山区公路深水桥梁栈桥及平台设计与施工技术

王志云

(中铁十七局集团第六工程有限公司 福建福州 350011)

0 引言

栈桥和钢平台作为水中桥梁施工最重要的临时设施，其设计安全、合理及经济非常重要。栈桥作为水中桥梁施工材料和设备的运输通道，钢平台作为水中桥梁桩基及围堰施工的作业平台，设计好坏直接影响到水中桥梁施工，而水中桥梁往往是一个项目的控制项或难点工程。因此，从某个程度来说，栈桥及钢平台的设计与施工质量是水中桥梁施工的关键点之一。基此，本文探讨福建山区某公路深水桥梁栈桥及平台设计与施工技术，旨为深水桥梁临时设施施工提供他山之石。

1 工程概况

1.1 工程设计概况

G235国道大田德州至溪柏林A2合同段起点，位于大田县梅山乡姜坑村，其中桥梁工程包括姜坑1#～4#大桥、扬场坑大桥、茶地坋大桥共计6座，总长1.437km，均跨越三明大田街面水库。水库常水位+282.5m，水深5m～31m；其中姜坑1#大桥(3#-5#墩)位于街面水库中，常水位时水深22m，姜坑4#桥(2#-5#墩)位于街面水库中，常水位时水深28m。姜坑1号大桥纵断面如图1所示。

图1 姜坑1号大桥纵断面图一

1.2 水文情况

该合同段6座桥梁均跨越街面水库，桥址区最大水深约28m。水库最大库容18.24亿m3，常水位+282.5m，低水位为+276.00m，受降水、蓄水和放闸发电影响，全年水位上下波动明显，高差最大可达9m。

1.3 地形地貌情况

桥址区为丘陵夹冲洪积沟谷地貌，地形起伏较大，桥位桥墩高差大，桥台均位于丘陵斜坡，自然坡度在25°～40°之间，山坡植被发育，自然斜坡基本稳定。

1.4 地质情况

桥址区冲洪积沟谷段上覆第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)淤泥质土、圆砾，其余段地表为第四系坡积层(Qdl)含碎石粉质粘土、碎块状强风化石英砂岩(J1l)，素填土零星分布，覆盖层薄。

2 栈桥及平台设计

2.1 栈桥及钢平台方案设计总体思路

因水深、水位变化高差大，故而考虑选用栈桥而不选择浮桥。栈桥与钢平台考虑统一标高，虽考虑枯水期施工，但保险起见亦需考虑水库蓄水最高水位的影响，因水深时，栈桥高宽比大，故而需重点考虑栈桥稳定性。同时，考虑河床覆盖层薄的特点，栈桥支墩多采用制动墩来保证栈桥稳定性。制动墩设置2排4根钢管桩，当钢管桩长度超过20m时采用大直径钢管桩，以保证钢管桩稳定受力。为加强栈桥钢管横向稳定，所有钢管连接采用大直径Φ273×6mm螺旋钢管连接。钢平台既要考虑桩基钻孔施工，还要考虑到承台施工，故需考虑钻孔平台及作业平台[1]。

2.2 栈桥与钢平台设计

(1)栈桥设计

栈桥总体设计：姜坑1#大桥栈桥设置在线路右侧(上游)，栈桥全长(1+2×12+6×13.5+1)=107m，姜坑4#大桥栈桥设置在线路左侧(下游)，栈桥全长(1+10×13.5+15+1)=152m。2座钢栈桥总长度约259m，桥面标高均定为+286.00m，栈桥桥面宽度为6m，栈桥中心线距离桥梁中心线距离为12.5m。

(2)栈桥结构设计

栈桥结构均采用钢管贝雷栈桥[2]，栈桥设计跨度为12m、13.5m和15m，均采用钢管桩作为基础，钢管桩采用直径φ630×8mm和大直径φ920×12mm2螺旋钢管，桥跨结构采用贝雷梁，桥面采用型钢组合面板。栈桥钢管桩支墩，共设置4种型号钢管桩基础，分别为A、B、C、D墩型，其中，栈桥A墩型为制动墩——采用双排4根φ630×10mm螺旋钢管桩，B墩型采用标准墩——单排2根φ630×10mm螺旋钢管桩，C墩型为制动墩——采用双排4根φ920×12mm螺旋钢管桩，D墩型采用标准墩——单排2根φ920×12mm螺旋钢管桩。钢管上端设置横梁——采用工字钢40a双拼；横梁上设置6片3组贝雷片，分配梁采用I22a工字钢，间距100cm，采用U型扣件固定于纵梁上；面板采用200×600cm的组合钢面板；组合钢面板下部结构，采用9根I14的工字钢，最大间距25cm，上铺8mm厚花纹钢板。

