水中高墩支架現(xiàn)澆箱梁施工方案綜合比選

1、水中高墩支架現(xiàn)澆箱梁施工方案綜合比選【內(nèi)容提要】本文結(jié)合韓江北橋工程實(shí)例，綜合比選水中高墩箱梁支架施工方案，最終采取鋼管樁平臺+碗扣支架施工方案，安全、優(yōu)質(zhì)完成了施工任，既節(jié)省投入，又確保工程質(zhì)量和施工安全，有效縮短工期，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯，對今后同類似橋梁施工有較好的參考價值?！娟P(guān)鍵詞】水中高墩支架 方案 比選1.工程概況1.1項(xiàng)目簡述潮州市韓江北橋位于中國四大古橋之一的廣濟(jì)橋以北1.73公里處，項(xiàng)目線路全長3574m，以春榮路與西榮路交叉口為起點(diǎn)，途經(jīng)北關(guān)村跨越韓江，至意東三路為工程終點(diǎn)。韓江北橋是潮州市重點(diǎn)工程中的重中之重，是一項(xiàng)民心工程，它的建設(shè)對緩解潮州市的交通壓力、改善投資環(huán)境

2、、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義。1.2 工程自然條件場區(qū)位于韓江河谷和兩岸I級平地之上，總體地勢低平，兩岸多為樓層較低的房屋和農(nóng)田、菜地；橋位處韓江河道總寬約1Km，河谷斷面呈“U”字型，屬老年期河流。工程所在地降雨集中在梅雨季節(jié)（四、五、六月）及臺風(fēng)季節(jié)（七、八、九月），常在七、八、九月份遭受六級以上的大風(fēng)襲擊或影響，臺風(fēng)最大風(fēng)力9級以上，并帶來暴雨，破壞力極大。主橋橋址處地層由上往下為：細(xì)中砂、粗砂、卵石、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化花巖。其中砂卵石層厚度約為20m。1.3 設(shè)計概況韓江北橋跨越韓江水道，主橋長580m、寬30m，引橋長1350.6m。道路等級為城市主干道，雙向六車道。兩側(cè)

3、引橋?yàn)?3孔46m預(yù)制T梁橋和25孔30m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋。主橋是國內(nèi)最大跨度的無風(fēng)撐鋼管拱橋(如圖1)，上部為五跨連續(xù)(C跨+B跨+A跨+B跨+C跨)，其跨徑組成為（11m+85m+114m+160m+114m+85m+11m）。下部為鉆孔樁基礎(chǔ)、矩形承臺、雙薄壁矩形空心墩、V形結(jié)構(gòu)、軸橫梁(現(xiàn)澆箱梁)。圖1 韓江北橋主橋總體實(shí)景圖主橋共有Z1Z6六個主墩，墩頂為軸橫梁(現(xiàn)澆箱梁)，箱梁在橋梁縱向中心處梁高2.9m、外緣梁高2.6m，梁底橫坡0、梁頂為2的雙向橫坡，其中Z1(Z6)箱梁規(guī)模最小，Z2(Z5)其次，Z3(Z4)規(guī)模最大。Z3墩位于河道中間通航孔深水區(qū)位置，施工難度最大；其它五個主

4、墩位于河道淺水區(qū)。Z3軸現(xiàn)澆箱梁軸位處中線頂面標(biāo)高33.018m，箱梁底標(biāo)高30.118m，承臺面11.891m。Z3軸箱梁平面尺寸為33.70m（縱向）30.88m（橫向），橫橋向8個箱室、縱橋箱5個箱室，共40個箱室。頂、底板厚2536cm。，縱向腹板厚度分別為20cm、160cm、40cm、40cm、40cm、40cm、40cm、160cm、20cm；橫向腹板厚度分別為110cm、100cm、100cm、100cm、100cm、110cm。箱梁設(shè)計為C50現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力鋼筋砼結(jié)構(gòu)，Z3箱梁砼約為1650立方米。箱梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 Z3軸箱梁結(jié)構(gòu)示意圖2. Z3軸箱梁工程特點(diǎn)2.1 箱梁

