荆州长江公铁两用特大桥引桥承台施工技术

赵强(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081)



荆州长江公铁两用特大桥引桥承台施工技术

赵强
(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

摘要:蒙西华中铁路荆州长江公铁两用特大桥是我国第一座跨越长江的重载铁路桥梁。本文从承台基坑支护及开挖、桩头环切和垫层施工、钢筋工程、模板工程、混凝土工程5个方面详细介绍了其引桥承台的施工技术。实践表明:根据基坑开挖深度、土层性质、周围环境及地下水情况，分别采用放坡开挖、钢板桩支护开挖的施工方案，可节约成本;对于地下水位较高的基坑，采用插打钢板桩止水、设置截水、排水和抽水设施等措施可降低地下水位;放坡开挖时易造成基坑坍塌，采用钢板桩支护能够避免坍塌，降低基坑开挖难度;采取温控监测和布置冷却水管相结合的手段能够有效地控制承台内外温差，避免温度裂纹的产生。

关键词:长江公铁两用特大桥承台施工大体积混凝土施工基坑开挖

1　工程概况

荆州长江公铁两用特大桥位于湖北省荆州市，大桥由江陵县向南跨越长江连通公安县。其为我国第一座跨越长江的重载铁路桥梁，设计轴重30 t，设计牵引质量5 000 t，预留万t条件。荆州长江公铁两用特大桥主要位于长江冲积平原，地形平坦，地势开阔，植被茂密，多为农田。桥址区地处长江流域，区域内地下水系均与长江有直接或间接联系。

江陵岸引桥设计里程DK27 + 298.918—DK28 + 313.475，全长1 014.557 m;其中N001～N012为公铁合建段，N013～N031为铁路分建段。引桥承台均为矩形，共36个。其中，公铁合建段共用承台厚度2.5 m，横桥向长20.2～30.2 m，顺桥向宽9.2 m;合建段公路墩承台厚度2.5 m，横桥向长9.4 m，顺桥向宽5.8 m;分建段铁路承台厚度2.5 m，横桥向长12.7 m，顺桥向宽8.2 m。

2　施工重点及难点

各承台顶面基本位于原始地面以下0.5 m处，承台基坑开挖深度3.0～4.5 m。

施工重点及难点:

1)引桥承台高2.5 m，基坑开挖深度3.0～4.5 m不等，墩位土层主要为填土、粉砂及淤泥质土，桥址区地下水系均与长江有直接或间接联系，开挖时易造成基坑坍塌。

2)桥址位于长江荆江大堤范围内，素有万里长江险在荆江，荆江之险重在江陵，因此在江陵段大堤两侧施工安全风险极大，且每年汛期5月～10月大堤外1 km范围内不允许任何动土作业，施工周期短，工期压力大。

3)承台体积大，混凝土用量大，水化热升温控制难度大，防止内外温差过大产生的有害裂纹，确保大体积混凝土质量是本工程的又一重点和难点。

3　基坑支护及开挖

3.1基坑开挖方式

引桥承台根据基坑开挖深度、土层性质、周围环境及地下水情况，分别采用放坡开挖、钢板桩支护开挖两种施工方式。

桥墩紧挨征地边线的农田和施工便道，原定江陵岸引桥承台紧挨农田和便道的上、下游两侧采用钢板桩支护，但首个承台(N029承台，开挖深度4 m)基坑开挖时出现流砂现象导致基坑边缘坍塌，虽立即采取了堆码沙袋、插打型钢加钢板封堵流砂等措施，仍不能顺利开挖到位，因而将原定的两面钢板桩支护调整为四面钢板桩支护。各承台基坑开挖方式见表1。

3.1.1钢板桩施工

钢板桩选用9 m拉森Ⅳ型钢板桩，采用振动锤或机械手逐块插打，最后合拢的方法进行。插打钢板桩前在锁口处涂以黄油，以便锁口滑润易插。为保证钢板桩插打质量，在地面上铺设工字钢作为钢板桩插打导向装置。插桩顺序为首先插打顺桥向下游侧，从大里程往小里程方向，接着插打北侧边线、南侧边线，最后合拢。

表1　江陵岸引桥承台基坑施工方式

钢板桩可分成2次插打，即第1次将已插好的钢板桩打下4～5 m，使其具有稳定入土深度，第2次再打至设计标高。在插合拢口处钢板桩时可能会出现两种情况:①尺寸调正不过来，可考虑做一块楔形(或异形)钢板桩来调正合拢;②钢板桩尺寸合适，但插下后两边锁口阻力太大，插不到底，此种情况用倒链滑车辅助下拉，必要时可用振动锤复打几次，来克服锁口阻力［1］。