姜坑4号大桥栈桥纵断面如图2所示。

(3)钻孔钢平台设计

姜坑1#、4#大钻孔钢平台，采用钢管贝雷(型钢)平台，其中，姜坑1#大桥平台尺寸为18m×15.2m，姜坑4#大桥平台尺寸为18m×15.7m；平台面与栈桥桥面等高设置，为+286.00m，平台钢管桩采用大直径φ920×12mm螺旋钢管，纵梁采用单组3片贝雷梁，横梁采用单组2片贝雷梁，分配梁采用双拼40a工字钢，面板采用14a槽钢。

图2 姜坑1号大桥纵断面图二

姜坑1#大桥3#墩、4#墩施工钢平台尺寸为18.3m×15.2m，钢管立柱主要采用4根φ920×12mm钢管加2根φ630×10mm钢管辅助,如图3所示。

姜坑4#大桥2#墩、3#墩的施工钢平台尺寸为18m×15.2m，钢管立柱主要采用4根φ920×12mm钢管加2根φ630×10mm钢管辅助，4#墩平台设计尺寸为18m×15.2m,钢管基础采用4根φ920×12mm钢管加4根φ630×10mm钢管组合，如图4所示。

图3 姜坑1号大桥3#墩、4#墩钢平台图

图4 姜坑4号大桥2#墩、3#墩钢平台图

3 栈桥及钢平台受力计算

3.1 计算荷载

(1)恒载

梁部恒载包括：横梁、贝雷梁、分配梁、桥面系、栏杆等结构重量[3]。经主要工程材料数量统计，采用G=2.0t/m。

(2)施工荷载

考虑栈桥为临时结构，栈桥搭设及运行，主要以通行砼罐车、70t履带吊以及平板运输车。综合以上情况仅考虑以下2种荷载作为栈桥主要计算工况荷载。

工况一：10m3砼罐车，如图5～图6所示。

图5 荷载立面图

图6 荷载平面图

工况二：70t履带吊。履带与桥面接触长度为5.15m，接触宽度(单条履带)0.76m。

3.2 验算内容：面板纵梁、分配梁、贝雷纵梁、横梁、钢管立柱

(1)面板纵梁14工字钢：2个工况均分别对最大弯矩应力、最大剪切应力及最大变形验算，结果均满足要求。

(2)I22a工字钢分配梁：2个工况均分别对最大弯矩应力、最大剪切应力及最大变形验算，结果均满足要求。

(3)贝雷纵梁：考虑到当70t履带吊吊重15t且作用于12m跨跨中作业时最不利工况，此时弯矩最大；履带吊横向宽4.6m，由6片贝雷梁承受，按集中荷载计算。

偏载系数为1.4，则单片贝雷梁最不利集中荷载Pmax=19.8t；

贝雷梁跨中最大弯矩Mmax=PL/4=59.4t·m<78.82t·m；

最大剪力Qmax=P=19.8t<24.52t；

跨中最大挠度f总=PL3/48EI+0.05n2=13.6mm<30mm；

均满足要求。

(4)横梁：当70t履带吊车且吊重15t作业在D型钢管基础上方时为最不利工况下，此时上部重量通过6片贝雷片传至横梁上，按6片贝雷梁平均受力。

弯曲应力σ=Mmax/Wx=103.6MPa，满足要求；

最大剪力Qmax=28.677t<39.7MPa，满足要求；

最大挠度fmax=4.095mm<10.25mm,满足要求。

(5)钢管立柱：按照最不利工况70t履带吊正好行驶到单排桩(D型墩)正上方时：

①竖向荷载

总荷载：P总=94t,单根钢管桩竖向荷载：P=47t。

②水平冲击荷载

P=9.4t，单根钢管桩水平冲击力P=4.9t。

③钢管桩稳定性验算

钢管桩回旋半径ix=32.11cm；

计算长度l=32.0m(一端固结、一端可移动但不转动u=1)；

