（中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西，西安，710043）
Wildcats temporary bridge across the river reservoir design and construction techniques Qianjiang to Zhangjiajie to Changde railway
Zhang，Qifeng
(CR17BG No.2 Engineering Co.，Ltd.，Xi’an，710043，China)
【摘 要】黔江至张家界至常德铁路站前工程QZCZQ-3标野猫河大桥施工中，需新建施工便桥以跨越野猫河水库，桥址区基岩密度大、挤压摩擦阻力大，打入钢管支撑柱较为困难。在此工程背景下，设计了大跨度钢管桩贝雷桁架梁施工便桥，文章阐述了其设计方法及施工措施，为以后同类桥梁的设计、施工提供了参考。
【关键词】钢管桩；贝雷梁；水库；便桥
【Abstract】Qianjiang to Zhangjiajie to Changde former railway station project QZCZQ-3 standard Wildcat River Bridge construction, new construction required temporary bridge to span the wildcat River Reservoir, bridge site area bedrock density, extrusion frictional resistance, is more difficult to break into steel support column . In this engineering background, design large-span steel truss girder pile Bailey temporary bridge construction, the article describes the design method and construction measures for future similar bridge design and construction provide a reference.
【Keywords】Steel pipe pile; Bailey beam; Reservoir; Temporary bridge
1 工程概况
新建黔江至张家界至常德铁路站前工程QZCZQ-3标野猫河大桥为跨越野猫河水库而设，其起讫里程DK43+346.75~DK43+ 689.95，位于曲线半径R=2800m、坡度i=4.647‰的坡道上，桥梁全长343.2m。梁跨结构布置为(36+64+40)m连续梁+(5-32m+1-24m)简支T梁。本桥32m、24m简支T梁均采用预制场预制架桥机架梁，连续梁为悬浇施工。
河道内桥址地质条件表层约3~5m厚为粉质黏土，无基本承载力设计值；以下均为不同风化程度的灰岩及岩溶空腔，基本承载力σ0 =1000kpa。
常水位桥跨处河道宽度大约65m，设计正常蓄水位为766m，最高蓄水位为768.44m，常水位下河水深约10m，河道与桥梁线路基本正交，便桥跨越处河面宽度约60m。
2 设计、施工的难点和重点
根据设计院地质勘查，河床表层覆盖的约3~5m厚粉质黏土基本没有承载能力，便桥桩基础必须置入下层灰岩岩层内。由于灰岩密度大、挤压摩擦阻力大，打入钢管支撑柱难度较大，需要较大振动锤及特制桩帽，钢板桩打坏、更换损失率较高。
3 便桥总体设计方案
一般情况下，便桥高度按50年一遇洪水位设置。便桥跨河处最高水面高程768.44m，此高程已为水库蓄水高程，故不再考虑洪水位高程。为方便钢管平联施工，贝雷桁架梁底设置高度为770.5m。
