杭州灣跨海大橋70m箱梁出海碼頭棧橋設(shè)計與施工

杭州灣跨海大橋70m箱梁出海碼頭棧橋設(shè)計與施工宋小三葉榮華周功建郭戰(zhàn)平（中鐵大橋局集團(tuán)一公司杭州灣大橋工程Ⅷ標(biāo)項目部）摘要：杭州灣跨海大橋70m箱梁出海碼頭棧橋是采用鋼箱梁滑道、鋼筋砼承臺、預(yù)應(yīng)力砼管樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工，成功解決了70m大跨度預(yù)制箱梁陸地預(yù)制與海上架設(shè)銜接難題，為杭州灣跨海大橋70m預(yù)制箱梁順利出海架設(shè)奠定可靠基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：杭州灣跨海大橋箱梁出海碼頭棧橋設(shè)計施工一、概況杭州灣跨海大橋是國道主干線－同三線跨越杭州灣的便捷通道。大橋北起嘉興市海鹽鄭家埭，跨越寬闊的杭州灣海域后止于寧波市慈溪水路灣，全長36Ｋｍ。大橋水中區(qū)南、中引橋及高墩區(qū)引橋均為70米箱梁，采用整孔制、運(yùn)、架一體化方案，單片梁重達(dá)2200噸，為國內(nèi)第一。杭州灣跨海大橋70m箱梁預(yù)制場位于杭州灣跨海大橋上游15公里處，預(yù)制場總面積約16.5萬平方米，該預(yù)制場主要施工任務(wù)是完成杭州灣大橋水中低墩區(qū)引橋及高墩區(qū)南北航道引橋540片箱梁預(yù)制任務(wù)。70m預(yù)制箱梁為單箱單室截面，箱梁頂寬，底寬，梁高，箱梁懸臂，梁面橫坡2%，腹板為斜腹板，斜坡1：。為將540片70m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁（每片重約2200噸）橫移出海，并滿足預(yù)制場及部分施工材料的運(yùn)輸，需建設(shè)一座杭州灣跨海大橋70m箱梁出海碼頭。所建碼頭水域主要受潮流控制，徑流有一定影響。潮流性質(zhì)屬于不正規(guī)半日淺海潮流，潮流運(yùn)動的基本形式為往復(fù)流。根據(jù)所測資料，該水域最大漲落潮表面流速為/s,最大落潮表面流速為/s。該水域多年平均高潮位,多年平均低潮位，歷史最高潮位+，歷史最低潮位.碼頭處水域表層為厚約2～4m的淤泥，以下為軟塑可塑狀粉質(zhì)粘土間、夾粉土及粉砂的互層土，在標(biāo)高-50m以下為強(qiáng)度較高、呈密實狀的粉砂、粉土或呈可塑狀且力學(xué)指標(biāo)較好的粉質(zhì)粘土等。碼頭設(shè)計高潮位:,設(shè)計底潮位：,極端高潮位：,極端低潮位。圖1杭州灣跨海大橋70m箱梁出海碼頭總布置圖碼頭使用年限為5年。橫移箱梁荷載：預(yù)制梁重2200t，每個支點(diǎn)設(shè)計豎向力600t汽車運(yùn)輸?shù)朗褂煤奢d為30t，設(shè)計車速為10km/s碼頭堆積荷載按5Kpa計碼頭靠系纜墩按泊1000t級船只（十級風(fēng)及以上離港避風(fēng)）計箱梁出海棧橋布置在預(yù)制場的中間，與5#制梁臺座相對處。棧橋采用雙側(cè)布設(shè)，每側(cè)布設(shè)一道箱梁橫移滑道、單線汽車運(yùn)輸?shù)兰叭诵械溃p側(cè)棧橋的滑道中心間距65米。每側(cè)棧橋橫移滑道下主梁采用鋼箱梁，鋼箱梁為全連續(xù)結(jié)構(gòu)，鋼箱梁節(jié)段之間采用栓焊組合的形式連接，頂?shù)装搴附樱拱宀捎媚Σ列透邚?qiáng)螺栓栓接，摩擦面采用噴鋁技術(shù)。鋼箱梁第一跨（跨子堤）跨度均為12米，其余跨度均為6米。碼頭棧橋總長。岸上基礎(chǔ)及水中第一排基礎(chǔ)采用2-φ鉆孔樁和1-φ鉆孔樁及鋼筋混凝土承臺結(jié)構(gòu)。