大跨桥梁高桩承台深水基础施工技术

陈昌武，刘朝芝，罗昌宏，代筠杰

（1.襄樊市交通规划设计院，湖北襄樊441000；2.沪蓉西高速公路建设指挥部，湖北恩施445000；3.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074）

1 概述

1.1 全桥概况

丹江口二桥是湖北省丹郧公路上的重要桥梁，也是连接丹江口市江南和江北的重要枢纽。位于丹江口水库大坝上游7.3 km处，水库常年水深40～50 m，桥位处上下游约长3.5 km区段为肖河谷地段，距丹江口市城区约6 km。全桥采用88 m+150 m+150 m+88 m单箱单室三向预应力混凝土变截面连续箱梁跨越水库，全桥下部结构为0#、4#肋板台和1#、2#、3#高桩承台,双柱薄壁桥墩。桥型如图1。

1.2 2#主墩基础工程概况

2#主墩所在位置处于河床的谷底，覆盖层由淤泥、细砂、卵石层构成。其中淤泥为新近淤泥，厚度为2.5～2.8 m；细砂为松散状，厚度为3.5～3.8m；卵石层为稍密和中密状态，厚度为3.5～3.9m，粒径大部分在30～70 mm，最大的大于200 mm。桥墩高27.446 m，桩底标高76 m，承台底标高为140.0 m，由9根φ2.0 m钻孔灌注桩和厚度为3m的承台组成，桩长64.0 m，嵌岩深度11.0 m，下伏持力层基岩呈东南～西北方向倾斜，主要为微风化硅质细晶灰岩。岩石密度2.62～2.84 g/cm3，饱和极限抗压强度 21.69～117.5 MPa。桥墩库底标高95.18 m，预定最高通航水位168.23 m，常年10月高蓄水位155.23 m，冬春低蓄水位137.23 m。

2 施工工艺

2#墩施工平台方案采用钢护筒受力的方案，力求在保证平台安全稳定的情况下减少投资，降低施工难度。钻孔平台采用浮式龙门搭设，9根钢护筒直径2.3 m、壁厚12 mm，钢护筒下口穿透覆盖层处的钢板厚度14 mm，长11 m。钢护筒采用90 kW沉拔锤打入覆盖层，底部支撑于基岩表面。

采取先钻中间孔，后钻四边孔，最后钻四角孔的施工顺序对称平衡施工，确保钻孔平台的稳定与安全。

平台采用φ400 mm钢管作为横向联系，横向联系施工三层，第一层顶面标高137 m，第二层顶面标高138.2 m，第三层底面标高143.8 m。为防止钢护筒不均匀沉降引起平台结构上变化，在钻中心孔（5#桩）处，二、三层平联之间增加φ400 mm钢管做为斜向支撑，以加强钢护筒整体刚度，同时钻孔平台顶面采用贝雷作为分配梁将钻机的集中荷载分配到多个钢护筒；钻中心孔的同时进行其余各护筒内的清孔，浇注适当的孔内混凝土，作为钻孔时的找平混凝土，同时防止钢护筒下口位移；在完成5#桩混凝土浇注，达到设计强度后，浇注一层钢筋混凝土（50 cm厚）作为封底，用以增强钻孔平台的整体性。图2为平台示意图。

3 保证平台稳定的措施

2#墩桩孔平台顶面标高定为黄海高程145.3 m。为了保证钻孔平台的稳定，采取以下措施：

（1）钻、冲孔顺序的安排：为了保证平台的稳定性，采用中心钻孔的方案，首先利用钻机钻中心孔，利用普通四周的钢护筒与钢管桩作为钻孔时抗倾覆和抗扭转的护桩，经过结构计算，钻孔平台满足要求。施工过程中应保证贝雷平台、轨道有效传递钻机扭矩，对轨道、贝雷平台进行限位，并观察其变形。

（2）利用振动锤将钢护筒打至岩石顶面，确保5#桩稳定后，利用钻孔机将其余8根护筒内部的覆盖层清除。在清除完覆盖层后，浇注封底混凝土，封底混凝土厚度高出护筒底口1.5 m。

