丁玉春， 郝白龍

(江蘇省交通工程集團有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

在江河或近海水域進行橋梁施工時，修建便道或水上運輸會有很多困難。為了減少水域?qū)κ┕さ挠绊?，搭設(shè)鋼棧橋為后續(xù)施工人員、材料及設(shè)備提供運輸通道，并結(jié)合橋梁下部結(jié)構(gòu)的施工平臺，將水上施工變成陸上施工，這不僅能減小水域環(huán)境對施工的影響，還可縮短和保證工期。

鋼棧橋雖是橋梁主體工程施工的輔助設(shè)施，但在特大橋施工費用中所占比例并不小，其合理的選擇和應(yīng)用往往能給橋梁項目帶來幾十萬甚至上千萬的成本節(jié)約[1]，而高鋼棧橋由于其服務(wù)功能、荷載及環(huán)境條件不同，沒有統(tǒng)一規(guī)范可遵循[2]。為此，本文以南村黃河特大橋高鋼棧橋施工為依托，詳細介紹了在水位變化大、水上大型設(shè)備缺乏的條件下，搭設(shè)高鋼棧橋采取的施工技術(shù)與措施，為今后類似橋梁施工提供參考[3]。

1 工程概況

垣澠高速南村黃河特大橋位于小浪底庫區(qū)三門峽大壩和小浪底大壩之間，在河南省澠池縣南村鄉(xiāng)附近跨越黃河。橋梁起點位于A=465 m的緩和曲線上，終點位于R=700 m的圓曲線上。

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)，河谷地面高程207 m～305 m，寬950 m左右。橋址區(qū)為典型的河流地貌，可分為河床、低漫灘、高漫灘、階地、丘陵5種微地貌單元[4]。

橋址區(qū)橫穿黃河，地表水為常年性流水，旱季流量小，汛期流量大；枯水期水位標高約為235 m。據(jù)收集水文資料及現(xiàn)場調(diào)查，豐水期最高蓄水位達275 m[4]。主河槽土層自上而下依次為：粉土、卵石、細砂、粉質(zhì)黏土[4]。

2 高鋼棧橋施工特點、難點及技術(shù)分析

2.1 鋼棧橋施工特點及難點

1) 棧橋高，樁自由長度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。為保證橋梁正常施工，即汛期常水位在貝雷主梁底以下，主河槽位置棧橋橋面至河床總高度達49 m左右，對搭設(shè)棧橋的整體穩(wěn)定性提出了較高要求。

2) 洪水季節(jié)流速快，洪峰時水流急、漲速猛、沖刷嚴重，夾雜沿線各種雜物，即水流、風(fēng)等惡劣環(huán)境給高鋼棧橋帶來的挑戰(zhàn)[5]，對棧橋的剛度和穩(wěn)定性要求高。

3) 大型水上設(shè)備缺乏，限制了棧橋結(jié)構(gòu)的選型。小浪底庫區(qū)棧橋建設(shè)不僅規(guī)模大，更還有庫區(qū)年內(nèi)水位變化高達40 m，且?guī)靺^(qū)與外界不通航，按常規(guī)考慮每排墩采用2根大直徑鋼管樁的方案，因無大型水上設(shè)備而無法實施。

2.2 鋼棧橋施工技術(shù)分析

1) 棧橋樁基礎(chǔ)形式。為增強棧橋的橫向及縱向穩(wěn)定性，樁基礎(chǔ)常用的方法有加大鋼管樁直徑、板凳樁基礎(chǔ)、鋼管混凝土樁等。小浪底庫區(qū)與外界不通航，加大鋼管樁直徑缺乏大型施工設(shè)備；庫區(qū)要求橋梁完工后臨時設(shè)施必須全部清除，鋼管混凝土樁拆除難度大，同時考慮加大鋼管樁直徑和鋼管混凝土樁施工工藝復(fù)雜、施工費用高[1]，且長鋼管樁沉樁先要保證垂直度還要控制中心偏位，施工難度大；綜合板凳樁基礎(chǔ)的鋼管樁之間形成框架，其抵抗水平力的能力會大大加強[6]，此時，單樁的偏位或垂直度對承載能力的影響不是那么顯著，故采取板凳樁基礎(chǔ)。

