超深水裸露陡坡基岩桩基施工浮动平台与固定平台结合方案的应用

徐小祥， 王 彬， 朱晨鹤

(铁道战备舟桥处，山东 齐河 251100)

1 工程概况

福建永定公路龙湖大桥位于棉花滩水库蓄水形成的大型人工湖泊龙湖景区，连接仙师乡和洪山乡，全长 454 m，桥面总宽23 m，双向四车道。主桥上部结构为 70 m+120 m+70 m现浇预应力钢筋混凝土矮塔斜拉桥。下部结构采用钢筋混凝土空心薄壁墩、高桩承台和钻孔灌注桩基础。主墩(4#、5#墩)处左右幅设计为整体式承台(17.0 m×12.5 m×5.0 m)，基础为 12 根嵌岩桩(桩径 2.0 m，4#墩桩长50.0 m，5#墩桩长55.0 m)，平均嵌岩深度22.0 m。

龙湖大桥下游建有棉花滩水电站，蓄水位标高+146～+173 m，水位会因汛期、台风等恶劣天气影响变化幅度较大，单日涨幅最大可达5 m，一个星期涨幅可超过15 m。桥位处水面宽约340 m，平常水的流速小于1 m/s，施工常水位标高为+165 m左右，4#和5#主墩位于棉花滩水库深水库区，墩位处水深60～70 m。经多波束、浅地层剖面仪等仪器扫测可知，河床表面覆盖层为0.5 m左右淤泥黏土层，覆盖层以下依次为强风化、中风化花岗石岩层，河床在顺桥轴线方向坡度为35～45°，垂直桥轴线方向坡度为20～41°，部分桩位处还存有大孤石。

2 主墩总体设计、施工方案

根据现场水文地质和周围环境实际情况，结合本桥梁为钻孔灌注桩基础高桩承台施工特点，考虑到大型水上设备无法进场、钻孔桩固定平台难以直接通过打设钢管桩搭设完成等特殊情况，加上施工工期紧，故宜优先考虑选用浮式平台施工主墩钻孔桩，采用钢吊箱施工承台墩身。采用浮式平台直接施工主墩钻孔桩存在以下难点：

(1)60 m以上水深、45°裸露花岗岩且水位落差达到20 m以上，保证浮式平台长时间精确带缆定位困难。

(2)护筒超长、超重，其拼接吊装下放要求高，护筒底部难以直接嵌岩固定，护筒垂直度和偏位控制非常困难。

(3)龙湖水库常年客货轮通航、没有大吨位船舶租赁，大型钻孔浮式平台难以短时间内组装完成，且必然影响通航，难以保证工期。因为传统的浮式平台大部分是采用自制浮箱或既有船只拼装成整体，自制浮箱成本高、制造工期长，浮箱不具有周转性；既有船舶拼装改装工程量大，安全性能不易保证。

综合考虑以上因素，创造性地设计采用新型浮式平台和固定平台相结合的施工方案进行桩基施工。桥梁主墩基础先采用专用舟桥器材快速拼装成浮式平台施工定位锚固桩，然后再利用定位锚固桩做基础来搭设固定平台进行主墩桩基施工，定位锚固桩设计采用8根∅1.5 m直径钻孔灌注桩(钢护筒直径∅1.8 m，钢板厚度18 mm)，锚固桩嵌岩锚固深度为6 m，浮式平台满足4台钻机一次性同时施工4根钻孔桩，分两轮施工。钻孔桩固定平台主要结构为锚固桩做定位、支撑系统，主墩部分钢护筒顶设置挂桩梁，用桁架片将定位锚固桩和钢护筒相互连接形成整体平台。

此方案可快速实现浮式平台向固定平台转化过程，可使桥梁桩基不受水位变化影响，吊装等施工难点大大减少，有利于实现快速施工，安全工期有保障，施工费用随之也会相应减少。此方案充分发挥了浮式平台和固定平台的优点，实现了浮式平台快速拼装施工优势和固定平台施工安全方便优势。

3 浮式平台设计

3.1 主体结构设计

浮式平台主体结构设计采用新型组装式小型浮式平台，浮式平台的浮箱采用可周转重复利用的舟桥标准舟节，通过螺栓及浮箱侧面自带的子母扣将其连接为一个整体浮式平台。优点：拼拆方便、浮箱可重复利用、施工成本低、安全可靠。浮式平台设计尺寸为31.5 m×31.8 m，采用标准舟节、分水节作为承重浮体，八三墩作为龙门架支墩组成定位锚固桩护筒起吊提升系统。浮体通过H700型钢连接成整体，浮式平台上下游各布置4台10 t卷扬机作为带缆卷扬机，中间4个龙门架每个各布置1台起吊用10 t卷扬机。每个平台可同步施工4根定位锚固桩。浮式平台结构组成为[1]：

