钢管桩和军用梁组合支架跨河现浇箱梁施工技术.pdf

・桥涵工程・钢管桩和军用梁组合支架跨河现浇箱梁施工技术尹高杰（中铁十五局集团第三工程有限公司河南洛阳４７１０４１）摘要结合郑州至开封城际铁路跨贾鲁河４８ｍ现浇简支梁桥的施工情况，介绍一种下部为钢管桩临时支墩，上部为六四式军用梁与碗扣式满堂支架竖向组合的支架形式，总结了跨河支架现浇大跨度简支梁施工要点，以期为同类施工提供参考和借鉴。关键词六四式军用梁钢管桩跨河支架现浇４８ｍ简支梁中图分类号Ｕ４４５．３５文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１４）增１０１０７０４１工程概况新建郑州至开封城际铁路郑州特大桥３０９＃～３１６＃墩设计为７跨（４８＋３２＋３×４８＋３２＋４８）ｍ预应力混凝土箱梁，中间连续３个４８ｍ跨用于跨越贾鲁河主河道，两侧４８ｍ跨则跨越防洪大堤。各跨箱梁结构均为单箱单室等高度简支梁，其中３２ｍ跨采用预制架设，４８ｍ跨采用支架现浇。贾鲁河是淮河的一条支流，一年枯水期超过１０个月。枯水期水深２ｍ左右，水面宽度不超过５０ｍ；而夏季洪水期水深可达５ｍ，水面宽度超过２００ｍ。桥址所处地表表层为杂填土，深度０～２．５ｍ，地基承载力较低，仅有５０ｋＰａ。２方案比选贾鲁河桥设计采用圆形墩身，３×４８ｍ简支梁跨越主河道，在同类设计中较为少见。因跨度大，箱梁高度达到３．９ｍ，梁重达到ｌ４６２ｔ，也决定了无法使用既有的移动模架浇筑或是架桥机预制架设。根据贾鲁河桥的地形地貌、水文条件，以尽可能地降低成本，缩短工期为原则，在支架体系的选择方面主要考虑了以下３种方案。收稿日期：２０１４一０２一１８铁道建筑技术ＲＡ『ＬｗＡｙＣＯＮＳ丁尺ＵＣ丁ｆＯ～丁ＥＣＨ～ＯＬＯＧｙ（１）河床改道、碗扣式满堂支架方案。利用贾鲁河汛期时间短，非汛期流量小水面窄的特点，首先在枯水期将主河道两侧不跨河的边跨采用满堂支架现浇突击施工完成，之后将主河床改道至两侧边跨，硬化河道，完成中跨。该方案的优点是工艺简单、满堂支架搭拆快，节①②省工期。缺点是：河床改道土方工程量大。水利③部门审批手续复杂。满堂式支架对基底承载力要求较高，单纯地层换填无法满足荷载要求，必须辅以④桩基础进行深层加固硬化。满堂式支架无过水能力，必须在非汛期施工完成。（２）混凝土桩基临时支墩、双层军用梁支架方案。在跨中１／３位置处用钻孔灌筑法浇筑两排直径１ｍ混凝土桩基，每排３根，桩长４０ｍ。桩顶设混凝土盖梁，与墩身承台间搭设双层军用梁支架，支架的最大跨径１６ｍ，计算支架的挠度和强度满足荷载要求。①该方案优点是：混凝土桩基承载力高，沉降②小。军用梁支架架空设置，防洪效果好。缺点是：在河道中修筑混凝土临时结构影响行洪，使用完毕后按照水利部门要求必须拆除至永久冲刷线以下，破拆施工费时费力。（３）钢管桩临时支墩、单层军用梁支架方案。采用振动锤击法，用液压振动锤打设开口式钢管桩人土一定深度形成临时支墩。桩顶安放工字钢横２０１４ｌ增１）１０７万方数据・桥涵工程・梁，在横梁顶拼接单层军用梁做为纵梁，从而形成整个支架体系。①该方案的优点是：钢管桩做为临时支墩，在工程结束后仍可拔出，避免材料浪费，也不会②对河道产生影响。可打设多排钢管桩减小军用梁支架跨径，有利于控制支架变形。同样该方案的缺点也十分明显：一是钢管桩做为临时材料一次性投入过大；二是钢管桩承载力的确定无现成参考资料，需要进行试桩确定工艺参数，加大工程成本。