2) 棧橋平面位置。新建南村黃河特大橋上游16 m處為小浪底庫區(qū)G241黃河大橋，且新建橋位于曲線上，南岸為避免棧橋橋頭引道下穿新建橋橋跨及影響G241公路正常通行，將鋼棧橋設(shè)在新建橋的下游，與新建橋凈距1.5 m。北岸因新建橋下游為陡坡無法修建棧橋橋臺與橋頭引道，將鋼棧橋設(shè)在新建橋的上游，與新建橋凈距1.5 m，橋頭引道和G241公路平交。因G241黃河大橋能滿足運輸車輛的通行，故采取預(yù)留通航孔不建貫通鋼便橋，如圖1所示。

圖1 鋼棧橋平面位置

3) 棧橋標高。主要基于2個因素：一是泄洪安全，二是與兩側(cè)河岸的連接坡度符合行車安全[1]。綜合考慮庫區(qū)的最高水位275 m，永久鋼護筒頂面標高276 m，結(jié)合橋位原地面地形，盡量減少鋼棧橋搭設(shè)高度，進而降低建設(shè)造價和安全風(fēng)險，將貝雷主梁底標高設(shè)在275.5 m(不設(shè)縱坡)，最高水位在貝雷以下。

3 高鋼棧橋設(shè)計

3.1 棧橋結(jié)構(gòu)形式

棧橋橋面凈寬8 m，滿足運輸車雙向通行和SCC1350E履帶吊施工的需要。采取多孔一聯(lián)的貝雷主梁結(jié)構(gòu)，綜合考慮履帶吊起重能力、工作半徑等因素，以15 m為標準跨徑。北岸2聯(lián)(6+5)×15=165 m，南岸11聯(lián)(5+7×2+5+6+7×2+6+7×2+6)×15=1 050 m，全橋13聯(lián)，聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)伸縮縫，縫寬10 cm。通航孔上下游設(shè)防撞墩。

棧橋橋墩基礎(chǔ)采用雙排(每排3根)鋼管樁組合成板凳搭設(shè)[1]，鋼管樁之間縱、橫向均由3.5 m高的“Z”形Φ500 mm×8 mm鋼管橫向聯(lián)系，第1道標高270.4 m、第2道標高250 m～255.5 m(河槽中第2道標高250 m，河灘根據(jù)水位情況在250 m～255.5 m間，盡量靠近鋼管樁底部[7])。河灘鋼管樁采用Φ1 000 mm×10 mm螺旋焊管(河槽中采用Φ1 000 mm×12 mm)，樁頂設(shè)封端鋼板(δ=10 mm)，2排鋼管樁頂上先放置4.5 m雙拼I45a工字鋼小縱梁，再放置9 m雙拼I50a工字鋼下橫梁。橋臺采用混凝土結(jié)構(gòu)。棧橋非伸縮縫處側(cè)面如圖2(a)所示，伸縮縫處的上、下聯(lián)各設(shè)1道雙拼I50a工字鋼下橫梁關(guān)于伸縮縫對稱布置，如圖2(b)所示。

(a) 非伸縮縫處側(cè)面(b) 伸縮縫處側(cè)面(護欄未示出)(c) 棧橋橫斷面單位:cm

主梁選用4組共12榀貝雷，各榀中心距45 cm×3+90 cm×2+135 cm+90 cm×2+45 cm×3，如圖2(c)所示。90型和135型支撐架分別用于2榀和4榀貝雷的組內(nèi)聯(lián)結(jié)，順橋向貝雷組間設(shè)置角鋼聯(lián)結(jié)。9 m長I25a工字鋼橋面橫梁按75 cm間距橫橋向放在貝雷主梁上，I25a橋面橫梁上順橋向放置6 m×2 m定型橋面板。高鋼棧橋采用矩形鋼管護欄。

3.2 荷載標準

南村黃河特大橋施工需要SCC1350E履帶吊和550 kN運輸車，除按一般鋼棧橋考慮結(jié)構(gòu)自重、汽車荷載、履帶吊等豎向荷載外，高鋼棧橋驗算時須考慮風(fēng)力、流水壓力、制動力等水平荷載的作用，對可能存在沖刷時還應(yīng)考慮局部沖刷深度的影響。

3.3 棧橋狀態(tài)

棧橋作為施工的運輸通道，荷載組合包括3種狀態(tài)、5種工況[8]，如表1所示。

表1 不同工況下的棧橋荷載狀態(tài)

在工作狀態(tài)下，棧橋滿足車輛正常通行的安全性和適用性，并具有足夠的安全儲備。在非工作狀態(tài)下，停止車輛荷載通行，棧橋滿足整體安全性的要求[2]。在施工狀態(tài)下，棧橋自身施工過程安全，即滿足單跨棧橋履帶吊通行和履帶吊在前端沉樁時可能出現(xiàn)的最不利荷載組合，但當(dāng)風(fēng)力超過6級時，應(yīng)停止棧橋施工[8]。

