪設(shè)完橋面板后橋面標(biāo)高比設(shè)計標(biāo)高高5 cm,以方便后續(xù)體系轉(zhuǎn)換施工。以樁頂標(biāo)高為基準(zhǔn),減去分配梁、貝雷梁高度后,確定臨時主橫梁開孔位置。臨時承重橫梁采用雙拼36 a工字鋼,沿開孔位置穿入后,在底部焊接三角加勁鋼板將工字鋼與鋼管連接,加勁鋼板采用高25 cm,寬20 cm,厚1 cm的鋼板。

貝雷梁在架設(shè)前先根據(jù)圖紙?zhí)崆霸诩庸龅仄唇映砷L15 m單層架體,現(xiàn)場吊裝至臨時承重橫梁上,根據(jù)設(shè)計圖紙要求安裝梁間支撐架、組間剪刀撐,并用抱箍、限位器將貝雷梁與臨時承重橫梁進(jìn)行固定。

安裝貝雷梁、梁間支撐架、組間剪刀撐時,應(yīng)注意在設(shè)計樁位范圍做預(yù)留斷開處理。設(shè)計樁位區(qū)域影響到的分配梁、橋面板,應(yīng)待設(shè)計鋼管樁施工完成后再行安設(shè)。

(3)沖擊鉆沖孔

在搭設(shè)好的施工平臺上,完成設(shè)計鋼管樁樁位定位復(fù)核。利用履帶吊及振動錘下放直徑800 mm鋼護(hù)筒,錘擊穿過覆蓋層即可,隨后利用型鋼將護(hù)筒與橋面固定。

完成沖擊鉆吊裝就位,本次施工選用CKJ100沖擊錘,設(shè)備參數(shù)如表1,施工示意見圖4。

表1 CKJ100沖擊錘設(shè)備參數(shù)

圖4 沖擊鉆沖孔施工示意

設(shè)備就位后,再次進(jìn)行樁位復(fù)核,隨后按照沖擊鉆成孔工藝進(jìn)行沖孔施工,沖孔孔深6 m。河床沖孔基本為全嵌巖狀態(tài),不做泥漿護(hù)壁要求,但孔內(nèi)仍需按照相對密度1.20進(jìn)行泥漿配置,不做循環(huán)要求,僅確保鉆渣懸浮,另配置撈渣桶出渣。

(4)設(shè)計鋼管樁及主橫梁安裝

利用履帶吊先行移除鋼護(hù)筒,于已成孔的設(shè)計樁位下放直徑630 mm鋼管樁至孔底,選用級配碎石對沖孔進(jìn)行回填,回填量按照成孔體積的1.2倍進(jìn)行回填,使回填面略高于原河床底面。

回填完成后,利用履帶吊及振動錘將鋼管樁向上拔起至距孔口高程向下1m左右高度停止,隨后進(jìn)行振動下沉至孔底,通過激振傳導(dǎo),以加強(qiáng)回填料密實程度。

在鋼管樁外側(cè)依次進(jìn)行礫石料、大粒徑塊石料二次拋填,通過頂部大塊石壓覆作用,降低孔內(nèi)回填料伴隨水流沖刷散失速度。

施工設(shè)計鋼管樁時跟進(jìn)完善樁間連接系,待單排樁全部施工完成后,按照設(shè)計要求從側(cè)面完成主橫梁的吊裝,并完善加勁鋼板焊接。

(5)受力體系轉(zhuǎn)換

完成主橫梁安裝后,先行恢復(fù)之前斷開預(yù)留的設(shè)計鋼管樁范圍內(nèi)的貝雷梁,并仔細(xì)檢查,確保連接穩(wěn)固。

隨后移除臨時鋼管樁上部橋面板,拆除臨時鋼管樁間連接系及貫穿鋼管樁之間的臨時主橫梁,拆除過程中,輔以履帶吊進(jìn)行吊放,使貝雷梁逐組平穩(wěn)下落至設(shè)計鋼管樁主橫梁上,由臨時鋼管樁體系承重轉(zhuǎn)至設(shè)計鋼管樁承重,完成整個受力體系轉(zhuǎn)換。

臨時樁承重體系抗傾覆能力及側(cè)向抗沖擊能力較弱,故在完成受力體系轉(zhuǎn)換之前,履帶吊應(yīng)在相鄰已完橋跨上部運行,臨時作業(yè)平臺上部不得停放除沖擊鉆以外其他重型設(shè)備,也不得進(jìn)行臨時材料堆放,防止振動滑落。

(6)上部結(jié)構(gòu)恢復(fù)

受力體系轉(zhuǎn)換完成后,自下而上依次恢復(fù)設(shè)計鋼管樁影響范圍內(nèi)的貝雷梁、分配梁、橋面板,并完善限位器及定位卡扣。最后進(jìn)行橋面護(hù)欄安裝,即完成整跨全部施工。

隨后轉(zhuǎn)入下一循環(huán),直至完成整個鋼棧橋搭設(shè)。

(7)橋梁驗收

在完成整個鋼棧橋搭設(shè)后,應(yīng)按照設(shè)計圖紙及規(guī)范要求,聯(lián)合參建各方進(jìn)行橋梁驗收,驗收流程應(yīng)包含但不限于表觀量測、荷載試驗等。

4 施工成效分析

浙江緊水灘抽水蓄能電站三望潭鋼棧橋完建后隨即開展了荷載試驗檢測,支點沉降值、跨中撓度變形量均滿足規(guī)范要求,目前已歷經(jīng)一個汛期的運行考驗,運行平穩(wěn),結(jié)構(gòu)可靠。

鋼棧橋共完成36個孔位引孔加固作業(yè),歷經(jīng)32 d完成整座鋼棧橋建設(shè),通過該工藝的選用及優(yōu)化,施工進(jìn)度較原計劃加快20 %。

該施工方法中,通過加深引孔代替最初孔內(nèi)灌注混凝土的方式,以便于后續(xù)拆除時能夠正常拔除鋼管樁,而無須進(jìn)行水下切除作業(yè)。同時利用永久橋梁結(jié)構(gòu),通過一次受力體系轉(zhuǎn)換工序,永臨結(jié)合,節(jié)約了臨時作業(yè)平臺設(shè)計搭設(shè)費用。與我單位以往承建類似工程相比較,施工開支節(jié)約15 %。

5 結(jié)語

以浙江緊水灘抽水蓄能電站進(jìn)場公路項目三望潭鋼棧橋施工為研究對象,針對工程河床覆蓋層淺薄、基巖偏硬等特點,利用臨時鋼管樁基礎(chǔ)搭建鋼棧橋上部結(jié)構(gòu),形成臨時作業(yè)臺以便進(jìn)行沖擊鉆孔植樁,克服上部施工設(shè)置偏心受力、河道高速水流沖擊等不利工況,以相對較低成本和較高效率完成了設(shè)計鋼管樁施工,橋梁結(jié)構(gòu)側(cè)向抗滑移及抗傾覆能力滿足要求。施工技術(shù)方法取得良好效果,可供相似條件工程參考。