水中墩臺采用反吊支架法施工的關(guān)鍵技術(shù)
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黃業(yè)
[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海200433]
摘要：水中墩臺施工根據(jù)現(xiàn)有工藝大多采用同堰填土成陸施丁、樁基礎(chǔ)抱箍支撐法、水中鋼套箱沉底施工等方式。結(jié)合上海青浦曹芳涇橋施工實(shí)例，根據(jù)深河道、淺墩臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計，介紹水中墩臺反吊支架法施工工藝及構(gòu)件驗(yàn)算一其施工工藝具有經(jīng)濟(jì)易用、保護(hù)河道環(huán)境、航道通行安全可靠等特點(diǎn)。通過合理安排和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)管理圓滿完成水巾墩臺的施工。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證該技術(shù)的可行性和優(yōu)越性，可為今后類似工況提供借鑒。
關(guān)鍵詞：水中墩臺；反吊支架法；施工技術(shù)；深河道；淺墩臺
中圖分類號：U445.559文章編號：1004-4655( 2016) 03-0096-04
隨著上海市啟動新一輪“區(qū)區(qū)對接”建設(shè)工程，區(qū)與區(qū)之間一些道路受軌交、高速公路、河道等隔阻不相接的情況大有改善。但上海地處長江中下游段，水系發(fā)達(dá)，河道等級較高，跨越要求也較嚴(yán)。為保證順利跨越天然河道，在保證施工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性同時，必須減少對河道環(huán)境及航道通行的影響。
1工程概況
曹芳涇橋跨越漕芳涇，位于上海市青浦區(qū)練塘鎮(zhèn)境內(nèi)。漕芳涇現(xiàn)狀河口寬140 m，市管Ⅵ級航道，通航凈空頂面標(biāo)高不低于+8.4 m（吳淞高程系統(tǒng)）。
曹芳涇橋與道路設(shè)計中心線相正交，橋梁全長445.94 m，跨徑組合為10×20 m+45 m+10×20 m。曹芳涇橋水中墩臺共有6個，其中2個墩臺P8、P13為臨岸淺水段墩臺；4個墩臺P9、P10、P11、P12為水中墩臺。
漕芳涇河道現(xiàn)場實(shí)測常水位標(biāo)高2.0 m（枯水期水位在1.6 m左右，高水位在3.2 m左右），河道深度最深處約為7m，平均深度約為6.5 m，臨岸淺水段深度在2m以下。
水中墩臺為圓端矩形承臺，其中P8、P9、P12、P13類型相同，尺寸為29.6 m×3.6 m×1.5 m，單個墩臺重約400 t；P10、P11類型相同，尺寸為30.4 m×3.6 m×2.0 m，單個墩臺重約547 t。擬建橋梁與河道相對位置見圖1。
2施工特點(diǎn)、難點(diǎn)及方案比選
2.1施工特點(diǎn)與難點(diǎn)
1)通航河道明水深。漕芳涇河有通航要求，河道經(jīng)測量，河水平均深約6.5 m（現(xiàn)狀河底標(biāo)高約-4.5 m，常水位標(biāo)高約2.0 m）。
2)淺墩臺白重大，對支架承載能力要求高。墩臺結(jié)構(gòu)分2種：P9、P12單墩臺混凝土方量160 m3，白重約400 t。考慮到施工附加荷載，支架承載力在4 400 k N左右，方可確保安全；P10、P11單墩臺混凝土方量219m3，自重約547 t。慮到施工附加荷載，支架承載力在6 020 k N左右，方可確保安全。
2.2方案比選
水中墩臺施工，通常采用圍堰填土成陸、樁基抱箍支撐法以及鋼套箱圍堰法等形式。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和施工環(huán)境的影響進(jìn)行方案比選。