长细比：λ=99.7<140满足要求；

查表(b类截面)稳定折减系数：φ=0.557；

σ=M/W+N/(φA)=126.9MPa<[σ]=160MPa满足要求。

④钢管桩承载力计算

最大轴向荷载：由横梁计算知，2种工况下单根钢管桩(B型墩)竖向最大轴向N=47t，自重G=9.2t，则钢管桩基底最大受力Nmax=56.2t。

钢管桩承载力计算：Q=78.4t>56.2t满足要求。

4 栈桥及钢平台施工要点

4.1 栈桥材料进场验收

栈桥为特殊临时结构，进场后项目总工要组织相关人员验收，验收内容包括出厂质量合格证、栈桥钢管桩尺寸与壁厚、贝雷梁型号及配件是否齐全等，验收合格方可投入使用[4]。

4.2 钢管桩基础施工

(1)施工工艺

受工作面限制,栈桥采用逐跨推进施工，水深超过20m处(姜坑1#大桥第3#-5#及姜坑4#大桥2#～5#管桩基础)φ920×12mm钢管基础采用植桩工艺施工，即采用桩机先行钻孔至设计深度后植入钢管，定位完成后灌入设计混凝土成桩；其余墩位有覆盖层的可采用60kW振动锤，激振力为45t，配合履带吊逐跨进行打入钢管桩。

(2)施工方法

钢管桩采用钓鱼法施工，70t履带吊配合振动锤进行管桩施工，钢管桩基础施工包括钢管桩后场加工运输。栈桥钢管桩采用保证无明显缺陷、变形，焊缝饱满，接头良好、桩顶标高与设计标高一致。钢管接长时，必须先将接头切割整齐，管节对口应保持在同一个轴线上，保证接口对接完好，然后周边满焊，如图7～图8所示。

图7 固定钢管桩示意图

图8 姜坑1号大桥栈桥施工图

(3)施工控制

用全站仪放出桥台桩和水中桩的位置，采用吊装设备配合桩基定位；定位后，吊装设备配合振动锤施打或者安装钢管桩。

①施工中，要保证钢管桩的中心位置和垂直度，垂直度控制在1%，桩平面位置控制在±10cm，桩顶标高控制在±10cm。施打过程中应该一气呵成，中途停顿时间不能太长。

②施工过程，应采取入土深度和贯入度双控保证桩基承载力。当桩尖已达到设计标高，而贯入度仍较大时，应继续锤击，使贯入度接近控制贯入度；贯入度已达标，而桩顶标高未达到设计标高时，继续锤击100mm，如无异常变化时，即可停锤；当桩尖标高比设计标高高得多时，报请设计、监理研究确定[5]。

③一个栈桥墩钢管桩施工完成，在有条件的情况下立即进行该墩钢管桩间平联、桩顶纵横梁施工[6]。

4.3 钢管桩稳定连接

(1)钢管桩打设完成后，截除至设计标高，割出槽体，焊接平面钢板，吊装顶面纵横梁[7]。

(2)为加强钢管桩稳定性，钢管顶面横梁与钢管桩采用焊接连接，同时待水位较低时焊接钢管纵横向连接系，保证钢管的稳定。

4.4 栈桥与平台连接

栈桥施工完成后尽快施工钢平台，其施工方法及施工工艺、要求与施工栈桥基本一致，并将栈桥与钢平台连接、钢平台与钢护筒连接，形成一个稳定体系。

5 结语

山区水库桥梁施工有其独特的特点，与大江大海相比，主要区别在于缺少大型水上设备；同时，应充分考虑山区地形变化大、地质变化大、水位较深等特点。本文即针对其特点，在G235国道大田德州至溪柏林A2合同段跨街面水库姜坑1、2、4号大桥施工设计中，采用钢栈桥及平台临时设施，从结构孔跨布置、材料选择等方面均做出相应设计，以保证其适应性。栈桥及平台的施工采用履带吊“钓鱼法”，以确保钢管桩的稳定是施工关键。该标段栈桥施工完成后使用期间，没有出现过异常情况，施工车辆通行顺利，经得起实践验证。