闽江特大桥深水裸岩河床栈桥设计与施工技术研究

梁之海

（中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 工程概况

南龙铁路闽江特大桥位于福建省南平市境内，桥梁长度1 066.41 m，跨越峰福铁路、闽江及朱熹路。桥梁主桥跨越闽江为孔跨（118+216+138+83）m铁路双线刚构连续梁，主跨216 m为目前铁路刚构连续梁世界最大跨度。主桥17#、18#主墩位于江中，墩高59.5 m，采用24根φ2.5 m钻孔桩基础，桩长23 m。承台尺寸为30.25 m×19.75 m×5 m，承台嵌入河床2.5～3 m。桥址位于闽江水口水库库尾，桥位处闽江水面开阔，江面宽度420 m，河道顺直。闽江桥区段为Ⅳ级航道，下游不泄洪的情况下，桥位处流速为0.5 m／s左右；泄洪时设计流速3.3 m／s，桥位处平均水深17 m。河床为裸露基岩，无覆盖层，岩性为强风化～弱风化花岗岩，σ0＝1 000 kPa，岩石坚硬。

桥梁主墩深水基础采用双壁钢围堰施工，刚构连续梁采用挂篮悬臂施工。桥梁施工需搭设水中栈桥，栈桥分别从闽江两岸搭设至主墩位置。

2 栈桥设计方案

深水桥梁施工中，栈桥设计及施工是保证大桥施工顺利的重要环节。栈桥应考虑使用功能、荷载、通航条件、水文、地质、防洪防撞能力及施工成本等综合因素。因河床为裸露岩石河床，栈桥钢支墩锚固困难。综合安全、经济性比较，本桥采用简易栈桥方案。17#、18#主墩栈桥分别从闽江两岸向主墩方向搭设简易栈桥，栈桥位于水中墩钢围堰上游侧。简易栈桥满足混凝土泵管安装及人员通行，桥梁其余施工材料及机具采用水上运输船运输［1］。

18#主墩栈桥跨径采用3×30 m＝90 m，设两个水中钢支墩；17#主墩栈桥跨径采用2×30 m＝60 m，设一个水中钢支墩。栈桥两端头分别支撑于码头钢平台横梁上和桥墩钢围堰平台上。栈桥结构主梁采用贝雷梁（“321”型），采用三排单层上承式结构，贝雷梁片采用90 cm支架连接，栈桥桥面宽度2.5 m。自下而上分别为钢支墩、横向分配梁、贝雷梁+桥面板+防护栏杆［2］。栈桥中间钢支墩采用4×φ630 mm钢管焊接1.3 m×1.0 m“井”字形结构，钢管之间采用 25b型钢连接形成整体，上下每隔5 m焊接一道。采用φ2.5 m钻孔灌注桩单桩锚固，锚固深度为5 m，混凝土强度等级为C30。钢支墩顶设置两道2×40b型钢横向分配梁，在分配梁上安装贝雷梁作为栈桥承重主梁。桥面采用 14b型钢作为桥面横向分配梁，铺设厚度6 mm钢板作为桥面板，桥面设置1.2 m高防护栏杆。栈桥区域为禁航区域，做好航标设置［3］。

栈桥设计恒载主要考虑贝雷梁、分配梁、钢板、栏杆、限位卡、混凝土输送管等自重；活荷载主要考虑混凝土输送管内的混凝土重量、人行荷载、流水冲击力、横桥向风荷载等。经过检算栈桥结构满足强度、刚度及稳定性要求［4］。栈桥及钢支墩结构见图1、图2。

图1 栈桥立面布置（单位：m）

图2 栈桥钢支墩结构（单位：cm）

3 栈桥施工

3.1 钢支墩施工方案比选

在河床有覆盖层情况下，一般采用“钓鱼法”进行栈桥钢管桩施工，采用振动锤插打钢管桩。但在裸露坚硬岩石河床状态下，无法采用传统方法插打钢管桩。结合以往施工经验，对栈桥钢支墩施工进行方案比选如下:

方案一:采用普通冲击钻成孔栽桩法施工。因在水流情况下钢护筒下放及固定困难，无法进行泥浆循环清渣钻孔，且裸岩河床搭设钻孔平台较困难。

方案二:采用直接灌注水下混凝土包裹钢支墩。需要安装套箱式模板，混凝土浇筑方量比较大，且施工质量不好控制，钢支墩锚固效果差，在汛期闽江上游水库泄洪情况下钢支墩稳定性难以保证，而且栈桥使用完成后还需按航道及水利部门相关规定采用爆破开挖法清除混凝土至原河床面。

方案三:采用浮平台配全液压冲击反循环钻机钻孔锚固钢支墩。可利用浮箱作为钻孔平台，全液压冲击反循环钻孔，采用“井”字锚固桩作为栈桥钢桩，施工方便、安全可靠，无需设置钢护筒、无需泥浆护壁，施工环保［5］。

