三峡库区深水复杂地质钻孔平台施工技术

胡名良

(中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司，武汉 430050)

湖北香溪长江公路大桥是拟建的湖北省骨架公路网中第六纵第二条支线跨越长江的节点工程，起点在宜昌市秭归县郭家坝镇米仓口隧道出口约290 m处，在兵书宝剑峡峡口向北跨越长江，沿香溪河东岸上行2 km然后向西跨越香溪河，终点为归州镇香溪河西岸的向家店，路线全长5.419 km。其中,香溪河大桥采用主跨470 m的双塔双索面组合混合梁斜拉桥，桥跨布置为2×48+78+470+78+2×48 m，桥梁全长1 077.06 m，设4#墩和5#墩两个主塔墩。4#墩桩顶设计标高为144 m，采用直径30 m的圆形整体式承台，厚7 m，其下布置18根直径3 m、长83 m的钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。

1 水文地质概况

香溪河大桥位于三峡库区，根据三峡水库蓄水调度方案，5月末至6月初，为防洪备库容，将水位降至143 m；6月至9月，保持在143 m的低水位；9月中下旬开始蓄水，11月坝前水位逐步升高至175 m；11月至次年4月底，保持175 m的高水位运行。

桥址区域为构造剥蚀中低山和低山，地形蜿蜒起伏、沟谷深切、坡降大，主要的构造形迹为褶皱、断层及裂隙，具有典型沟梁相间的地形地貌特征，且根据钻探孔揭露4#墩区域内有溶洞、溶隙、溶蚀孔洞等不良地质情况。

2 钻孔平台总体设计及施工工艺原理

2.1 平台总体设计

香溪河大桥主墩桩基钻孔平台在2015年9月份开始施工时，正值三峡库区开始蓄水至+175 m的阶段，4#墩桩基础施工期间的水位变化范围为143～175 m，落差达30 m，最高水位时水深超过40 m。复杂地质条件下的桩基钻孔施工平台受到水位大落差变化的影响，受力工况复杂、工序转换多、施工周期长、成本投入大，且对航道干扰较大，因此，需要对平台设计方案进行综合比选。

针对施工工期紧、平台结构自重大、耐久性要求高及需投入材料设备多等特点，经方案优化，决定4#墩桩基施工平台采用“深水钻孔灌注桩+钢管柱支撑(无水下桩间联结系)的重载水上钻孔平台”的总体设计方案，其主要流程为“浮运平台→平台固结→体系转换→钻孔桩施工”[1]，成型后的平台顶面标高为178.4 m。

2.2 平台施工工艺原理

(1) 平台上部结构采用2 m高钢板梁A、B、C(型号均为工2 000×384×25 mm)及联结系等构件组拼的承重骨架结构，材质为Q345B，骨架尺寸为33.4×41.4 m(横×纵桥向)。钻孔平台总体布置如图1所示。

(2) 钢板梁A、B布置在门吊桩钢护筒(φ2 000×16 mm)两侧，中心临时桩(4-19#桩)两侧通过板梁C连接，其余部分通过横向和水平连接系联结成为整体结构。钻孔平台1-1、2-2断面如图2所示。

图1 钻孔平台总体布置(单位：mm)

图2 1-1、2-2断面(单位：mm)

(3) 钢板梁承重骨架结构安装在分配梁(2根HN900×300型钢)及中心线处主体结构桩基支撑钢护筒(φ3 400×20 mm)设置的牛腿上，通过牛腿A(3HN900)、牛腿B(3I56b)将上部荷载传递至门吊桩(钢管桩+钻孔灌注桩结合桩)及支撑钢护筒桩上，然后传递至河床地基。

(4) 下部结构设置8根直径2 m的门吊桩(兼做平台支撑桩)，同时利用主体结构两根钢护筒桩(4-9#、4-10#)和临时桩(4-19#)共同作为支撑桩。

(5) 为保证平台在第一个钻孔循环中横向变形及稳定满足施工要求，增加4根限位钢护筒(4-2#、4-3#、4-16#、4-17#，均为φ3 400×20 mm)。通过在其上设置连接杆及限位装置，将限位钢护筒分别与支撑钢护筒和平台结构连为一体，增加平台纵桥向稳定性；另外，通过加强门吊桩间连接系，将门吊桩在横桥向与钢板梁及分配梁连为整体，增加平台横桥向稳定性。

3 钻孔平台施工工艺流程

钻孔平台主要施工工艺流程为：钢板梁及水上平台钢结构加工→平板驳船加固、锚碇系统施工→平台钢板梁拼装、同步进行河道航标布置→钻孔平台浮运、抛锚定位→平台支撑桩、吊挂系统施工→吊挂系统安装、平台提升并临时锁定→安装平台分配梁及钢牛腿→驳船退出平台→平台下放、体系转换→形成正式钻孔平台[1]。

