可通航钢便桥设计与施工技术研究

张立华

（中铁二十局集团第四工程有限公司 山东青岛 266061）

1 工程概况

1.1 大桥概况

白沙水特大桥桥址位于深茂铁路江门至茂名段台山市白沙镇境内，跨河主槽为（32+48+32）m连续梁，采用挂篮悬臂浇筑施工。主跨墩台79#和80#位于河床岸边，采用筑岛进行钻孔桩施工和钢板桩围堰进行承台和墩柱施工。

1.2 地质和水文情况

白沙水河面宽度约为51 m，常水位0.56 m，水深约为3.7 m，受潮汐影响较大，水深受潮汐的影响在1～3 m范围。白沙水河为Ⅶ级通航河流，航道净宽为32 m，通航净空4.5 m。通航船舶一般为运输砂石料及钢材的货船，每天有少量船只通行。地勘报告揭示，河床表层为淤泥质土、砂砾石、灰岩层，厚3～23 m，极限承载力为1 500 kPa。该区域为岩溶区，岩溶发育，溶洞较多，而且河床岸边存在有零星抛石和孤石。

1.3 设置通航钢便桥的必要性

（1）桥址附近主要为农田和水塘，两岸地势起伏不大，无其它公路桥梁跨河。为了方便大桥施工所需砂石料、钢材及混凝土的运输，需要在大桥一侧修建钢便桥以拉通两岸施工便道。

（2）该河每天有少量船舶通行，如果按通行的净空要求建设钢便桥，桥面的标高就比较高，与两岸便道的连接需要更长的填筑路基，或设置比较大的坡度上桥。两岸路基填筑长度有限，较大的坡度也不利于安全性，而且建设高位便桥对于桥台和钢管桩基础都有较大的投入。综合比选，选择了低位便桥方案，需要通航时将通航跨提升起来，船只驶过后再将通航跨降落（见图1）。

图1 钢便桥立面及平面

2 钢便桥设计

2.1 钢便桥应具备的功能和参数

该钢便桥通行车辆主要为拉运钢材的挂车和混凝土罐车（12 m3），罐车满载最大集中载荷为50 t。河水最低常水位+0.560 m，考虑潮汐影响1～3 m范围，则钢便桥主梁底标高可考虑+3.560，在最高水位时考虑通航净空4.5 m，则便桥抬高后主梁底标高为+8.060。便桥通车状态和通航状态的标高按以上标高确定，便桥宽度按单车道，净宽4 m。

2.2 钢便桥跨径设计和主梁器材选用

白沙水河通航跨度为32 m，通行小型的货运船舶。通过与航道与海事部门沟通，同意建设（12+24+12）m跨径的三跨钢便桥，其中通航跨24 m，满足通航要求。

钢便桥主梁当前选用最多的是321贝雷梁，多数采用9 m或12 m跨。根据贝雷梁的力学性能［1］，通航跨24 m需要更多的片数并采用加强杆件［2］，或采用双层拼装形式，需要投入的贝雷梁数量较多。通过比选，拟采用自有的六四式铁路军用梁［3］，如图1所示，采用单层4片。军用梁宽度52 cm，间距52 cm，从力学性能和经济性上都优于贝雷梁。

相关参数:集中载荷最大的为混凝土罐车，集中载荷按50 t计；单片六四梁上下弦杆许用拉压力为100 t，梁高1.5 m；单片六四梁（含布设的桥面）均布载荷为 300 kg／m。单片动载 P＝50 t／4＝12.5 t，恒载 q＝0.3 t／m，通航跨跨度 L＝24 m。

当行车载荷至跨中时，弯矩M＝PL／4+qL2／8＝96.6 t·m，则单片梁的弦杆拉压应力F＝M／1.5＝64.4 t。考虑1.3倍的容许应力系数［4］，则拉压力为83.72 t，小于弦杆的许用拉压应力100 t，抗弯强度满足条件，而且有可靠的安全系数。

履带吊吊装六四式军用梁时，履带吊自重和吊重为60 t，但其只在12 m的边跨上行走，力学检算也能满足要求［5］。

三跨钢便桥的主梁不连续，每跨主梁两头为端构架，支反力在端构架的下弦杆上，布局合理。

2.3 钢便桥下部结构设计

下部结构包括两岸桥台、钢管桩基础、纵横垫梁等。

（1）桥台采用C25混凝土，扩大基础，台阶状。台阶平台放置承担主梁的垫梁，台阶的背墙为挡土墙。

（2）钢管桩基础采用四根φ600×10螺旋钢管，纵向×横向为2×3.5 m间距。钢管桩之间设置立面和平面剪刀撑，用槽钢焊接。

（3）钢管桩顶部割出纵向槽体，槽体上平铺14 mm厚钢板，纵向两钢管之上槽体放置纵向垫梁，采用两片400工字钢，工字钢与钢管接触夹角位置焊接三角形牛腿。在纵梁上布置两组横梁，分别用于支撑边跨和通航跨的主梁。横梁采用两片400工字钢，与主梁用U型螺栓连接，两个边跨所用横梁与下垫纵梁焊接，通航跨两头的横梁放置在纵梁上加工的限位槽体内，不与下垫纵梁焊接。