根据上述方案比选，结合现场施工实际情况，确定采用方案三进行栈桥钢支墩施工。

3.2 施工工艺及方法

根据深水坚硬裸岩河床栈桥设计及使用要求，水中栈桥钢支墩钢管采用钻孔灌注桩锚固，“栽桩”法施工。采用浮箱拼装浮平台作为移动钻孔平台，设四个“八”字锚调整及固定浮平台位置。利用裸露坚硬岩石河床面钻孔桩孔壁坚固不易塌孔的特点，在无需安装钢护筒及泥浆护壁的情况下，直接采用YCJF-25型全液压冲击反循环钻机从裸岩河床面向下钻孔，采用气举法出渣及清孔。然后在桩孔内安装栈桥钢管支墩并临时固定，采用导管法灌注水下混凝土，混凝土灌注高度略高出河床面，即完成一个钢支墩锚固施工。当完成一个钢支墩锚固施工后，移动浮平台进行下一个钢支墩施工，重复以上步骤依次完成全部栈桥钢支墩锚固工作。然后根据实际钢支墩顶标高情况，对钢支墩焊接接高至设计标高，从而完成全部栈桥钢支墩施工。最后依次进行栈桥横向分配梁安装、主梁架设、桥面板及栏杆扶手等施工，完成全部栈桥施工任务。栈桥水上作业施工采用20 t浮吊吊装作业，码头及岸边吊装采用汽车吊完成［6］。

施工顺序:浮平台拼装→钻机安装→移动平台钻机就位→钻孔→清孔、验孔→安装钢支墩→灌注水下砼锚固桩→钢支墩接高→栈桥上部结构安装→栈桥验收。

3.2.1 浮平台拼装施工

钻孔浮平台采用六七式标准舟节浮箱拼装，单个标准舟节浮箱尺寸为9 m×2.7 m×1.65 m，每两个浮箱拼装成一组整体结构（9 m×5.4 m×1.65 m）。然后根据钻机尺寸将两组浮箱分开距离2.8～3 m（大于 2.5 m），采用型钢将两组浮箱连接成整体，采用7根 36b型钢作为承重横梁支撑在浮箱上形成钻孔平台，共计4个标准舟节浮箱拼装形成一个钻孔平台［7］。钻孔浮平台拼装见图3。

图3 钻孔浮平台平面（单位：mm）

3.2.2 钻机安装

YCJF-25型全液压冲击反循环钻机主要由液压动力站、液压步履、液压操作台、主副卷扬机、导绳架、钻塔、油缸冲击机构、缓冲机构、冲击锤头及排渣系统组成。钻机主要性能参数:钻孔直径1.2～2.5 m，最大钻孔深度80 m；冲击锤头最大质量10 t，冲程0.1～1.3 m，冲击频率0～30次／min；主卷扬机提升能力100 kN，副卷扬机提升能力30 kN；排查主电机功率75 kW，主机质量19 t，运输尺寸776 cm×280 cm×330 cm。排渣采用泵吸（或气举）反循环，采用6BS／3PN反循环泵组和φ159 mm排渣管，采用气举法排渣空压机。

3.2.3 移动平台钻机就位

钻机采用浮吊配合安装钻机，先安装主机，然后吊装锤头就位，最后安装附属机具。钻机安装底座应平稳、牢固，在钻进过程中钻机不得产生位移。采用机动舟顶推浮动平台移动到桩位附近位置，抛4个3 t锚碇将浮平台粗调锚固，采用GPS坐标测量控制位置。最后采用卷扬机调整锚索力微调进行桩位对中，保证钻机的钻头中心与桩孔中心一致，偏差不得大于5 cm。

3.2.4 钻孔施工

锚固桩钻孔施工是栈桥施工重要环节。因河床为坚硬岩石河床，无需安装钢护筒；孔壁不会坍塌，无需泥浆护壁，直接进行钻孔作业。

钻机利用钻塔上的液压油缸提升、下落冲击锤头，实现冲击钻进，液压油缸提升锤头质量大，钻机破碎岩石能量大，破碎效率高。同时钻机锤头中间预留孔洞供排渣管插入，采用泵吸（或气举）反循环连续排渣，能有效避免孔底岩屑的重复破碎。故该钻机施工成孔质量好、钻进效率高。

气举反循环出渣是利用空压机的压缩空气，通过安装在排渣管外的进气阀门嘴将压缩空气送入排渣管内，高压气体与孔内泥水混合，在排渣管内形成一种密度小于泥水的水气混合物。水气混合物因其比重小而上升，在管内底端形成负压，下面的泥水在负压的作用下迅速上升，形成向上流动的泥、渣、气混合体。因为管的内断面积大大小于管外与桩壁间的环状断面积，便形成了流速、流量极大的反循环，携带沉渣从排渣管内反吸排出管外。排渣过程中，不断向孔内补水（江水自动补水）［8］。