综合地质条件、工期目标、经济性和安全性等各方面因素，在满足河道管理机构相关要求的前提下，对第三种方案进行改进，确定采用钢管桩临时支墩，单层六四式军用梁和碗扣式支架组合支架体系。该组合体系具有两个特点：一是军用梁支架架设高度低，只需高于河流洪水位即可，吊装空间大，方便安装和拆除。二是在军用梁上搭设碗扣支架，配合顶托螺杆，可以方便地调整梁底标高进行线形控制。３组合支架体系的设计３．１钢管桩临时支墩设计鉴于钢管桩能够提供的承载力大小在土层参数确定的前提下由钢管的口径和人土深度决定，口径过小，则入土深度增大，钢管需要多次接长，垂直度难以控制，施工时钢管易损坏；口径过大，钢管壁厚和重量相应增加，需要大口径、大功率打桩设备，经济性差。３．１．１单桩承载力计算根据设计图纸上的地质柱状图描述，河流永久冲刷线以下１２．５～１６ｍ为中密、密实细砂层，地基承载力２００ｋＰａ。继续深入则为２５０ｋＰａ密实粉土层。选择由１０２０×１０ｍｍ的螺旋钢管，按钢管桩桩尖进入粉土层，人土深度１６ｍ估算得出单桩承载力为７８ｔ（为保守起见，桩周土极限摩阻力值均取设计规范中的下限值，计算过程略）。正式施工前需通过静荷载试验法进行试桩以得出承载力与人土深度之间的关系，验算理论计算结果。３．１．２临时支墩钢管桩的布设形式由于钢管直径较大，桩间要保持一定间距避免群桩效应造成单桩承载力折减，每排支墩钢管桩数量不宜过多，考虑到桩顶工字钢横梁的长度为１２ｍ，因此每排钢管数量以３～５根为宜。按每排支墩打设５根钢管桩考虑，根据单根钢管桩的容许承载能力估算，共需在跨中打设５排共２５根钢管桩，同时在箱梁两端承台顶面上各安装一排５根拍１０×１０ｍｍ规格钢管柱做为梁端临时支撑。钢管桩之间用［１８ｂ槽钢水平撑、剪刀撑连接，相邻两排临时支墩排架之问用自制槽钢桁架连接，以提高临时支墩的横向和纵向稳定性。钢管顶部用２ｃｍ厚钢板封口。由于组成军用梁支架的端构架和标准三角支点位置固定，受跨径限制，支点位置沿跨中不对称，因此钢管桩临时支墩亦无法对称设置。钢管桩具体布设方式见图１。图１钢管桩布设（单位：ｃｍ）整体支架体系设计完成后，按照实际荷载对钢管桩的刚度、最大轴力、稳定性进行验算（计算过程略）满足设计要求。３．２军用梁、碗扣支架组合体系钢管顶部设置双拼１１４５ｂ工字钢做为横梁。在横梁上拼装１５片单层六四式军用梁做为主要承重梁，每片军用梁由２个２ｍ端构架和１０个４ｍ标准三角构成。在军用梁顶横向铺设１２０ｂ工字钢分布梁，用于支撑碗扣支架的立杆，并将荷载传递给军用梁。在分布梁顶搭设碗扣式支架，碗扣支架的高度应结合钢管桩支墩桩顶标高综合考虑：首先钢管桩桩顶要高于河流洪水位；其次碗扣支架高度至少大于１．５ｍ，方便人员站立作业并为后续军用梁拆除提供足够空间；最后碗扣支架高度不宜过高，以免支架安拆加固工程量过大。在贾鲁河桥中，箱梁底距离洪水位高差为４．９７ｍ，而单层军用梁高度为１．６６ｍ，因此碗扣支架总高不得超过３．３ｍ，再考虑工字钢横梁和方１０８铁道建筑技术尺Ａ『ＬＭｙＣ０～Ｓ丁ＲＵＣ丁『０～丁ＥＣ＿Ｈ～ＯＬＯＧｙ２ＤＴ４ｆ增ＴＪ国堕ｍ一吡一ｏｏｏｏｏ—ｍ—ｘ—Ｏｏｏｏｏｏ陀一．中～ｏｏｏＯｑ万方数据・桥涵工程・木高度，最终选择碗扣支架高度为２ｍ。支架结构形式见图２。碗扣式满堂架六四式军用渠图２军用梁碗扣式支架组合支架碗扣支架立杆横距和纵距在箱梁腹板下为３０ｃｍ，其余部位６０ｃｍ，水平杆步距１２０ｃｍ。