5、結(jié)構(gòu)特殊，荷載分布不均勻。與常規(guī)箱梁結(jié)構(gòu)尺寸不一致，主橋箱梁為縱橫向單箱多室結(jié)構(gòu)，自重荷載分布不均勻，縱向兩端重，中間輕。Z3單個箱梁C50砼約為1650立方米，每平方米自重超過4噸。2.2 水位深，流速大，沖刷破壞嚴(yán)重。Z3墩箱梁位于韓江河道中間，正常水位標(biāo)高約為10m，洪水期間水位標(biāo)高14m(二十年一遇水位)，河床底面標(biāo)高約-2m-4m，水深13m17m。韓江水道上游、下游落差較大，加上河道設(shè)計為交錯丁壩結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致河水流速大，河道中間沖刷為V形沖溝。特別是洪水期間破壞更加嚴(yán)重，洪水期間上游沖下大量灌木、竹子、雜草等其它漂浮物，被河中固定物體阻攔堆積后會導(dǎo)致較大的橫向沖擊破壞力，這也是水中支

6、架施工的最大風(fēng)險。2.3 水中高墩，施工風(fēng)險高。箱梁底面標(biāo)高30.108m，河床底面標(biāo)高約-2-4,即箱梁底離河床底約3234m高。河床表層20m范圍內(nèi)均為砂、卵石層，水中鋼管樁施打平面位置不容易控制，打入砂層的深度有限(6m9m)，不利于鋼管樁的穩(wěn)定。2.4 缺少大型水上施工設(shè)備。工程所在地比較偏僻，附近周邊城市缺少大型專用的水上施工設(shè)備，而且受上游水庫、下游供水樞紐船閘的影響，外地的大型水上設(shè)備難于通過水運(yùn)到達(dá)施工現(xiàn)場。2.5 Z3墩箱梁是主橋施工的關(guān)鍵線路。主橋?yàn)槲蹇邕B續(xù)結(jié)構(gòu)，Z3墩箱梁是主橋施工的關(guān)鍵線路，能否按時順利完工，將影響到上部鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)埋和拱肋吊裝。根據(jù)工程進(jìn)度要求，Z3墩箱

7、梁施工期間無法避開洪水。3. 施工方案比選針對Z3墩箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工程材料以及現(xiàn)場施工環(huán)境，經(jīng)初步比選后，確定三種施工方案作為可行方案進(jìn)行最終比選，主要是從施工風(fēng)險、綜合效益、操作簡易程度、工期等方面進(jìn)行綜合比選。3.1方案一：單樁單柱+型鋼支架法施工方案(如圖3)在河床中施打鋼管樁(直徑600mm)，鋼管樁出水面后繼續(xù)接長鋼管到箱梁底部，開成單樁、單柱結(jié)構(gòu)，各樁柱之間通過水平和斜向型鋼連結(jié)成整體支架，鋼管支架頂鋪型鋼(I25)作主分配梁，再鋪方木和模板施工箱梁。施工風(fēng)險(1)根據(jù)前期便橋的施工經(jīng)驗(yàn)，鋼管樁打入砂卵石地層只能約是69米。此方案的鋼管樁底至柱頂約40m高，鋼管樁柱傾斜導(dǎo)致偏心不容

