文莱淡布隆跨海大桥是文莱史上最大、最重要的基础设施工程线路。全长约30公里，建成后将把由文莱湾隔断的文莱本土和淡布隆区连成一体。
全线共分为4个标段，CC1标为隧道及引桥部分，长3.8km，由于经济的原因暂时取消。CC2标为海洋高架桥部分，全长13.4km。CC3标航道桥及引桥部分1.1km。CC4标为原始森林高架桥，全长11.8km。
图1
CC4项目全桥全线位于淡布隆国家森林公园，坐落于原始森林深处，无水、无电、无通讯信号。文莱国家对于环保要求极高，施工期间要求采用全程不落地工法施工，不允许修建栈桥和便道。施工完后需拆除所有临时设施，并将森林恢复原状。
高架桥为左右幅双向四车道设计，断面全宽23m，单跨12m，每10跨为一联；采用预应力混凝土管桩+预制桩帽+预制双T梁的全预制结构形式；每墩8根管桩，相邻管桩间距2.82m。
图2
面对的主要挑战
施工工艺前所未有
在设计阶段的EIA（环境影响评估）报告中，针对CC4标段对环境的影响进行了严格的限制。由于CC4标段处于原始森林地带，所在区域的原始森林具有防止海水侵蚀、缓冲海啸影响等多重功能，无论是设计还是施工均需对森林的影响降至最低。因此，设计采用了全预制的装配式桥梁，并且在招标阶段即规定了施工的工艺，即不允许在桥位旁边修建任何栈桥和便道。这在以前的桥梁修建技术中还没有先例。
工程量巨大、工期紧张
全线桥梁共1100余跨， 除去进场和施工准备时间，有效工期仅36个月。
施工工艺非常复杂，管桩打设和桥面系安装需要进行流水交叉作业。其中最困难的工艺在于管桩的打设，每跨工艺包括平台安装、24节管桩打设、20道焊缝焊接冷却及4次桩头处理，工期仅60小时。
管桩抗弯能力低
国内预应力混凝土管桩一般用于港口工程和高层建筑的基础工程中，在桥梁工程中较少见到。海外工程采用预应力管桩较多，但是预应力管桩受力较差。如本工程采用的900mm预应力管桩，设计抗剪承载能力为670kN，但抗弯承载能力仅为约870kNm。国外对管桩的打设质量要求极为严格，所有管桩均需要进行PDA检测，并且需抽取1%的管桩进行静载试验。一旦检验不合格，则需要在原管桩的两侧补打两根管桩，并且采用盖梁与原设计盖梁连接。
施工过程中，打桩机械为180吨履带吊，机械设备要在桩顶进行行走、吊装、打桩等一系列活动。施工荷载远远大于成桥车辆荷载，必须最大限度地减小管桩水平力，从而减小弯矩对管桩的影响。
临建设施采用英国标准
文莱国家全面采用英国标准和欧洲标准，仅业主提供的CC4标段的施工规范就有48个系列（series）、11个附录（Appendix），近1600页，且规范中并没有关于临时设施的规定。除英国高速公路管理局（H&A）针对高速公路相关的道路桥梁等基础设施制定一套施工操作规范外，项目实施过程还要对设计规范BS以及BS EN系列足够熟悉。该项目由奥雅纳国际设计公司全面负责设计和实施阶段的监理工作，对施工单位的技术力量要求很高。
项目采用的工艺创新
长线桥梁施工设备零触地施工技术
全线施工工艺若采用逐步推进，则打桩+安装桩帽+安装填芯钢筋笼+浇筑填芯混凝土+填芯混凝土养护+T梁架设+浇筑湿接缝混凝土+T梁湿接缝混凝土养护时间共12.5天，远远不能满足工期要求。因此从施工安排上，首先将工序拆解为3道：
1.打桩；
2.安装填芯钢筋笼+浇筑填芯混凝土+填芯混凝土养护；
3.T梁架设+浇筑湿接缝混凝土+T梁湿接缝混凝土养护。
通过优化湿接缝混凝土配合比，提高其早期强度，据此增加特定跨数的钢平台，形成前后约200m的工作面。前面打桩，后面架梁和桩帽，将三道工序从空间上均匀分布开来，使打桩、架设桩帽和架梁同步进行。各工序作业点之间的空间距离满足湿接缝混凝土的养护时间要求，成功将每跨工期压缩至2.5天，如图3所示，具体工序如图4。