1)圍堰填土成陸法。采用雙排12 m以上拉森鋼板樁，雙排板樁間內(nèi)填黏土形成圍堰，圍堰成形后采用素土回填形成陸上施丁。施工過程中土方同填及清理對河道環(huán)境影響較大，圍堰占用河道對河道汛期排水影響較大，圍堰措施費(fèi)用成本高。
2)樁基抱箍支撐法。利用施工完成的樁基外采用一定厚度的圓形鋼板箍于墩柱上，利用摩阻力通過鋼板箍上的牛腿支撐墩臺支架的一種施工方法。但鉆孔樁樁基抱箍法不如預(yù)制樁或者立柱體規(guī)則平整，摩擦力不易控制，加上水下安裝與拆除抱箍較難實(shí)施。
3)鋼套箱圍堰法。以鋼模板為基礎(chǔ)材料，通過拼合組裝的方式裝成套箱，沉入水中。通過鋼套箱和封底混凝土形成圍堰阻水，為水中墩臺施T提供無水施工環(huán)境�？紤]到鋼套箱加工、運(yùn)輸和安裝周期長，成本投入大，更適用于跨海大橋中超深水深，多個水中墩臺連續(xù)周轉(zhuǎn)施工。
本工程最終采用水中墩反吊支架法。以水中墩的棧橋及鉆孔灌注樁施T平臺的鋼管樁作為受力體系基礎(chǔ)，利用雙拼槽鋼（或型鋼）焊接在各個鉆孔樁平臺對應(yīng)的鋼管樁頂形成扁擔(dān)。再用多根吊桿均勻分布穿掛在扁擔(dān)上，吊桿上放置型鋼縱梁形成水中墩臺底模，按照常規(guī)施工工藝進(jìn)行墩臺施工。
施工工藝原理是將墩臺的重力由鋼管樁支撐反力抵消形成力系平衡，優(yōu)點(diǎn)是利用鉆孑L灌注樁施工平臺的鋼管樁，形成受力反吊體系，從而進(jìn)行快捷、連續(xù)施工。施工過程對環(huán)境影響小，周期短，經(jīng)濟(jì)性高。
3水中墩臺反吊支架法施工流程、關(guān)鍵技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性
為實(shí)施曹芳涇橋P9、P10、P11和P12四個水中墩臺施工，前期通過棧橋至各墩臺位置，搭設(shè)鉆孔樁施工平臺。完成水中鉆孔樁基施工后，利用水中鉆孔樁平臺鋼管樁組成反吊支架體系進(jìn)行水中墩臺施工。
3.1水中墩臺反吊支架法施工流程
水中墩臺反吊支架法的具體施工流程：利用鉆孔樁施工平臺的ф500 mm×10 mm鋼管樁，樁頂沿順橋方向?qū)?yīng)2根鋼管樁頂焊接雙拼40c槽鋼扁擔(dān)。接著在每條雙拼槽鋼扁擔(dān)上打孔穿掛4根ф34 mm圓鋼吊桿，其后在吊桿下部設(shè)置4道25b雙拼槽鋼縱梁。最終在槽鋼縱梁上放置方木隔柵和竹膠合板底模同定，完成水中墩臺反吊支架體系。其反吊支架布置示意圖以P10墩臺為例（見圖2）。
3.2施工關(guān)鍵技術(shù)
1)保證支架體系的整體穩(wěn)定性。反吊支架體系搭設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)鋼管樁樁頂標(biāo)高有高差。因此，在鋼管樁頂沿橫橋向各設(shè)置一道雙拼40c槽鋼聯(lián)系梁與鋼管樁頂焊接（利用薄鋼板調(diào)整標(biāo)高，保證水平），再將槽鋼扁擔(dān)擱置在聯(lián)系梁上。所有鋼管樁連接形成整體，從而保證支架的整體穩(wěn)定性。
2)掌握河道水位變化。選擇合適的施工時段，采取阻水措施。水中墩臺反吊支架法立模時，對于河道常水位有要求，需墩臺底模標(biāo)高不低于常水位標(biāo)高1m（最理想狀態(tài)是高于常水位標(biāo)高）。施工時應(yīng)及時掌握河道水位變化，通過水務(wù)監(jiān)測部門了解河道歷年水位變化情況，選擇河道低潮期及潮汐變化較小時段進(jìn)行水中墩臺施工。在上海區(qū)域內(nèi)水中墩反吊支架法施工時間安排在秋冬季且避開農(nóng)歷初一和十五為宜。一旦無法避免潮汐變化大、河水位偏高時，為防河水從模板縫隙間倒灌人模，需采取以下阻水措施。
(1)承臺木模應(yīng)盡量采用整板及剛度較大的材質(zhì)拼接以減少拼縫數(shù)量及拼縫寬度。
(2)采用防水塑料薄膜對模板外側(cè)進(jìn)行全包裹。
(3)對墩臺底模與鉆孔樁的間隙加設(shè)封堵板并灌注水下混凝土進(jìn)行封底處理。
3)保證桿構(gòu)件焊接質(zhì)量。反吊支架體系中各類桿構(gòu)件焊接拼接部位較多，而焊接處多為受力集中處，焊縫質(zhì)量影響整個支架體系的結(jié)構(gòu)安全，所以必須保證焊接質(zhì)量，必要時需做焊縫探傷檢測。