其余跨下樁基礎(chǔ)采用φ預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（直樁和斜樁）組成，樁長30～60米。樁頂設(shè)高低鋼筋混凝土承臺，在低承臺上擺放鋼箱梁，在高承臺上擺縱梁及鋼枕，作為汽車運(yùn)輸?shù)?，運(yùn)輸?shù)缹?米。鋼箱梁內(nèi)側(cè)利用簡易牛腿設(shè)檢修道。為防止運(yùn)架船?？咳×簳r的撞擊力，在運(yùn)架船的靠系船墩及防撞墩上采用標(biāo)準(zhǔn)橡膠護(hù)舷DA-A500H，護(hù)舷和承臺之間采用鋼結(jié)構(gòu)支架連接。另外考慮移梁及物資運(yùn)輸要求，分別在鋼箱梁的內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別設(shè)置人行走道和單線汽車運(yùn)輸?shù)?。箱梁出海碼頭棧橋總體布置見圖1。二、方案比選總體方案設(shè)計在本碼頭的整個設(shè)計過程中起著至關(guān)重要的作用，它決定著施工方案的取舍和成本投入的高低，其結(jié)構(gòu)型式的可行性、實用性、經(jīng)濟(jì)性，往往需要根據(jù)施工條件、機(jī)具設(shè)備、工期要求，經(jīng)過反復(fù)論證后才能最后確定。設(shè)計方案的比選和優(yōu)化在本碼頭設(shè)計施工中發(fā)揮了顯著的成效，比選的方案總數(shù)達(dá)到10個以上，充分考慮了實施方案的經(jīng)濟(jì)性和實用性。最終實施的總體設(shè)計方案、施工方法及工藝經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)、合理、實用，確保了工期和工程質(zhì)量。碼頭選址處子堤外約400m為海鹽灣深槽，是現(xiàn)行秦山核電廠重件碼頭出海航道，碼頭選址于此對于萬噸級運(yùn)架船的進(jìn)出碼頭和箱梁運(yùn)輸十分便利。因碼頭必須滿足平移70m箱梁的特殊功能要求，再加上地形、潮流條件特點(diǎn)，決定了碼頭需按雙線棧橋的總體結(jié)構(gòu)形式布設(shè)，棧橋上兩平移滑道中心間距為65m在多種方案比選中，最具代表性的三種方案的特點(diǎn)及主要優(yōu)、缺點(diǎn)如下，經(jīng)過認(rèn)真篩選、反復(fù)論證，最終選擇了方案三作為實施方案。1、方案一參考已實施的東海大橋70m箱梁出海碼頭的結(jié)構(gòu)型式，下部結(jié)構(gòu)采用φ鋼管樁，群斜樁布置，大型鋼筋混凝土承臺結(jié)構(gòu)；上部結(jié)構(gòu)采用主、次鋼梁并設(shè)聯(lián)接系的形式，靠系船墩布置在棧橋前端上游側(cè)，與棧橋在同一條直線上。考慮用一艘打樁船插打管樁，吊箱圍堰法施工承臺，防撞設(shè)施全部安置于承臺上，履帶吊機(jī)拼裝鋼梁。主要優(yōu)點(diǎn)：樁基抵抗水平力的能力強(qiáng)；上部結(jié)構(gòu)采用主、次鋼梁形式，整體性強(qiáng)，安全性高。主要缺點(diǎn)：因漲落潮和地形的限制，斜管樁的插打?qū)⑹掷щy；防撞設(shè)施使承臺加厚，吊箱圍堰的施工周期長將制約施工進(jìn)度；靠系船墩與棧橋布置在同一直線上不利于運(yùn)架船的拋錨?？?；鋼樁的成本較高；主、次鋼梁及其聯(lián)接系的加工和安裝比較繁瑣。2、方案二下部結(jié)構(gòu)型式采用鋼排架，普通墩采用φ1.2置。施工時，鋼管樁插打采用履帶吊機(jī)輔助“吊打”，斜樁的插打利用導(dǎo)管架，由岸上往海側(cè)推進(jìn)，待鋼管樁插打完畢后，將鋼管樁上部用型鋼焊接形成鋼結(jié)構(gòu)桁架式承臺。