3.4 計算原則

采用空間有限元法建立結(jié)構(gòu)計算模型，對鋼棧橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及應(yīng)力進行計算分析[8]。樁的計算長度取至泥面(沖刷線)以下h≥4T[9](樁的相對剛度特征值)處，在此之下由于土對樁的作用較小，樁底采用固結(jié)。樁基的垂直承載力按敞口鋼管樁的計算公式進行計算，水平承載力的計算采用m法[8]。

3.5 鋼管樁穩(wěn)定性計算

按《港口工程樁基規(guī)范》(JTS 167-4—2012)[9]附錄E，確定單根鋼管樁最大自由長度。根據(jù)Midas Civil軟件計算的單根鋼管樁軸力、順橋向和橫橋向彎矩，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)[10]彎矩作用在2個主平面內(nèi)的雙軸對稱閉口截面的壓彎構(gòu)件驗算鋼管樁穩(wěn)定性。

表2 鋼管樁壓彎穩(wěn)定性計算

由表2可知，順橋向與橫橋向2個方向計算結(jié)果均小于Q235鋼(厚度≤16 mm)的強度設(shè)計值215 MPa，單根鋼管樁壓彎穩(wěn)定性滿足要求。針對表2中河灘與河槽工況Ⅴ順橋向彎矩較大，使穩(wěn)定性驗算順橋向計算結(jié)果數(shù)值相對較大，施工中采取在每聯(lián)棧橋搭設(shè)前幾跨或拆除剩下幾跨時，將貝雷主梁與上一聯(lián)棧橋貝雷主梁臨時連接，增強順橋向穩(wěn)定性，提高棧橋安全系數(shù)。

4 高鋼棧橋施工

鋼管樁采用履帶吊配合振動錘沉樁，樁間橫向聯(lián)系、貝雷主梁、橋面板、護欄在岸邊場地上拼裝成標準化模塊，由運輸車運到棧橋已搭設(shè)完成的前端，采用吊車逐跨向前安裝[3]。

4.1 混凝土橋臺

混凝土橋臺施工時背墻頂約20 cm先預(yù)埋鋼筋、混凝土?xí)翰粷仓?，待棧橋橋面板安裝后，橋頭引道施工時再澆筑背墻頂混凝土與橋面板頂面相平，保證行車順暢，混凝土背墻頂靠伸縮縫邊緣設(shè)角鋼護角。

4.2 鋼管樁加工與運輸

水中鋼管樁長度約60 m～70 m，為減少沉樁現(xiàn)場接樁次數(shù)，鋼管樁一般按2節(jié)加工，第1節(jié)長度應(yīng)大于鋼管樁在河床著床穩(wěn)定時，樁底至定位導(dǎo)向框的距離，第2節(jié)按設(shè)計樁長減去第1節(jié)長度加工。鋼管樁接長應(yīng)對稱焊接，避免因焊縫收縮而產(chǎn)生附加內(nèi)應(yīng)力，螺旋焊縫在對接焊縫的兩側(cè)應(yīng)錯開1/8周長以上，每個接頭外側(cè)幫焊6塊250 mm×200 mm×10 mm鋼板加強連接。

鋼管樁采取2點起吊，吊耳(δ=10 mm鋼板制作)距樁端約1/5樁長[11]。在平板車上設(shè)置高、低托架，使鋼管樁向前能超過駕駛室，向后能超出平板車車尾，并使長鋼管樁的重心在平板車適宜承載范圍內(nèi)，平板車設(shè)置托架運輸長鋼管樁如圖3所示。

圖3 平板車運輸長鋼管樁示意

4.3 鋼管樁沉樁

前期水面段鋼棧橋以“釣魚法”自黃河兩岸向河道中心沉樁，逐跨向前推進。

1) 貝雷懸臂接長

一跨鋼棧橋施工完成后，履帶吊上施工好的鋼棧橋，將兩側(cè)不影響沉樁的貝雷桁架向前懸拼，臨時接長至下一個墩位置，在其上放置定位導(dǎo)向框，如圖4所示。

圖4 鋼管樁釣魚法沉樁

2) 導(dǎo)向框調(diào)整

全站儀放出鋼管樁設(shè)計樁位，人工調(diào)整好定位導(dǎo)向框位置并用“U”形螺栓與貝雷上弦桿固定。

3) 振動沉樁

履帶吊將鋼管樁豎向吊起穿過導(dǎo)向框的孔位下放，著床過程中從2個相互垂直方向校正鋼管樁的垂直度。著床穩(wěn)定后履帶吊提起帶雙夾具液壓鉗的DZJ-150型振動錘振動沉樁[12]，沉樁以樁底標高及貫入度2項指標進行“雙控”，精度應(yīng)符合：平面偏差≤50 mm，傾斜度偏差≤1%[13]。

