湖北宜昌香溪河大桥主桥4#桥墩深水基础施工方案比选

摘 要：香溪河大桥工程4#桥墩施工区间水位变化幅度达30m，低水位时水深达15m，高水位时水深达45m左右，且桥位处地形倾斜，覆盖层松散，岩面高低不平坦，施工条件困难。针对主桥墩基础施工的平台和围堰，重点研究了先浮式平台后钢吊箱围堰、先钢护筒平台后钢吊箱围堰、先钢套箱围堰后钻孔平台等3种方案。经过从工期、成本、安全等方面进行比选，最终确定采用先钢护筒平台后钢吊箱围堰的施工方法进行施工。

关键词：斜拉桥；基础施工；钻孔平台；钢围堰；方案比选

1 工程概况

1.1 桥梁概况

香溪长江公路大桥是拟建的湖北省骨架公路网中第六纵的第二条支线跨越长江的节点工程，路线全长5.419km，是由多座特大型桥梁、隧道、路基及大型滑坡处置组成的项目群，关键性控制工程为香溪长江公路大桥工程和香溪河大桥工程，其中香溪河大桥桥址位于香溪河口上游约2km处，桥位东岸为归州镇刘家坝，西岸为归州镇吴家沟，与峡堡公路（S255）相接，里程范围为K3+217.184～K4+296.746，全长1079.6m，香溪河桥位置图见图1。

香溪河桥主桥采用主跨470m组合混合梁斜拉桥。桥跨布置为：20m（混凝土箱梁）+（48+48+78）m+470m+（78+48+48）m（组合混合梁双塔双索面斜拉桥）+（3×35+6×20）m（左幅预应力混凝土连续T梁）+（3×35+4×20）m（右幅预应力混凝土连续T梁）。主桥4#桥墩基础采用19根直径为3米的钻孔灌注桩，桩长83m，承台采用直径为30米的圆形承台，高度为7米，主桥结构图见图2。

1.2 水文情况

4#桥位位于三峡大坝库区，每年6月至9月，整个汛期水库维持低水位运行。水库每年9月下旬开始蓄水，10月份坝前水位逐步升高+175.0m运行。11月份至次年4月底，水库维持较高水位，但4月底之前坝前水位不低于+155.0。香溪河桥汛期的流速一般为0.05m/s～0.24m/s，流向一般为187.1°～191.5°，汛期后流速一般为0.00m/s～0.13m/s，流向一般为187.8°～190.9°。

1.3 地质条件

4#处地面标高为130m～140m，地形坡脚18°～20°，基岩大面积裸露，地层倾角大于地形倾角，斜坡整体稳定性较好。其中0～16m为粉砂质粘土岩夹极少量薄层砂岩，16～40m为中厚层砂岩夹极少量薄层粉砂质粘土岩，40～68m为薄层含炭质粘土岩，68～95m为粉砂质粘土岩。水文地质条件如图3。

2 基础施工方案比选

三峡库区蓄水后，库区水位变化从145m-175m（吴淞水位），施工区间水位变化幅度达30m，4#墩基础施工期间，低水位时水深达15m，高水位时水深达45m左右，给主桥的基础施工带来很大的施工难度，且桥位处地形倾斜，覆盖层松散，岩面高低不平坦，选择基础施工方案时应该根据水位变化和地质条件的特点，制定合理的水上施工方案，既要考虑适应水位变化，又要考虑结构安全，满足工期的需要，同时降低施工成本。一般在深水基础施工中，应该尽可能的安排在洪水期施工钻孔桩，在枯水期施工承台，同时要综合考虑材料运输、现场施工场地、大型水上吊装设备的资源和进出场条件等因素，总体来说有先平台后围堰（围堰和平台分开）和先围堰后平台（围堰平台一体化）两种大的施工思路。

4#桥墩承台底面距离河床14m，属于高桩承台结构，其承台施工一般采用钢吊箱围堰的方案，根据4#基础设计特点和施工环境，可能用于高桩承台基础施工的施工方案有3种：（1）先浮式平台后钢吊箱围堰方案；（2）先钢护筒平台后钢吊箱围堰方案；（3）先钢套箱围堰后钻孔平台方案。文章主要根据工期、成本、施工合理性、安全性等因素对以上3种方案进行比选，最终确定适合于本桥的最佳施工方案。

