深水急流裸岩条件下的钢护筒设计与施工技术.pdf

·桥涵工程·收稿日期：２０１５０９０６；修回日期：２０１５１２０３基金项目：中国铁建股份有限公司２０１４年度科技研究开发计划课题（１４Ｃ２５桥）深水急流裸岩条件下的钢护筒设计与施工技术庄乾涛（中铁十八局集团第三工程有限公司河北涿州０７２７５０）摘要结合福平铁路乌龙江特大桥的实际施工情况，检算了在深水、急流、裸岩等不利条件下的钢护筒受力情况。着重介绍了护筒的加工、沉放工艺，以及采用导向架和检孔仪配合使用来保证钢护筒平面位置和垂直度的方法。关键词深水急流裸岩条件钢护筒设计沉放工艺中图分类号Ｕ４４５．５５文献标识码Ａ＋Ｂ文章编号１００９４５３９（２０１６）增１００９００４ＳｔｅｅｌＰｒｏｔｅｃｔｉｎｇＴｕｂｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｄｅｒｔｈｅＤｅｅｐＷａｔｅｒｗｉｔｈＬａｒｇｅＦｌｏｗＶｅｌｏｃｉｔｙａｎｄＢａｒｅＲｏｃｋＺｈｕａｎｇＱｉａｎｔａｏ（Ⅰ×μ“μ”①μ②③④ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ３ｒｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＺｈｕｏｚｈｏｕＨｅｂｅｉ０７２７５０，涵工程收稿）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＦｕｐｉｎｇＲａｉｌｗａｙＷｕｌｏｎｇｊｉａｎｇＢｒｉｄｇｅ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｔｕｂｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｄｅｅｐｒｉｖｅｒｗｉｔｈｌａｒｇｅｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｂａｒｅｒｏｃｋｉｓｃｈｅｃｋｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｍｐｈａｔ桥ｉｃａｌｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｓｉｎｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｔｕｂｅａｎｄｍｅｔｈｏｄｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｔｅｅｌｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｔｕｂｅｐｌａｎｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｉｔｙｗｉｔｈｔｈｅｇｕｉｄｅｆｒａｍｅａｎｄｂｏｒｏｓｃｏｐｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｅｅｐｗａｔｅｒｗｉｔｈｌａｒｇｅｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｅｅｌｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｔｕｂｅ；ｓｉｎｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ１工程概况新建福平铁路为双线Ⅰ级铁路，设计最高时速２５０ｋｍ。福平铁路起自福州站，以桥梁跨越闽江、乌龙江、海坛海峡至平潭岛，线路长度约８８．５ｋｍ。乌龙江特大桥采用（１４４＋２８８＋１４４）ｍ双塔双索面刚构斜拉连续梁跨越主航道。主墩设计为高桩承台，采用１６根５２．８ｍ钻孔桩基础，设计桩顶标高为－７．５５７ｍ，河床面标高约为－２９．０ｍ。施工平台顶面标高为＋７．２０ｍ。乌龙江特大桥主墩处水深约３０ｍ，桥位所在河段为感潮河段，受潮汐影响较大。落潮及平潮时水流自西向东，涨潮时水流自东向西，最大流速２．２５ｍ／ｓ。