8、易控制，管樁/柱需要多次接長不可避免增加彎折等缺陷。(2)需要進(jìn)行大量的高空作業(yè)，存在著高空作業(yè)風(fēng)險，而且鋼管柱安裝質(zhì)量控制難度較大。(3)再加上水流的沖擊，特別是洪水期間堆積大量雜物對樁頂處形成較大的橫向沖擊力，對于此類高墩的鋼管樁柱容易失穩(wěn)，施工風(fēng)險最高。圖3單樁單柱+型鋼支架法綜合效益(1)鋼管樁柱的每噸租賃費(fèi)用較低，但鋼管樁柱投入量大，周邊城市(50km范圍內(nèi))只能租賃到所需要數(shù)量的30%，其它管材需要到較遠(yuǎn)城市(400550km)租賃，來往運(yùn)輸費(fèi)用較高；(2)如果是項(xiàng)目部自購材料，因項(xiàng)目工期緊張，后期難于再次周轉(zhuǎn)使用此類大直徑鋼管柱，使用成本較高。(3)鋼管柱搭設(shè)、拆除時間較長，無形

9、中影響工期，而且延長材料占用時間也就增加了租賃費(fèi)用。3.1.3操作簡易程度(1)鋼管柱搭設(shè)時需要水上浮吊(起吊高度要超過20m)或兩臺塔吊配合安裝，同時因?yàn)樾枰罅扛呖兆鳂I(yè)，操作不方便，鋼管柱的垂直度、管節(jié)接頭的連接以及各管柱之間的橫向連接質(zhì)量控制難度較大，要求管材質(zhì)量較好，操作工人的技術(shù)水平和責(zé)任心要求也較高。(2)箱梁施工后，落架拆除比搭設(shè)更加復(fù)雜，主要是人工配合簡易工具進(jìn)行拆除，受到已完工的箱梁阻礙，塔吊難于起到作用，拆除時無形中又增加了施工風(fēng)險。工期因搭設(shè)、拆除操作不方便，也無法同時全面展開施工，加上多為高空作業(yè)，導(dǎo)致施工工期較長，不考慮水中樁的施工工期，僅鋼管柱支架和型鋼的搭設(shè)、拆除

10、時間合計約70天。3.2方案二：群樁群柱+貝雷梁+型鋼支架法施工方案(如圖4)鋼管樁(直徑600mm)出水面后在樁頂上澆筑鋼筋砼承臺，連成群樁基礎(chǔ)；在承臺上安裝鋼管群柱，安裝型鋼水平桁架連接各個群柱；在柱頂上架設(shè)貝雷梁+型鋼(I25)形成鷹架，鋪方木和模板施工箱梁。該方案與第一種方案類似，主要區(qū)別是減少鋼管柱，增加貝雷梁。圖4 群樁群柱+貝雷梁+型鋼支架法施工風(fēng)險(1)考慮到鋼管樁的長度僅為23m左右，而且鋼管樁出水面后通過澆筑鋼筋砼承臺連接成單個群樁基礎(chǔ)，與方案一相比，因鋼管傾斜導(dǎo)致樁頂部偏心的不利影響明顯減少。單個群柱各根鋼管之間的間距較小(與同型號橫向連接材料相比，間距越小，相應(yīng)的計算長

11、度也變小)，通過強(qiáng)大的橫向和斜向型鋼連接，可以使鋼管柱節(jié)段連接彎折、焊接等缺陷造成的不利影響相對降低，有利于支架的穩(wěn)定。(2)洪水期間急流夾帶大量雜物對樁頂處形成較大的橫向沖擊力依然無法避免，與方案一類似，方案二的鋼管樁與上部的鋼管柱仍然是固結(jié)連接，對橫向沖擊干擾敏感，此類高墩支架的也容易失穩(wěn)，施工風(fēng)險也較高。綜合效益減少部分鋼管柱材料用量，只有約20%管材需要在較遠(yuǎn)城市租賃，新增加的貝雷梁可以在附近城市租賃，支架的搭設(shè)和拆除時間比第一種方案縮短約20天，綜合成本比第一種方案低。操作簡易程度(1)搭設(shè)時需要水上浮吊或兩臺塔吊配合安裝，同時需要部分高空作業(yè)，操作工人的技術(shù)水平和責(zé)任心要求也較高。