承臺結(jié)構(gòu)的焊接均在無水狀態(tài)下進(jìn)行。主要優(yōu)點(diǎn)：施工設(shè)備位于岸上，雙側(cè)棧橋碼頭可由岸上往海側(cè)同時推進(jìn)，施工進(jìn)度有保證；下部結(jié)構(gòu)的焊接作業(yè)利用低潮位易于操作。主要缺點(diǎn)：所需鋼料的成本投入過高；樁的整體性受力效果較差，樁基抵抗水平力的能力較弱；管樁特別是斜管樁的“吊打”較難控制，對吊機(jī)起重能力及運(yùn)輸?shù)莱休d力的要求亦較高。3、方案三（實施方案）下部采用柔性單排樁小承臺的結(jié)構(gòu)型式，每個普通承臺下設(shè)三根φ1.0主要優(yōu)點(diǎn)：PHC管樁代替鋼管樁顯著節(jié)約成本；承重主樁均為直樁，易于插打；鋼箱梁的拼接及型鋼梁汽車道的鋪設(shè)簡單快捷；靠系船墩在棧橋前端按喇叭口形布置，有利于運(yùn)架船的拋錨停靠及離港，護(hù)弦鋼支架利用低潮位焊接十分便利，節(jié)約工期。主要缺點(diǎn)：樁基抵抗水平力的能力較弱，但經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對移梁水平力的傳遞處理，樁基承載力及水平抗力均能滿足規(guī)范和使用要求。在按照方案三進(jìn)行施工圖設(shè)計中，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要及施工設(shè)備，對碼頭部分結(jié)構(gòu)作了如下技術(shù)處理，鋼箱梁主跨6m，每節(jié)段長12m，重約19t,節(jié)段之間采用栓焊組合的連接方式，頂、底板焊接，腹板采用摩擦型高強(qiáng)螺栓栓接，摩擦面采用噴鋁技術(shù)，鋼箱梁為全連續(xù)結(jié)構(gòu)，岸端固定于地基梁上，在各墩頂設(shè)單向活動盆式支座，橫橋向設(shè)拉壓支座，可沿縱向伸縮；運(yùn)架船靠系船墩及碼頭前端防撞墩采用標(biāo)準(zhǔn)橡膠護(hù)舷，護(hù)舷頂部支撐于承臺上，底部支撐于鋼結(jié)構(gòu)上，材料碼頭系纜墩采用油枕護(hù)舷；為便于碼頭存梁，在碼頭前端防撞墩處設(shè)置３個存梁臺座。三、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)碼頭設(shè)計中，水位、臺風(fēng)、水流、波浪、地質(zhì)、運(yùn)架船等各種計算參數(shù)的取值對結(jié)構(gòu)影響較大，荷載計算較為復(fù)雜和繁瑣，主要包括移梁荷載、結(jié)構(gòu)物自重、支座摩阻力、波浪力、系纜力、船舶撞擊力、擠靠力、水流力，在設(shè)計中嚴(yán)格按照海港碼頭的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，其中高水位時，作用在鋼箱梁上的波浪力對基樁的設(shè)計影響很大，在本設(shè)計中大膽嘗試創(chuàng)新的柔性直樁小承臺結(jié)構(gòu)也是建立在對荷載詳細(xì)分析計算的基礎(chǔ)上。經(jīng)過使用樁基專用程序、專業(yè)軟件《橋梁博士》、通用大型有限元程序Algor16等多個軟件計算分析，為方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)，保證了結(jié)構(gòu)安全。碼頭下部結(jié)構(gòu)的PHC單排柔性直樁小承臺結(jié)構(gòu)，防撞設(shè)施、運(yùn)輸?shù)馈撓淞杭袄瓑褐ё葮?gòu)造設(shè)計簡捷、受力明確，具有創(chuàng)新性。