根据现场地形条件，便桥设置于主桥上游约10~15m处，与主桥平行布置，见图1所示。便桥全长60m，桥面宽度7m，满足双车通行需要。采用321型(普通型)贝雷桁架梁，标准跨径12m，总计布置5跨。下部结构除桥台设计为M10浆砌片石外，其余下部结构均采用钢管桩基础。钢管桩在河床以上最高外露12m，按摩擦桩设计，打入灰岩层深度不少于4m，钢管桩全长9～16m。第2孔设一座刚性制动墩，刚性制动桥墩采用四根钢管支撑柱，排距3m；其余为双根柔性钢管支撑桩，桩心距5.2m。桥面纵向按平坡设置，桥面设计标高772.45m，便桥桥跨布置示意图如图2所示。
便桥支撑桩(柱)采用ø500×10mm钢管桩；柱顶上横梁采用2根I50b工字钢，插到钢管支撑柱的柱顶卡口上，并焊接连接板锁固；上部纵向跨越采用3组(6片)普通型贝雷桁架梁，每两片桁联成整体，桁联间距90cm，与下层支撑横梁间使用U形螺栓锁固；贝雷桁架梁上横向分布梁采用I28a工字钢，纵向布置间距150cm，与贝雷桁架梁间使用U形螺栓锁固；桥面系为I14工字钢分配梁，间距40cm，与下层I28a工字钢焊接；桥面板铺7000×1500×10mm 轧花钢板，与I14工字钢焊接。桥面两侧设置75mm等边角钢护栏，高度1.2m。便桥横向结构布置图如图3、图4所示。
图1 野猫河大桥施工临时便桥平面位置示意图
图2 便桥桥跨布置纵断面示意图
图3 便桥柔性墩横断面结构布置示意图(单位：mm) 图4 便桥刚性墩横断面结构布置示意图(单位：mm)
4 便桥结构安全性验算
4.1 检算参数及技术标准[1]
材料主要参数取值为：A3钢设计控制强度ƒ=215MPa，剪切强度ƒv=125MPa；钢材弹性模量取值E=2.1×105MPa。
风荷载：根据《公路桥涵设计通用规范》[2]相关内容，查得桥址区50年一遇平均风速的风荷载为0.3kN/m2，单跨贝雷桁架及外露钢管桩面积为6.37m2，计算风载仅1.9kN，可忽略不计。
水流力：桥址区处于水库，下游不远处即为溢流坝，为静水状态，流水压力可忽略不计。
便桥设计车速：5km/h。
车行荷载的冲击系数取1.1，衡载系数取值1.2，活载系数取值1.4。
4.2便桥设计荷载
根据桥梁下部施工需要，主要过往车辆及设备考虑为：冲击钻机总重约25t(考虑1.3冲击系数)，10m3砼罐车、汽车吊(吊重50t)，50t履带吊(吊重含冲击按40t计)，为便桥设计荷载。
以上通过车辆、设备的最不利荷载单车按Q=1000kN，作用于双轴轴距4.0m，此荷载远大于实际荷载，计算时结构自重可予以忽略。双向会车，前后间隔一孔无荷载工况。
4.2.1 钢管桩分担的最大荷载
其最不利荷载为在钢管支墩处会车，此工况下单根钢管桩分担的最大荷载：P=1000kN。
4.2.2 贝雷桁架梁的结构内力计算[3]
（1）贝雷桁架梁的荷载简图如图5所示。
图5 贝雷桁架梁最不利工况荷载简图
考虑双向会车，单车单轴500Kn，合计1000kN。
（2）贝雷桁架梁的最大内力
计算结果如图6所示。
4.2.3 一次主梁内力计算[3]
一次主梁的荷载简图如图7所示。
图6 贝雷桁架内力简图
图7 一次主梁受力简图
因最外侧4片贝雷桁架均置于钢管桩及其牛腿上，属于跨径范围外，此处一次主梁仅承担压力，故一次主梁弯矩和剪力计算仅需考虑中间2片贝雷桁架受力。
受力模型为受集中荷载的简支梁结构，计算跨距3.95m，参数取值为：a=1.525m、b=0.9m、c=1.525m，
4.3 便桥主要构件结构承载能力计算
4.3.1钢管支撑桩
（1）按摩擦桩设计，验算打入深度
河床表层淤积粉质黏土约3~5m厚，承载能力很低。为计算简便，忽略其承载能力。支撑桩按摩擦桩计算，置于灰岩层内，灰岩层基本承载能力σ0=1000kPa。
支撑桩采用ø500×10mm钢管，其周长为1.57m，外周面积0.2m2，打入灰岩层深度4m。按开口管计算其单桩承载力为[4]：
