宁安铁路安庆长江大桥主塔墩深水基础施工技术

刘爱林

(中铁大桥局宁安铁路安庆长江大桥工程指挥部，安徽安庆 246008)

1 工程概况

宁安铁路安庆长江大桥是南京至安庆铁路(两线客运专线)和阜阳至景德镇铁路(两线Ⅰ级干线)的重要组成部分，是宁安铁路重点控制工程。主桥采用(102.29+188.5+580+217.5+159.5+117.3)m六跨连续钢桁梁斜拉桥［1](图1)，钢梁桁间距2×14 m，节间长14.5 m，桁高15 m。主塔为钢筋混凝土结构，塔高 210 m。

图1 主桥立面布置(单位:m)

设计最高通航水位16.46 m，最低通航水位1.80 m，施工期间最大水深达40 m，最大水流流速达2.87 m/s。

3、4号主塔墩均位于主河槽中，基础均采用37根φ3.4 m/3.0 m变径钻孔嵌岩桩基础，基桩梅花形布置，按摩擦桩设计，持力层为微风化泥质粉砂岩，桩长分别为108 m和110 m。两承台平面尺寸均为φ51 m的圆形结构、厚8 m。

3号墩墩位处水下河床断面呈不对称“V”字形，江底狭窄，东陡西缓;河床表面仅覆盖有0.3～0.85 m厚砂夹卵石土层，局部无覆盖层，岩面高程为-24.8～-26.6 m。基岩主要为微胶结砾岩和微风化泥质粉砂岩。

4号墩位于河床中，河床面高程约为-8.75 m，表部覆盖厚约18 m粉细砂。基岩主要为弱风化泥质粉砂岩、微胶结砾岩和微风化泥质粉砂岩。

2 主墩基础施工方案选定

根据总工期要求，两主墩基础必须在汛期进行施工。主墩基础的施工进度不仅制约着全桥总工期目标的实现，也是施工成本控制的关键。为此经过技术方案、经济比选，最终选定均采用双壁钢套箱围堰、先围堰后平台的施工方案。围堰既作为基础施工的挡水结构，又兼作钻孔桩施工平台。

3号墩底节围堰选在桥位下游船厂进行拼装，气囊法下河后浮运至墩位，锚碇系统定位，墩位处接高围堰并下沉到位，安装钢护筒群(其中底节围堰下水前自带墩中心6根φ3.8 m钢护筒)，围堰顶搭建平台钻孔，钻孔完成后进行安庆侧高刃脚处封堵，围堰内清基、封底，承台底3.8 m高空档范围内填砂处理，施工承台。

4号墩底节围堰选在桥位附近水域作为组拼下河地点，在桥位铁驳平台上组拼、大型浮吊整体起吊下水，锚碇系统定位，墩位处接高围堰并下沉到位，插打钢护筒，围堰顶搭建平台钻孔，钻孔完成后进行围堰内清基、封底，施工承台。

3 施工难点

(1)汛期进行主墩基础施工。由于正值高温季节且水位高、水流速度快，围堰接高施工作业环境恶劣，围堰下沉、着床、定位难度极大，安全风险高。

(2)大直径变径超深嵌岩钻孔桩施工难度大，垂直度控制要求严格。

(3)大体积承台混凝土灌注质量控制难度大。

4 关键技术

4.1 双壁钢套箱围堰的设计

4.1.1 围堰结构

结合墩位处水文地质条件、承台结构尺寸、结构受力、施工便利和节省材料用量等角度考虑采用外径56 m、壁厚2 m的圆形双壁钢套箱围堰结构(立面见图2)进行基础工程施工。3、4号墩围堰高度分别为42.88 m和41.4 m，围堰由内外壁板、隔舱板、内外环梁、水平桁架等组成。

4.1.2 围堰在起吊、接高、下沉、抽水等工况下进行检算

(1)因4号墩底节10.3 m高围堰整体起吊，对围堰结构、局部补强及吊点设置进行计算。

(2)当上节围堰接高后为保证下节围堰顶在水面以上1 m，需要计算在围堰井壁内加水高度以及井壁隔仓能承受的最大水头差。

(3)围堰接高完毕，浇筑井壁内填充混凝土，计算加水下沉围堰至底高程后需要在井壁内加水高度和围堰受力;围堰下沉到位后填充混凝土，计算隔仓能承受的最大混凝土高差。

(4)围堰下沉到位后计算封底，分围堰外侧高水位(+15.88 m)、围堰井壁内无水和有10 m高水两种工况计算抽水后的围堰结构受力。

4.1.3 围堰封底

图2 3、4号墩围堰立面布置(单位:cm)

