丁玉春，高 波

(江蘇省交通工程集團有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

1 工程概況

垣澠高速南村黃河特大橋位于小浪底庫區(qū)，距小浪底壩址60.75 km(距三門峽壩址69.35 km)，主橋上部為(60+13×100+60) m預應力混凝土剛構-連續(xù)箱梁，下部采用樁柱一體式結構，主橋橋型布置如圖1所示。半幅橋每主墩4根直徑2.5 m樁基礎，橫橋向樁間距為6.25 m，順橋向間距為5.0 m。墩柱直徑為3.0 m，每墩柱與各樁基中心對應，墩身設置多道系梁。主橋P4～P15每墩設置8個內(nèi)徑3.0 m，壁厚25 mm，長度一般在66 m以上(重量120 t以上)的Q345C永久鋼護筒，主橋下部結構如圖2所示。

1.1 地形地貌

橋址位于南村鄉(xiāng)北約1 000 m處，處于澗河與黃河交匯處的西部河谷區(qū)，澗河河谷與黃河河谷呈寬“U”型，地面高程207 m～305 m，河谷寬950 m左右。橋址區(qū)具有典型的河流地貌，進一步細分為河床、低漫灘、高漫灘、階地、丘陵5種微地貌單元。

1.2 水文與地質條件

橋址區(qū)橫穿黃河，地表水為常年性流水，旱季流量小，汛期流量增大；枯水期水位標高在235 m左右。據(jù)收集水文資料及現(xiàn)場調查，豐水期最高蓄水位達275 m。

(a) 主橋立面

(b) 主橋平面

(a) 橫橋向 (b) 縱橋向

橋址區(qū)地貌單元屬河谷階地，場地穩(wěn)定性較好，地基穩(wěn)定性較差。主河槽土層自上而下依次為：粉土、卵石、細砂、粉質黏土。其中飽和粉土、細砂具有液化性，地基液化等級為輕微-嚴重；卵石分布于河床、河漫灘及Ⅰ級階地，揭露厚度為1.1 m～10.2 m，一般粒徑30 mm～50 mm，最大粒徑150 mm，其中粒徑大于20 mm顆粒約占總質量70%，充填細砂，飽和，稍密。

1.3 施工特點

1) 黃河小浪底庫區(qū)為季節(jié)性流水，水位起伏較大(常年水位變化高達40 m)，季節(jié)性明顯。鋼護筒入土穿過粉土、卵石、細砂、粉質黏土，最深達35 m，其中局部地區(qū)卵石層厚度超過10 m。

2) 鋼護筒直徑大，內(nèi)徑為3 m；自重超重，最重為130 t；長度超長，護筒最長70 m；起吊、運輸、沉放等環(huán)節(jié)存在較多困難。

3) 沉放精度要求高。永久鋼護筒不但是成樁施工的維護結構，而且還參與受力，這就要求鋼護筒具有較高精度。本工程鋼護筒允許偏差：中心偏位小于5 cm、傾斜度不大于1/220；較JTG/T 50—2011《公路橋涵施工技術規(guī)范》[1]規(guī)定的“平面偏差小于5 cm、傾斜度不大于1/100”精度更嚴。

4) 小浪底庫區(qū)施工防洪和水資源保護要求高，且?guī)靺^(qū)與外面水域不通航，施工組織難度大。

2 施工方案比選

鋼護筒沉放施工是水上鉆孔灌注樁施工的一道關鍵工序[2]，目前超長大直徑鋼護筒的沉放施工，通常有3種方案，即“施工平臺+履帶吊+振動錘”分節(jié)沉放法、“浮吊+振動錘”吊放下沉法、“打樁船+振動錘”直接施沉法[3]，方案比選見表1。

表1 施工方案比選

本工程平臺至漫灘河床高差約35 m，根據(jù)地勘資料，河床表層為15 m的淤泥層，首節(jié)鋼護筒穩(wěn)定還需入土5 m，這樣首節(jié)鋼護筒長度約55 m，其重量將達100 t以上，需要300 t履帶吊才能滿足，不考慮吊重，履帶吊本身自重就很大，對棧橋、平臺的承載力要求太高，且該項目棧橋較長、平臺數(shù)量較多，按方案1實施不經(jīng)濟。施工水域為小浪底庫區(qū)與外界不通航，大型浮吊或打樁船無法進場，再加上枯水季節(jié)部分段落的河床露出水面，施工受到限制，不能連續(xù)施工，方案2和方案3不可行。

鑒于現(xiàn)有大型鋼護筒的施工方法，無法適用于黃河小浪底庫區(qū)特定水域，因此需要創(chuàng)新一種適用于季節(jié)性水位變化大、與外界不通航庫區(qū)的大型鋼護筒施工方法。