式中，Qd为单桩轴向承载力设计值，kN；γR为单桩轴向承载力分项系数，采用经验值取1.5；U为桩身外周长，m；qfi为单桩极限侧摩阻力，根据经验按基本承载力σ0的30%取值，kPa；lfi为桩身穿过深度，m；η为承载力折减系数，采用经验值取0.8；qR为单桩极限端阻力，kPa；A为桩身外周面积，m2。
将取值代入公式，求得：
大于单桩荷载1000kN，安全系数1.36，满足要求。
（2）验算钢管桩的支撑能力
支撑桩打入灰岩层4m深，入岩以上高度12m。钢管桩下端实为刚接，支撑柱两端按铰接结构对待。ø500×10mm钢管横截面惯性矩Ix=46220cm4，横截面积A=154cm2，回转半径i=17.33cm，长细比λ=69.2，属于短杆，折减系数ψ=0.843。 Q235钢材强度设计值取ƒ=215MPa。
钢管桩的允许支撑能力为：R=ψAƒ=2791kN，大于P=1000kN，强度安全储备系数K=2.79，满足要求。
4.3.2 验算贝雷桁架梁的承载能力
每孔布置3组(6片)普通型贝雷桁架梁，最大跨度12m。设计为连续梁，工况考虑相邻跨无荷载，实际相当于简支梁结构。
（1）贝雷桁架梁的物理几何指标
（2）验算抗剪能力计算
6片贝雷桁架梁的抗剪能力为：[T]= 245.2n=1472KN，大于Tmax=1000kN，满足要求。
（3）验算贝雷桁架梁的抗弯能力
6片贝雷桁架梁的抗弯能力为：[M]= 788.2n=4729.2KN-m，大于Mmax=4000kN-m，满足要求。
4.3.3 验算2I50b工字钢一次主梁的承载能力
从4.2.3计算可知主梁最大弯矩Mmax= 762.5KN-m，最大剪力Tmax=500KN。
一次主梁采用I50b工字钢梁，材质为Q235钢材。其几何特征指标为：横截面积A=129cm2，竖向惯性矩Ix=48556cm4, Ix/Sx=42.3cm，d=14mm。设计强度控制值ƒ=215Mpa，剪应力ƒv=125MPa。
（1）求所需根数n
由应力法得公式：
≤ƒ=215MPa。计算得：n≥1.83根，取2根。
（2）剪力验算
最大剪切应力： 
，安全系数K=2.96，满足要求。
4.3.4 贝雷梁上I28a及I14工字钢分配梁及桥面板均为施工便桥常规做法，其强度、刚度及布置方式均强于《装配式公路钢桥多用途使用手册》中桥面系构件，无需详细计算。
根据结构承载能力验算，计算结果满足安全性要求，方案可以实施。
5 主要工序施工工艺及施工方法
5.1 主要工序施工工艺
桥台属常规施工工艺，本文着重论述钢管桩及上部结构施工，便桥施工工艺流程如图8所示。
图8 便桥施工工艺流程图
5.2 主要工序施工方法
5.2.1 打设钢管桩
便桥架设，利用桥上架桥的施工方法进行，从一侧岸边开始向另一端架设。履带吊车站在已完桥面上，吊着震动锤——锤击钢管桩。
正式打桩施工前，应对首根钢管桩进行打桩试验。通过试验摸索打桩进度、打桩激振力、打桩深度等参数，以此推算承载力及打入深度。根据首桩实验结果，制造打桩钢垫或者打桩帽。打桩使用50吨履带吊车。小船配合定位及其它辅助工作。吊车吊打桩锤，打桩锤吊(管钳)钢管桩，对正位置后开动振动锤，打入钢管桩。
开始打桩时，以小振动力激打，待钢管桩位置准确、稳固后，再施加较大激振力激打，直至打入设计的承载力深度。中间接桩时，采用对接焊接长，管内衬短管补强。
先从大里程末墩开始打桩，每打完一座桥墩后，及时找平钢管桩，安装2I50b工字钢横梁，焊接钢管桩纵横桁联支撑，架设贝雷桁架梁，铺设桥面系。吊车上便桥前行，接续施工下一孔。
沉桩时，在桩顶与替打之间设置有适当弹性的桩垫。桩垫要厚薄均匀，尺寸尽量与桩顶断面相同。桩垫厚度要求为：采用纸垫时，为10～12cm(锤击后高度)；采用木垫时，为8～10cm。
