莞深高速東江大橋水中鋼棧橋設計與施工工藝

徐世亮

(東莞市鴻高建設工程有限公司)

1 工程概況

莞深高速公路三期工程石碣段起于東莞市附城區,與莞深高速公路塘廈至附城段相連,經桑園跨莞龍公路、東江南支流,終于東莞市石碣鎮與增城交界處,與擬建的增莞高速公路相連。東江大橋位于東江南支流段。主橋起止里程K 47+563～K 47+997,主橋跨經組合為 113 m+208m+113m雙層剛性懸索加勁三跨連續。其中 S2、S1、N1、N2位于東江南支流河道中,雙層鋼性懸索加勁鋼桁梁臨時拼裝平臺支架以及桁片的拼裝場在水中完成,故需在東江河南北兩側修建臨時棧橋水中作業。考慮橋梁上部結構的結構形成及施工工藝,需在橋梁兩側安裝兩臺長 56.3m,高38m的大型龍門吊。

東江南支流自東向西流過橋址區,河面寬 434 m,受珠江水系影響,潮汐均屬于正規半日期。平均高潮水位 0.4～0.72m,平均低潮水位-0.96～-0.80m,最大潮差 2.39～3.04m,最高風暴潮位達 3.4m。大橋橫跨東江河槽段,長434m。河床面高程 0～-4m,河床槽偏南側,靠北大堤有寬約 80m的邊灘。靠南大堤邊灘較窄,寬約 20m,河床段部分地段基巖裸露,并有局部凸起,形成“暗礁”,基巖巖性有含砂巖和泥質粉砂巖。

2 棧橋設計及驗算

作為施工車輛的行走及龍門吊的軌道,鋼棧橋是一座極為重要的工程,對安全性和穩定性要求較高 ,棧橋施工鋼管樁基礎均位于水中,在水中進行施工測量放線控制、定位,施工難度較大。由于本工程河段地質情況較差,基巖基本裸露,不利于鋼管樁的插打。鋼管樁入巖較淺,棧橋的穩定性差,將對本工程安全造成重大影響。

2.1 設計參數

(1)基礎采用 φ1 000×10mm鋼管樁,樁長 15m左右,河床地質主要為強風化泥質粉砂巖或含礫砂巖。

(2)棧橋橫梁采用 2I25a工字鋼。

(3)縱梁采用國產貝雷梁,面上均用間距 100 cm的I25a工字鋼相連接。

(4)橋面采用滿鋪 25槽鋼。

(5)棧橋荷載。

①恒載

貝雷片自重(單排單層):3/3=1 kN/m

分布梁 I25a每條重:0.485×8.8=4.27 kN/m

橋面板 25重:0.274×16=4.38 kN/m

②活載

60 t運輸平板車

60 t龍門吊起吊 60 t,自重 200 t

施工人員、材料機具堆放:1 kN/m

2.2 棧橋設計

棧橋設計三座,棧橋基礎東江主河道部分為 φ1 000×10mm鋼管樁,南引橋部分棧橋基礎為φ800×10mm鋼管樁。鋼管樁頂設置 3I36a(I25a)工字鋼橫梁。棧橋承重梁采用貝雷桁梁,其上由 I25a工字鋼分配梁(橫橋向)和 25槽鋼(順橋向)組成橋面系。

棧橋分左右兩道(由南向北),左道供車輛和龍門吊和施工人員行走,右道僅作龍門吊軌道用。

2.3 棧橋鋼管樁檢算

(1)承載力檢算

東江主河槽鋼管樁單樁最大荷載:P=600 kN,取安全系數 1.5,則樁頂荷載為:P=1.5×600=900 kN。設計荷載取[P]=1000 kN。南引橋鋼管樁單樁最大荷載:P=500 kN,取安全系數 1.5,則樁頂荷載為:P6=1.5×500=750KN。設計荷載取[P]=800 kN。

由于東江主河槽樁位處下主要是強風化砂巖(局部有少量的淤泥層和細沙層,忽略不計),鋼管樁采用 HD 62型柴油打樁錘插打,以入強風化砂巖或者含礫砂巖＞3.5m,貫入度≯1.5～2mm控制。鋼管樁以支承樁進行設計,鋼管樁單樁豎向極限承載力式中:U為鋼管周長,為 3.14m;A為驗算截面處樁的截面面積,為 0.031 4m2;λS為側阻擠土效應系數,取 λS=0.77;τi為各土層對樁側的極限摩阻力(kPa);強風化砂巖取120 kPa;Li為樁在最大沖刷線以下第 i層土中的長度;λP為樁底端閉塞效應系數,對于敞口鋼管樁,λP=0.8λS;σR為樁底端支承土的承載力(kPa)。強風化砂巖取 350 kPa。

由上式得

由以上計算可得,主河槽鋼管樁打入強風化層 3.5m以上完全能滿足設計要求。

同理可以計算得南引橋棧橋鋼管樁入巖深度 ＞3m即可滿足承載力要求。

(2)鋼管樁穩定性檢算

根據《建筑樁基技術規范》,單樁穩定長度:LP=1.0(I0+h),I0為地面以上樁長,取最大值 11.0m,h為地面以下樁長,最小為 3.5m,所以LP=14.5m。鋼管樁身抗彎剛度 EI=2.1×1011×π×(d4-d14)/64=4.06×108 N? m2,單樁屈曲臨界荷載:Pcr=π2EI/=19 036 kN,由以上計算可看出鋼管樁滿足穩定性要求。