通过合理安排施工工艺和机械设备，提升关键路线-管桩打设的施工效率，成功地将全线1100跨的施工时间压缩至31个月，有效保证了履约进度。
图3
图4
全程不落地施工平台设计技术
施工方法可以简略称为“桩上打桩，梁上运梁”，因此需要设计一个可方便、快捷移动的钢平台，具备足够的承载能力的施工平台。
根据项目需求，独立开发了具备“桩上打桩、梁上运梁”功能的可移动式钢平台，全部基于英国标准设计，承载能力约300吨，共分为桩帽、桩顶横梁、延伸臂、导向架、T梁、平台板等7大部分，采用模数式组合设计，每次拆装仅需10个小时。
图5
预制管桩打入技术
CC4标段采用预制管桩吊打技术，需穿越粉土层、细砂层及全风化岩层等复杂地层。每根管桩长度从60～80m不等，每节管桩长12m，采用180t履带吊+HHP20液压打桩锤，进行预制管桩打入施工，并在自主设计的钢平台上进行，该种工艺在桥梁上运用十分罕见。
由于预制管本身较为脆弱，吊打工艺存在桩锤偏心、软硬地层不均匀、合理贯入度难以确定等因素，导致管桩容易产生破坏。主要的破坏形态有以下几种：桩尖破坏、桩头打裂、焊缝撕裂、桩身损伤。
产生桩身破坏的原因主要有以下几个方面：
1.偏心受力。液压油管（总重约1200kg）垂于一侧使锤体偏斜。锤帽内径比管桩外径大3cm，桩身晃动导致锤击力传递不均匀。
2.贯入度控制过严。根据Hiley公式计算的贯入度太小，以计算贯入度控制收锤，会导致锤击过度，造成桩头破坏和桩尖破坏。
3.桩尖形式对部分地层适应困难。地勘资料显示，部分地段岩层埋深较浅，闭口桩尖端板及米字板厚度较小，且米字板采用中尖形式，不适宜穿越较硬岩层。
共采用5项技术改善了管桩的打入质量：
1.优化锤帽结构。在锤帽内均匀加焊8条宽90mm、厚6mm的钢板，将单侧间隙由15mm减少到9mm，有效地保证了桩身和锤帽的同心度，同时大大减小桩身晃动，保护了接头焊缝。
2.优化桩尖结构。根据岩性不同，分别进行平底十字及平底米字桩尖设计。通过改善桩尖设计，使得管桩穿越硬质岩层能力大大提升，桩身破坏率明显降低。
图6
3.优化管桩结构。桩顶裂缝区长度为2m左右，在桩顶3m范围内加密箍筋，间距由100mm减小到50mm，锤击端裙边有原来的1.6mm改为3mm，以增加裙边对混凝土的包裹作用。
4.标准贯入度调整。对Hiley公式的参数进行调整，获得了较为合理的贯入度。
英标体系下临时结构设计研究
1.英标体系下不落地施工钢平台设计研究
结构形式
钢平台主体结构包括临时钢桩帽、牛腿、桩顶横梁、主桁架梁、分配梁及桥面钢板组成，桥面车道分为180t履带吊车道和运梁车车道。
图7
图8
为了消除施工荷载水平力，在桩顶横梁上用厚10mm的钢板焊接限位槽，在槽内铺设厚20mm、宽350mm的聚四氟乙烯板，构成一个类似滑动支座的结构。横桥向位移由限位槽限制，同时水平向位移由限位钢“挡块”限制。
为了实现便捷的可移动性，设计使跨间钢桁梁形成“梳齿板式”结构互相错开，每跨移动式钢平台都是完全简支梁，对每一跨钢桁梁一端接头采用钢桁梁轴线“延长”形式，另一端设计成“错位”形式。受力明确、拆装方便。
图9
设计依据
荷载组合采用BS EN1990-结构设计基础规范；荷载的取值参考BS EN1991-1-6中关于施工期间荷载的规定；钢结构设计采用BS EN1993钢结构设计规范进行；材料参数取值参考BS EN1991-1-1中规定进行；焊接连接的计算采用BS EN1993-1-8中关于钢结构焊接规定进行。
材料参数
本设计采用的钢材为国内钢材，分别为Q235和Q345钢材。在设计时，按照英标的规定，一直采用屈服强度235MPa和345MPa进行设计。