4) 鋼管樁豎向接長

在第1節(jié)鋼管樁著床穩(wěn)定后的樁頂，臨時焊4塊楔形鋼板形成喇叭口，如圖5所示。豎向吊起第2節(jié)鋼管樁在喇叭口的引導(dǎo)下與第1節(jié)鋼管樁豎向?qū)?，?個垂直方向進行檢查[14]，符合要求后施工人員站在導(dǎo)向框上完成接長焊接，拆除臨時楔形鋼板，待焊縫自然冷卻后繼續(xù)沉樁。

圖5 鋼管樁豎向?qū)邮疽?/p>

4.4 樁間聯(lián)系及樁頂施工

一個墩的鋼管樁沉樁完成后，移走導(dǎo)向框、拆除臨時接長的貝雷桁架。測量樁頂標高，割除高出的多余部分，焊接樁頂105 cm×105 cm封端鋼板。為避免吊裝干擾，樁間橫向聯(lián)系按先下層、后上層的順序施工。橫向聯(lián)系Φ500 mm×8 mm鋼管在后場加工成“Z”形半成品，運到棧橋墩位現(xiàn)場安裝，如圖6所示?？紤]鋼管樁沉樁與設(shè)計位置有偏差，現(xiàn)場“Z”形橫向聯(lián)系的水平鋼管與鋼管樁之間采用鋼管“哈夫”焊接連接。

圖6 樁間Z形橫向連接

依次吊樁頂2I45a工字鋼小縱梁及2I50a工字鋼下橫梁安裝就位，小縱梁與下橫梁、封端鋼板之間采用焊接連接，小縱梁與封端鋼板之間設(shè)連接鋼板、小縱梁端部底面與樁頂之間設(shè)加勁板。

1) 貝雷主梁

貝雷在場地上拼裝成2榀和4榀15 m長的貝雷組，由運輸車運到棧橋搭設(shè)工作面，吊機將貝雷組吊起，一端與已搭設(shè)的貝雷主梁通過貝雷銷聯(lián)結(jié)，另一端擱置在下一墩位的下橫梁上。貝雷組之間在跨中、墩支點位置由交叉L80 mm×80 mm角鋼通過螺栓聯(lián)結(jié)，使貝雷主梁橫橋向連成一體。

棧橋每聯(lián)的中間墩為制動墩，其下橫梁上設(shè)置貝雷主梁豎向、橫向及縱向位移的限位，橋臺和其余墩下橫梁上設(shè)置貝雷主梁豎向、橫向位移的限位[7]。

2) 橋面結(jié)構(gòu)

貝雷主梁安裝后，吊車吊起I25a工字鋼橋面橫梁順橋向鋪設(shè)，采用“U”形卡(廢鋼管樁制作)箍住貝雷上弦桿反向焊在I25a橋面橫梁的底面進行固定，每根橋面橫梁設(shè)6個“U”形卡?！癠”形卡固定橋面橫梁時，頂面不會有騎馬螺栓的螺桿，如圖7所示，方便定型橋面板的鋪設(shè)。

(a) U形卡與騎馬螺栓比較

6 m×2 m橋面板由598 cm長間距30 cm的I14a工字鋼、兩端200 cm長14 cm高鋼板(δ=10 mm)與頂面10 mm厚花紋鋼板焊接組拼而成，順橋向橋面板的接頭處正好支撐在同一根橋面橫梁上，橋面板邊緣底部與橋面橫梁間隔焊接，橋面板與橋面板頂面花紋鋼板之間直接(或利用10 mm厚鋼板)間隔焊連接成整體。

3) 附屬結(jié)構(gòu)

棧橋聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)10 cm伸縮縫，伸縮縫處貝雷主梁陰陽頭斷開，陽頭仍對在陰頭[15]。曲線棧橋由伸縮縫墩設(shè)置，根據(jù)曲線需要調(diào)整伸縮縫左右兩側(cè)的縫寬差，單聯(lián)內(nèi)貝雷主梁為直線[12]，縫寬較大時應(yīng)覆蓋鋼板，重載來車方向的一端與橋面板焊接，另一端搭在下一聯(lián)橋面板上自由滑動。