（3）钻孔平台设置三层横向联系，下层横向联系标高定为顶面标高137 m，中层横向联系设在138.5 m，上层横向联系顶面标高设在143.8 m，将来水位上升后接长钢护筒，并利用贝雷片架高钻孔平台标高至148.5 m。上、下层横向联系均采用φ40 cm以上钢管，斜撑设置在中、上层横联之间。

（4）采取检测监控措施：该桥的施工关键在于2#墩中心桩基础能否安全顺利施工，为了保证钻孔平台的安全，应采取有效的监测监控措施，对平台的变形进行控制。平台的控制点应设在四个角点钢管桩上，根据通视情况在现场选定。测量初始值（水平位置、标高），同时在钻机上设定标高控制点。测量控制的频率按照以下情况来具体考虑，对于关键工序（如：钻机开钻、钻入岩面、钻孔遇到倾斜面、破碎带等）应加强观测，观测频率为8 h一次。若测量结果正常，可适当降低测量的频率至24 h一次。

（5）钻孔过程中应该注意钻机开孔时采用小驱动，测量人员对钻机的晃动，平台的变形进行测量，确定平台的稳定状态。钻孔还应注意采用大配重、小进尺的方法，确保钻杆顺直，减压钻进。

（6）钻孔平台上应设置明显的标志标牌，晚上应有反光标志或照明标志，确保过往船舶不会碰撞平台。对于抛锚风绳，应在水面以下3 m以外的区域设置明显的通航标记，并通过港监和水上派出所共同发布通告，要求过往船只在通过2#墩钻孔平台时减速行驶，减低波浪的影响。

（7）钻孔平台顶部顺桥向各设置2道缆风绳，同时浮式龙门船体通过导链葫芦与其联系，确保钻孔过程中钻孔平台顶面的稳定。

整个平台在每一施工过程中的受力状况均由施工单位（湖北省路桥公司）和监控单位（华中科技大学）用不同的软件进行了仿真计算[4]，其模型见图3。

4 钻孔平台的施工顺序及钻孔桩的施工

根据现场的船舶抛锚情况，在深水中，船的稳定性很难达到钢护筒精确定位的要求。因此，钢管桩和钢护筒的施工顺序为：先架设四周定位钢管桩，利用钢管桩桁架进行横向联系形成钢管桩定位架，利用钢管桩定位对船只进行精确定位，然后逐排施工钢护筒。现有水位为黄海高程135.7 m，浮式平台贝雷梁的下部净空2.9 m，钢管桩和钢护筒之间的第一层水平联系顶面标高，设置在黄海高程137 m。

根据施工方案的优化选择，首先确定钻中心孔，然后钻四周孔，四周孔宜采取对称平衡施工。这样做的好处是钻中心孔时钻孔平台最稳定，有利于保证钻孔后平台的安全，灌注完中心桩，桩基混凝土达到设计强度的90%后，才能开始施工其他的钻孔桩，中心桩形成后作为整个施工平台的锚桩，对平台的稳定起决定作用。钢护筒外的四个角柱作为钻孔平台的定位桩（起调整、锚定船体的作用，保证钢护筒精确定位），它在钻四周桩的同时起帮力的作用。

5 钢管桩与钢护筒的稳定与定位

钢管桩施工时，在贝雷平台上用Ⅰ40a和Ⅰ25a型钢作为限位，接长钢管桩后利用振动锤下沉，振动锤的功率为90 kW，振动锤的锤击终止以每分钟下沉小于5 cm为控制指标。钢管桩施工完成后，利用φ40 cm钢管作为横向联系，另一个方向采用缆风绳固定在浮式平台上，缆风绳处于松散状态起保险作用。在施工过程中严格按照岸上加工的编号施工，并记录每节下放长度，钢管桩沉入到位后，测量人员测出钢管桩顶面标高，根据标高与钢管桩长度反算入土深度。每一根钢管桩均需做出相应记录。

钢护筒的接长：严格按照设计的长度和壁厚施工，在底层采用5.4 m壁厚14 mm钢护筒，然后接长9节4.5 m壁厚12 mm钢护筒，剩余部分可采用2节4.5 m壁厚10 mm钢护筒。钢护筒的接长应采用3 m直尺靠直，确保每一节钢护筒焊接顺直，中心位准确。