荷载及荷载分项系数：
本结构主要承担主体结构施工过程的打桩机械180t履带吊及振动锤，吊装主梁和桩帽的130t履带吊及运输车辆。
分别按照荷载的自身特点进行加载。如履带吊按照履带面积考虑加载范围，而工作状态就要考虑履带吊侧吊和前端吊装时荷载不均匀分布的情况。
荷载系数按照BS EN1990中规定，考虑两种荷载的组合。
其中荷载系数分别为1.4和1.6，这里考虑了结构重复循环使用的工程特点，适当加大结构荷载系数，组合系数可保守地取为1。
结构验算过程
结构验算按照结构的传力路径逐步计算，分别对两层分配梁、主桁架梁、桩顶横梁、桩基进行验算。桥面下两层分配梁主要考虑弯矩和剪力效应，连接考虑对不同构件之间的焊缝进行验算。主梁桁架结构包括四种截面单元，分别为腹杆（采用I8型钢），弦杆（双拼槽10），加强腹杆（三拼I8）和加强弦杆（双层弦杆）。
荷载分为运梁车和履带吊荷载。两种荷载下，采取移动加载的方式，得到不同构件不同受力状态的荷载最不利位置。移动荷载加载时，以轴力效应最不利位置，来确定荷载的最不利加载位置，得到两种荷载，四种构件的最不利加载位置，以此荷载效应验算构件。
钢桁架中四类构件的验算过程，完全采用BS EN1993中规定进行，分别对构件轴力、剪力和弯矩以及屈曲和三种荷载效应的组合验算。
2.英标下全预制钢筋混凝土结构及后接缝计算研究
混凝土结构不是主体结构的主要材料，在施工现场很少采用临时结构。为了说明英标在钢筋混凝土设计中的应用，并重点解决施工现场的需求，本文研究对象为主体结构的钢筋混凝土T梁。由于施工方案要求在已施工结束的混凝土梁上，吊装桩帽和主梁等结构，监理和设计方要求必须确保主梁结构在施工荷载下安全。由于施工荷载是比较明确的车辆荷载，与设计时采用的车道荷载和车辆荷载区别较大，设计方不确定这种荷载下结构是否安全。
计算过程分为两个步骤。首先对一联混凝土梁进行有限元分析，计算各种工况下混凝土梁不同截面的最大需求，包括各种荷载效应。根据需要和截面形式，再进一步去验算截面。截面是双T梁钢筋混凝土结构，如图10所示。截面验算主要验算能力极限状态的抗弯抗剪，及使用状态的裂缝和挠度。
图10
首先进行面的抗弯和抗剪验算。截面信息和材料的数据，根据BS EN1992-1-1中的相关规定取值，截面高度为850mm，腹板厚度为250mm，翼板宽度为1045mm，厚度为200mm。材料取值参考规范中的相关规定，分别对钢筋和混凝土的各种参数值确定。
混凝土材料为C55混凝土，英标中的C45/55表示圆柱体强度为45MPa，立方体强度为55MPa。为了后面计算方便，这里分别根据以上规定计算圆柱体平均抗压强度、抗拉强度、切线模量。按照规范中的规定，得到混凝土分项系数、强度系数，再进一步得到设计强度。
钢筋的材料为英标中的500型钢材，强度标准值是500MPa，钢筋的分项系数为1.15，设计强度为435MPa。保护层厚度都取为40mm。
钢筋的布置采取多层布置形式，两层分别布置32mm直径的钢筋4根，距离梁顶面分别为782mm和718mm，按照面积距离比例，钢筋整体距离梁顶距离为750mm，钢筋总面积为6432mm2。
3.英标下挡土墙与围堰一体化设计技术研究
文莱淡布隆大桥项目跨Labu河桥的P1228-P1231墩承台施工，需要采用钢板桩围堰等支挡结构。其中P1229和P1230承台距离Labu河道很近，受潮汐影响很大，涨潮时会淹没桩基施工的场地。且浅部地层为淤泥质软土，桩基施工时需要在河道位置设置挡水挡土结构，支护设计难度很大。同时，施工现场位于文莱国家原始森林公园内，环保要求极高。为了保证桩基及承台两个阶段施工的顺利进行，项目创新提出了挡土墙与围堰一体化设计理念。在桩基施工阶段，通过锚桩、连接型钢、支挡钢板桩、横梁组成挡土墙体系，保证桩基顺利实施；在基坑开挖及承台墩柱施工阶段，通过四周钢板桩、腰梁及内支撑组成围堰支挡结构，保证承台等主体结构顺利实施。