3.1.2钢板桩围堰布置形式和受力计算

1)钢板桩围堰采用材料的规格:①钢板桩采用拉森Ⅳ型(Q295bz)，1 m宽钢板桩抗弯模量为2 270 cm3;②圈梁采用2I32a(Q235B);③内支撑采用2I32a(Q235B)。根据《钢结构设计规范》［2］，结合现场实际情况，材料容许应力取值:①Q235B钢材，［σ］= 170 MPa，［τ］= 100 MPa;②拉森Ⅳ型，［σ］= 295/1.2×0.75 = 184 MPa。

2)钢板桩围堰布置见图1。

图1　钢板桩围堰布置(单位:mm)

3)选取最不利水位，按《简明施工计算手册》进行钢板桩抗倾覆稳定计算［3］，得到嵌固稳定安全系数1.39。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)第4.2.2条规定［4］，单锚式支挡结构的嵌固稳定安全系数须＞1.25，故满足要求。进行钢板桩强度计算:钢板桩正应力σ= 55.5 MPa＜170 MPa，满足要求。根据钢板桩的支点反力可知，内支撑处支点反力较小，故对圈梁、内支撑的强度、刚度和稳定性不做验算。

3.2基坑开挖、降排水及坑顶围护

采用钢板桩支护的基坑直接垂直开挖，无支护的基坑需要按照1∶0.5的坡度进行放坡开挖。基坑开挖应保证桩身混凝土强度达到70%以上时才能进行［1］，开挖要对称进行，高差不超过0.8 m，防止土质滑陷而发生桩身位移。基坑开挖以机械施工为主，人工辅助成形。基坑底面以上30 cm部分改由人工开挖完成，以免破坏基底土壤结构［1］。开挖过程中根据地下渗水情况采取如排水沟、汇水井等排水措施。

基坑开挖前先做好地面排水，在基坑顶面四周向外设排水坡，疏通周边的排水渠道，并在适当距离设截水沟［1］，防止雨水及其它地表水汇入坑内，且要防止沟内水渗入地下，以免影响坑壁稳定。

基坑底面需满足四周排水沟与汇水井的设置需要，每边放宽不宜小于80 cm。坑壁边应留有护道，弃土堆坡脚距坑顶边缘的距离不宜小于基坑的深度，机械和机车的通道距坑顶边缘不小于2.0 m［1］。垂直坑壁的基坑坑顶边缘的护道还应适当增宽，堆置弃土的高度不得超过1.5 m。

开挖完毕进行基坑平面位置、尺寸、底标高的测量，对桩位、标高、桩的外观质量进行检查验收，基坑底面标高误差要求在±50 mm［1］。基坑顶四周采用钢管+密目网围护，立杆间距3.0 m，横杆为2层，第1层距地面0.6 m，第2层距地面1.2 m，横杆外用密目网围护，并设置警示牌。

4　桩头环切和垫层施工

基坑开挖后即可安排人员按照测量放样标高画出桩周切割线，截除桩头至设计桩顶标高，并用红漆标识以免误截。作业人员用砂轮切割机沿桩周环切线进行环缝切割，环切深度3～5 cm，环切时避免损伤主筋。桩头截除前先用风镐将桩身钢筋剥离露出(见图2)，然后在环切线上方一定距离切割V形槽，沿V形槽在桩周均匀钻4～6个钢钎孔，之后将钢钎打入各个V形槽中，通过钢钎的挤压作用截断桩头，并将其吊离。桩头截除后仔细沿环切线修整桩头，使桩头顶面基本平整，轮廓完整，避免损坏棱角。桩头修整采用风镐人工修整，要求桩头全断面为新鲜混凝土，桩顶必须清理干净，并适当清洗。

绑扎承台钢筋前，核查承台底面高程及每根基桩伸入承台的长度，并对基坑底面进行修整。当基底为软弱土层时，采取适当措施，防止承台在浇筑混凝土过程中产生不均匀沉降。基坑开挖整平后，浇筑10 cm 厚C25混凝土垫层。垫层顶面不得高于承台底面设计高程。

图2　桩头环切

5　钢筋工程

5.1原材料的验收及检验

钢筋原材料进场后，首先检验进场材料的等级、规格和产品外观，检验无误后再检查其出厂质量合格证书和质量检验报告单，无合格证书和质量检验报告单的不予验收。材料使用前必须按照相关规范规定对每批次原材料的力学性能进行检验，不合格产品坚决不予使用，并建立不合格产品台账。

5.2钢筋加工及安装

钢筋在钢筋车间下料、弯制成型，通过平板车运至现场进行安装。首先在混凝土垫层上放线，并作好钢筋绑扎的标示线，按底层→架立钢筋→中层→顶面→侧面→墩身预埋钢筋的顺序进行钢筋绑扎。因承台较大，钢筋较多，除承台自身拉筋外需根据实际情况增设部分架立钢筋。承台侧面钢筋分层点焊在框架上，固定其位置。为保证钢筋绑扎质量和混凝土浇筑质量，采用架立钢筋固定上下层钢筋网片，做到上下层网格对齐，间距正确，绑扎、点焊牢固不松动;承台主筋分段接头应错开布置，且通过墩身范围内的主筋接头位置应尽量在墩身范围内，钢筋接头应满足有关规范要求。