钢护筒的吊装：钢护筒吊装采用专用吊具。为了保证钢护筒的顶口不变形，采用脚手架钢管做十字撑，十字撑与吊点位置对应。在拆除护筒内部十字撑时采用保险绳，防止铁件掉入护筒。

钢护筒的定位：钢护筒采用6 m长导向架定位，导向架之间利用导向轮固定，导向轮应采用锤球测定垂直度。等到钢护筒下口能够被土体限位时，测量人员对钢护筒的桩位和垂直度进行测量，检验准确后，方可采取联动下沉方式；否则，应重新调整钢护筒位置。钢护筒下沉时，浮式平台采用水平限位与四个角桩联系，防止船体在施工过程中晃动。

6 钻孔施工注意事项

（1）钻孔操作人员应熟悉2#墩地质情况，根据钻杆的长度推算钻头地面标高，提前做好穿透不同地质情况的准备。

（2）做好事故期间的环保工作，采用排渣船将钻渣排放到指定地点。

（3）根据该桥地质情况，以5#桩位做为试桩，摸索出适应该桥钻孔施工所需的刀具结构。试桩期间，定期检测刀具的磨损状况，根据反馈信息调整布刀方向和高度。

（4）5#桩试桩期间应加强检测、监控力度，确保平台的安全稳定；钻机采用小扭矩、小转速进尺，在试钻期间采用2～3个液压泵驱动。

7 桩基的灌注

桩基混凝土采用水下导管灌注的方案施工[5]，注意施工中的控制措施，确保灌孔100%成功。

（1）要对导管进行密封试验，按照导管长度查阅施工规范，确定导管超压，按导管超压力进行密封试验，试验完成后的导管应进行编号。

（2）要对现场的机械设备进行维护，保证施工设备工作正常。灌注2#墩桩基础时，布置两套输送泵；加强与当地供电部门的联系，确保在灌孔工程中不断电，同时确保发电机能够正常送电。

（3）浇注混凝土过程中，应加强现场控制，对导管拆卸长度做出记录，并记录混凝土输送方量，确保导管的埋深满足规范要求，切实防止导管拔出和拔断引起的断桩。

（4）搅拌站要严格控制混凝土的塌落度，防止混凝土在输送过程中发生离析现象，防止堵管。

（5）为了保证灌孔时钢筋笼不上浮，钢筋与钢护筒顶口采用限位措施。

（6）确保灌注时第一盘混凝土的方量，应保证导管埋深大于1 m。

8 承台的施工

根据多年来的水位情况，为了保证封底混凝土的质量，采取在低水位时干浇50 cm钢筋混凝土作为套箱封底以及承台底模。为了防止施工承台期间水位上升，承台施工采用钢套箱施工。由于2#墩承台总体积达到522.72 m3，属于大体积混凝土的范畴，为了减少承台施工过程中的水化热，首先从材料上进行控制，采用水化时间长的矿渣水泥。实验室应采用矿渣水泥进行承台混凝土的配比工作，为了保证混凝土内的热量能够及时散出，采用脚手架钢管作为通水管，对混凝土内部进行水冷降温，同时应加强面层混凝土的保温措施，防止内外温差引起的裂缝。

9 结论

从该桥的施工过程与钻孔平台空间计算来看，该施工方法不但稳定、安全，步骤明了，成本节省，而且结构的传力途径清晰,便于计算，风险较小。

[1]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[2]JTG D63－2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[3]JTJ 211-87～JTJ218-87,港口工程技术规范[S].

[4]张海龙.桥梁结构分析与程序设计[M].武汉:华中理工大学出版社,1995.

[5]经德良,李文琪，马青云，等.鄂黄长江公路大桥主5号塔墩基础施工[A].中国公路学会桥梁和结构工程学会2000年桥梁学术讨论会论文集[C].北京:人民交通出版社,2000.334.

[6]中铁大桥局集团有限公司.大跨度桥梁设计与施工技术[M].北京:人民交通出版社,2002.