2.1 方案一：先浮式平台后钢吊箱围堰方案

该方案采用平台和围堰分离的施工方法，先进行浮式平台施工，为钻孔桩提供施工场地，后安装钢吊箱围堰施工，完成承台施工，先浮式平台后吊箱围堰施工示意见图4。

2.1.1 平台施工

浮式平台在库区内深水基础的施工得到较大的运用，分别在忠县长江大桥、千岛湖上的江埠大桥、井田坝大桥、四川白龙湖水库的白水大桥、洪湖上白沙湖大桥等桥梁基础施工得到了运用。浮式平台是利用水的浮力作为平台的支承反力来承受竖向荷载的一种刚性浮体作业平台，主要适用于深水基础施工过程中水位较深、落差较大、水面平静、流速小、无通航要求的情况，它最大的优点是在平台形成过程中不需要设置支撑系统，大大加快了平台的形成时间。香溪河桥4#主墩施工期间最深水深为45m左右，施工期间水位落差达30m，且河床覆盖层较浅且松散，桥墩处流速较小，理论上可以采用该方案。

采用浮式平台，由于取消了钢管等支承桩结构材料，减少了部分成本的投入，同时由于钻孔平台和钢护筒完全脱离，在钻孔桩施工过程中不需要进行体系转换，施工较为方便。但是浮式平台要求浮体刚度要大，要有足够的平面特性，不能有较大的倾角和晃动，因此在进行钻机选型时，如采用冲击钻机，冲击钻机只生产竖向荷载，不产生水平附件荷载，因此平台是稳定可靠的。如果采用旋转钻机，由于旋转钻机施工会产生较大水平附加扭矩，会对平台的侧向稳定性产生不利影响，导致平台水平方向的晃动，因此如果采用浮式平台，一般都配套采用冲击钻机，而不采用旋转钻机。

2.1.2 吊箱围堰施工

钢吊箱围堰施工：和方案二类似，在此不再赘述，将在方案二详细进行阐述，施工示意图如下。

2.2 方案二：先钢护筒平台后钢吊箱围堰方案

该方案和方案一的区别在于采用钢护筒平台代替浮式平台，吊箱围堰的施工方法相同，由于施工水位较深，且落差较大，因此该平台的施工难点在于如何确保平台的侧向稳定性，特别是在支撑桩的自由长度较大时，要充分考虑风荷载、龙门吊制动时产生的水平惯性力，钻机钻孔过程中产生的附加水平扭矩等对平台侧向稳定性的影响。

2.2.1 平台施工

一般的钻孔平台主要有小桩平台（钢管桩）和大桩平台（钢护筒）两种，分别采用钢管桩和钢护筒作为平台的支撑桩。由于本桥桥墩处覆盖层较松散，且地形存在一定的坡度，且平台安装期间正值高水位，安装水下连接系较为困难，因此如何保证平台支撑桩的刚度和入岩层深度是确保钻孔平台的关键。

如果选择钢管桩作为平台的支撑系统，由于基岩标高+120m左右，河床标高+130m，施工期间最大水深45m左右，其平台临时桩的自由长度达55m，为确保平台的稳定，钢管桩不但数量较多，且必须形成群桩基础，导致的钻孔桩平台工程数量很大。如选择本桥3.4m的钢护筒作为钻孔平台的支撑体系，由于其直径较大，刚度足够，且通过连接系将护筒群连成一个整体，可以增加平台的稳定性，尽量减少水下联结系的安装，确保施工顺利和平台稳定。且为了保证平台的安全，使得钢护筒下口处于固结状态，护筒穿过覆盖层，进入岩层，且在护筒安装到位后在护筒内灌注10m高的素混凝土，使得钢护筒底部和岩面形成锚固结构。另外基础施工期间需要布置龙门吊配合钻孔桩及承台、塔墩施工，因此在平台设计时考虑将龙门吊的支撑桩同平台结构合二为一进行考虑。

同时为了确保平台的稳定，确保在施工期间平台的晃动较小，因此在选择平台的主梁时，不选择常用的贝雷梁结构，而是重新加工制造高度为2m的“工”字形焊接钢板梁结构，形成一个稳定的板凳结构，同时通过分配梁把钢护筒与平台结构连为一体，增加平台纵桥向稳定性；另外将门吊桩在横桥向与钢板梁及分配梁连为一整体，增加平台横桥向稳定性，钻孔平台结构图如下。