4 钻孔平台施工工艺

4.1 平台钢结构加工

平台钢板梁在钢结构工厂内分节加工成型，运至现场后在拼装驳船上焊接成整体。 钢板梁、支撑牛腿、提升装置等关键受力部件的焊缝采用CO2气体保护焊工艺，焊缝质量要求达到二级标准，焊缝均需采用无损探伤，钢结构的临时定位采用手工焊[2]。

4.2 平板驳船加固

将两艘1 280 t平板铁驳船抛锚停靠在5#墩岸边，测量人员放样出铁驳中心线，根据测量数据调整驳船间距、方向及相对高度以满足设计要求，利用150 t浮吊将驳船连接系钢结构吊装至驳船上的设计安装位置，并与驳船甲板之间进行焊接，完成连接系施工。在驳船上用贝雷梁(长36 m，5片桁架形成1组，共4组)连接形成钢板梁的拼装平台，进而完成钢板梁的拼装。

4.3 锚碇系统施工

(1) 东岸岩锚施工

临时平台抛锚定位时，先边跨侧(东岸侧)后主跨侧，东岸侧抛锚定位采用5个岩锚(其中2个备用)。结合东岸地质情况，每个地龙采用4根长2 m的Φ28钢筋锚杆锚固在岩石上。

(2) 水上抛锚

主跨侧水中锚碇，为了使锚碇能迅速沉到水底，起到固定驳船的作用，现场采用钢丝绳绑定霍尔锚取代传统钢丝绳加锚链的抛锚方式。

4.4 平台钢板梁拼装

钢板梁安装顺序以驳船横向为中心线从中间向两边对称安装，以保证驳船受力均匀。安装时采用150 t浮吊先将钢板梁A、B整体吊装至平台支撑桩上，调整至设计位置，再焊接钢板梁C及其余连接系，最后焊接安装门吊桩及钢护筒支撑桩桩位处的限位装置，使平台钢板梁形成一个整体框架结构。

4.5 河道航标设置

根据航道资料，香溪河干流航道等级为Ⅲ级，为了保证水上施工阶段的通航安全，根据助航设施与航标布置方案，配合海事部门，完成助航设施与航标布置，确保整个水上施工阶段船舶通航安全。平台浮运穿过航道时，需对香溪河临时封航约2小时，封航范围为桥轴线上下游方向各500 m。

4.6 平台浮运、抛锚定位

平台整体浮运采用先拉后推方式进行，即在5#墩岸侧用拖轮牵拉驳船尾部至河道中央后，完成平台180°转向，然后由拖轮将平台由河道中央向4#墩处顶推，推至4#墩岸侧就位，平台浮运完成。

待平台靠近4#墩附近时，测量人员精确测量平台中心及四个角点位置并发出指令，指挥卷扬机进行微调对位，对位偏差要求在10 cm以内。浮运利用1台480马力拖轮作为主动力，1艘运输机驳船备用，1艘150马力浮吊机驳船作靠帮船。水上抛锚及过绳利用浮吊完成，抛锚方式采用换梢法进行。

4.7 平台支撑桩施工

(1) 定位桩(门吊轨道桩)施工

4#墩平台共设置8根φ2 000×16 mm钢管作为门吊轨道桩(兼做平台支撑桩)。先施工角部4根钢管桩作为平台定位桩，钢管底入岩层1 m，冲孔入岩深不小于6 m；再依次施工其余4根轨道桩。施工时利用150 t浮吊及DJZ480振动锤、吸泥机、冲击钻机配合钻孔跟进。

(2) 中间支撑桩施工

平台支撑桩除两侧8根门吊桩外，还有3根中间支撑钢护筒桩(直径3.4 m)，对应于主体结构4-9#、4-10#桩位、临时桩4-19#(桩长按10 m计算)。支撑护筒桩采用钢管桩结合钻孔灌注桩，钢管入岩深1 m，冲孔深度不小于4.5 m，浇筑10 m水下砼，其中，管内砼高度不小于7 m。

(3) 钻孔桩成孔

钻孔桩采用冲击钻机施工，正循环冲击工艺成孔。钻孔桩成孔后采用成孔检测仪对孔深、孔形进行检查，要求孔底沉渣厚度不大于5 cm[4]，采用导管法浇筑C30水下混凝土，严格控制混凝土顶面标高，保证钢护筒锚固长度不小于6.5 m。

4.8 平台吊挂系统施工

(1) 吊挂系统加工

平台门吊桩及中间支撑桩施工的同时，在150 t浮吊甲板上加工6套平台提升装置，加工时严格控制焊缝质量，以确保提升时吊具的安全性和可靠性，并对油压千斤顶进行校准、试验。