12、箱梁施工后，落架拆除也主要是人工配合簡易工具進(jìn)行拆除，塔吊難于使到作用，拆除時也存在施工風(fēng)險。但與方案一相比，方案二明顯降低了施工難度，減少了施工風(fēng)險。工期受施工設(shè)備的限制無法同時全面展開施工，加上多為高空作業(yè)(比方案一的工作量小)，搭設(shè)、拆除操作不方便，導(dǎo)致施工工期較長，不考慮水中樁的施工工期，方案二支架和型鋼的搭設(shè)、拆除時間合計約50天左右。3.3方案三：群樁平臺+型鋼+碗扣滿堂支架法施工方案(如圖5)在河床中施打鋼管樁(直600mm)，鋼管樁出水面后(二十年一遇水位線)，利用型鋼水平連接各根鋼管樁成整體結(jié)構(gòu)，鋼管樁頂上安裝縱向(I36)、橫向(I25)型鋼搭設(shè)成鋼平臺，在鋼平臺上再搭設(shè)滿

13、堂式碗扣支架，鋪方木和模板施工箱梁。施工風(fēng)險(1)方案三的特點(diǎn)是：下部鋼管樁基礎(chǔ)是一個整體，上部的碗扣支架又是另一個支架體系，碗扣支架只是簡單支承在鋼平臺上，相當(dāng)于活動鉸支座，當(dāng)洪水期間漂浮物沖擊時鋼平臺時，鋼管樁和平臺可能會發(fā)生較小的水平位移或傾斜，但上部碗扣支架不會因此增加彎曲應(yīng)力，只是發(fā)生相對的滑動，不會影響碗扣支架的整體穩(wěn)定。(2)前述方案一、方案二的特點(diǎn)是：下部鋼管樁基礎(chǔ)與上部鋼管柱屬于固結(jié)連接(樁底至柱頂約40m高)，洪水期間漂浮物橫向沖擊位置基本上處于支架的中部，橫向沖擊干擾對高墩支架的穩(wěn)定性影響較大，難于充分發(fā)揮鋼管強(qiáng)度高的特點(diǎn)，只能通過縮小鋼管樁柱的間距、采用更大直徑(壁厚)

14、鋼管樁柱、加密鋼管樁柱之間水平和斜向型鋼連接等措施來保證其穩(wěn)定性。(3)方案三的鋼管樁較短(約23m)，每根管樁一般只有一個或兩個節(jié)段接頭，更容易控制管樁彎折、初偏心等不利影響，而且方案三的鋼管樁穩(wěn)定計算長度變小，更容易采取簡單措施保證其穩(wěn)定性，方案三的平臺穩(wěn)定性明顯優(yōu)于前述兩種方案，施工風(fēng)險比前兩種低。圖5 群樁平臺+型鋼+碗扣滿堂支架法綜合效益鋼管樁只需要在附近城市可以租賃，碗扣支架需要到較遠(yuǎn)城市(400-550km)租賃，每噸租金比鋼管柱費(fèi)用高，但因?yàn)橥肟壑Ъ艽钤O(shè)方便，不需要大型設(shè)備配合施工，碗扣支架的搭設(shè)、拆除時間較短，占用材料時間較短，有利于加快施工進(jìn)度；且主橋箱梁施工后，碗扣支架還

15、可以周轉(zhuǎn)使用于兩岸引橋現(xiàn)澆箱梁的施工，其綜合使用成本比與方案二基本持平，優(yōu)于方案一。操作簡易程度與前述方案一和方案二一樣，方案三的鋼管樁也是采用打樁船施工，但方案三的型鋼平臺只需要一臺小型塔吊配合安裝，該塔吊后期還可以用于箱梁碗支架、模板、鋼筋的吊運(yùn)，提高了塔吊的利用率。至于碗扣支架的搭設(shè)和拆除屬于常規(guī)施工作業(yè)，高空風(fēng)險小，操作比較簡便，主要是人工搭設(shè)、拆除，塔吊配合起吊裝船、卸船。型鋼平臺離常水位最高不超過4m，而且單根型鋼和鋼管樁重量較輕，通過租用施工現(xiàn)場附近的80噸貨船和20噸汽車吊組裝成簡易浮吊可以拆除鋼平臺和鋼管樁。工期鋼平臺不存在高空作業(yè)，操作方便，碗扣架采用人工集中搭設(shè)和拆除，可