设计极限状态
与中国规范类似，欧洲规范关于支挡结构的设计均要求进行以下验算——整体稳定性验算；抗滑移验算；抗倾覆稳定性验算；地基承载力验算；支护结构自身强度验算。
设计表达式
包括岩土(GEO)和结构(STR)的破坏，检查地层和结构中出现破坏或过度变形极限状态时，必须满足以下不等式：
Ed ≦ Rd
与对结构设计进行的检查不同，不能将地层岩土作用和地层的抗力分开，因为岩土作用有时取决于地层抗力，如有效土压力，而地层抗力有时取决于作用。
作用的设计效应
作用的效应是作用本身、土体特性和岩土参数的函数，可将作用的分项系数应用于
设计抗力
地基抗力为地基强度、作用和岩土参数的函数。若需获得抗力的设计值，可将分项系数用于土体特性X或抗力R，或同时作用于两者，计算公式为：
作用组合
上面3个公式的区别在于作用、土体特性和抗力之间分配分项系数的方式不同，两者的不同组合，以及因此所导致的采用基本不等式的分项系数的不同方式，使得EN 1997 -1批准了3种设计方法。不同的设计问题可由不同的设计方法进行处理。
设计方法a
使用分项系数的两种组合，分别检查设计中土体和结构的破坏情况。
对于非桩与锚固结构，作用组合如下：
组合1
A1 ‘+’ M1 ‘+’ R1 ；
组合2
A2 ‘+’ M2 ‘+’ R1
对于桩和锚固结构设计，作用组合如下：
组合1
A1 ‘+’ M1 ‘+’ R1 ；
组合2
A2 ‘+’ (M1 或 M2) ‘+’ R4
当各分项系数集合的某一组合起决定作用时，设计不需计算其他组合。通常，岩土工程“尺寸确定”由组合2控制，而结构设计则由组合1控制。
设计方法b
设计方法b将分项系数集合的单一组合，用于地层和结构承载能力极限状态的检查计算。组合为：
A1 ‘+’ M1 ‘+’ R2
岩土作用和结构所承受或结构所施加作用采用相同的分项系数值。地层抗力以及作用或作用效应也采用分项系数。
设计方法c
设计方法c将各分项系数集合的单一组合，用于检查地层和结构承载能力极限状态的计算。组合为：
(A1或A2) ‘+’ M2 ‘+’ R3
分项系数
对分项系数的规定，国内挡墙设计规范与欧洲规范有较大的差别。针对不同的荷载状况(恒载和活载)，两种规范都分别取了不同的值。对于恒载国内规范中的分项系数取值要略大于欧洲规范；活荷载的分项系数取值情况却刚好与恒载时相反，欧洲规范取值要略大。而对于岩土参数的分项系数而言，国内规范一般都取1.0，欧洲规范则大多取大于1.0的分项系数。国内挡墙设计规范是通过安全系数来满足承载力要求，而欧洲规范是通过分项系数来衡量。
进展及成果
文莱淡布隆大桥CC4标段，其特殊的沼泽地带环境条件及较高的海外桥梁环保要求，使得施工难度极大。开展临建或者施工过程中，需按照英标进行设计计算研究，包括临时钢结构的设计方法和计算过程、临时桩基础的设计和计算过程、永久结构在施工过程中特殊荷载下结构的验算、局部永久结构的设计计算和施工图纸绘制、施工过程特殊问题处理及方案优化等内容。
本研究成果成功应用到文莱淡布隆高架桥CC4标段的施工过程当中，共完成大于50项的临建设计计算，获得第三方机构的批准，成功应用到实际施工中，并对20余项永久结构进行了优化设计，为项目整体施工顺利进行提供了充分的支持，直接经济效益3000余万人民币。
本文刊载 /《桥梁》杂志 2019年 第1期 总第87期
作者 / 高璞
作者单位 / 中建六局