在进行墩身预埋钢筋施工时，先在钢筋定位架上准确放出墩身边线，将墩身预埋钢筋用型钢支撑固定在架立钢筋和钢筋定位架上，当墩身预埋钢筋与顶板面层钢筋位置相冲突时，可适当移动面层钢筋，保证预埋钢筋位置准确［5］。承台标高以上墩身预埋钢筋预留长度按规范要求及施工方便预留;同一层钢筋同一截面的接头应不超过该层钢筋数量的50%，两接头错开的长度不小于35d(d为钢筋直径)且不得小于500 mm［6］。在钢筋安装过程中，若桩基锚固钢筋与承台钢筋位置冲突时，适当调整桩基锚固钢筋，若各种施工预埋件与承台钢筋位置冲突时，适当调整承台钢筋，以保证预埋构件的准确位置。

6　模板工程

承台采用厂制大块钢模板，模板接头采用螺栓连接，模板加工完成先预拼，合格后运至现场安装。模板与承台的接触面经过氧化皮剥离处理后才能使用，使用前表面清理干净并涂刷专用脱模剂。立模前在垫层顶面沿承台轮廓线测放模板标示线，然后沿标示线逐边安装模板，安装时调整位置，确保每边模板线形顺直，模板拼缝紧密无错台，拼缝贴胶带密封避免漏浆。模板支撑采用拉杆螺栓固定，有条件的也可根据需要与基坑钢板桩支撑固定。

7　混凝土工程

7.1混凝土配合比及原材料要求

混凝土理论、施工配合比和搅拌工艺均由试验确定。承台施工前首先进行混凝土配合比选定试验，施工所用理论配合比必须为经报批允许使用的配合比。通过试验合理选用低水化热水泥及其用量，掺用适量粉煤灰和外加剂，使拌合物具有和易性好、可泵性好、初凝时间长、坍落度损失小等特性。水泥、粗骨料、细骨料等各种原材料均需经过试验检验其各项指标满足设计和相关规范要求。

7.2混凝土浇筑

混凝土浇筑时保证供料及时，分布均匀，采用水平分层浇筑，每层厚度不超过30 cm。上下层浇筑间隔时间不宜超过45 min，以免后浇的混凝土出现裂缝。混凝土浇筑时的自由倾落高度不得大于2 m，当大于2 m时，应采用滑槽浇筑以保证混凝土入模后的质量。

混凝土振捣采用插入式振捣棒振捣，振捣及时、适度，保证混凝土的浇筑质量。机械振捣时不得碰撞模板、钢筋和预埋部件。每振点的振捣延续时间宜为20～30 s，以混凝土不再沉落，不出现气泡，表面不呈现明显浮浆为度［7］。

在钢筋较密集部位，为保证混凝土的密实性，振捣间距可适当放小。不能在模板内平拖振捣棒以免混凝土离析。承台混凝土应在基坑无水的条件下浇筑，混凝土在终凝前不得泡水。

7.3混凝土养护

混凝土浇筑后，在初凝后即应覆盖和洒水，直至规定的养护时间。操作时，不得使混凝土受到污染和损伤。夏季气温较高时施工，应对混凝土表面进行保湿养护，保证混凝土强度的正常增长，降低混凝土的干缩应力，防止混凝土表面裂纹的产生［8］。当日平均气温低于5℃时，应采取保温保湿养护措施，且不得对混凝土洒水养护。采用塑料布覆盖养护时，将刚浇完的混凝土表面用塑料布覆盖严密。塑料布内应有凝结水析出，并需经常检查［7］。

7.4大体积混凝土施工

承台是大体积混凝土结构，由于施工期间水泥的水化反应导致其温度发生了变化，在受到内部和外部约束时将产生较大的温度应力，容易引起混凝土开裂［9］。

承台大体积混凝土除采取优化配合比、埋设测温元件掌握混凝土温度、降低混凝土入模温度、保温和保湿养护等一系列技术措施外，还布置了冷却水管通过循环水降温，防止内外温差过大产生有害裂纹，确保大体积混凝土质量。

在承台内部埋设冷却水管通过冷却水流与混凝土内部水化热的“热交换”作用，带走混凝土内部蓄积的水化热，降低混凝土内部的温升值，以控制大体积混凝土的内外温差。冷却水管布置见图3。

图3　冷却水管布置

根据混凝土内部温度分布特征，承台内布设不同层次和方式的冷却水管，具体要求如下:

