西村港跨海大桥栈桥设计与施工技术

邓加成

（中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016）

0 引言

目前在国内外出现大量跨河跨海桥梁施工，为了保证桥梁正常施工作业，施工便道采用钢栈桥的形式比较多，针对跨西村港大桥施工环境特点，并综合考虑施工进度与工程造价可題，最终设计钢栈桥与钻孔平台辅助主桥施工，钢栈桥施工便道不仅能够解决海上桥梁施工没有合适的操作空间的技术难点，而且还提供了安全、舒适的海上施工作业平台，同时对于海域环境没有污染，桥梁建成后容易恢复沿线海域环境，并不影响设计通航。

1 工程概况

西村港跨海大桥项目是广西北海市重点建设工程，是连接贯通银海区银滩东区、竹林组团及海洋产业园的“百里海岸海滩海景大道”，也是北海产城融合、打通向海经济发展之路的财富通道。大桥位于西村港出海口处，西起渤海路，向东延伸，跨越西村港后落地与林一路相交。由西引桥、主桥、东引桥三部分组成，全长 2 544.4 m。其中桥梁长度 1 775.8 m，设计采用双向 6 车道，荷载标准城-A 级，行车速度 60 km/h，通航限界 110 m×12.5 m。主桥采用半漂浮体系双塔双索面景观斜拉桥，跨径布置为 38.9 m+70 m+238 m+70 m+38.9 m，主梁为钢混叠合梁结构，桥宽为 38 m，主塔 20 #、21 # 墩高度为 84 m，呈汉代铜凤灯造型，有“凤冠琴韵”之称。西引桥长 720 m，东引桥长 600 m，均采用跨径 30 m、40 m 简支箱梁，分幅布置。根据工程规模特点及总体施工安排，需在东、西两岸堤坝间修建临时钢栈桥一座，以满足主桥海上施工作业人员、运输建筑材料和机械设备通行（见图 1、图 2）。

图1 西村港跨海大桥主栈桥贯通俯视图

图2 西村港跨海大桥主栈桥侧立面图

2 钢栈桥重难点分析

2.1 栈桥是辅助桥梁的关键通道

项目工期紧任务重，原建设工期由 900 d 压缩至720 d，施工组织管理难度大，各项施工准备工作需超前计划安排，而主栈桥是修建西村港跨海大桥的生命线和交通要道，必须为主体施工创造有利条件，对于主桥、东西引桥各墩位能否尽早开工和顺利实施具有关键作用，保证水上施工变为陆上施工的通道物流运输通畅。

2.2 受水文地理环境影响施工难度大

桥位处海岸线距离约为 1 495 m，潮位标高约3.0 m，两岸地面标高为 3.0～4.5 m。受潮汐影响，纵向海床标高为 -0.65～1.1 m，航道处最深可达 -1.5 m，地势低缓。潮位低时滩涂区域出现，海面宽度为 150 m 左右，低潮水位为 -0.85 m，海运船只易搁浅。岩土成因主要为第四纪冲、洪积及滨海沉积作用形成的黏土、粉质黏土和砂类土，管桩入土液化塑性大。同时，上游分布有“铁山港”等大型企业时有航运出海，受通航需求可多次拼拆重建。每年四月至九月是雷暴、雷电活动频繁期，属典型沿海雷暴活动的“多雷区”，遇龙卷风、台风或暴雨、大雨，年雷暴天数 83 d，“雷害”防范风险高，必须加强防范预控措施。

2.3 钢结构安装施工难度大风险高

栈桥下部结构采用“钓鱼法”［1］施打钢管桩，上部贝雷梁组拼与钢构件吊装、联结焊接工序多，各种周转材料一次性投入大，水上作业专业性强，承重支撑体系稳定性要求高，且需满足主桥钢箱梁大吨位构件上栈桥吊装作业，其工艺技术必须进行专项设计、受力检算与专项评审，严格执行各项操作规程，确保栈桥质量安全受控。

2.4 栈桥地处生态保护区环水保要求高

项目桥址属于热带湿热区气候与 Ⅲ 类海洋大气环境区，又跨越“金海湾红树林”和虾塘生态保护区。施工中，坚持“环保、安全、合理、适用”的绿色施工原则，定时安排专人到岸滩清理垃圾，严禁排放污染海水，最大限度节约资源、保护环境和减少污染。

3 栈桥结构优化设计

3.1 桥位选择

根据西村港跨海大桥工程规模特点及总体施工安排，桥位选择在东、西两岸堤坝间 4 #～33 # 墩北侧上游，总体平行于大桥方向，栈桥与主桥中心线相距 22 m，且两岸纵向贯通，其端头与两岸海防堤坝外便道相接。考虑栈桥实用性、经济性，各主墩承台平面大小不同，在东、西引桥与主桥交界处设加宽弯道，栈桥中心线与同侧边线错位间距均为 4 m，最宽处辅助墩承台边缘距栈桥中心线 22.8 m，引桥墩承台边缘距主栈桥中心线为 14.5 m。