3 棧橋施工工藝與方法

3.1 鋼管樁的插打與加固

鋼管樁采用振動沉樁的方法進行鋼管樁的施工。東江主河道棧橋采用 30 t浮吊及 120 t工作船配合運輸,采用DZ150A型振動錘進行施打;南引橋棧橋采用 25 t汽車吊配合DZ90A型振動錘插打鋼管樁。振動錘的有關技術參數見表。鋼管樁插打按最后的入巖深度控制,通過樁承載力的計算東江主河道棧橋管樁入強風化巖層不小于 3.5m,即可保證單樁的承載力滿足設計要求(100 t);南引橋鋼管樁入強風化巖層不小于 3m,保證單樁的承載力滿足設計要求(80 t)。

打樁順序按先岸邊后水中,先淺后深,先上游后下游的順序施打。每打完一條樁進行平面位置垂直度及高程的復測。對不滿足要求的樁拔出重打。相鄰樁施工完畢,即橫向聯接加固,后續上部承重結構安裝。

為改善管樁頂部和根部的局部受力狀態,提高管樁的入巖能力,對鋼管樁的頂部和底部進行局部加強處理。具體的加固措施是在鋼管樁的頂部和底部加一段 15～20 cm的厚2 cm的加強鋼圈,焊接采用對接的方式。在鋼管樁的底部加強圈上再加 10 cm的刃腳,刃腳采用φ32的精扎螺紋鋼,環向間距 10 cm布置,焊接在底端的加固鋼圈上。

如加固后的鋼管樁入強風化巖的深度仍不滿足設計要求,采取管樁內鉆孔灌注混凝土加固的方法,具體的做法是在每組排樁中選 2根鋼管樁通過鉆孔 3～4m,后靜壓的方式將鋼管樁打入強風化巖,再在鋼管樁內澆灌混凝土,混凝土澆筑高度為露出河床面1m。

3.2 鋼管樁的橫向連接

南岸引橋棧橋設計采用 20作為橫聯,東江主河道的棧橋鋼管樁間的橫聯采用Φ30 cm鋼管。將Φ30 cm鋼管接頭根據斷面具體情況做成圓弧型,與鋼管樁全斷面焊接,保證焊接質量。焊接質量符合部頒的有關焊接質量驗收標準。

3.3 鋼管樁樁頭的處理

按平臺設計標高將樁頭割平,往管樁內填砂,再在端部相當于鋼管 1個直徑 D的深度內澆封頭混凝土,并預埋10mm端頭鋼板。

3.4 下橫梁的安裝

根據設計的要求,東江河主橋段采用三拼I36a,南引橋采用雙拼 I25a,工字鋼連接采用點焊和部分加鋼板焊接而成。雙拼工字鋼與樁帽頂鋼板焊接使之成為整體。

3.5 貝雷梁的安裝

貝雷梁的拼裝在岸邊選一場地進行,拼裝長度根據設計要求為 9m或者 12m為宜,利用運輸船只運到鋼管樁位置,利用浮吊整體吊裝上下橫梁雙拼工字鋼上,貝雷梁的陰陽頭中心對準雙拼工字鋼的中線。雙排貝雷梁連接時利用吊機配合安裝。三排或兩排貝雷梁之間采用槽鋼臨時固定,待分配梁安裝后拆除,以分配梁與騎馬螺栓將三排或兩排貝雷梁連成整體。

3.6 分配梁的安裝

分配梁的采用I25a工字鋼,間距為 1m,在龍門吊軌道處進行加密,加密后間距為 50 cm,工字鋼與貝雷梁用騎馬螺栓連接,分配梁根據設計要求在岸邊加工場下料,利用工作船運輸至指定位置,直接吊裝安裝。

3.7 橋面板及龍門吊參數

橋面板采用 25或 28槽鋼縱橋向滿鋪在分配梁上,槽鋼采用 12m長,橫向并排用點焊焊接,最外邊的槽鋼用焊接鋼筋頭定位,縱向相連槽鋼連接處必須位于同一分配梁工字鋼中心線上。

軌道根據龍門吊的設計要求,將軌道直接鋪設計分配梁上,并采取措施固定。龍門吊設計參數。

(1)跨度 56.3m;

(2)凈高度 38 m(橋面標高 +29.0 m-棧橋標高 +9.0m+懸拼吊機高度 h1+工作高度 h2);

(3)起重量 60 t;

(4)龍門吊自重 160 t;

(5)起升速度 1.15m/min;

(6)行走速度 10m/min。

4 結 論

東江大橋棧橋施工的實踐證明,棧橋設計布局是合理的,結構穩定、牢靠;通過龍門吊機的安裝和試運行,都充分證明了該棧橋是經濟、適用、安全可靠的;整個施工進展順利達到了預期效果,為主橋水中墩臺的施工及上部鋼桁梁的起吊、架設創造了有利條件,既保證了施工機械的作業面又保障了材料的運輸;節省了工期,既保障了水中大方量混凝土承臺的施工質量,也確保了主橋上部施工的質量和安全。

[1] 工程測量規范 GB50026-2001.

[2] 鋼結構工程設計規范 GBJ50017-2002.

[3] 鋼結構工程施工規范 GB50205-2001.

[4] 建筑鋼結構焊接規范 JGJ81-91.

[5] 建筑工程高處作業安全技術規范JGJ80-91.

[6] 施工現場臨時用電安全技術規范JGJ46-88.