(1)采用规格为9.0 m×2.7 m×1.65 m 的标准舟节和4.5 m×2.7 m×1.65 m的分水节，拼装成4个标准浮体，浮式平台共计24节标准节和8节分水节。

(2)采用[32b型钢，作为浮体与其上部结构物的连接构件，与浮体采用栓接，与浮体上部结构物采用焊接或者栓接。

(3)连接梁采用HN700×300 mm型钢，与浮体底座采用焊接，将4个标准浮体连接成整体。

(4)采用八三式轻墩作为定位锚固桩下放支撑立柱；立柱底座与浮体底座之间采用栓接。

(5)挂梁采用2HN700×300型钢，布置在立柱上方，作为定位锚固桩下放的吊点分配梁。

(6)转向马口采用钢板制作，作为锚绳上浮式平台的转向装置，焊接固定在浮体底座上或者连接梁上。

(7)反力座采用钢板制作，作为滑车组锚固点。

(8)导向架采用 I32、I45 及钢板等型钢制作而成的桁架结构，作为定位锚固桩下放导向、定位使用。

(9)锚碇系统采用8 t霍尔锚、混凝土地锚、锚链、锚绳组成，作为定位锚固桩施工浮式平台锚固定位使用。

浮式平台结构立面如图1所示。

图1 浮式平台结构立面(单位：mm)

3.2 锚碇系统设计

经现场实地勘测调查和反复论证后，确定4#、5#主墩浮式平台锚碇系统均采用8 t霍尔锚和重力式混凝土组合锚，并配∅39 mm钢丝绳和∅50 mm锚链。∅39 mm锚绳采用 6×37(a)类绳芯，公称抗拉强度为1 770 MPa，自重q0=0.060 8 kN/m。锚绳与锚链连接，锚链平躺在河床上，锚绳安全系数取K=4。5#墩锚碇系统布置见图2。

图2 5#墩锚碇系统布置(单位：m)

3.3 抛锚船结构设计

抛锚船由7节标准舟节拼组而成，上设2台16 t卷扬机用于盘缆及受力转换，1台8 t卷扬机用于牵引缆绳，3台3 t锚机用于临时停靠带缆。抛锚船结构设计平面见图3。

图3 抛锚船结构设计平面(单位：cm)

4 定位锚固桩固定平台施工关键技术

4.1 难点及关键技术

本项目采用的钻孔桩固定平台结构如图4所示。

图4 钻孔桩固定平台结构

4.1.1 施工难点

超深水大坡度裸露花岗岩河床及库区水位涨落对定位锚固桩的定位及垂直度控制影响很大，施工过程中遇到孤石或斜度较大的定位锚固桩，需要采取特殊方法进行妥善安全处理，方能保障定位锚固桩的施工质量。施工过程中主要存在以下几个方面施工难点：

(1)水深超过55 m，常规普通潜水方式无法实现水下切割、打捞等水下作业，一旦施工过程中出现异常情况，若采用非常规普通水下潜水作业来进行处理，效率极低，成本极高。

(2)定位锚固桩护筒单根长度60 m以上，单根重量45 t以上，属于超长超重高空吊装作业；定位锚固桩钢护筒接长下放工序操作较复杂，安全风险高。

(3)定位锚固桩桩位底部基本无覆盖层，在大坡度裸露花岗岩河床埋设钢护筒采取常规方法根本无法实现，护筒根部靠自重和直接振动锤锤击根本无法锚固，而且钢护筒垂直度不易保证。

(4)定位锚固桩钻孔施工期间，浮式平台高程受水位涨落而不断变化，浮式平台很容易偏位，浮式平台整体纠偏和护筒垂直度调整都非常困难。

(5)由于航道频繁通航，钻锤冲孔、特别是大型船舶通过时都会让浮式平台产生剧烈晃动，无形中增加了钻孔难度。

4#、5#主墩每个墩定位锚固桩共计8根，直径为1.5 m，利用浮式平台分2轮进行施工，采用20 t高架浮吊和浮式平台安装的龙门架配合进行吊装作业。每个护筒长度60～65 m，壁厚18 mm钢板卷制焊接而成，直径为1.8 m，分节制作，8 m一节，由8～9节对接焊接而成。施工关键点是护筒埋设跟进以及根部锚固，钻孔采用局部造浆和空压机清孔施工工艺。