桩身靠自重下沉稳定后，复测桩位，确认符合要求后解主吊钩吊索，指挥放下替打，接近桩顶时，暂停、观察桩顶与替打的桩帽是否对正，如有偏差，移动吊钩使之对正再放下替打。压锤时，密切注意桩位变化，测量复测桩位，调整好桩位继续压锤。锤击过程中注意滑桩、桩头破碎、桩的贯入度是否已达桩锤使用极限、涌浪等情况。
5.2.2 打桩施工要点及注意事项：
（1）每根桩的下沉一气呵成，不可中途间歇时间过长，以免桩周的土恢复，继续下沉困难。
（2）测量人员现场指挥精确定位，在钢管桩打设过程中要不断检测桩位和桩的垂直度，并控制好桩顶标高。下沉时如钢管桩倾斜，及时牵引校正，每振1～2min暂停一下，并校正钢管桩一次。
（3）钢管桩之间的接头必需满焊，加劲板也需满焊并符合设计的焊缝厚度要求。经现场技术员检查钢管桩接头焊接质量合格后方可打设钢管桩。
5.2.3 桁联施工
钢管桩柱顶采用ø426×6mm钢管做平联，桁联底标高在施工时水库水位以上即可。桁联施工最好选在水库放水期或低水位期进行，使桁联露出水面，便于吊装焊接作业。
每墩钢管桩打完就安装桁联，安装时用卷尺量测出钢管桩间实际间距，并据此加工桁联，桁联钢管在后场下料加工制作。将桁撑的一端按钢管桩的弧度要求下好料，同时按弧度准备好咬合接头。在前场施工中，先将下好料的一端与钢管桩按设计位置对好位并调平桁联焊接，然后用咬合接头板将另一端与钢管桩焊接，再在已沉设好的钢管桩上用油漆做出桁联位置标记，在桁联顶口上方1.5m处焊两个临时吊耳，其上挂手拉葫芦。当吊运的桁联钢管到预定位置时，用手拉葫芦配合将其安装就位并焊接牢固。
桁联与钢管桩焊接形成全周连接角焊缝，焊角高度为8mm，特别注意桁联两侧及下部与钢管桩的焊接质量。
5.2.4 下横梁及贝雷梁安装
2I50b工字钢梁，采用整体安装就位，安装好后用电焊联结成整体，焊缝高度为8mm。
贝雷梁预先在陆上或已搭设好的栈桥上按每组尺寸拼装好，然后运输到位，吊放在2I50b工字钢横梁上。同时为了降低横梁和纵向贝雷梁之间的刚性接触所引起的不良效果，以及减少贝雷梁的磨损，需在贝雷梁和横梁之间垫设橡胶支垫，以达到缓冲目的。贝雷桁架梁与2I50b横梁间，焊接[8限位槽，并使用U形螺栓锁固，防止横向滑移和纵向串动。
图9 U形螺栓现场安装照片
5.2.5 架设横向分配梁、铺设桥面系及附属结构
贝雷梁安装完成后，在其上部安装I28a@1500mm工字钢横向分配梁，横向分配梁采用M24“U”型卡口与贝雷梁连接，再在其上铺I14@400mm工字钢纵向分配梁，上层铺设尺寸为7000×1500×10mm轧花钢板作为桥面。如遇与“U”型卡与螺母冲突时，适当调整其间距。栈桥两侧栏杆高1.2m，纵向间距1.5m，采用75等边角钢或者ø48×3.5mm焊接钢管焊接，焊在栈桥横向分配梁I28a上，在栈桥下游侧横向分配梁上用T型螺栓固定护轮木，将主要电缆和输水管等设施搁置在上面，以减少对交通的干扰。
6 各项施工注意事项
6.1 打桩施工要点及注意事项
（1）打桩以控制桩尖设计标高为主，同时结合贯入度法进行双控。当桩尖已达到设计标高，而贯入度较大时，应继续锤击，使接近控制值。当最后下沉速度与计算值相差不多，且振幅符合规定时，才认定为合格。注意沉桩过程中严密注视钢管桩的锤击下沉速度，若在沉桩过程中出现急速下沉，或无法下沉到设计标高时，应及时取得主管技术人员的处理措施。
（2）每根桩的下沉要一气呵成，不可中途间歇时间过长，以避免桩周土的恢复，继续下沉困难。
（3）振动锤与桩头夹持牢固，无间隙或松动，否则振动力不能充分向下传递，影响钢管桩下沉。在振动锤振动过程中，如发现桩顶有局部变形或损坏，要及时恢复。
（4）测量人员要全程现场指挥并准确定位，在钢管桩打设过程中要不断的检测桩位和桩的竖直度，并控制好桩顶标高。下沉时如钢管桩倾斜，及时牵引校正，每振1～2min要暂停一下，并校正钢管桩一次。
（5）钢管桩之间的连接必须满焊，各加劲板也需要满焊并符合设计的焊缝厚度要求。经现场技术人员检查钢管桩链接焊缝质量合格后方可打设钢管桩，不符合的一律拆除返工。
6.2施工要求及注意事项