2.2.2 钢吊箱围堰施工

步骤1：在钻孔桩施工期间，在平台下方安装围堰拼装吊车（电动葫芦），在钢护筒上焊接围堰拼装平台，并在平台上拼装底节吊箱围堰，实现钻孔桩施工和围堰施工同步进行；

步骤：2：底节围堰拼装完毕后，在钻孔平台上安装围堰下放系统，利用下放系统将底节围堰提升并下放至自浮状态，下放过程中需安装导向。

步骤3：在底节围堰处于自浮状态下继续在其上拼装第二节围堰，拼装完成后使围堰处于自浮状态。

步骤4：钻孔桩施工完毕后拆除钻机，同时吊箱围堰随库区水位下下降，通过调整围堰壁舱内水位，使围堰下沉至设计位置处，并安装底板吊杆，浇筑水下封底砼。

步骤5：待封底砼达到设计强度后拆除钻孔平台并割除多余钢护筒结构，在低水位状态下（水位不得高于+160.0m）完成承台砼浇筑，承台分两次浇筑，塔墩施工期间可根据实际情况进行双臂围堰的接高，保证施工连续进行。

方案二的具体施工步骤如下：在2台2000吨驳船上拼装钢板梁形成钻孔平台→浮运并抛锚定位→高水位插打深水定位桩→在钢管桩内施作钻孔桩→插打中间三个护筒→平台挂桩转换→退出驳船→拼装100吨龙门吊机→钢护筒插打→钻孔，同时护筒跟进穿过断层和卵石层→采用KTY4000型液压动力头钻机进行钻孔灌注桩施工，桩基施工完成后→割除多余高度的护筒→拆除钻孔平台→安装钢吊箱拼装及下放平台→拼装钢吊箱底板及首节段→液压系统同步下放→拼装其余节段钢吊箱→钢吊箱下放到位，固定→潜水工堵漏，浇筑封底砼→围堰内抽水，剥除桩头→浇筑承台垫层→承台分层施工→塔墩采用整体预扎整体模板快速施工出水。

采用该方案的优点是可快速施工，进场后即可在附近水域利用驳船拼装钻孔平台，在拼装钻孔平台的同时可同时进行水上栈桥等其他工作，最后采用TKY4000液压动力头钻机进行钻孔灌注桩施工，能最快形成生产能力，有利于在明年的下一个枯水期来临之前完成钻孔桩施工，有利于利用枯水期间进行承台施工。且该方案采用龙门吊支撑桩和钢护筒作为钻孔平台的基础，采用钢板梁作为平台的主梁，结构稳定，可以满足大扭矩钻机作业是产生的附加水平扭矩，平台的侧向稳定性也有保证，且永临结合，充分利用护筒的作用，能够节省较多的临时工程量。但是该方案受水位影响较大，该方案只适用于在枯水期施工承台，不具备在洪水期进行承台施工，在洪水期水位达175m，钢吊箱围堰需要承受30多米水头差，经过计算，围堰底板受力要求不能通过。因此要求承台必须在低水位状态下（水位不得高于+160.0m）完成砼浇筑，也就是说从形成钻孔桩的生产能力开始，所有的钻孔桩必须在明年的下一个枯水期来临之前完成。

2.3 方案三：先钢套箱围堰后钻孔平台方案

采用围堰平台一体化设计，钢套箱围堰既是钻孔平台的承重结构，也是承台施工的挡水结构，施工时先形成围堰，在围堰内安装护筒群后进行围堰封底，利用护筒群作为钻孔平台的支撑桩，在其上形成钻孔平台，进行钻孔桩施工，钻孔施工完成后进行抽水，进行承台和下塔墩施工，直到结构出水。该方案在宁安铁路安庆长江铁路大桥的3#和4#墩的基础施工中得到了运用，可以适用于库区内深水、覆盖层较浅、岩面倾斜的深水基础工程，理论上也能用于本桥4#施工，采用该方案的优点是围堰下放到位后，其后期钻孔桩和承台施工就不再受水位影响，后期可控，但是清理河床、水下爆破、围堰就位等步骤较为复杂，不可预见的因素较多，在施工前需要对河床断面进行详细的测量，否则对围堰就位和堵漏封底将产生重大影响。且4#原设计为高桩承台，采用套箱围堰也意味着其钢结构加工量要比钢吊箱围堰多，对施工成本有着较大影响。

