文萊淡布隆跨海大橋是文萊史上最大、最重要的基礎設施工程線路。全長約30公里，建成後將把由文萊灣隔斷的文萊本土和淡布隆區連成一體。
全線共分為4個標段，CC1標為隧道及引橋部分，長3.8km，由於經濟的原因暫時取消。CC2標為海洋高架橋部分，全長13.4km。CC3標航道橋及引橋部分1.1km。CC4標為原始森林高架橋，全長11.8km。
圖1
CC4項目全橋全線位於淡布隆國家森林公園，坐落於原始森林深處，無水、無電、無通訊信號。文萊國家對於環保要求極高，施工期間要求採用全程不落地工法施工，不允許修建棧橋和便道。施工完後需拆除所有臨時設施，並將森林恢復原狀。
高架橋為左右幅雙向四車道設計，斷面全寬23m，單跨12m，每10跨為一聯；採用預應力混凝土管樁+預製樁帽+預製雙T梁的全預製結構形式；每墩8根管樁，相鄰管樁間距2.82m。
圖2
面對的主要挑戰
施工工藝前所未有
在設計階段的EIA（環境影響評估）報告中，針對CC4標段對環境的影響進行了嚴格的限制。由於CC4標段處於原始森林地帶，所在區域的原始森林具有防止海水侵蝕、緩衝海嘯影響等多重功能，無論是設計還是施工均需對森林的影響降至最低。因此，設計採用了全預製的裝配式橋樑，並且在招標階段即規定了施工的工藝，即不允許在橋位旁邊修建任何棧橋和便道。這在以前的橋樑修建技術中還沒有先例。
工程量巨大、工期緊張
全線橋樑共1100餘跨， 除去進場和施工準備時間，有效工期僅36個月。
施工工藝非常複雜，管樁打設和橋面系安裝需要進行流水交叉作業。其中最困難的工藝在於管樁的打設，每跨工藝包括平臺安裝、24節管樁打設、20道焊縫焊接冷卻及4次樁頭處理，工期僅60小時。
管樁抗彎能力低
國內預應力混凝土管樁一般用於港口工程和高層建築的基礎工程中，在橋樑工程中較少見到。海外工程採用預應力管樁較多，但是預應力管樁受力較差。如本工程採用的900mm預應力管樁，設計抗剪承載能力為670kN，但抗彎承載能力僅為約870kNm。國外對管樁的打設質量要求極為嚴格，所有管樁均需要進行PDA檢測，並且需抽取1%的管樁進行靜載試驗。一旦檢驗不合格，則需要在原管樁的兩側補打兩根管樁，並且採用蓋梁與原設計蓋梁連接。
施工過程中，打樁機械為180噸履帶吊，機械設備要在樁頂進行行走、吊裝、打樁等一系列活動。施工荷載遠遠大於成橋車輛荷載，必須最大限度地減小管樁水平力，從而減小彎矩對管樁的影響。
臨建設施採用英國標準
文萊國家全面採用英國標準和歐洲標準，僅業主提供的CC4標段的施工規範就有48個系列（series）、11個附錄（Appendix），近1600頁，且規範中並沒有關於臨時設施的規定。除英國高速公路管理局（H&A）針對高速公路相關的道路橋樑等基礎設施制定一套施工操作規範外，項目實施過程還要對設計規範BS以及BS EN系列足夠熟悉。該項目由奧雅納國際設計公司全面負責設計和實施階段的監理工作，對施工單位的技術力量要求很高。
項目採用的工藝創新
長線橋樑施工設備零觸地施工技術
全線施工工藝若採用逐步推進，則打樁+安裝樁帽+安裝填芯鋼筋籠+澆築填芯混凝土+填芯混凝土養護+T樑架設+澆築溼接縫混凝土+T梁溼接縫混凝土養護時間共12.5天，遠遠不能滿足工期要求。因此從施工安排上，首先將工序拆解為3道：
1.打樁；
2.安裝填芯鋼筋籠+澆築填芯混凝土+填芯混凝土養護；
3.T樑架設+澆築溼接縫混凝土+T梁溼接縫混凝土養護。
通過優化溼接縫混凝土配合比，提高其早期強度，據此增加特定跨數的鋼平臺，形成前後約200m的工作面。前面打樁，後面架樑和樁帽，將三道工序從空間上均勻分佈開來，使打樁、架設樁帽和架樑同步進行。各工序作業點之間的空間距離滿足溼接縫混凝土的養護時間要求，成功將每跨工期壓縮至2.5天，如圖3所示，具體工序如圖4。