（1）钢管桩：进场时按照《桩用螺旋焊缝钢管》SY/T 5040-2000验收钢管，施工时检查接头焊缝及加劲板焊缝设置是否满足图纸要求、施沉时垂直度(偏差≤1%)及平面位置的控制(双排桩80mm，单排桩50mm以内)。
（2）桁联钢管：施工时检查平联管的具体下料长度是否与实际要求一致(偏差≤1cm)，平联接头焊缝长度及厚度是否满足本设计要求。
（3）下横梁2I50b工字钢：施工时检查主梁自身接头的焊接质量、主梁与钢管桩顶部的焊接固定是否满足本设计要求，对于个别桩位偏差较大者，必须针对具体情况采取包括增设牛腿等方法确保质量。
（4）321贝雷梁：施工时重点检查摆放位置、节点插销及保险栓的设置、水平撑、竖直撑以及支点处与下承重梁间的型钢限位设置是否与本设计一致。
（5）横向分配梁I28a：施工时检查位置是否按照图纸要求布置在321贝雷梁的节点位置及设计间距(150cm)，避免贝雷梁水平杆局部承受过大剪力，以及是否与321贝雷梁间采用螺栓限位设置。
6.3钢管桩无法打入时的处理方法[6]
根据设计提供的地质参数，结合现场设计参数，便桥桩基础须置入下层灰岩岩层内。由于灰岩密度大、挤压摩擦阻力大，打入钢管支撑柱具有较大的难度。因此，针对钢管桩可能出现无法打入的情况，制定以下处理方法，施工时根据现场条件择优选用。
6.3.1 冲击引孔锚固法
先做临时支撑平台。在平台上架设钻机，先钻设直径ø600~700mm孔，孔入灰岩层以下3m深后，插入ø500mm钢管桩，再在钢管桩内灌注水下混凝土锚固。
6.3.2 钢管桩内钻孔锚固法
先做临时支撑平台。将钢管桩打入河床灰岩层上，打不动为止。再在临时支撑平台上架设钻机，在钢管桩管内冲击钻孔，孔径略小于钢管桩内径，钻入灰岩层以下3～4m深。钻孔到位后，吊放钢筋笼(钢管桩内至少锚固3m高)，再在钢管桩内灌注水下混凝土锚固。
钢管桩直径略大一些为好，便于使用较大重量冲击锤。钢管桩直径根据现场锤击锤条件、冲击进尺速度确定。为防止钢管桩底部砸烂，在底部2～3m高范围内加厚管壁，或者增设双层钢管桩。
6.3.3 植筋锚固法
将钢管桩打入河床灰岩层上，打不动为止。在钢管桩内钻ø75~100mm孔、深入原状岩石3m，插入Φ32mm精轧螺纹锚固钢筋，再往钢管桩内填筑大碎石，埋过精轧螺纹。
精轧螺纹锚固钢筋长度为：河床原状岩石锚固至少3m深，钢管桩内搭接至少3m深，每根钢管桩至少锚固3根。锚固钢筋捆绑注浆管，最后从孔底压注水泥浆，直至填满钢管桩内所填碎石。
6.3.4 增设水下临时锚固混凝土承台
将钢管桩打入河床灰岩层上，打不动为止。在钢管桩外围下放钢板单壁套箱，沉入河床上。套箱高度不低于2m。再在套箱范围植锚固筋，最后在套箱内灌注水下混凝土。锚固钢筋河床原状岩石层锚固深度不少于2m，套箱内锚固长度2m。
7 结语
在桥梁施工中，经常需要采用钢便桥作为运送材料的辅助通道，便桥设计的相关案例并不少见，但已有文献基本属于单独设计或单独施工部分。本文以跨越野猫河水库施工便桥为例，既论述了便桥的方案设计，又详细描述了施工方法，并结合现场实际条件，阐述了在钢管桩无法打入时的特殊情况的处理办法，为类似工程施工提供了很好的借鉴意义。
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[6]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].人民交通出版社，2007
作者简介：
张奇丰(1979-)，男(汉族)，河南焦作人，中铁十七局集团工程师，主要从事桥梁施工。
论文作者:张奇丰
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年2月供稿
论文发表时间:2016/5/25
标签：钢管论文; 便桥论文; 桁架论文; 荷载论文; 锚固论文; 岩层论文; 工字钢论文; 《工程建设标准化》2016年2月供稿论文;