乌龙江特大桥主墩自河床以下依次为砂层、强风化凝灰岩、弱风化凝灰岩。其中砂层为冲刷层，护筒直接插打在强风化岩层中。２护筒设计根据《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》（ＴＺ２０３－２００８）［１］，钢护筒采用２０ｍｍ厚普通Ｑ２３５ａ钢板卷制，内径灰３．１８ｍ，护筒平均长度３８ｍ。２．１护筒主要荷载（１）护筒顶应力计算由于河床面为强风化岩层，为保证护筒入土深度，ＤＺ９０振动锤［２］采用最大激振力施工，根据振动锤技术参数表，计算桩顶端压应力最大值为：Ｐ＝Ｐｊ＋ｍｇ＝６７７＋５８６４／１０００×１０＝７３５．６４ｋＮ其中：Ｐｊ为激振力，取最大值；ｍ为振动锤自重；ｇ为０９铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（增１）·桥涵工程·重力加速度，取１０ｍ／ｓ２。９６桥；修振动锤技术参数见表１。表１ＤＺ９０桥振动锤技术参数项目功率／ｋＷ激振力／ｋＮ振幅／ｍｍ自重／ｋｇ指标９００～６７７０～９５８６４（２）水流冲击力计算根据《港口工程荷载规范》（ＪＴＳ１４４－１－２０１０）［３］每１ｍ单元水流力：Ｒ＝ＫｒＶ２Ａ／２ｇ＝０．７３×１０×２．２５２×（３．２２×１）／（２×１０）＝５．９５ｋＮ／ｍ其中，Ｋ为水流阻力系数，钢护筒为圆形，取０．７３；ｒ为水容量，取１０ｋＮ／ｍ３；Ｖ为水流速度，取２．２５ｍ／ｓ；ｇ为重力加速度，取１０ｍ／ｓ２；Ａ为护筒入水部分在垂直于水流方向的投影面积，外径取３．２２ｍ。（３）风力计算据《港口工程荷载规范》（ＪＴＳ１４４－１－２０１０），每１ｍ单元风荷载标准值：Ｗｋ＝μｓμｚＷ０Ａ＝１．０×１．１７×１．０５×（１．０×３．２２）＝３．９６ｋＮ／ｍ式中，Ｗｋ为风荷载标准值；μｓ为风荷载体形系数，取１．０［４］；μｚ为风压高度变化系数，取１．１７；Ｗ０为基本风压，取０．７×１．５＝１．０５ｋＰａ；Ａ为护筒在垂直于风向的投影面积，外径取３．２２ｍ。２．２钢护筒自由状态下变形及应力计算钢护筒下放过程中在风力和水流力作用下产生变形，采用ＲＢＣＣＥ［５］软件计算钢护筒的应力及变形量，建立受力模型如图１所示。由受力模型可以看出，钢护筒下放过程中最大自由变形在护筒底口，该变形量在插打结束后会导致护筒２９．５ｍｍ／３８ｍ＝０．１％的倾斜度，因此在下放过程中，应尽量选择在平潮时振动沉桩，否则应将护筒向水流方向上游偏移１０～３０ｍｍ，以抵消护筒受水流力产生的弹性形变。２．３钢护筒插打状态下变形及应力计算钢护筒插打时受振动锤激振力、水流冲击力、入土侧壁摩擦力等作用力，在强风化岩河床地段，振动锤激振力取最大值，侧壁摩擦力可忽略不计。采用ＲＢＣＣＥ软件计算钢护筒的自身应力及变形量，建立受力模型如图２所示。图１钢护筒变形受力模型及应力变形图２钢护筒插打时受力模型及应力变形由受力模型可以看出，钢护筒插打过程中最大变形在护筒中部，该变形量在护筒振动插打结束后可恢复，但对护筒结构有一定影响。实践证明，若采用较大振动锤或减小护筒厚度有几率造成护筒焊缝脱焊。护筒底口支反力为１３１３．５ｋＮ，计算护筒底口压强为：１３１３．５ｋＮ／（３．２×３．１４２×０．０２）ｍ２＝１０４６ＭＰａ回，远小于Ｑ２３５钢材屈服强度２０５ＭＰａ，钢护筒结构满足要求。３护筒施工护筒采用加工厂分节加工，运输车运至现场对接，检孔仪器配合导向架定位及纠偏，振动锤振动沉放的工艺施工。（１）导向架设计与制作导向架采用钢桁结构［６］，采用龙门吊吊装移位。导向架分为上下两层，两层导向架之间采用螺栓连接，上层导向架长１．５ｍ，下层导向架长５．０ｍ。下层导向架顶端用型钢焊接在钻孔平台分配梁上，“”下端悬臂段采用井字形型钢焊成整体固定在钢护筒四周的钢管桩上。导向架内设置有供钢护筒定位、纠偏、调整的液压千斤顶和锁定装置。（２）护筒加工护筒在加工厂卷制，节长６ｍ，护筒焊接采用单切边Ｖ型平焊缝［７］，在施焊前焊条除净锈蚀和油污，按要求进行烘焙。焊接时必须将钢板融透，且切边填充饱满密实，纵向对接焊缝应在焊件的两端临时配置引弧板和熄弧板，其材质、板厚及坡口型式与焊件相同，当施焊完成后用气割切除并修磨平整，不得用锤击落（见图３）。