海中軟弱地層箱梁現澆支架設計與搭設技術研究

劉成和

(中鐵十四局集團有限公司市政工程分公司 山東青島 266071)

1 引言

隨著我國橋梁建設事業的不斷發展，鐵路簡支箱梁的跨度不斷增大，梁體的重量也在不斷增加。目前鐵路架橋機能夠架設的簡支箱梁最大跨度為32 m，40 m簡支箱梁的預制建造技術已取得突破性進展。但在一些特殊地段簡支梁跨度要求更大，采用預制架設法已無法實現，只能采取節段預制拼裝或現場支架現澆的施工方法。在海中淤泥質軟弱地層中進行大噸位簡支箱梁支架現澆[1]，施工難度和安全風險都很高，如何消除支架的不均勻沉降，提高支架的橫向抗風、抗波浪沖擊能力，是施工中需要解決的一大難題。

2 工程背景

青連鐵路跨膠州灣特大橋跨越膠州灣區段，設計采用40孔50 m預應力混凝土節段預制拼裝箱梁通過。其中第175～178孔設計梁長為49.8 m，截面采用單箱單室、等高度簡支箱梁形式。箱梁計算跨度為48.2 m，橋面寬度11.6 m，箱梁底板寬6.4 m，梁高4.3 m，支座中心至梁端0.85 m，橫橋向支座中心距為5.1 m。采用C50混凝土，單孔重量約1 800 t。

由于受節段拼裝法工藝及工效限制，采用原設計的節段預制拼裝法施工，無法滿足施組工期要求。為保證海中橋按期順利貫通，將原設計的節段預制拼裝施工變更為梁柱式支架現澆施工。

膠州灣為典型的半日潮，平均潮差為3.46 m，最大潮差為6.8 m。橋址表覆第四系全新統人工堆積層雜填土、沖海積層粉質黏土、淤泥質粉質黏土、淤泥及砂類土；下伏白堊系下統青山群泥質粉砂巖。在此環境條件下，進行梁體支架現澆，施工難度大、安全風險極高。

3 支架設計方案及檢算

3.1 海中箱梁支架現澆的風險分析

在海中淤泥質黏土、粉土、粉細砂地層中，采用梁柱式支架進行大跨度箱梁現澆存在以下困難和風險：

(1)在軟弱地層中，鋼管樁支架可能產生不均勻沉降，從而導致混凝土開裂、成橋后橋面標高不滿足要求；

(2)飽和砂層液化可能引起鋼管樁承載能力不足，從而導致支架局部失穩；

(3)海洋環境下橫向波浪力、風力對支架的橫向穩定性會產生一定的影響；

(4)每天漲落潮，海水長時間浸泡對鋼管樁具有較大的侵蝕性，鋼管樁需進行耐蝕處理；

(5)海上施工作業場地狹小，施工機械設備、材料運輸、堆放干擾大，施工組織困難。

3.2 梁柱式支架布置

綜合上述各種因素，支架立柱選用φ630×8 mm的螺旋鋼管，每排5根，每孔9排；鋼管樁頂設240a工字鋼作為支架橫向主梁，縱橋向采用貝雷梁作為縱向主梁；貝雷梁上方橫橋向設置20a工字鋼作為分配梁，間距為60 cm，上方縱橋向鋪設15 cm×10 cm方木，中心間距30 cm，方木上鋪設厚15 mm竹膠板作底模。翼緣板下部采用碗扣式鋼管支架，支架頂橫橋向布設15 cm×10 cm方木作為主橫梁，上方縱橋向鋪設10 cm×10 cm方木作為分配梁。側模采用15 mm厚竹膠板作面板，并采用10 cm×10 cm方木作肋加固，間距為0.3 m。支架布置形式如圖1、圖2所示[2-4]。

圖1 支架立面布置圖

圖2 支架斷面圖

3.3 支架的受力檢算

在海中淤泥質黏土、粉土、粉細砂地層中進行支架現澆施工，鋼管立柱的下沉和穩定性最易出現問題，因此主要對立柱的受力及橫向穩定性進行檢算，貝雷梁及模板系統受力檢算不再贅述。