整个碗扣支架按照规范要求设置水平和竖向剪刀撑。支架顶托上布置纵横两层双向ｌｏｅｍ×１０ｃｍ方木，方木间距３０ｃｍ。方木顶面铺１．５ｃｍ厚竹胶板用作梁底模。组合支架体系横桥向布置见图３。图３组合支架横桥向布置（单位：ｃｍ）４组合支架施工工艺４．１筑岛修建施工平台、跨河搭设人行栈桥由于贾鲁河枯水期水量小，水流缓慢，经过与河道管理部门协商，采用单侧堤岸堆士筑岛法，将水面宽度由５０ｍ缩减至３０ｍ以内，筑岛四周用１ｔ重尼龙砂袋进行围护，地面铺２ｃｍ厚钢板，使得履带吊、水泥罐车等重型机械能够进入施工。为方便两岸人员通行和进行钢管桩顶焊接作Ⅳ业，使用拉森型钢板桩搭设跨河简易栈桥。沿线路方向在水中打入两排钢板桩，顺桥向间距４ｍ，横桥向间距ｌｍ，钢板桩人土不小于４ｍ，桩顶高出水面１ｍ。在钢板桩顶跨河搭设两根１２０工字钢做为栈桥承重梁，上铺方木和竹夹板形成桥面。两侧设围栏并挂安全网防护，确保人员通行安全。铁道建筑技术只Ａ『ＬｗＡｙＣ０～Ｓ丁ＲＵＣ丁『Ｏ～丁ＥＣＨ￣０ＬＯＧｙ４．２振动沉桩法打设钢管桩４．２．１试桩正式开始钢管桩沉桩施工前首先进行试桩，确定施工工艺参数和检验桩的承载力，并出具完整的试桩资料。试桩采用锚桩法，利用已完成的水中墩桩基础做为锚桩，通过静荷载试验，得出钢管桩人土深度与桩基承载力之间的关系。经过试验，在人土深度到达河床冲刷线以下１６ｍ时，单桩承载力达到１２１ｔ，满足荷载要求。４．２．２测量定位在人行栈桥上按照既定位置放出各排钢管桩的横向轴线。沉桩时在线路纵横两个方向上用两台全站仪进行观测，发现桩位偏差或桩身倾斜及时纠正。４．２．３钢管桩沉桩考虑到钢管口径较大，为避免沉桩过程中，钢管受力不均发生倾斜，振动打桩锤选用ＤｚＰｌ５０型液压双夹头变频振动锤，采用１台５０ｔ履带吊车起吊锤头。由于钢管长度均为１２ｍ定尺，打桩前先要将钢管接长至需要长度。接长时要注意焊接质量并在钢管内外壁沿圆周补焊８块４０ｃｍ×２０ｃｍ与钢管相同厚度钢板进行补强，保证接头强度。打桩时，首先用一台辅助吊车将钢管竖直立起，然后５０ｔ履带吊车起吊振动锤夹紧钢管，吊车移动至桩位，开始锤击沉桩。钢管桩受高频激振力和锤头重力的共同作用逐渐下沉。根据地质资料和试桩成果，钢管桩打设以人土深度控制为主，桩尖达到设计标高时，根据施工经验，此时贯人度若小于５ｍ瑚／ｍｉｎ即可停止打桩。４．３六四式军用梁拼装军用梁运输进场后，使用５０ｔ履带吊车在墩位附近河漫滩上进行拼装，由于场地较为平整，同时履带吊车大臂较长，可以行走作业，可将拼装好的梁片直接吊装至河道内的临时支墩上。梁片搭设作业顺序如下：（１）按照临时支墩间距不同，将军用梁构件分别拼装成８ｍ和１２ｍ两种长度，其中支架两侧的节段中各含一个２ｍ长的标准端构架。（２）将拼装好的节段逐段吊装至临时支墩上，２Ｄ７４ｆ增７Ｊ１０９万方数据・桥涵工程・连接成整体。（３）每跨１５片军用梁全部吊装就位并连接完成后，使用配套专用连接系槽钢，对各片军用梁进行横向连接。（４）使用２ｍｍ厚钢垫片对军用梁与１４５ｂ工字钢横梁之间的缝隙进行填塞，避免军用梁受荷载后产生过大不均匀变形。４．４碗扣式支架搭设碗扣式满堂支架用钢管规格为舭８×３．５ｍｍ，—钢管壁厚不得小于３．５０．０２５ｍｍ。在军用梁顶面按照３０ｃｍ的横向间距铺设１２０ｂ工字钢，工字钢顶面标示出满堂支架位置线。由于碗扣支架底座直接放置在工字钢上，而１２０ｂ工字钢翼缘宽度仅７ｃｍ，因此首先要保证工字钢的安放精度，其次支架搭设必须按照从一端向另一端进行的顺序，以方便随时微调工字钢位置，确保碗扣支架底座轴心线与工字钢中心重合。