16、以全面展開施工，施工工期較短，不考慮水中樁的施工工期，鋼平臺和碗扣支架搭設(shè)和拆除時間總計約30天。4. 施工方案的實(shí)施根據(jù)上述三個方案的綜合比選，方案三（群樁平臺+型鋼+碗扣滿堂支架法）在施工風(fēng)險、施工工期、操作簡單程度方面都優(yōu)于方案一和方案二，而且綜合效益也不低于前兩個方案。綜合考慮Z3箱梁特點(diǎn)、現(xiàn)場施工條件以及工程的總體要求，最終采用方案三作為Z3水中高墩箱梁的施工方案。4.1 鋼管樁施工材料準(zhǔn)備鋼管樁采用直徑不小于600mm的管材，因材料新舊不一(穩(wěn)定計算時注意適當(dāng)折減壁厚)，同時考慮到箱梁荷載分布不均勻，材料進(jìn)場后先進(jìn)行檢查編號，確保質(zhì)量較好、管徑較大的管材用于受力較大的部位。考慮到鋼

17、管樁平均長度約23m，結(jié)合打樁船可操作范圍，事先在岸邊材料場將部分管樁節(jié)段焊接接長，單根長度1016m；水中打鋼管樁時只需要一次接樁即可滿足要求，這樣更能保證管樁節(jié)段連接質(zhì)量和加快施工進(jìn)度。質(zhì)量控制因橋址表層地質(zhì)為為砂卵石層，閉口管樁無法施打，改為開口管樁，同時考慮到管樁埋深有限，管樁承載力主要是樁端受力，因此在管底樁周加焊10mm鋼板，避免打樁過程中管端受損，并提高樁端承載力。管樁節(jié)段接頭是薄弱環(huán)節(jié)，管節(jié)接頭需要安排技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富、責(zé)任心強(qiáng)的工人負(fù)責(zé)焊接，接頭采取坡口焊接，并貼焊加強(qiáng)板。管樁采用DZ60振動錘施打，施打過程中主要是控制好管樁的傾斜度和平面位置，尤其傾斜度是關(guān)鍵，施打后及時檢查管

18、樁傾斜度，不符合要求及時拔除重新施打。因?yàn)楹哟仓蟹植即笮〔灰坏穆咽?，部分鋼管樁不可避免受到卵石限制而無法正常振入，此時需要改變鋼管樁原先既定的平面位置重新施打。圖6為鋼管樁施工實(shí)景圖。圖6 Z3墩箱梁鋼管樁施工實(shí)景圖4.2 鋼管樁平臺及碗扣支架施工 鋼管樁水平連接水平連接型鋼設(shè)計計算時必須按壓桿設(shè)計，不能按拉桿設(shè)計。部分鋼管樁與原先既定的平面位置不一致，導(dǎo)致水平連接型鋼長度也不一致，需要在現(xiàn)場實(shí)際測量再下料連接。施工時，充分利用工程其它部位施工剩余的各種型號鋼材作連接材料，盡可能避免新進(jìn)材料。連接型鋼利用小噸位的貨船配合運(yùn)輸，在塔吊工作范圍內(nèi)的構(gòu)件可以利用塔吊配合起吊就位安裝，其它范圍內(nèi)的構(gòu)件則采取人工倒鏈配合就位安裝。如圖7所示。型鋼平臺鋼管樁頂