为减少冲击钻孔对浮平台的扰动，确保平台稳定，开孔一般采用低冲程冲击（0.3～0.5 m），然后根据平台的平稳情况逐步适当增大冲程、高频次冲孔。钻进时排渣管底口距孔底0.3～0.5 m为宜，过高排渣效率则低，过低易造成堵管［9］。

3.2.5 钢支墩安装

栈桥中间钢支墩采用4×φ630 mm钢管焊接1.3 m×1.0 m“井”字形结构，钢管之间采用 25b型钢连接形成整体。在码头平台加工完成后浮运到桩位处安装，采用浮吊吊装，GPS测量坐标定位，钢支墩与浮平台临时固定，钢支墩位置及垂直度满足规范要求［10］。

3.2.6 灌注水下砼锚固桩

当栈桥钢支墩安装就位后，应加快灌注锚固桩混凝土。C30混凝土采用泵送入孔灌注，采用浮箱搭设泵管通道，灌注施工方法同普通钻孔灌注桩施工。水下混凝土灌注前，对钢支墩平面位置再进行一次复测，核实孔深及沉渣厚度是否满足设计及规范要求。混凝土导管从“井”字架中间下放至锚固桩中心位置，导管底部应高出孔底20～30 cm。安装满足首批混凝土方量的料斗，然后正常灌注水下锚固桩混凝土。施工过程中，尽量避免导管及其他设备触碰钢支墩，确保锚固效果。灌注混凝土标高适当高出河床面即可［11］。栈桥钢支墩锚固施工见图4。

图4 栈桥钢支墩锚固施工

3.2.7 钢支墩接高

钢支墩锚固完成后，对钢支墩接高施工。利用浮平台作为接柱工作平台，采用浮吊吊装配合接高施工，上下钢管对焊设置加劲板连接，重点控制钢管柱的垂直度及对接焊接质量。钢支墩接高完成后，松锚移动浮平台至下一个栈桥钢支墩位置，重复以上步骤至栈桥水中桥墩施工完成。

3.2.8 栈桥上部结构施工

钢支墩施工完成后安装栈桥分配梁，然后安装贝雷梁，采用浮吊配合安装。贝雷梁在码头拼装成组片后浮运到桥位处安装，贝雷梁支架采用90 cm型钢支架。贝雷梁拼装完成后，下弦杆横桥向采用14型钢配U型螺栓连接成整体，增加水平稳定性。贝雷梁顶横向安装 14型钢分配梁，间距1.0 m，然后铺设6 mm钢板，最后安装防护栏杆。栈桥贝雷梁在承重分配梁左右两侧及栈桥梁端头设置限位装置，增加栈桥的稳定性。

4 施工安全及质量控制要点

（1）钻孔平台拼装及钻孔过程一直因处于流水冲击状态及桩基施工振动状态中，需随时检测桩孔位置，采用锚机调整平台位置，确保桩孔位置准确［12］。

（2）混凝土灌注过程中，保证钢支墩的垂直度，施工平台及机具不能碰撞钢支墩。

（3）钢支墩锚固桩混凝土强度达到设计强度70%后方可进行钢支墩接高、贝雷梁架设等工作，避免对桩基混凝土的扰动。

（4）凡是进入水上作业人员必须穿戴救生衣，高空作业正确系安全带，确保人员安全。

（5）避免汛期施工栈桥，做好防洪应急预案及应急演练；设置安全的停泊区停靠水上设备，确保施工安全。

（6）水上作业过程中，加强通航安全警戒，与地方海事、航道部门加强沟通，必要时封航，确保施工及通航安全。

5 结束语

（1）河床为坚硬岩石裸露河床时，采用全液压冲击反循环钻机进行锚固桩施工，气举法清孔。坚硬岩石不会塌孔，不需要钢护筒、泥浆护壁及泥浆循环清渣等措施，施工方便、速度快、环保好及节省成本。本技术解决了深水裸岩河床栈桥钢支墩锚固“生根”施工技术难题。

（2）采用移动浮平台作为栈桥钢支墩锚固桩施工平台，拆装方便，无需另外搭设钻孔平台，施工方便灵活、投入较小。

（3）栈桥钢支墩采用“井”字形结构，单桩锚固。钢支墩锚固效果好，栈桥抵抗洪水冲击能力强，安全可靠。

（4）在特定条件下，简易栈桥施工方便、速度快、安全可靠；栈桥拆除方便，对填筑码头及深水基础钢围堰平台配套要求不高。栈桥拆除时只需将钢支墩从河床面位置切除即可，满足航道及防洪要求。