3.3.1 鋼管樁嵌固深度計算

根據《港口工程樁基規范》(JTS 167-4-2012)式(D.3.3-3)，樁的相對剛度系數T(m)為：

式中，Ep為樁材料的彈性模量，鋼材為2.1×108kN/m2；Ip為樁截面的慣性矩，此處為1.02×10-3m4；m為樁側地基土的水平抗力系數隨深度增長的比例系數，取4 500 kN/m4；b0為樁的換算寬度，取b0＝2d＝2×0.63＝1.26 m，d為鋼管樁直徑。

根據《港口工程樁基規范》式(4.3.2)，嵌固點深度可取為：

t＝ηT＝2.2×2.06＝4.5 m

式中，η為系數，取1.8～2.2；T為相對剛度系數(m)。

按照水位最深的鋼管計算，則鋼管立柱長度取為12.5+4.5＝17 m，并在底端固結。

3.3.2 鋼管樁波浪力計算

根據《海港水文規范》(JTS 145-2-2013)式(8.3.2-5、8.3.2-6、8.3.4-4)可知最大總波浪力矩為：

式中，H為建筑物所在處進行波波高(m)；L為波長(m)；CD為速度里系數，圓形截面取1.2；γ為水的重度(kN/m3)；D為柱體的直徑(m)；K3、K4為系數，可查表確定；A為柱體的斷面面積(m2)；MDmax為作用于柱體計算高度上的最大速度力矩(kN·m)；MImax為作用于柱體計算高度上的最大慣性力矩(kN·m)；Mmax為作用于柱體計算高度上的最大總波浪力矩(kN·m)。

由上式得，鋼管樁所受最大波浪力矩為214.5 kN·m。

3.3.3 鋼管樁橫向風荷載計算

根據《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)式(8.1.1-1)：

Wk＝βzμsμzw0

式中，Wk為風荷載標準值(kN/m2)；βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓(kN/m2)。

貝雷梁和主梁的風荷載標準值為：

Wk1＝1×1.3×1.52×0.6＝1.19(kN/m2)

貝雷梁和主梁所受總風荷載為：

貝雷梁和主梁所受風荷載作用在鋼管立柱上，則每根立柱所受水平風力為：

F均＝F總/50＝6.6(kN)

鋼管立柱的風荷載標準值為：

Wk2＝1×0.6×1.52×0.6＝0.55(kN/m2)

鋼管立柱所受風荷載為：

F柱＝Wk2×A柱＝0.55×12.86＝7.1(kN)

則鋼管立柱所受橫向彎矩為：

3.3.4 鋼管樁強度及穩定性計算[5]

鋼管凈截面積：A＝213.911 cm2

最小回轉半徑：ix＝21.89

鋼管材料選用Q235鋼，fy＝235 MPa，所以。

查《鋼結構設計規范》(GB 50017-2003)附錄表C-2，得到穩定系數：φ＝0.703 4。

所以，鋼管立柱強度及穩定性驗算滿足規范要求。

3.3.5 樁長計算

通過結構受力計算，最大樁頂豎向力為691.9 kN，根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)5.2.2和5.3.7-1可得：

式中，K為安全系數，取值為2；Ra為單樁豎向承載力特征值；Quk為單樁豎向極限承載力標準值；qsik為樁周第i層土的極限側阻力標準值；qpk為極限樁端阻力標準值，取1 400 kPa；μ為樁身周長；Ap為樁端面積；λp為樁端土塞效應系數，當hd/d＜5時，λp＝0.16hd/d，當hd/d≥5時，λp＝0.8，本處取λp＝0.8(hd為樁端進入持力層深度；d為鋼管樁外徑)。

因此，鋼管樁的打入深度16.3 m(＝1+2.5+1.7+3.8+1.4+3.6+1.8+0.5)即可滿足要求。

4 梁柱式支架搭設

4.1 承載力檢測

海中施工環境復雜，安全風險更高，必須確保支架萬無一失。為驗證鋼管樁沉樁后承載力是否滿足要求，在支架正式搭設前選用70 t履帶吊配合120 t的液壓振動錘進行試樁試驗[6-7]，利用150 t液壓千斤頂檢測鋼管樁的承載力，如圖3所示。經檢測貫入深度達到17 m時，承載力滿足設計要求。