１９铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（增１）·桥涵工程·图３焊缝示意图为保证护筒在存放、运输中不变形，在每节钢护筒的上、下口及中间位置焊接十字（或米字）支撑［８］。在每一个护筒底端５００～１０００ｍｍ范围，外贴２０ｍｍ厚同样弧度的加强钢板，减少振动沉入时的卷边变形［９］。（３）护筒连接及下放①钢护筒下放前首先进行水深复测，然后用龙门吊吊起第一节钢护筒，垂直立放在导向架内，用千斤顶调整护筒位置，使护筒顶位于导向架中间并临时固定。②吊起第二节钢护筒，移动大钩使钢护筒下端对准已固定好的钢护筒，使上下两节护筒严密对接，调整导向架上部定位千斤顶，使上下两节护筒轴线偏差不大于０．３％。③钢护筒对接完成后立即进行焊接，焊接必须满焊（见图４），焊缝高度不得小于５ｍｍ，接缝必须牢固、不漏水，筒内连接处无突出物。在每一条焊缝的周围用２００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍ的钢板加固，间距３００ｍｍ。焊接完成并检查无漏焊后继续下放钢护筒。④重复上述步骤直至护筒接长到位，但在护筒未接够长度之前，不宜将护筒插入河床，以免因河床冲刷不平造成定位困难。图４导向架下放钢护筒简图（４）护筒孔底坐标及竖直度控制施工中护筒的精度主要取决于护筒着床时的精度，护筒的竖直度及底口坐标采用ＧＺ２Ｓ灌注桩数字钻孔测定仪配合导向架进行控制。当钢护筒着床后，移除上层导向架，然后将仪器放入孔内，挂好护筒十字线，根据检测报告确定孔口、孔底偏位及倾斜度。然后吊起护筒，调整导向架上面的定位千斤顶，使护筒垂直度不大于０．３％，同时使护筒中图５钢护筒定位及垂直度检查心尽量与桩位中心重合（见图５）。（５）护筒固定当护筒着床并定位后，重新测量校核，然后在钢护筒上焊接倒挂牛腿［１０］，使钢护筒固定在导向架上。然后向护筒内填入３５ｔ左右的碎石，以增大护筒在导向架拆除后底口稳定性。（６）护筒振动下沉使用龙门吊配合震动锤进行钢护筒沉放。护筒下沉不能进尺时，将钢护筒拔出５０ｃｍ，然后再下沉，让振动锤以空载振幅去冲击钢护筒筒尖土层［１１］。若进尺仍然微小，应停振检查，并对工况进行分析，确定是否改变振动参数试沉；或是否需要辅以射水、吸泥［１２］等手段进行下沉施工作业；必要时可采取钻机钻孔与振动下沉交替进行的方式施工，以保证护筒的入土深度。在振动过程中，振动锤、桩帽必须连接可靠，其中心与护筒轴线、钻孔桩中心应尽量保持重合，偏差控制在２０ｍｍ以内。下沉施工时要密切观察沉降过程，开始下沉施工时不要过快，中间停顿几次检查护筒是否歪斜，如果歪斜，须牵正或拔出重打。钢护筒插打完成后再次校核，保证护筒平面偏位≤±５０ｍｍ；倾斜度≤１％，否则护筒应重新施工。４结束语施工平台＋钢护筒是水中桩基施工的主要工艺，尤其是在深水墩桩基施工中，钢护筒的施工质量直接影响到桩基的成桩质量。乌龙江特大桥主墩３２根钻孔桩的孔位平面偏差、垂直度均符合验标要求，护筒本身及护筒与河床面的接触满足施工要求，桩基灌筑过程中均未出现异常状况。桩基通过声测管检测均完成良好，回波均匀一致。从侧面佐证了钢护筒的施工工艺及孔径、壁厚的选择是合适的。参考文献［１］④客货共线铁路桥涵工程施工技术指南［Ｓ］．［２］Ｑ／ＣＲ９２２５－２０１５铁路桥梁工程施工机械配置技术规程［Ｓ］．［３］ＪＴＳ１４４－１－２０１０港口工程荷载规范［Ｓ］．［４］ＧＢ５０００９－２００１建筑结构荷载规范［Ｓ］．２９铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（增１）·桥涵工程·［５］路桥施工计算网．ＲＢＣＣＥ计算软件［ＣＰ］．２０１５．［６］王圣彬．香港西铁全长钢护筒钻孔灌注桩施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２００３（４）：３１－３３．［７］ＧＢ５００１７－２００３钢结构设计规范［Ｓ］．［８］赵红专．钢护筒二次跟进在深水桩基施工中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２００７（５）：５７－５８．