4.1.2 钢护筒安装

根据设计图纸及实际水位情况，为保证平台的稳定性及定位锚固桩的刚度，护筒加工、运输、对接加长时不变形和易于接长焊接施工要求，主墩平台定位钢护筒利用20 t浮吊和浮式平台固定龙门架进行分节焊接安装。浮式平台设置4套导向定位架和龙门架，可同时满足4根护筒安装下放要求。但为确保浮式平台稳定性和受力安全，可采取斜角对称同步安装方法，并且在两根护筒着床基本锚固稳定不滑移后，再对称安装另外对角2根护筒。

(1)用型钢制作5 m高、内径比钢护筒外径大100 mm的定位架。在平台上测量出钻孔桩的准确位置，将定位架对位安装到平台上。安装时保证定位架的垂直度偏差不大于0.5%。

(2)在护筒导向架上，设置双层调节结构，每层采用4台5 t螺旋千斤顶调整。

(3)在护筒上严格量出两个对称的位置，用龙门架上的扁担梁平稳下放，保证下放竖直。

(4)用垂直度测量仪测量护筒的竖直度，通过调节杆和吊装设备共同调整钢护筒。如果护筒倾斜，用龙门架先将护筒吊起，然后采用5 t螺旋千斤顶调整其垂直度，辅助上部焊接临时牛腿，先在倾斜方向的一侧焊接牛腿，然后再吊装钢护筒另一侧进行调整。调整好垂直度后，再焊接另一侧牛腿，平衡吊装钢护筒，缓慢下放钢护筒到达岩面。

(5)钢护筒接长下放到位后，为防止护筒底部局部落到孤石上或者基岩面坡度太大导致护筒突然下滑脱离导向架的安全风险，需要在浮式平台导向架下导环位置焊接4个保护牛腿(高出下导环面50 cm)，护筒冲击跟进过程中随时调整保护牛腿位置。

4.1.3 钢护筒根部锚固

为防止钢护筒及定位锚固桩插打过程中遇岩石底部卷口，在底节钢护筒底部1.5 m范围内围焊加强环板。根据浮吊的起吊能力对护筒进行合理分节，护筒对接处采用剖口焊接，单节不宜超过 12 m。由于龙湖大桥桩基位置处于倾斜裸岩之上(倾角达45°)，在钢护筒下放前，需将护筒范围内倾斜面河床进行预偏冲击找平处理，具体措施如下[2,3]：

(1)倾斜岩面处理前，用测绳或仪器对各桩位进行准确测量，测出单桩的最大高差与倾斜方向。

(2)选择单绳钻机处理岩面，钻头为四翼或五翼的冲击钻头。该钻机轻巧，移动方便，改变钻头直径操作简单。倾斜岩面处理时选取直径为2 m的钻头。

(3)预偏冲击、找平河床。根据桩位处高差情况，调整钻机位置，钻机预先往斜面较高处偏位，在钻机冲击时，钻头将沿着斜面滑动，偏位量根据岩面倾斜度选择偏离桩中心30～50 cm 不等。

(4)冲击河床基本平整后且孔底必须进入岩层，现场取样判断岩层位置，并再次测量孔深。待河床找平后，根据实测平台顶标高与孔底标高、找平后河床面标高，加工场内配置钢护筒。将钢护筒运至桩位处，用 20 t浮吊吊起，在上端临时焊上牛腿，架在导向装置上的承重梁上，逐节接长，使钢护筒通过龙门吊吊起沿着导向装置准确就位下沉，当焊接接长达到河床面时，需进行初次振打，使护筒嵌入河床一定深度，有利于护筒自身重力作用下竖直稳定。振动采用 120 kW振动锤，通过龙门吊吊起进行振打。在振打前再次复核偏位、垂直度等。初次振打应选择中低档，根据振打情况调整控制开关，不得强打，否则会因为倾斜面的岩层强度不均匀造成钢护筒振打倾斜。钢护筒在施工过程中既作为钻孔桩导向作用，又为下放钢筋笼及施工平台支撑载体，因此钢护筒在第一次沉桩后需对钢护筒进行第二次跟进，施工要求护筒刃脚跟进弱风化岩面不小于 1 m。

如果预先处理效果不佳，可以先安装钢护筒，利用钢护筒作为导向限位装置，在钢护筒与岩面接触部位，反复大量抛填片石，利用1.7 m加大锤头进行护筒内扩孔，使护筒底部锚固入河床；如果反复抛填无法使钢护筒跟进锚固，实测护筒底部与河床间高差，如果缝隙较小(50 cm以内)，可以大量抛填片石黄土及适量的水泥造成混合物填充封堵；如果缝隙很大，可采用在护筒内外灌桩水下混凝土完成钢护筒锚固。