通過合理安排施工工藝和機械設備，提升關鍵路線-管樁打設的施工效率，成功地將全線1100跨的施工時間壓縮至31個月，有效保證了履約進度。
圖3
圖4
全程不落地施工平臺設計技術
施工方法可以簡略稱為“樁上打樁，樑上運梁”，因此需要設計一個可方便、快捷移動的鋼平臺，具備足夠的承載能力的施工平臺。
根據項目需求，獨立開發了具備“樁上打樁、樑上運梁”功能的可移動式鋼平臺，全部基於英國標準設計，承載能力約300噸，共分為樁帽、樁頂橫樑、延伸臂、導向架、T梁、平臺板等7大部分，採用模數式組合設計，每次拆裝僅需10個小時。
圖5
預製管樁打入技術
CC4標段採用預製管樁吊打技術，需穿越粉土層、細砂層及全風化岩層等複雜地層。每根管樁長度從60～80m不等，每節管樁長12m，採用180t履帶吊+HHP20液壓打樁錘，進行預製管樁打入施工，並在自主設計的鋼平臺上進行，該種工藝在橋樑上運用十分罕見。
由於預製管本身較為脆弱，吊打工藝存在樁錘偏心、軟硬地層不均勻、合理貫入度難以確定等因素，導致管樁容易產生破壞。主要的破壞形態有以下幾種：樁尖破壞、樁頭打裂、焊縫撕裂、樁身損傷。
產生樁身破壞的原因主要有以下幾個方面：
1.偏心受力。液壓油管（總重約1200kg）垂於一側使錘體偏斜。錘帽內徑比管樁外徑大3cm，樁身晃動導致錘擊力傳遞不均勻。
2.貫入度控制過嚴。根據Hiley公式計算的貫入度太小，以計算貫入度控制收錘，會導致錘擊過度，造成樁頭破壞和樁尖破壞。
3.樁尖形式對部分地層適應困難。地勘資料顯示，部分地段岩層埋深較淺，閉口樁尖端板及米字板厚度較小，且米字板採用中尖形式，不適宜穿越較硬岩層。
共採用5項技術改善了管樁的打入質量：
1.優化錘帽結構。在錘帽內均勻加焊8條寬90mm、厚6mm的鋼板，將單側間隙由15mm減少到9mm，有效地保證了樁身和錘帽的同心度，同時大大減小樁身晃動，保護了接頭焊縫。
2.優化樁尖結構。根據巖性不同，分別進行平底十字及平底米字樁尖設計。通過改善樁尖設計，使得管樁穿越硬質岩層能力大大提升，樁身破壞率明顯降低。
圖6
3.優化管樁結構。樁頂裂縫區長度為2m左右，在樁頂3m範圍內加密箍筋，間距由100mm減小到50mm，錘擊端裙邊有原來的1.6mm改為3mm，以增加裙邊對混凝土的包裹作用。
4.標準貫入度調整。對Hiley公式的參數進行調整，獲得了較為合理的貫入度。
英標體系下臨時結構設計研究
1.英標體系下不落地施工鋼平臺設計研究
①結構形式
鋼平臺主體結構包括臨時鋼樁帽、牛腿、樁頂橫樑、主桁架樑、分配梁及橋面鋼板組成，橋面車道分為180t履帶吊車道和運梁車車道。
圖7
圖8
為了消除施工荷載水平力，在樁頂橫樑上用厚10mm的鋼板焊接限位槽，在槽內鋪設厚20mm、寬350mm的聚四氟乙烯板，構成一個類似滑動支座的結構。橫橋向位移由限位槽限制，同時水平向位移由限位鋼“擋塊”限制。
為了實現便捷的可移動性，設計使跨間鋼桁梁形成“梳齒板式”結構互相錯開，每跨移動式鋼平臺都是完全簡支梁，對每一跨鋼桁梁一端接頭採用鋼桁梁軸線“延長”形式，另一端設計成“錯位”形式。受力明確、拆裝方便。
圖9
②設計依據
荷載組合採用BS EN1990-結構設計基礎規範；荷載的取值參考BS EN1991-1-6中關於施工期間荷載的規定；鋼結構設計採用BS EN1993鋼結構設計規範進行；材料參數取值參考BS EN1991-1-1中規定進行；焊接連接的計算採用BS EN1993-1-8中關於鋼結構焊接規定進行。
③材料參數
本設計採用的鋼材為國內鋼材，分別為Q235和Q345鋼材。在設計時，按照英標的規定，一直採用屈服強度235MPa和345MPa進行設計。
④荷載及荷載分項係數：