为减少一次围堰封底混凝土数量，在围堰底部8.438 m高度范围设置2道底隔舱，将围堰内部分隔为3个区域，单个底隔舱宽为2.4 m。3号墩围堰为满足气囊法下河需要，在底隔舱底部设置能自动脱落作滑道钢板的底托架(图3)。巧妙设计的底隔舱既解决了大面积封底问题，又解决了围堰下河滑道设置难题。

图3 3号墩钢围堰支承上滑道立面示意(单位:m)

4.1.4 围堰下沉处河床不平的处理措施

为解决3号墩安庆侧较池州侧岩面低约2.0 m的问题。采取在围堰底节制造时沿围堰外壁板预设活动插板;待围堰着床稳定后用钢凳先支垫围堰，再下插预设的活动插板;后在围堰外壁由潜水工下水用砂石袋封堵缺口［2]的办法解决。

4.2 围堰施工

4.2.1 围堰制造、拼装和下河

围堰按照事先划分好的块段在工厂制造。3号墩底节围堰在安庆枞阳船舶厂组拼，组拼完成后利用船厂下水坡道采用气囊法下水。即利用气囊托起钢套箱，依靠钢套箱自重分力在围堰内两底隔舱下垫板在气囊上下滑的方法使围堰前行;至离岸边14 m处解除控制拉缆围堰加速下滑冲入江中，整体自浮;最后利用拖轮控制围堰。4号墩底节围堰则选在桥位6号墩下游350 m处水域作为组拼下河地点，组拼平台采用3艘长75 m、宽13 m的1 500 t铁驳连成整体构成。在桥位铁驳平台上组拼、1 200 t浮吊整体起吊下水。

4.2.2 围堰浮运、接高、下沉

底节围堰下水后，选择风速小于4级、水流稳定、无雨的白天进行。围堰浮运采用绑、吊结合的形式，选择功率大且操纵性能好的拖轮做主控拖轮，控制前进淌航和前进的速度;2艘大功率拖轮分别编绑于围堰两侧;用360°全回转拖轮正顶于钢围堰正后方，顶推以稳定船位，又兼作监护。浮运到位，定位船过缆至围堰后，拖轮即行解队。锚碇系统定位围堰后接高围堰，并在各节围堰接高过程中及时调整锚碇系统设置;围堰仅靠自重难以下沉，需在隔舱内灌注配重混凝土或灌水辅以下沉。

4.2.3 锚碇系统设置

根据工期要求，围堰下河、水上接高下沉、着床定位及堰内抽水等工序均需在汛期进行，施工难度和安全风险大。结合对墩位处水文、地质、河床情况等的调查，因地制宜地选择了无导向船的前后定位船锚碇系统结构形式。主要方法是在沿水流方向由前后定位船安装绞锚装置与主、尾锚相连，通过拉缆来固定和调节主墩围堰横桥向位置;在横水流方向通过前后定位船安装绞锚装置和堰顶收锚平台，利用围堰四周和堰顶转向马口，解决边锚收锚和固定、调节围堰顺桥向位置(3号墩结合河床面情况，无覆盖层的安庆侧边锚使用200 t重型钢筋混凝土锚，前主锚和池州侧边锚采取在池州岸设地锚，见图4)。围堰完全转移到由定位船和锚碇固定后，根据水位高程变化情况，及时调整各锚绳的张力，进行精确定位［3]。

4.2.4 围堰清基、封底混凝土施工

围堰精确定位且钢护筒(3号墩护筒群为防止在灌注封底混凝土时被推移，在护筒群桁架端部设有支撑与围堰顶紧，同时护筒群事先在其上设置浮标来定位)下放完毕后，围堰内河床清基。清基完毕后，潜水员下水逐块检查基岩面上泥砂情况以及刃脚斜面外露长度是否达标。清基合格后，按2 m见方划分方格，测出基岩面各点的高程，绘出等高线［4]。清基时须注意保持围堰内外水位一致，采用水泵补水，防止翻砂影响清基效果。

图4 3号墩钢套箱围堰锚碇系统布置(单位:m)