3 施工方案的综合比较

根据4#基础施工特点和现场条件，对以上3种施工方案进行比较，具体见表1。

本桥业主批复的开工日期为2015年8月28日，正是低水位的尾期，水位开始上涨，因此如果要保证在明年的枯水期能够进行承台施工，降低围堰施工的设防水位，减少围堰封底厚度，必须在明年5月底之前完成钻孔桩的施工，才能保证在明年低水位期间完成承台施工，这是工期的目标要求，方案比选时要重点考虑工期的因素。

方案一虽然成本较低，但是由于不能采用旋转钻机，只能采用冲击钻机，从以往的施工经验来看，深水基础冲击钻机钻孔岩层的施工效率不高，工期较长，采用多个循环，影响更大，不具备在下一个枯水期来临之前完成钻孔桩施工，后续的吊箱围堰只能在洪水期施工，条件不具备，因此方案一不宜采用。

方案三必须先进行围堰加工，周期较长，压缩了钻孔桩的施工时间，而且香溪河附近无适合围堰加工的场地和下河码头，大型水上吊机也难于进入长江上游地区，且由于河床倾斜，覆盖成较浅，要提前进行河床平整和爆破，围堰下沉到位后堵漏施工难度也很大，且由于是高桩承台，采用套箱围堰意味比吊箱围堰要多做15m左右的钢围堰，用钢量大大增加，大大增加了施工成本，虽然具有一旦形成围堰，不受施工水位影响的优点，但是从工期角度考虑，需要在下一个枯水期来临之前完成钻孔桩施工才具备承台低水位施工的条件，这样工期目标和成本目标都能实现，因此从这个角度，方案三也不适合本桥施工。

方案二能快速形成钻孔桩的生产能力，根据钻孔平台形成的时间和旋转钻机的施工周期（每根桩的施工周期为40天），具备在明年枯水期来临之前完成钻孔桩的条件，从工期角度来讲，是可行的。同时方案二采用先钢护筒平台后钢吊箱围堰方案，不需要额外采用临时钢管桩作为支撑桩，充分利用永临结合，利用主体结构的钢护筒作为钻孔平台的支撑体系，大大减少了临时工程量，降低了施工成本，也考虑了现场施工场地位置狭小、长江上游地区大型浮吊难以进入的实际情况。

且该方案还有一个优点是可以根据钻孔桩实际进度来考虑是否钻孔桩施工和围堰拼装同步进行，该钻孔平台的标高设置是178m，在后期进度滞后时，在明年3月份水位降至160m左右的时候，在平台下方有接近14m的操作空间，可以通过设置环形走道和卷扬机等起升装置，在护筒上设置牛腿搭设围堰拼装平台，在钻孔桩施工的同时，在平台的下方拼装围堰，做到围堰拼装和钻孔桩施工同步进行，确保了施工工期，以保证明年低水位期间完成承台施工。因此综上所述，方案二既能快速形成钻孔平台，又考虑后期的实际施工需要，且成本较低，是适合本桥基础施工的较好方法，但是要求在形成钻孔桩的生产能力后，必须确保钻孔桩的生产进度，保证在明年枯水期来临之前完成所有钻孔桩的施工。

4 结语

湖北宜昌香溪河大桥的4#桥墩基础施工采用先钢护筒平台后钢吊箱围堰的施工方法，利用铁驳在岸边进行平台拼装，解决了现场施工场地狭小不足的问题，充分利用了大直径的钢护筒作为钻孔平台，节省了用钢量，同时在平台设计的时候充分考虑后期增加钻机数量时结构承载力的需要和明年3月底水位下降后在钻孔平台下方拼装围堰结构的需要，做到了钻孔桩施工和钢围堰拼装同步进行，节省了工期，以保证明年低水位期间完成承台施工，可为三峡库区内的深水基础施工提供借鉴和参考。

参考文献

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作者简介：陈佛赐（1978.12- ），男，本科，中铁大桥局第七工程有限公司，高级工程师，研究方向：桥梁施工与结构设计。