(2) 吊挂系统安装、平台提升

平台吊挂、提升采用五点同步的方式，即选择角部的4根门吊桩和1根中间临时桩(4-19#)作为平台吊挂支撑桩，通过在支撑桩桩顶安装提升结构(包括支撑梁、扁担梁、千斤顶等)进行平台提升，钻孔平台提升后钢板梁支撑于挂桩牛腿及分配梁上，与支撑桩共同形成钻孔平台的支撑体系，并进行临时锁定。

根据水位情况，结合拼装驳船退船时需上浮高度，确定5根吊挂支撑桩顶接高度，以保证平台提升行程大于退船上浮高度，并完成桩顶接长工作。在支撑梁上安装扁担梁和Φ32精轧螺纹钢，用200 t油压千斤顶分次提升平台，每次提升高度不超过20 cm。提升作业前，在精轧螺纹钢上每5 cm处做好标记，以保证每次提升的高度同步，避免平台不均匀提升导致倾斜。平台提升过程中注意观察驳船上浮情况，平台提升到位后，检查驳船最高点，确保其与平台底面间距不少于20 cm，方便驳船退出平台。

(3) 平台分配梁及牛腿安装

在门吊钢管桩上的分配梁安装位置开孔，开孔尺寸为940×670 mm，开孔标高根据现场水位确定，孔顶标高应低于平台，并对孔洞处钢管进行局部补强。牛腿及分配梁安装完成后，测量平台各支撑点在牛腿及分配梁顶面的标高，对标高不一致处，采用钢板进行抄垫调整，保证平台下降时各支撑点位于同一水平面上。

(4) 驳船退出

平台在分配梁上就位后，解除2艘拼装驳船之间的连接系。通过收放船上的卷扬机钢丝绳，将驳船从平台的下游方向退出。解除东岸地锚钢丝绳，利用35 t浮吊将水中锚吊起，并将钢丝绳过渡到拼装船上。退出后的驳船停泊在东岸，作为钻孔施工中的临时存放平台使用。

(5) 平台下放

平台下放前对提升系统及牛腿进行全面检查，主要包括下吊点锚固、精轧螺纹钢接长顺直、扁担梁抄垫情况及油压千斤顶工作的同步情况，下放前同样在精轧螺纹钢上每5 cm处做好标记。平台下放到设计位置后，焊接平台与门吊桩、支撑桩之间的限位装置，使平台尽快形成稳定的板凳式结构，提高平台结构横向稳定性，以便在平台上安装80 t龙门吊机。

4.9 平台体系转换

(1) 桩基础循环施工

平台下放、固结完成后，便可在平台上进行桩基础施工。平台上共布置5台KTY4000型钻机，根据钻机工效分析，每根桩基施工的平均时间为 50 d，按照4个循序施工。

第1循环(5台钻机)：4-5#、4-6#、4-4#、4-11#、4-12#桩；

第2循环(5台钻机)：4-1#、4-7#、4-14#、4-8#、4-15#桩；

第3循环(5台钻机)：4-3#、4-2#、4-13#、4-18#、4-19#(临时桩只施工10 m)；

第4循环(4台钻机)：4-9#、4-16#、4-17#、4-10#桩。

(2) 平台体系转换

在钻孔桩施工过程中，为了避免交叉干扰，提高钻孔工效，同时保持平台结构受力的稳定性，平台还需要进行两次体系转换。

第一次：临时桩4-19#施工前，在已完成的4-6#、4-5#、4-4#、4-15#、4-14#桩基钢护筒上安装支撑牛腿后，拆除4-10#、4-19#钢护筒上支撑牛腿；第二次：4-9#桩施工前，在4-13#钢护筒上安装支撑牛腿后，拆除4-9#钢护筒上支撑牛腿。

5 平台结构验算

4#墩钻孔平台采用MIDAS Civil2013结构计算软件整体建模后进行验算。主要对钢板梁(工2 000×384×25)、分配梁(2HN900×300型钢)、支撑横梁(3HN900)、支撑牛腿A(3HN900)、牛腿B(3I56b)及钢管桩等构件的承载力进行了验算。经验算，4#墩钻孔平台各构件受力满足要求，结构较合理，安全可靠，既方便施工，又提高了施工效率。

6 结语

在深水落差大且地质条件复杂的三峡库区，采用无桩间联结系及重载钻孔平台的施工技术，使香溪河大桥主墩桩基础的施工工期及安全得到保证，创造了良好的社会与经济效益，为今后类似复杂地质条件下的深水桩基施工平台提供了较为成熟和可靠的技术参考。