清基完成后进行围堰封底混凝土灌注。3、4号墩封底混凝土面积均为1 509.4 m2(其中两底隔舱中间部分面积684.6 m2，底隔舱外侧面积各为412.4 m2)，混凝土总量分别为1.13万m3和1.06万m3。封底混凝土灌注顺序:先封两底隔舱中间部分，后封底隔舱两侧;先低后高，先中间后周围。3号墩由于顺桥向两侧岩面高差，为确保封堵质量，采取分上、下两层且分块的方法进行，第一次浇筑2.0 m厚找平层至围堰刃脚顶部，第二次浇筑5.5 m至顶高程为-17.8 m位置。4号墩围堰分隔舱一次性封底到位。

由于主墩围堰平面面积较大，为保证封底效果，施工时根据混凝土流动度和分隔仓大小布置混凝土灌注导管，按事先编号顺序灌注。采用垂直导管多点水下灌注;采用φ377 mm卡式快装垂直导管，按灌注半径4.0 m重叠覆盖布置导管数量。灌注平台支承在围堰井壁上，平台上布置4个混凝土集料槽，料槽储量与混凝土工厂生产能力相匹配，保证导管初灌埋深大于1.0 m。

4.3 主墩钻孔桩施工

4.3.1 两主墩钻孔桩施工的共同点

(1)利用围堰搭设钻孔平台［5];(2)采用8台KTY-4000型液压动力头钻机清水法钻孔;(3)钢筋笼在北岸钢筋笼车间采用长线法匹配预制，分节段运至码头，由码头的桅杆吊机装船，再船运至墩位;墩位处大型浮吊配合接长、吊放入孔;(4)混凝土采用水下导管法灌注，混凝土供应量不少于110 m3/h。两主墩基桩施工共同采用的关键技术有:(1)垂直度控制措施:钻机就位时底座水平、稳定，钻头、钻杆和桩中心在同一铅垂线上，钻孔倾斜度小于0.5%;加大钻机自重，主机最大质量(含钻具、液压站)达179.4 t，通过钻铤上下的配重块和钻头稳定器起到钻头限位、稳定作用;钻进过程中保持钻头减压钻进，钻压不得超过钻具重力之和(扣除浮力)的80%，并坚持每班检查钻机水平偏差以保证成孔垂直度和孔型;钻孔完成后用JJC-1D超声波成孔检测仪［6]检查孔径变化及倾斜情况，确保一次性成孔、钢筋笼顺利下放到位。(2)为加快钢筋笼安装速度，钢筋接头采用滚轧直螺纹接头形式，连接位置按规范要求错开布置;钢筋笼在长线台座上制作成型后再松开螺纹接头连接器，编号标记，以备运输和二次对接。(3)采取在栈桥平台或铁驳上将12 m节接长为24 m，拖至墩位处起吊安装，先吊挂存放在未钻孔的闲置桩位钢护筒中，减少下笼时起吊扶正时间和接头安装次数;另安装钢筋笼时采取2台浮吊同时进行安装和配合作业的办法加速钢筋笼下放速度。(4)为防止混凝土初灌时沉渣未清理干净而堵管，采用水下填充导管进行空气反循环二次清孔。(5)混凝土初灌结束后，将摄像头放置导管内，观察初灌是否成功。(6)经试压合格的导管预留4～5节长的导管存放在驳船上或在钻孔平台搭设专用存放导管平台予以临时摆放，加快导管安装速度。(7)加大混凝土供应量和储料斗储存量，每桩混凝土约800 m3，基本控制在6～8 h左右灌注完成。

4.3.2 两主墩钻孔桩施工的不同点

3号墩利用底隔舱上的万能杆件支架和围堰侧壁为基础搭设钻孔平台，混凝土由岸上和水上混凝土工厂供应。采取的独特新技术有:(1)采用护筒群下放安装方案。共设5个钢护筒群加1个中心钢护筒，钢护筒壁厚均为22 mm。(2)采取护筒群下放前自带浮漂予以定位的办法解决了离水面约20 m高，深水钢护筒内水下钻孔定位及钢筋笼安装定位的难题。