3 新方案施工工藝

3.1 施工準備

1) 鉆孔平臺搭建。按照樁基施工需搭建鉆孔平臺，平面布置如圖3所示。南村黃河特大橋鉆孔平臺緊靠棧橋設置，平臺平面尺寸36 m×30 m，頂面標高277.4 m，在河床以上35 m～45 m。平臺采用Φ1 000 mm×14 mm鋼管樁直接打入河床，鋼管樁之間采用Φ500×8 mm鋼管焊接設置雙層橫向聯(lián)系，鋼管樁頂采用HM58.8 cm×30 cm型鋼作為貝雷梁的承重梁；貝雷梁上放置75 cm間距的I25 cm工字鋼作橫向分配梁，其上鋪設定型橋面板。平臺預留孔尺寸應方便施工，并保證平臺能可靠地承受施工荷載，一般比鋼護筒外徑大40 cm～50 cm。

2) 龍門吊配置。龍門吊起吊重量應考慮鋼護筒在河床著床穩(wěn)定前能吊起接長后的鋼護筒，龍門吊起吊高度應盡量減少鋼護筒現(xiàn)場豎向對接的次數(shù)，所對應的分節(jié)鋼護筒長度能夠正常起吊，南村黃河特大橋現(xiàn)場龍門吊主要技術參數(shù)見表2。

單位：cm

3) 履帶吊配置。履帶吊性能考慮能提起振動錘和控制鋼護筒振動下沉，以及協(xié)助龍門吊起吊分節(jié)鋼護筒，南村黃河特大橋現(xiàn)場履帶吊主要技術參數(shù)見表3。

3.2 鋼護筒加工

根據(jù)擬定的龍門吊高度優(yōu)化鋼護筒分節(jié)長度，分節(jié)長度宜12 m～15 m，具體以加工、運輸、吊裝方便，同時兼顧盡量減少鋼板材料的浪費和現(xiàn)場接頭數(shù)量為原則，南村黃河特大橋現(xiàn)場鋼護筒分節(jié)長度13 m/節(jié)。首節(jié)鋼護筒底口外側加焊一圈高約50 cm的鋼板箍，增強鋼護筒底口剛度使進入卵石層時不發(fā)生卷口、變形，鋼護筒底口及加焊鋼板箍均開坡口，便于切割土體下沉。

表2 龍門吊主要技術參數(shù)

表3 履帶吊主要技術參數(shù)

為防止鋼護筒在加工、運輸和吊裝過程中變形，每節(jié)鋼護筒的兩端及吊點處設置“米”字形支撐[9]。鋼護筒端部按對接需要加工坡口以便焊接接長，鋼護筒轉運前焊接相應配屬附件如吊耳等，鋼護筒上的吊耳設置如圖4所示。

圖4 分節(jié)鋼護筒吊耳設置

3.3 導向架設置

根據(jù)鉆孔平臺的結構特點及施工便利性[10]，導向架采用“井”字形型鋼框，內(nèi)側長寬尺寸略大于護筒外徑8 cm～10 cm為宜[11]，如圖5所示。

上層導向架的型鋼框直接支撐在平臺頂面的定型橋面板上，承受接長鋼護筒的豎向荷載并傳遞給平臺，下層導向架型鋼框固定在平臺鋼管樁的平聯(lián)管上。為更好地控制永久鋼護筒平面位置和傾斜度，在現(xiàn)場條件許可情況下，2層導向架之間的間距宜盡量大一些[12]。每層導向架上設4個外層橡膠墊導向輪(內(nèi)層為鋼輪，外層為聚氨酯包膠)，如圖6所示。每個導向輪對應1個千斤頂，沉放精度通過雙層導向架上的千斤頂控制導向輪來實現(xiàn)[11]。

圖5 導向架平面示意

Fig.5 Plane of guide frame

圖6 外層橡膠墊的導向輪裝置

3.4 測量定位

上層導向架用全站儀進行測量控制，使導向架中心準確定位于樁位設計中心，下層“井”字形結構安裝由上層導向架垂球法吊線定位[10]，且確保上、下“井”字形框架水平方向穩(wěn)固，上、下方向豎直[13]，如圖7所示。測量定位后將上層導向架與平臺橋面板、下層導向架與鋼管樁的平聯(lián)管焊接固定。

圖7 上、下層導向架設置

3.5 首節(jié)鋼護筒吊放

平板車將永久鋼護筒運到平臺的龍門吊下，為保證鋼護筒不變形，起吊時采用三點吊[14]，即龍門吊吊鋼護筒頂2個吊耳+履帶吊吊鋼護筒底一個吊耳，如圖8所示。

圖8 分節(jié)鋼護筒三點吊

鋼護筒吊起后，平板車返回至加工點轉運下一節(jié)，龍門吊繼續(xù)提升，同時履帶吊鉤下落，實現(xiàn)鋼護筒由水平變豎直，拆除鋼護筒底部的吊點和底口“米”字形支撐。龍門吊吊起鋼護筒豎向穿過上層導向架，下放至首節(jié)鋼護筒頂部吊耳支撐在上層導向架的型鋼框上，如圖9所示。吊耳避開導向裝置支撐在上層導向架型鋼框上，如吊耳位置有偏差，可采用鋼板支墊吊耳或另在鋼護筒上焊反向牛腿支撐在型鋼框上，使鋼護筒豎直吊掛在導向架的型鋼框中。