2.4 钢便桥桥面设计

由于六四式军用梁宽52 cm，军用梁间距也是52 cm，四片梁顶面由六四梁的8根上弦杆（160槽钢）构成一个平面，这为桥面布置提供了方便，力学支撑更加合理，其总体跨度也适合车辆比较均匀地把载荷分布到各片军用梁上。桥面采用300槽钢横向扣放，长度4 m一根，每根间隙2 cm，便于用U型螺栓将槽钢与军用梁上弦杆连接。便桥栏杆采用48 mm的钢管制作，高1.4 m。

2.5 钢便桥提升装置设计

提升装置包括门架、扁担梁、提升卷扬机、电气控制系统等，具体见图2。

图2 钢便桥提升装置（单位：m）

（1）门架共两个，通航跨的每头各一个，门架由钢管桩基础和上垫梁组成。便桥每侧两根钢管桩，纵向间距2 m，高度按提升4.5 m计算。钢管桩顶部割出槽体，铺设钢板，两根钢管桩槽体纵向放置两片400工字钢。纵梁上方布置两片横向垫梁，两片垫梁采用400工字钢，间距80 cm，垫梁间用16槽钢焊接成一个整体。

（2）扁担梁实际为通航跨主梁下方的横向垫梁，用U型螺栓与4片主梁连接为一体。扁担梁与下方的纵向垫梁是分离的，只是放置在限位槽体内，同时为便于下降过程中扁担梁准确就位，其限位装置加工成喇叭口式，起到导向作用。

（3）采用四台2 t的卷扬机，每个门架上方两台，其吊点位置与扁担梁的端部吊点位置处于一个垂度上。每台卷扬机配备两个滑轮组，其中上方的定滑轮悬挂在门架横梁间的圆钢上。滑轮组采用两轮片，钢丝绳走5道，提升额度为10 t，总提升额度为40 t。通航跨总重量为32 t，满足载荷要求。

（4）电气控制系统包括控制柜、行程开关、操作手柄等。其中控制柜包含空气开关、接触器、熔断器、继电器等，具有过载保护、失压保护、短路保护等功能，既可统一操作四台卷扬机进行升降作业，又可单独操作某一台卷扬机进行调整。两个门架都安装了上行和下行行程开关，到达预定极限后不停止作业，行程开关被触动而断电。

3 钢便桥施工

首先要在现场平整出设备停放场地和器材拼装场地，将便桥所需钢管桩、工字钢、连接系槽钢、桥面槽钢、护栏钢管、六四军用梁器材等运送到场地内。在进行桥台施工的同时，进行垫梁的加工及器材的拼装，待桥台混凝土强度满足后开始施工一个边跨，然后设备转场到对岸，施工另一个边跨，最后设备移至已施工的边跨上安装通航跨。根据该桥情况，选取50 t履带吊和60型振动锤进行钢管桩的打设与军用梁的吊装，另安排一台16 t汽车吊配合装卸车、钢材加工和器材拼组。租用一艘小船用于配合水上焊接等施工［6］。

3.1 钢便桥下部结构施工

3.1.1 桥台施工

（1）根据设计图纸，用全站仪和水平仪测量确定桥台位置。

（2）自卸车外运土方至施工现场，挖机填筑施工平台。

（3）修筑临时围堰，外围堆码双层草（麻）袋，中间填筑黏土心墙。

（4）放坡进行基坑开挖。

（5）基坑开挖完成后，用抽水机抽干围堰内积水。施工期间在围堰内挖积水坑，随时将水抽干。

（6）支立模板，混凝土浇筑，完成桥台施工。

3.1.2 钢管桩打设

（1）待桥台混凝土强度满足后，填筑桥台背墙后便道，履带吊开到桥台后采用钓鱼法用振动锤逐根打设钢管桩［7］。钢管桩打设深度控制以设计深度为主，以振动锤打设贯入度为辅［8］。

（2）钢管桩打设到水平面以上1 m左右仍需打设时，接桩然后继续打设，直到钢管桩下沉缓慢，振动锤出现反弹，说明管桩贯入度满足承载力和稳定性要求。

（3）4根打设完成后按标高要求截除多余管桩，割出槽体，焊接平面钢板。

（4）吊装纵横垫梁，焊接边跨下方的垫梁。通航跨主梁下方的垫梁放置到限位槽体中临时固定。便桥的一个下部结构施工完成，另一个水中下部结构按同样方法施工。

3.1.3 溶洞与孤石的处理

（1）在打设钢便桥小里程方向两根钢管桩时，到一定深度后出现了快速下沉的情况（3 m左右），该两根管桩接桩长度也相比其它桩长出不少，应为管桩穿透了溶洞。为增加管桩的承载力，采取了接桩补打，以振动锤打设贯入度为控制标准，同时抽排管桩内泥水，管桩内灌注混凝土，灌注深度以达到河床面以下进行控制，以便拆除便桥时潜水员沿河床面割除钢管桩。