4号墩利用走道梁作为导向插打长、薄壁钢护筒。钢护筒采用2台APE400B振动打桩机并联振动下沉，钢护筒工厂分节制作、拼装，在栈桥平台拼装成24 m。船运至墩位后利用400 t浮吊起吊，150 t浮吊配合插放到位。插打完毕后将护筒与走道梁通过牛腿连成整体。围堰封底完成后，在钢套箱顶部走道梁上拼装钻孔平台。混凝土由水上2座混凝土工厂供应。

4号墩因围堰未下至岩面，覆盖层厚(粉细砂层)，在钻孔或清孔过程中多次出现护筒底口流砂、坍塌的问题，给钻孔桩施工增加了很大的难度。后通过采取:(1)潜水员下水对护筒底口探摸并在孔洞内填塞部分钢筋，护筒底口以上一定高度割孔并吸泥至护筒底口以下约2 m，灌注水下混凝土，待混凝土初凝后立即重新钻进;(2)套插外径φ3.45 m的钢护筒至底高程-34.5 m处;(3)重新安排钻孔顺序等措施加以解决。

4.4 主墩承台施工

单个主墩承台C40混凝土16 342.6 m3，考虑到现场的混凝土供应和施工能力，采取分2层浇灌，底层3.5 m、混凝土7 149.9 m3;顶层 4.5 m、混凝土9 192.7 m3。

两主墩承台施工的共同点和关键技术有:(1)钻孔桩和井壁混凝土填充完成后，封闭围堰内外连通管，用潜水泵将围堰内的水抽干，清理围堰内的淤泥等杂物;(2)切割钢护筒，人工凿除多余桩头后浇筑10 cm厚垫层混凝土;(3)围堰内壁和模板间50 cm空档周围均匀布置8个集水井;(4)采取岸上混凝土接地泵至承台顶面;围堰顶设布料机且其前端设置软管到已浇灌混凝土面;自制前端带橡胶管或帆布袋的φ273 mm导管辅以下料等办法来确保围堰顶至承台底32 m高落差的混凝土灌注质量;(5)混凝土灌注作业由围堰边向中间浇筑，水平分层斜向浇筑，分层厚度40 cm，连续进行并振捣密实;(6)大体积混凝土施工采用冷却水管通水冷却，并进行温度监控［7];(7)确保原材料质量，控制混凝土入模温度，加强混凝土的二次收浆及养护工作。

两主墩承台施工的不同点有:(1)3号墩因承台底至封底混凝土顶有3.8 m高空档，采取在此3.8 m段内布设排水滤管，将砂填到高程-14.1 m的位置，潜水泵置于滤水管内，从滤水管中抽水的同时进行桩头处理，桩头处理完毕后，将砂层顶面整平，再在砂层顶面铺设钢筋网片，浇筑10 cm厚混凝土垫层作为承台混凝土的底面支撑。待围堰拆除前将所填砂全部吸出。(2)承台模板:3号墩采用竹胶板、焊接角钢支撑在围堰内壁上;4号墩采用填充白色硬塑料泡沫，外贴1层彩钢板。(3)3号墩混凝土由2座岸上和1座水上混凝土拌和站供应;4号墩混凝土由3座水上混凝土拌和站供应，实际混凝土供应能力均不低于140 m3/h。

5 结语

安庆长江大桥于2009年3月20日正式开工;2009年6月15日主墩围堰下水，浮运;2010年1月24日主墩首根钻孔桩开钻;2010年8月28日全桥桩基施工完成;2010年11月25日主墩承台全部完成。主墩基础的按期完成为全桥总工期目标的实现奠定了良好的基础。

针对地形地质条件采用混凝土重锚和地锚的无导向船前后定位船锚碇系统，实现了围堰的精确定位。3、4号墩围堰定位结果分别为:平面偏差9.6 cm、11.7 cm;垂直度 0.1%、0.05%;扭角 0°01'46″、0°12'04″。两主墩74根基桩经超声波检测均为Ⅰ类桩。

主墩深水基础的施工由于受水深流急、河床冲刷大、通航干扰厉害等因素的影响，施工中的风险巨大，对施工组织、施工技术方案、施工装备等要求高［8]。本项目汛期进行的深水、大流速条件下无支撑大直径巨型圆形双壁钢套箱围堰设计和施工，大直径变径钻孔桩清水法钻孔、31 m高落差大体积混凝土灌注等关键技术的成功应用为复杂建桥条件下大型深水基础的建造技术积累了宝贵的经验［9]，推动了桥梁大型深水基础建设技术的发展［10]。

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