圖9 首節(jié)鋼護筒吊掛支撐在上層導向架上

3.6 鋼護筒豎向吊掛接長

1) 起吊第2節(jié)鋼護筒。采用與首節(jié)鋼護筒相同的方法，在履帶吊的配合下龍門吊將下一節(jié)鋼護筒豎直吊起后，與之前吊掛支撐在上層導向架型鋼框上的鋼護筒豎向對接，如圖10所示。

圖10 第2節(jié)鋼護筒豎向對接

2) 鋼護筒對接。對接前在原鋼護筒頂口設置碼板，上節(jié)鋼護筒傾斜度通過千斤頂調整，接長時，用全站儀監(jiān)控對接的傾斜度，滿足要求后先點焊固定，定型后再正式焊接；采用二氧化碳氣體保護焊，接長焊縫采用單邊V形坡口，上節(jié)的坡口角度采用 45°～55°，下節(jié)不開坡口，焊縫等級為一級，在內(nèi)壁設內(nèi)襯墊[15]，如圖11所示。對接后的鋼護筒按規(guī)范進行接縫處的防腐處理。

圖11 鋼護筒對接示意

3) 龍門吊吊起接長后的鋼護筒(重量大時采用頂部4點吊)，割除之前用于吊掛支撐在上層導向架型鋼框上的吊耳，并將接長后的鋼護筒徐徐下放，如圖12所示。龍門吊緩慢松鉤下放，至接長后的鋼護筒也利用其頂部吊耳吊掛支撐在上層導向架的型鋼框上。施工中對吊耳和上層導向架型鋼框按最不利工況進行驗算，確保施工安全。接長后鋼護筒下端處在2層導向架之間時，如遇大風在鋼護筒的下端設置臨時纜風增強鋼護筒的穩(wěn)定性。

4) 這樣一節(jié)節(jié)接長鋼護筒直至最底節(jié)(首節(jié))鋼護筒到達河床面，選擇流速較小、水面較為平靜時龍門吊徐徐下放鋼護筒至河床面，進入泥面前調節(jié)上下層導向架上的千斤頂，控制鋼護筒的平面位置及傾斜度。為防鋼護筒剛入土時，因河床存在沖刷土質分布不均勻，導致鋼護筒產(chǎn)生不均勻下沉，應待鋼護筒自重被土層摩阻克服不再下沉后再解鉤[16]。

3.7 鋼護筒振動下沉

龍門吊移位給下沉設備避讓位置，如圖13所示。

履帶吊提起振動錘，操作振動錘夾鉗夾緊鋼護筒頂部，如圖14所示。放松履帶吊與振動錘連接鋼絲繩。開啟振動錘，先點振下沉，確保鋼護筒穩(wěn)定入土，然后再連續(xù)施振下沉，逐漸增加振動頻率，鋼護筒下沉過程中注意觀測導向結構是否有變形，用2臺全站儀或經(jīng)緯儀成90°方向實時監(jiān)測鋼護筒下沉過程中的傾斜度。

圖12 龍門吊吊起接長后鋼護筒下放

圖13 龍門吊移位給下沉設備避讓位置

3.8 鋼護筒入土穩(wěn)定后接長

鋼護筒入土深度不夠時，在沉設至下一節(jié)鋼護筒接長操作便利的位置，停止振動沉設，吊起下一節(jié)鋼護筒，與已沉設穩(wěn)定的鋼護筒豎向對接并進行接縫處防腐處理后，再繼續(xù)沉設施工。

3.9 鋼護筒驗收、固定

鋼護筒沉設到位后，對平面位置和傾斜度進行驗收，若水深較大或鋼護筒頂至河床距離較大時，鋼護筒驗收合格后在頂部適當?shù)奈恢煤附訖M向聯(lián)系鋼管，增強其整體穩(wěn)定性，橫向聯(lián)系鋼管在樁基施工完成永久鋼護筒剛度增大后拆除。

圖14 鋼護筒振動沉設

4 結束語

南村黃河特大橋全橋96根永久鋼護筒自2017年5月開始沉放，同年10月全部結束，平均每墩 15 d/8 根，完工后檢測偏位均小于5 cm，傾斜度均小于1/220。該工程實施效果表明，針對庫區(qū)水位變化大、與外界不通航的特點，采用履帶吊配合龍門吊在鉆孔平臺上將鋼護筒分節(jié)吊掛接長、分次沉放的工藝能夠滿足施工精度和進度要求，是一種行之有效的施工方法，為庫區(qū)水域環(huán)境鋼護筒施工積累了寶貴經(jīng)驗，可供同類橋梁施工參考。

南村黃河特大橋根據(jù)現(xiàn)場條件、工期等實際情況，采用履帶吊配合龍門吊沉放永久鋼護筒的方法是合理的。應用項目若永久鋼護筒沉放數(shù)量少或工期不緊，可在平臺上采用2臺吊車抬吊或設置豎向千斤頂代替龍門吊承擔鋼護筒重量及下放功能，可節(jié)約設備的使用成本。