本結構主要承擔主體結構施工過程的打樁機械180t履帶吊及振動錘，吊裝主樑和樁帽的130t履帶吊及運輸車輛。
分別按照荷載的自身特點進行加載。如履帶吊按照履帶面積考慮加載範圍，而工作狀態就要考慮履帶吊側吊和前端吊裝時荷載不均勻分佈的情況。
荷載係數按照BS EN1990中規定，考慮兩種荷載的組合。
其中荷載係數分別為1.4和1.6，這裡考慮了結構重複循環使用的工程特點，適當加大結構荷載係數，組合係數可保守地取為1。
⑤結構驗算過程
結構驗算按照結構的傳力路徑逐步計算，分別對兩層分配梁、主桁架樑、樁頂橫樑、樁基進行驗算。橋面下兩層分配梁主要考慮彎矩和剪力效應，連接考慮對不同構件之間的焊縫進行驗算。主樑桁架結構包括四種截面單元，分別為腹杆（採用I8型鋼），弦杆（雙拼槽10），加強腹杆（三拼I8）和加強弦杆（雙層弦杆）。
荷載分為運梁車和履帶吊荷載。兩種荷載下，採取移動加載的方式，得到不同構件不同受力狀態的荷載最不利位置。移動荷載加載時，以軸力效應最不利位置，來確定荷載的最不利加載位置，得到兩種荷載，四種構件的最不利加載位置，以此荷載效應驗算構件。
鋼桁架中四類構件的驗算過程，完全採用BS EN1993中規定進行，分別對構件軸力、剪力和彎矩以及屈曲和三種荷載效應的組合驗算。
2.英標下全預製鋼筋混凝土結構及後接縫計算研究
混凝土結構不是主體結構的主要材料，在施工現場很少採用臨時結構。為了說明英標在鋼筋混凝土設計中的應用，並重點解決施工現場的需求，本文研究對象為主體結構的鋼筋混凝土T梁。由於施工方案要求在已施工結束的混凝土樑上，吊裝樁帽和主樑等結構，監理和設計方要求必須確保主樑結構在施工荷載下安全。由於施工荷載是比較明確的車輛荷載，與設計時採用的車道荷載和車輛荷載區別較大，設計方不確定這種荷載下結構是否安全。
計算過程分為兩個步驟。首先對一聯混凝土梁進行有限元分析，計算各種工況下混凝土梁不同截面的最大需求，包括各種荷載效應。根據需要和截面形式，再進一步去驗算截面。截面是雙T梁鋼筋混凝土結構，如圖10所示。截面驗算主要驗算能力極限狀態的抗彎抗剪，及使用狀態的裂縫和撓度。
圖10
首先進行面的抗彎和抗剪驗算。截面信息和材料的數據，根據BS EN1992-1-1中的相關規定取值，截面高度為850mm，腹板厚度為250mm，翼板寬度為1045mm，厚度為200mm。材料取值參考規範中的相關規定，分別對鋼筋和混凝土的各種參數值確定。
混凝土材料為C55混凝土，英標中的C45/55表示圓柱體強度為45MPa，立方體強度為55MPa。為了後面計算方便，這裡分別根據以上規定計算圓柱體平均抗壓強度、抗拉強度、切線模量。按照規範中的規定，得到混凝土分項係數、強度係數，再進一步得到設計強度。
鋼筋的材料為英標中的500型鋼材，強度標準值是500MPa，鋼筋的分項係數為1.15，設計強度為435MPa。保護層厚度都取為40mm。
鋼筋的佈置採取多層佈置形式，兩層分別佈置32mm直徑的鋼筋4根，距離梁頂面分別為782mm和718mm，按照面積距離比例，鋼筋整體距離梁頂距離為750mm，鋼筋總面積為6432mm2。
3.英標下擋土牆與圍堰一體化設計技術研究
文萊淡布隆大橋項目跨Labu河橋的P1228-P1231墩承臺施工，需要採用鋼板樁圍堰等支擋結構。其中P1229和P1230承臺距離Labu河道很近，受潮汐影響很大，漲潮時會淹沒樁基施工的場地。且淺部地層為淤泥質軟土，樁基施工時需要在河道位置設置擋水擋土結構，支護設計難度很大。同時，施工現場位於文萊國家原始森林公園內，環保要求極高。為了保證樁基及承臺兩個階段施工的順利進行，項目創新提出了擋土牆與圍堰一體化設計理念。在樁基施工階段，通過錨樁、連接型鋼、支擋鋼板樁、橫樑組成擋土牆體系，保證樁基順利實施；在基坑開挖及承臺墩柱施工階段，通過四周鋼板樁、腰梁及內支撐組成圍堰支擋結構，保證承臺等主體結構順利實施。