1)混凝土浇筑到各层冷却水管标高后即开始通水，直至混凝土温度稳定后根据温度下降速率调整通水状态。

2)为防止上层混凝土浇筑后下层混凝土温度变化，通水时间与流量根据测温结果确定。

3)根据现场实际情况，在承台附近高处设置蓄水箱，用水泵抽水进入蓄水箱，再通过分流阀向循环水管供水。合理选择水泵，配备备用水泵，使冷却水流量控制在1.2～1.5 m3/h。配备检修人员，以保证冷却水循环系统正常工作，且能够随时改变水流方向。每12 h改变一次水流方向，控制冷却水与承台混凝土温度之间的最大温差不超过20℃，混凝土内部温度不高于65℃。

4)从通水循环开始，每2 h测1次进水口和出水口水温并记录，承台内部温度下降和稳定阶段每4 h 测1次进水口和出水口水温并记录。大气温度应同步测量，直至混凝土内部温度与大气环境平均温度之差＜20℃时为止。

同时在承台内布设测温元件，用测温仪监测承台混凝土内部温度。测温元件布设见图4。为准确掌握混凝土内部温度，在承台中间平面布置3个测温点:中心布置1个，纵横向轴线1/4位置各布置1个。采用有线式温度传感器作为测温元件，采用混凝土测温仪(数据收集器)测量内部温度，采用普通温度计测量大气温度。

图4　测温元件布设

根据混凝土配合比和气温，通过热工计算可知，承台芯部温度在3 d龄期时到达峰值50.8℃。现场温度监测和理论计算基本相符，承台芯部温度在3 d龄期时达到峰值41.7℃。混凝土内部温度达到峰值后，降温阶段最容易出现裂纹;此时应加强表面的保温蓄热养护，减小表面的降温速度和温度梯度，以达到降低内外温差的目的［10］。由于采取了冷却水管循环水降温措施，承台芯部、表面温度和内外温差均满足规范要求。

8　结语

1)荆州长江公铁两用特大桥引桥承台根据基坑开挖深度、土层性质、周围环境及地下水情况，分别采用放坡开挖、钢板桩支护开挖的施工方案，节约了施工成本、优化了资源配置，同时也加快了施工进度。

2)地下水位较高的基坑，采用插打钢板桩止水、设置截水、排水和抽水设施等方式降低了地下水位，确保了工程施工安全。

3)引桥承台土层主要为填土、粉砂及淤泥质土，且桥墩紧挨征地边线的农田和施工便道，该区域内地下水系均与长江有直接或间接联系，如放坡开挖易造成基坑坍塌，采用钢板桩支护能够避免坍塌，降低基坑开挖难度。

4)由于承台体积大，在混凝土浇筑后内部水化热一时无法散出，在混凝土强度还未达到要求时，内外温差过大容易产生裂纹。为防止承台大体积混凝土施工时产生温度裂纹，主要采取了优化配合比、测温监控、布置冷却水管通过循环水进行降温、混凝土保温保湿养护等措施。实践证明，采取温控监测和布置冷却水管相结合的手段能够有效地控制承台内外温差，避免温度裂纹产生。

参考文献

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［9］石大为，刘智，杨雅勋.承台混凝土施工温度控制及数值分析［J］.铁道建筑，2012(8):16-18.

［10］龚玉华，陈舜东，黄强军.茅台大桥大体积混凝土承台温度控制研究［J］.铁道建筑，2012(1):20-22.

(责任审编葛全红)

Construction Technology of Approach Span Platform of Jingzhou Yangtze River Highway and Railway Shared Super-long Bridge

ZHAO Qiang

(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Jingzhou Yangtze River highway and railway shared super-long bridge on M engxi－Huazhong Railway is the first heavy rail bridge across the Yangtze River.T his article introduced the platform construction technology of approach bridge from five aspects，including excavating and supporting foundation pit，cutting annularly at pile top，bedding course construction，steel reinforcement work，formwork installation and concrete work.According to the depth of excavating foundation pit，soil properties，surrounding environment and groundwater conditions，two excavation methods with slope or steel sheet piles，can be used to decrease cost.If the ground water level is relatively high around the foundation pit，the measures of inserting steel sheet pile to retain water or installing facilities of cutting，draining and pumping water can be used to lower the ground water level.Excavation with slope may cause collapse of foundation pit while steel sheet pile supporting can be useful to avoid collapse and reduce the driving difficulty.T he combination of monitoring temperature and using cooling water pipes can efficiently control the temperature difference between inside and outside of platform，avoiding temperature crack.

Key words:Yangtze River highway and railway shared super-long bridge;Platform construction;Large volume concrete construction;Excavating foundation pit

作者简介:赵强(1981—)，男，工程师。

收稿日期:2015-12-10;修回日期:2016-01-20

文章编号:1003-1995(2016)03-0045-05

中图分类号:U448.12

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.11