棧橋兩側(cè)設(shè)置1.2 m高的矩形鋼管護欄，立桿間距1.5 m，在場地上制作6 m長半成品，由運輸車運到棧橋上安裝焊在I25a橋面橫梁上。護欄底部設(shè)20 cm高踢腳板，欄桿、踢腳板均采用紅白油漆交替涂刷，達到醒目、美觀。防撞墩及棧橋兩側(cè)欄桿上設(shè)置太陽能蓄電式警示燈，確保航運安全。

4.5 “船吊法”施工

為了加快施工進度，突破“釣魚法”逐跨施工的限制，形成多個區(qū)段同時作業(yè)，租用庫區(qū)運輸公司的甲板駁船，實施“船吊法”施工鋼管樁基礎(chǔ)即履帶吊停在甲板駁船上進行沉樁、樁間橫向聯(lián)系等施工，待形成一段作業(yè)面后，小縱梁、下橫梁、貝雷組等仍采用“釣魚法”由起重能力小一些的履帶吊位于施工好的棧橋上逐跨推進施工。

1) 船吊組合

選擇承載能力及性能良好的1 000 t甲板駁船承載SCC900E履帶吊形成打樁駁，甲板駁船?？堪哆厹\灘處，履帶吊利用甲板駁自帶跳板行駛到甲板駁上，停放位置的履帶下設(shè)20 mm厚鋼板與駁船甲板間隔焊，避免因應(yīng)力集中對駁船造成損傷(必要時在駁船倉內(nèi)采用工字鋼或槽鋼加固甲板)，采用工字鋼焊接反“U”形卡將履帶錨固在鋼板上，使履帶吊與駁船連成一體。

在駁船甲板上采用工字鋼焊接反“U”形卡將懸挑貝雷桁架固定在駁船甲板上，防止貝雷桁架翹頭，沉樁導(dǎo)向框設(shè)置在懸挑的貝雷桁架上，如圖8所示。駁船甲板上貝雷桁架的對面，適當(dāng)平衡壓重，避免懸挑貝雷桁架使駁船產(chǎn)生傾斜。

圖8 鋼管樁船吊法沉樁

2) 船舶定位

打樁駁航行至沉樁位置附近，按照沉樁的順序和水流方向，測量粗步確定位置后拋錨，船頭和船尾各拋2只錨[11]，形成八字錨或交叉八字錨，卷揚機收緊或放松、調(diào)整錨繩定位打樁駁。運樁駁船?？吭诖驑恶g的側(cè)面。

3) 鋼管樁沉樁

根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整好型鋼導(dǎo)向框后，打樁駁上履帶吊豎向吊起鋼管樁對準導(dǎo)向框的孔位下放，后續(xù)采用與“釣魚法”類似的方法施工。河槽中施工時，第1節(jié)鋼管樁長度不夠在河床上穩(wěn)定著床，此時采取在樁頂外側(cè)焊反向牛腿，將第1節(jié)鋼管樁吊掛支撐在型鋼導(dǎo)向框上進行豎向接長后[4]，再沉樁。

4.6 棧橋拆除

拆除作業(yè)按照搭設(shè)施工的逆順序進行，履帶吊在棧橋上采用“釣魚法”從通航孔向兩岸逐跨退著拆除，也可采用“船吊法”與“釣魚法”配合，以加快拆除進度。

5 結(jié)束語

1) 庫區(qū)高鋼棧橋所處河谷位置設(shè)置了雙排樁形成格構(gòu)板凳樁，增強了棧橋的橫向及縱向整體穩(wěn)定性；橋梁下部結(jié)構(gòu)的施工平臺在棧橋?qū)?yīng)聯(lián)的中間位置附近，每聯(lián)棧橋與平臺相連，提高了結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性；在靠近河槽位置加大了樁的壁厚，增強了縱、橫向抵抗力。

2) 該高鋼棧橋跨徑是在搭設(shè)、拆除確?！搬烎~法”全面適用的情況下采用的尺寸，若搭設(shè)、拆除全部采用“船吊法”，宜增大跨徑，減少樁基礎(chǔ)數(shù)量以節(jié)約成本。

3) 南村黃河特大橋高鋼棧橋自2016年12月開始搭設(shè)至2021年4月全部拆除，經(jīng)歷了4個洪水期的考驗，未出現(xiàn)任何問題，為橋梁主體工程順利施工創(chuàng)造了有利條件。