４．５支架预压和变形观测支架预压有两个目的，一是检验整个现浇梁支架系统的稳定性和承载能力；二是消除支架的非弹性变形并通过变形观测获得弹性变形数据，从而调整支架预拱度，控制箱梁线形。箱梁底模铺设完成之后，按照箱梁混凝土重量的１１０％进行预压。用每袋重量１ｔ的袋装沙土按照混凝土自重的６０％、１００％、ｌｌＯ％分三级进行加载。全部预压荷载施加完成之后，持荷时间超过４８ｈ后，并且连续１２ｈ沉降量平均值差值小于２ｍｍ时，再分级卸载。变形观测断面分别在箱梁端头、临时支墩、相邻支墩问中点布设，全梁共１３个断面。每个断面上水平方向设置三排观测点，分别设在钢管桩顶双拼１４５ｂ横梁上、箱梁底板和箱梁翼缘板上，用于采集钢管桩的沉降数据和支架整体弹性、非弹性变形量。４．６预拱度设置通过对支架预压获得的变形观测数据进行整理，得出两个结论：一是钢管桩在预压过程中沉降量较小，预压结束时已基本无变化。二是各截面弹性变形相差不大。分析原因是军用梁计算跨度小（最大仅为８ｍ），同时碗扣式支架也较好地对上部荷载进行了分散。考虑到混凝土的收缩徐变和落１１０铁道建笳技术架后的变形，将预拱度统一设置为支点处ｌｃｍ，跨中１．５ｃｍ，其他各点按折线进行分配。在混凝土浇筑过程中，必须严格按照规范要求水平分层浇筑，避免偏载，同时做好变形观测，利用碗扣支架易于调整标高的优点，对箱梁线形进行控制。４．７支架的拆除当箱梁完成预应力张拉及压浆后，即可进行支架拆除作业。首先按照由跨中至两端的顺序松掉碗扣支架顶托，使得支架卸荷，从一端至另一端拆除全部碗扣支架；其次将军用梁按照拼装时的相反顺序断开成较短的节段，使用吊车逐片从梁底拉出。最后使用振动锤拔出钢管桩，恢复河道。支架拆除时需要特别注意的是箱梁已经浇筑完成，桥下净空有限，需要将大吨位履带吊车的吊臂拆卸降低至满足作业空间要求，相应的钢管桩也要在拔出时逐段割除。５结束语铁路客运专线桥梁施工中，当设计采用非标准长度简支梁，而箱梁难以预制或架桥机无法架设时，支架现浇是较为经济和方便的施工方式。架空水面的支架现浇梁施工使用振动沉桩法打设钢管桩临时支墩，施工迅速，节省工期，支墩的承载力也有保障，同时也有钢管投入量大，材料成本高的问题。六四式军用梁与碗扣式满堂支架组合体系在工程实践中也表现出结构轻便、构造简单、搭拆方便，作业空问大，受力理想，易于箱梁线形控制的优点。采用多跨４８ｍ现浇简支梁跨越河流在设计中并不常见，由于工期紧迫，各跨必须同时施工，支架材料和模板投入较大。受条件限制，梁体结构无法变更为悬灌连续梁，否则将大为节省施工成本。参考文献［１］郭宏伟．军用梁支架法跨既有铁路箱梁施工技术研究—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（８）：５２５７．［２］李运涛．多种支架组合在山区公路现浇箱梁施工中的—应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１１（１）：７２７５．［３］中铁二局集团有限公司，中铁二十四局集团有限公司．ＴＢ—１叭１０２０１ｌ铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２０１１．ＲＡｌ¨ＶＡＹｃＯＮｓＴＲＵＣＴ｜ｏＮＴＥｃＨＮＯＬｏＧＹ２０１４ｌ增１ｌ万方数据