（2）在打设大里程方向立柱的某一根钢管桩时，遇到了打设深度比计算深度严重不足并有少量移位的情况，疑似遇到了孤石。适当变化位置增设了一根钢管桩，并用联接系将两根管桩进行连接，垫梁也适当加长，搭设在三根管桩上。

3.2 钢便桥上部结构施工

（1）上部结构施工包括钢便桥主梁、桥面、护栏的拼装架设。主梁拼装在现场进行，采用16 t汽车吊将军用梁的三角架、弦杆、端构架用钢销连接起来。两个边跨分别在桥台后方用履带吊采用钓鱼法逐片吊装就位，然后通过U型螺栓与垫梁连接，再用U型螺栓和槽钢将4片主梁连接起来，增加整体稳定性。

（2）把已经加工好的桥面槽钢吊装到主梁上，然后人工铺设到位，每根槽钢用4个U型螺栓进行连接。

（3）在铺设好的桥面两侧焊接护栏后刷漆，完成上部结构施工。

3.3 钢便桥提升装置施工安装

提升装置施工安装按以下顺序进行:门架钢管桩打设——剪刀撑焊接——垫梁吊装焊接（含定滑轮悬挂圆钢）——卷扬机吊装就位——滑轮组安装——电气控制安装——钢丝绳缠绕等。除电动装置外都与便桥下部结构类似。

3.4 钢便桥的试运行

（1）钢便桥施工完成后进行质量验收，然后进行行车试验，先小型车辆再增大到大型车辆；检查桥台、便桥钢结构在试运行过程中沉降量和下挠度，在允许范围内则通过验收。

（2）启动升降装置，检验通航跨的起升和降落是否平稳、极限行程开关是否有效、下降入槽是否顺利和准确，一切正常通过验收（见图3）。

图3 钢便桥现场

4 钢便桥通行和通航安全防护

4.1 钢便桥通行安全防护

钢便桥护栏和升降门架刷红白间隔油漆，部分间断刷夜间反光漆；便桥门架上安装照明，便于夜晚车辆通行；两侧桥台路基上设立限速和限载标志，限速10 km／h，限载50 t；设立便桥告知牌，写明用途，严禁社会车辆通行。平时安排专人对便桥进行交通管理，发现超载、超速和社会车辆进行拦截，通航时设置临时栏杆禁止车辆通行。

4.2 钢便桥通航安全防护

（1）与有关航道、海事管理部门沟通。钢便桥设计满足通航条件和防洪条件［9］，申请办理钢便桥施工作业许可证，拟定有航道、海事部门批准的《大桥施工期水上交通安全管理暂行规定》，以便根据施工需要按时发布航行通告，告示船舶通过桥区航道的安全注意事项［10］。

（2）钢便桥在施工期间设置连续黄色警示灯，标示便桥的位置，便桥通航跨安装时禁止通航。在上下游200 m处各设置一块施工告知、限高牌和限速牌，做好警示工作；在航道上下游100 m位置，设置有关航道信息的标志，如信号标、界限标等。

（3）安排专人监护过往船舶的安全通过，与当地海事部门联合监控，禁止船舶在施工水域上下游200 m内追越、相会，防止事故发生，切实保障船舶安全通过。

（4）在便桥通航孔上设置醒目的桥梁净空提示牌、航标等警示标识，提醒过往船只注意安全，不允许碰撞。

5 钢便桥的维护及拆除

5.1 钢便桥的维护

定期检查内容包括:桥台和钢管桩的沉降情况；有洪水过后需要测量桥台和钢管桩的冲刷及埋深情况；军用梁和垫梁的变形情况；桥面的变形和槽钢移位情况等。一旦有大的沉降和结构变形则中断车辆通行，对发现的异常情况进行分析，修复后才能恢复通行。日常维护工作包括:定期紧固垫梁、军用梁、桥面上的U型螺栓；及时清理桥面上的泥土。

5.2 钢便桥的拆除

待铁路工程结束后进行钢便桥拆除。拆除工程有更大的安全风险，需制定安全专项方案［11］，严格按顺序施工。拆除顺序为架设的逆过程，只有灌注水泥的超长钢管桩无法用振动锤拔除，在潮汐最低水位时安排潜水员下水在河床上切割钢管桩，用吊车吊装河床以上的管桩。军用梁在岸边场地分解，然后运回器材仓库。

6 可升降钢便桥的扩展应用

（1）有更大通航宽度要求的，可以将六四式军用梁拼装成双层结构，并根据载荷情况增加片数，最大跨度可达50 m。

（2）在某些河流上每年都有一定时间的汛期或凌期，一般都是提前拆除钢便桥的上部结构，保留下部结构，待汛期或凌期过后再恢复，耗费很大的财力物力。有的得到洪峰即将来临的消息，来不及拆除，洪水漫过主梁，被大量漂浮物冲垮。采用多跨可升降的钢便桥度汛和度凌，避免了反复拆除安装。

7 结束语

钢便桥使用了三年多的时间，没有出现过异常情况，通行车辆和通航都很顺利，得到了实践验证。该可升降钢便桥结构已获得国家实用新型专利［12］，对于有类似需要可升降钢便桥的施工项目不失为一种良好的方案，并可推广至度汛和度凌使用。