3.2 总体结构设计与技术参数［2］

栈桥由西栈桥 4 #～18 # 墩、通航道 18 #～23 # 墩、东栈桥 23 #～S33 # 墩段三部分组成，采用钢管柱贝雷梁结构形式，总长度为 1 450 m。设计行车速度 10 km/h，主栈桥荷载不小于 800 kN，支栈桥荷载不小于 1 000 kN，桥面控制标高 5.8 m，底面标高为 4 m，累年最高潮位 3.3 m，保证栈桥梁部构造高于累年高潮位 0.7 m，使用年限 2 年。

下部结构采用φ630×10 mm、φ529×10 mm 钢管桩，单根长度 19～22 m，单墩单排 3 根，制动过渡墩双排 6 根。墩柱高 3～6 m，桩间剪刀撑［20 b 联结系横向连接，桩顶设桩帽、牛腿加劲板，上铺 2I40 a 工字钢横梁，横梁与贝雷梁限位架、墩柱焊接连接。

经比选，确定跨径为 12 m，主栈桥、主墩支栈桥（沿墩周一圈）纵梁采用四组 8 片贝雷梁，桥面宽度为8 m（见图 3）。每联中间设一处双排制动墩，每三联有一孔 6 m 制动跨，其它为 3 m 制动跨，每三联一组正好与三孔边跨位置相对应，单联长度 39 m 或 42 m，支点均设置在贝雷梁节点竖杆位置。引桥墩、主桥边墩及辅助墩支栈桥垂直于主栈桥下游修建，在制动墩附近交会，跨径 6 m 或 9 m，纵梁采用三组 6 片贝雷梁，桥面宽为 6 m，保证车辆在主、支栈桥间顺利转弯过渡（见图 4）。在主桥东、西两端锚跨范围左右设叠拼式弯道［3］，单侧加宽4 m（见图 5、图 6）。考虑跨航道段及东栈桥通过主桥钢梁运输车，横向分配梁采用工字钢 I25b@300，西栈桥分配梁采用工字钢 I20b@300。桥面系铺设厚 10 mm 花纹钢板，两侧设防护栏杆。

图3 主栈桥及主墩支栈桥横断面

图4 引桥及边墩支栈桥横断面

图5 17 #～19 # 墩叠拼式弯道平面布置图

图6 叠拼式弯道横断面图

3.3 受力检算

3.3.1 荷载

栈桥拼装与使用期间采用 QUY75 履带吊，主臂33 m，最大工作幅度为 15 m，自重 68.6 t，配重 25 t。DZ 60 振动锤及夹具重 5 000 kg，每孔单组 2 片贝雷梁最大吊重为 2 400 kg。10 m3罐车总重为 400 kN，按单车重力 10 % 计算，单支墩制动力为 50 kN，桥面系冲击系数［4］为 1.303。施工人员与机具荷载为 1.5 kN/m2。

3.3.2 使用期贝雷梁受力检算

1）有限元模型以 MIDAS 整体建立三维模型如图 7 所示。仅对主栈桥贝雷支架受力数据分析，利用有限元软件 midas civil 计算。

图7 栈桥三维模型

2）贝雷梁挠度、应力按多跨 12 m 连续梁建模，履带吊按偏心 50 cm，罐车按偏心 60 cm 计算。履带吊、罐车最大挠度 f=28.5 mm＜12 000/400=30 mm；罐车偏载会车时，弦杆最大轴力 415.6 kN＜560 kN；竖杆最大轴力 293.9 kN＞210 kN，支点处单竖杆需加强，并注意控制偏载；斜杆最大轴力 157.5 kN＜171.5 kN，满足要求［5］。

3）桥面结构检算桥面系均为常规做法，详细计算分析略。

3.3.3 临时支墩结构检算

1）荷载及计算模型竖向荷载分别取罐车荷载、履带吊荷载，不计水流荷载、潮汐荷载及风荷载。钢管桩柱按底部铰接考虑（见图 8）。

图8 临时支墩结构模型

2）墩顶横梁检算考虑履带吊、罐车偏载及栈桥自重，横梁最大弯应力为 113.6 MPa，最大剪应力为 75.5 MPa，均满足受力要求。

3）支墩轴力［6］罐车偏载自重作用下，单排墩边立柱轴力最大为 485.9 kN。主桥钢梁运输车及自重作用下，单排墩中间立柱轴力最大为 555.9 kN。根据φ630×10 钢管截面特性，按最长外露 6 m，单桩长细比 27.4，查表 ψx=0.945，立柱弯应力为 46.8 MPa。同理，φ529×10 钢管单桩长细比 32.7，查表 ψx=0.926，立柱弯应力为 60.6 MPa。均满足要求。