3.3施工經(jīng)濟(jì)性
采用反吊支架法水中墩臺施工過程質(zhì)量、安全可控。施工進(jìn)度從鑿除樁頭至所有墩臺完成由原計劃60 d提前至45 d，縮短的工期也為后期橋梁計劃節(jié)點(diǎn)目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。
反吊支架法施工所有材料為常用規(guī)格材質(zhì)，市場上易采購或租賃，在支架體系拆除時予以回收，后期可在其他施工部位周轉(zhuǎn)使用。本工程中共使用ф500 mm×10 mm鋼管樁120余根，各類槽鋼桿構(gòu)件38 t，材料租賃及措施所有費(fèi)用實(shí)際為38.8萬元。
若采用圍堰填土成陸法施工，12 m拉森鋼板樁的打拔520根，土方回填及清理約2 072 m3，材料租賃及措施費(fèi)用測算為68.7萬元。此外后期按水務(wù)部門要求進(jìn)行河道恢復(fù)，河床底清淤的工作量也較大。
若采用鋼套箱圍堰法施工，需要加工、運(yùn)輸、安裝2套鋼套箱，材料加工及措施費(fèi)用測算為56.5萬元。由于鋼套箱為定制加工，一般無法周轉(zhuǎn)使用，且整個施工周期也較長，約為70 d。
相比較其他施工工法，反吊支架法施工水中墩臺費(fèi)用約為其他T法的2/3，其本身的經(jīng)濟(jì)性也得到較好的體現(xiàn)。
4水中墩反吊支架構(gòu)件設(shè)計力學(xué)計算
4.1荷載情況及鋼管樁設(shè)計取值
以P10水中墩為例，P10墩臺混凝土219m3，計重5 472 k N，考慮結(jié)構(gòu)自重與施工荷載，附加荷載安全系數(shù)1.1，總荷載6020 k N。鋼管樁設(shè)計共計30根，每根長23m。
4.2許用應(yīng)力取值
鋼材取屈服強(qiáng)度235MPa，取安全系數(shù)1.6，得許用應(yīng)力為145MPa。
4.3鋼管樁承載力驗(yàn)算
作為水中墩臺反吊支架受力體系組成樁基礎(chǔ)，采用ф500 mm×10 mm鋼管樁，根據(jù)地質(zhì)情況及河道深度對樁長及樁頂承載力進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)算。
P10墩臺單樁最大考慮設(shè)計荷載根據(jù)該墩臺重為5 472×1.1=6 020 k N(附加荷載的安全系數(shù)取1.1)分配至30根單樁平均為200.67 k N�？紤]到河床底下地質(zhì)情況變化復(fù)雜，導(dǎo)致單樁承載力有差異，故取樁頂設(shè)計荷載：Q5=250 k N，樁長23 m，樁頂設(shè)計荷載驗(yàn)算如下。
鋼管人土深度假定為14．0m，管樁主要貫入至③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土6～7.5 m及④，層草黃色沙質(zhì)粉土10.0～14.0 m。
根據(jù)JTJ 254-1998《港口工程樁基規(guī)范》第4.2.4條：
4.4鋼管樁頂部連接扁擔(dān)構(gòu)件選用計算
P10墩臺鋼管樁頂部設(shè)15根扁擔(dān)構(gòu)件，為簡化計算，假定荷載均勻分布，則每根承重
401.3 k N，4根吊桿懸掛在扁擔(dān)上，每根吊桿為集中荷載p= 100.3 k N，得知在跨中產(chǎn)生最大彎矩M=0.70p+2.12p=282.85 k N. m。
如圖3所示三跨等跨距連續(xù)梁最大彎矩出現(xiàn)
145 M Pa，得W x≥235Cm3。可知25b槽鋼W x=289.5 cm3，滿足設(shè)計荷載要求，故采用雙拼25b槽鋼。
5結(jié)語
水中墩臺采用反吊支架法施工相比較其他施工工藝，具有經(jīng)濟(jì)易用、保護(hù)河道環(huán)境、航道通行安全可靠等特點(diǎn)。通過合理安排和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)管理圓滿完成水中墩臺的施丁，該法為同類工程提供借鑒。