圖3 承載力檢測立面圖

4.2 鋼管樁插打

(1)測設預埋鋼板標高，根據鋼管樁設計長度，在施工現場對鋼管樁接長。利用汽車吊將鋼管移動對中，確保2根鋼管在同一軸線上；連接接頭周邊滿焊，并采用20 cm×10 cm×1.2 cm鋼板加固幫焊，對稱布置且不小于4塊，幫焊鋼板在連接鋼管兩端各搭接10 cm[8]。

(2)測設鋼管立柱在預埋鋼板位置中心點，用鋼圓規根據鋼管半徑確定鋼管立柱的外邊框的輪廓，在外輪廓線上確定4個控制點，并焊接定位三角鋼板。

(3)鋼管柱起吊安裝過程中及時校正鋼管垂直度，確保垂直度偏差小于鋼管樁高度的1/500，且柱頂偏移值不大于50 mm。

(5)插打完成后及時跟進測量管樁頂部標高，根據設計標高計算頂部調節段長度，并下料接長。

(6)鋼管樁固定牢靠后，開始安裝樁間的縱橫向剪刀撐。剪刀撐采用16a槽鋼，間距3 m，槽鋼長度根據樁間實測距離下料、加工[10]，焊接成整體后吊裝與鋼管樁焊接牢固。

4.3 落梁裝置安裝

鋼管樁頂部采用活動式柱帽，采用φ650 mm×8 mm、高400 mm的鋼管與20 mm厚鋼板滿焊，并在四周焊接加勁鋼板，嵌套在鋼管樁頂。完成后測設鋼管樁樁頂標高，復核無誤安裝落梁裝置。落梁裝置采用兩側三拼12槽鋼，沿線路方向布置，并與柱帽鋼板焊接固定；若橫梁與落梁裝置之間有間隙時，采用適當厚度的鋼板填塞密實并焊接牢固。

4.4 主橫梁安裝

4.5 縱向主梁安裝

根據設計要求，在主橫梁上測設縱梁的位置，縱梁采用貝雷梁作主梁，貝雷梁按設計圖逐片組裝，整組吊裝就位。翼緣板和底板處每2片為一組，腹板處每3片為一組，中間每隔3 m設置支撐架，防止側傾。貝雷梁安裝時，桁架片的豎桿位置要處于主橫梁上方。貝雷梁采用10槽鋼做限位擋板，焊接在橫梁上，同時橫梁對應貝雷梁節點處用10槽鋼加固處理[11]。順橋向每間隔6 m采用20a工字鋼在貝雷梁底部將其橫向連接成一個整體，工字鋼與貝雷梁之間用U型螺栓連接牢固。

4.6 橫、縱向分配梁安裝

4.7 支架預壓[13]

支架搭設完成后，為了盡可能消除軟弱地層中支架的不均勻沉降和非彈性變形，避免混凝土澆筑時支架局部失穩坍塌，適當加大預壓荷載值，采用1.2倍的施工總荷載對支架進行預壓。同時加大觀測頻次、延長預壓時間不少于7 d。

加載時，采用塔吊及汽車吊配合將預壓塊吊至模板頂并依次分層對稱擺放好，按設計布置好觀測點，并記錄好加載數值。

預壓卸載后，根據觀測所得的支架彈性變形值，對支架底模標高重新進行調整。

5 結束語

青連鐵路跨膠州灣特大橋海中第175～178孔50 m簡支箱梁，采用支架法現澆與兩側的節段拼裝造橋機同步作業，利用75 d的時間，安全、順利地完成了從支架搭設、模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑、預應力張拉壓漿等工序，較原方案工期提前了一個月，于2018年5月底實現了跨海橋的全面貫通，確保了青連鐵路的按期開通，為今后類似工程的施工積累了經驗。