4）支墩基础检算采用桩底标高和贯入度进行双控，以现场实际承载力与贯入度的测试值。钻孔勘探资料显示，12 # 墩附近地层承载力较差，管桩φ630、φ529最小入土长度分别为 19 m、22 m。桩顶反力 600 kN，单桩承载力 1 496.37 kN，竖向力特征值 748.18 kN。

4 施工关键技术

4.1 施工方法与工艺

自西岸、东岸堤坝位置起分两个作业面，依次同步平行于主桥方向展开施工，再于跨通航段海上相应主墩附近位置合龙成桥，并适时增加资源投入，同步展开主桥各墩位支线栈桥、钻孔平台的搭设施工。钢管桩、贝雷桁片、各类型钢等周转材料采用平板车运输，现场组拼安装就位。钢管桩采用“钓鱼法”插打，全站仪控制桩位，每天按成桥 12 m 计。每个作业面各配备一台DZ 60 型振动锤，一台 50 t 履带吊配合插打钢管桩，辅助一台 400 kW 发电机、四台 BX-315 电焊机。必要时，采用 DZ 90 型振动锤、75 t 履带吊插打拔除管桩。

每排管桩打设完毕后，在桩顶摆放大横梁，依次成组安装贝雷梁，再铺设桥面系。每孔栈桥完成后，应进行安全检查和验收，合格后方可通行车辆，继续下一孔栈桥施工。

施工中，在已架设的栈桥上，将一孔单组跨贝雷梁悬挑，端头安装临时导向架（见图 9）。将管桩吊入定位架内，履带吊小钩起吊点在管桩 1/3 桩长位置，桩端用双夹具固定。待桩身和振动锤重力下进入河床后，通过全站仪和锤球观测桩位，对讲机指挥履带吊前后、左右摆动，以调整管桩垂直度。检查无误后启动振动锤，将管桩振入河床。进入海床 2～3 m 后可松开吊钩，让管桩在振动锤的作用下继续打入，直至插打成桩。

图9 栈桥临时导向架

4.2 施工控制要点

1）编制跨海栈桥安全专项施工方案，绘制栈桥施工图，进行专项结构优化设计与受力检算，经通过方案评审后方可实施。

2）当首节管桩顶位于导向架以上 1～1.5 m，停止振入，移开振动锤进行管桩满焊接长，并增焊加劲板。进入持力层后，最后 10 击平均贯入度不超过 2～4 mm 时停打。打桩精度控制在 H/100 范围内，且不得超过 5 cm。

3）主栈桥与支栈桥、平台连接处的顶部分配横梁应通长连接，同向行驶的重型车辆不得同时处于一联栈桥内，保证车辆和栈桥结构安全［7］。遵循轻车避让重车的行驶原则，且行驶速度不得大于 5 km/h。

4）合理使用和必要的维护是维持栈桥使用寿命的有力保障。使用期需定期进行全方位的检查和保养。

5）因打桩时振动锤对桩身周围振捣导致土体液化，减少了桩身土质的摩阻力，为确保钢栈桥稳定性，在钢栈桥施工完成后不得立即使用。待停放三天，经验收合格方可投入使用。

6）使用期间设置沉降观测点，定期观测冲刷情况，检查贝雷桁架连接处和各构件的焊缝，做好钢栈桥的监控测量。

7）遇大潮汛情、大雾、台风等灾害性天气，在安全撤退海上全部机械设备人员后，关闭栈桥，待解除警报后再使用。

8）支栈桥在对应桥墩施工结束后进行拆除。主栈桥待主桥钢梁安装、桥面系施工完成后停止使用，依循“自上向下，后装先拆、先装后拆［8］”原则，由跨航道中间合龙段开始，向东、西两岸依次拆除。入土桩必须整根拔除，防止剩余桩头阻碍船只通航。拆下的栈桥材料用平板车运输到码头附近堆场临时堆放，然后外运。

5 结语

西村港跨海大桥项目主栈桥于 2019 年 8 月 15 日顺利合龙成桥。截至目前，主桥各墩位支栈线施工已接近尾声，成为一道亮丽的北海风景线，随着大桥工程建设的有序推进，已投入使用的主栈桥与支栈桥总体运行良好，受到了建设单位、监理单位和社会各界的高度赞誉，积累储备了跨海栈桥施工技术创新经验。