［９］田学林，王立辉．深水急流钢栈桥施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２００９（１２）：９－１１．［１０］王勇．水上栈桥设计与施工［Ｊ］．铁道建筑技术，２００７（Ｓ１）：１３－１５．［１１］杨适综．西江特大桥深水大直径钻孔桩基施工技术［Ｊ］．路基工程，２００９（４）：１９２－１９３．［１２］杜文举，周勇．深水大直径钻孔桩施工技术［Ｊ］．铁道标准设计，２００８（２）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪３９－４１．（上接第３７页）合龙按照先下弦杆、后斜杆，再上弦杆的顺序进行。合龙杆件首先通过２３＃～２５＃墩顶三向调整装置进行初调，然后通过布置在上下弦杆的对顶（拉）装置进行精调实现合龙。通过纵移千斤顶和竖向千斤顶以及在钢梁上加减配重等措施确保南北两端合龙口处的挠度及高差图４合龙杆件安装顺序符合要求，合龙口两端钢桁梁垂直面、南北两端水平位移一致；通过横移千斤顶确保合龙前南北两端钢桁梁平面中线在同一直线上［１１－１２］。合龙布置及安装顺序见图４。４施工监控主桥钢桁梁悬拼过程中，架设应力、挠度都较大，且必须保证临时墩的安全可靠，有必要对主体结构钢桁梁及大型临时设施实施有效地监测、控制，掌握其在拼装过程中的变化情况及安全度，及时采取措施应对，确保与设计工况一致。４．１监控内容根据施工工况和实际需要，确定监控内容有施工控制计算、钢桁梁杆件应力测试、位移测量和临时墩监测。对实测值及时与设计工况相比较，分析偏差产生的原因，若是由于人为因素引起的，采取措施消除；若由模型计算误差引起的，则修正计算参数，尽量保持与设计工况一致，更有利于下一阶段的施工。４．２监测方法根据施工控制计算，得出各工况最不利钢桁梁安装杆件的应力，在相应杆件断面采用带温度传感器的自补偿振弦式应变传感器进行应力监测。测量监测采用全站仪，主要监测钢桁梁安装过程中的挠度、中线、水平位移，以及临时墩变形、下沉量等。５结束语松花江公铁两用桥采取临时墩辅助悬臂拼装方法架设钢桁梁，根据现有地形和起吊设备能力设置临时墩，并布置了灵活的纵横移设备，为钢桁梁架设的顺利完成提供了有力保证。通过对钢桁梁进行有效监测，顺利实现合龙，产生了明显的经济和社会效益，为其它钢桁梁架设提供了参考经验。参考文献［１］王合希．滨北线松花江公铁两用桥改建工程总体设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（２）：１３－１９．［２］潘军．南京大胜关长江大桥三桁钢桁梁施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１１（６）：１１－１５．［３］章献．渝怀线长寿长江特大桥施工技术研究［弱］．成都：西南交通大学，２０１３：２６－３０．［４］李红征，薛志清．贵广铁路大跨度钢桁拱桥施工方法［Ｊ］．铁道建筑，２０１０（６）：４９－５１．［５］刘崇亮，涂生伟．将军渡黄河特大桥总体施工方案［Ｊ］．铁道建筑，２０１４（１２）：１３－１７．［６］胡广周，谭庆波．大跨度连续钢桁架拱桥半悬臂拼装临时墩合理标高计算［Ｊ］．广东公路交通，２０１３（３）：９－１１．［７］宋洪喜．郑州黄河公铁两用桥主桥施工方案研究［弱］．郑州：郑州大学，２０１０：１４－１８．［８］王双安，张发斌．４８ｍ简支钢桁梁桥安装施工技术［Ｊ］．水利水电施工，２０１５（５）：３１－３５．［９］李德坤，李芳军，朱云翔．长寿长江大桥钢梁架设方案及关键技术研究［Ｊ］．世界桥梁，２００３（１）：２１－２３．［１０］赵志尚，李芳均．万州长江大桥钢桁拱梁架设墩顶布置设计［Ｊ］．桥梁建设，２００７（Ｓ２）：１４－１７．［１１］戴福忠，刘学文，潘家英，等．南京大胜关长江大桥主跨钢梁合龙调整的过程控制［Ｊ］．铁道建筑，２０１１（５）：１５－１８．［１２］潘东发，李军堂．南京大胜关钢梁安装方案研究［Ｊ］．桥梁建设，２００７（３）：５－８．３９铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（增１）