四、箱梁出海碼頭棧橋施工及應(yīng)用由于杭州灣大橋工期緊張，箱梁出海碼頭建成時間和工程質(zhì)量直接影響后期預(yù)制箱梁出海架設(shè)，同時棧橋開工時間正趕上杭州灣的臺風(fēng)季節(jié)，施工時間非常緊張。因此棧橋施工的前期就得充分考慮棧橋施工的各個環(huán)節(jié)，提前做相關(guān)統(tǒng)籌策劃工作，以保證箱梁出海碼頭棧橋施工一步達(dá)優(yōu)。具體施工準(zhǔn)備工作如下：1、施工前準(zhǔn)備工作（1）提前進(jìn)行控制網(wǎng)聯(lián)測，為箱梁出海碼頭施工建立獨(dú)立控制網(wǎng)。（2）聯(lián)系預(yù)應(yīng)力混凝土管樁廠家。（3）聯(lián)系大型運(yùn)輸船舶，辦理相應(yīng)海事手續(xù)。（4）積極同有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)廠家聯(lián)系，并進(jìn)行多方比較，選擇好的廠家進(jìn)行鋼箱梁加工。（5）在鋼結(jié)構(gòu)選定的同時，到相關(guān)廠家聯(lián)系扭矩扳手。（6）根據(jù)鋼箱梁吊重要求，選擇相應(yīng)吊機(jī)。2、預(yù)應(yīng)力砼管樁插打施工預(yù)應(yīng)力砼管樁采用全站儀測量定位，“MH100”型“大橋1號”打樁船插打的方法施工，根據(jù)打樁船吊高、吊重要求對超出打樁船吊高范圍的管樁采用法蘭連接兩次插打的施工方法。管樁插打的過程中共分為：吊樁、喂樁、管樁定位、插樁、施打、接樁再插打六步。在預(yù)應(yīng)力管樁插打的過程中，預(yù)應(yīng)力管樁施工按標(biāo)高和貫入度雙控，其中標(biāo)高為主控，貫入度為輔。施工過程中并對部分管樁做大應(yīng)變進(jìn)行管樁承載力檢測，確保管樁的完整性和承載力要求3、砼承臺施工對岸上鉆孔樁承臺采用明挖基礎(chǔ)方式施工，對預(yù)應(yīng)力管樁承臺采用“高樁吊掛”法施工。即從管樁頂端的法蘭焊接鋼板及吊筋，完成承臺底平臺吊掛，對承臺側(cè)模采用拉筋對拉的方法施工。其施工過程如下：（1）搭設(shè)樁頂平臺，從樁頂法蘭處焊接鋼板及吊筋。（2）安裝底平臺。（3）測量放線，底模定位安裝承臺底模。（4）綁扎鋼筋安裝側(cè)模。（5）檢測驗收澆注混凝土。（6）養(yǎng)生、竣工檢測。4、鋼箱梁施工鋼箱梁安裝時根據(jù)鋼箱梁最大吊重26t的吊重要求控制，采用65t履帶吊機(jī)進(jìn)行逐跨安裝，安裝到位后的鋼箱梁接頭處的高強(qiáng)螺栓用檢校過的電動扳手進(jìn)行緊固，并用檢校的扭矩扳手抽檢校核，最后對鋼箱梁的上下蓋板接頭采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行焊接，并進(jìn)行探傷檢測。5、防撞護(hù)舷安裝防撞護(hù)舷采取岸上進(jìn)行支架焊接組裝，汽車運(yùn)輸?shù)轿缓蟀惭b橡膠護(hù)舷，在低潮位時用65t履帶吊機(jī)逐個起吊、安裝的施工方法。6、箱梁出海碼頭棧橋應(yīng)用該出海碼頭建成后已經(jīng)投入使用，效果很好，截至2006年2月7日已出梁193片，見圖2圖2小天鵝碼頭取梁圖六、結(jié)束語杭州灣大橋Ⅷ標(biāo)箱梁出海碼頭所處地質(zhì)條件復(fù)雜，潮差大（達(dá)7m以上）、波浪高（達(dá)4m以上），受臺風(fēng)影響嚴(yán)重，橫移70m箱梁荷載大，總體方案以及在設(shè)計中采用的PHC單排柔性直樁小承臺結(jié)構(gòu)、防撞設(shè)施、鋼箱梁拉壓支座等結(jié)構(gòu)具