①設計極限狀態
與中國規範類似，歐洲規範關於支擋結構的設計均要求進行以下驗算——整體穩定性驗算；抗滑移驗算；抗傾覆穩定性驗算；地基承載力驗算；支護結構自身強度驗算。
②設計表達式
包括岩土(GEO)和結構(STR)的破壞，檢查地層和結構中出現破壞或過度變形極限狀態時，必須滿足以下不等式：
Ed ≦ Rd
與對結構設計進行的檢查不同，不能將地層岩土作用和地層的抗力分開，因為岩土作用有時取決於地層抗力，如有效土壓力，而地層抗力有時取決於作用。
③作用的設計效應
作用的效應是作用本身、土體特性和岩土參數的函數，可將作用的分項係數應用於
④設計抗力
地基抗力為地基強度、作用和岩土參數的函數。若需獲得抗力的設計值，可將分項係數用於土體特性X或抗力R，或同時作用於兩者，計算公式為：
⑤作用組合
上面3個公式的區別在於作用、土體特性和抗力之間分配分項係數的方式不同，兩者的不同組合，以及因此所導致的採用基本不等式的分項係數的不同方式，使得EN 1997 -1批准了3種設計方法。不同的設計問題可由不同的設計方法進行處理。
設計方法a
使用分項係數的兩種組合，分別檢查設計中土體和結構的破壞情況。
對於非樁與錨固結構，作用組合如下：
組合1
A1 ‘+’ M1 ‘+’ R1 ；
組合2
A2 ‘+’ M2 ‘+’ R1
對於樁和錨固結構設計，作用組合如下：
組合1
A1 ‘+’ M1 ‘+’ R1 ；
組合2
A2 ‘+’ (M1 或 M2) ‘+’ R4
當各分項係數集合的某一組合起決定作用時，設計不需計算其他組合。通常，岩土工程“尺寸確定”由組合2控制，而結構設計則由組合1控制。
設計方法b
設計方法b將分項係數集合的單一組合，用於地層和結構承載能力極限狀態的檢查計算。組合為：
A1 ‘+’ M1 ‘+’ R2
岩土作用和結構所承受或結構所施加作用採用相同的分項係數值。地層抗力以及作用或作用效應也採用分項係數。
設計方法c
設計方法c將各分項係數集合的單一組合，用於檢查地層和結構承載能力極限狀態的計算。組合為：
(A1或A2) ‘+’ M2 ‘+’ R3
⑥分項係數
對分項係數的規定，國內擋牆設計規範與歐洲規範有較大的差別。針對不同的荷載狀況(恆載和活載)，兩種規範都分別取了不同的值。對於恆載國內規範中的分項係數取值要略大於歐洲規範；活荷載的分項係數取值情況卻剛好與恆載時相反，歐洲規範取值要略大。而對於岩土參數的分項係數而言，國內規範一般都取1.0，歐洲規範則大多取大於1.0的分項係數。國內擋牆設計規範是通過安全係數來滿足承載力要求，而歐洲規範是通過分項係數來衡量。
進展及成果
文萊淡布隆大橋CC4標段，其特殊的沼澤地帶環境條件及較高的海外橋樑環保要求，使得施工難度極大。開展臨建或者施工過程中，需按照英標進行設計計算研究，包括臨時鋼結構的設計方法和計算過程、臨時樁基礎的設計和計算過程、永久結構在施工過程中特殊荷載下結構的驗算、局部永久結構的設計計算和施工圖紙繪製、施工過程特殊問題處理及方案優化等內容。
本研究成果成功應用到文萊淡布隆高架橋CC4標段的施工過程當中，共完成大於50項的臨建設計計算，獲得第三方機構的批准，成功應用到實際施工中，並對20餘項永久結構進行了優化設計，為項目整體施工順利進行提供了充分的支持，直接經濟效益3000餘萬人民幣。
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2019年 第1期 總第87期
作者 / 高璞
作者單位 / 中建六局
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