4.1.4 定位锚固桩桩基施工

(1)钻机钻孔：①开始钻孔时应采用小冲程钻孔，等到锤头穿过钢护筒底部一定距离后，再进行正常钻进。②钻孔过程中，经常检查钢丝绳磨损及锤头连接处牢固情况，防止掉锤。③现场备用锤头，检查发现锤头直径磨耗超过15 mm时及时更换，补焊锤牙。

(2)成孔检测及清孔：成孔检测设备采用伞形孔径仪进行检测，检验合格且经监理工程师验收认可后，立即采用气举反循环清孔。清孔采用大功率空压机一台(排气量不小于23 m3/min，排气压力为1.2 MPa)配合风管进行。

(3)钢筋笼安装：钢筋笼在陆地上钢筋加工厂内分2节制作，岸上由拖车运输，水上由机动舟顶推运输船至施工平台，然后用高架浮吊进行安装。

(4)混凝土灌注：由于水位变化频繁，且钻孔浮式平台通过浮桥和栈桥连接，为防止混凝土浇筑过程中因水位变化影响损坏地泵管造成灌注中断等突发情况，将地泵安放在浮桥上靠近栈桥端部，通过专门设计的垂直溜管加缓冲装置让混凝土从栈桥上罐车流放至地泵后再进行泵送入孔。浇筑时，由于地泵管拐弯处较多，需严格控制混凝土质量，确保灌注过程连续，防止堵管现象。混凝土浇筑过程中加强测量，核实标高和方量，特别注意混凝土面到达护筒底部时，要放缓浇筑速度，尽量不在此时选择拔管，确保护筒底部位置不穿孔，保证定位桩质量。

4.2 伸缩式水下连接系设计与施工

钻孔平台采用8根定位锚固桩(2排×4根)作为承重结构，定位锚固桩长约70 m，需要至少设计2道连接系来保证平台的安全稳定性，其中下层水下连接系设计顶高程为148 m，该连接系在施工常水位165 m标高水面以下17 m，施工工期紧，施工质量要求高。常规抱箍连接系(定位桩上安装抱箍，定位桩之间采用连接系管和抱箍焊接或者销接)实施起来非常困难，安装速度、安装质量都不能有效保证，创新设计采用了大管套小管可调节伸缩式水下连接系，施工快速安全、质量有保障，解决了水下连接系一系列施工难题。

4.2.1 设计与制作

水下连接系由抱箍管、连接系管、调节套管和精轧螺纹钢调节盘四部分组成。工作原理是通过抱箍管实现连接系安装至设计高程与定位桩通过螺栓拧紧后固接，然后通过精轧螺纹钢调节盘调节施拧两侧精轧螺母实现调节套管与连接系管的轴向定位，用以抵抗水下连接系的应力。可调式连接系平面布置见图5。

图5 可调式连接系结构(单位：mm)

4.2.2 施工工艺

(1)半圆型抱箍制作完毕后，按设计要求同连接系管和调节套管焊接一起，应保证焊接质量要求；可调式连接系倒运到现场后在运输船上将连接系管与调节套管拼组为整体，在定位桩上焊接钢牛腿，将可调式连接系在钢牛腿上完成抱箍管及精轧螺纹钢调节盘的安装，再利用浮吊将可调式连接系吊至设计高程，由潜水员进行螺栓及精轧螺纹钢螺母施拧，完成可调式连接系安装。为了提高潜水员的安装效率，可以用钢丝绳将几组水下连接系悬挂至设计高程，等待潜水员统一进行施拧。可调式连接系倒运到现场后在运输船上将连接系管与调节套管拼组为整体，在定位桩上焊接钢牛腿，利用浮吊将预拼好的钢管安装在钢牛腿上，再完成两侧的抱箍钢管、螺栓及精轧螺纹钢安装，根据定位桩倾斜度调整法兰盘两侧精轧钢螺母间距。

(2)在定位桩和连接系管上焊接吊耳，将定位钢丝绳连接在定位桩上，利用浮吊将可调式连接系吊起，将钢牛腿割除，再利用浮吊将可调式连接系下放直至定位钢丝绳受力，浮吊再下钩，解除浮吊吊具，完成水下连接管定位。

(3)2名潜水员同时下水，先将连接管两侧抱箍管螺栓拧紧，将连接系与定位桩固定，再施拧精轧螺纹钢调节盘两侧的螺母，使所有螺母均受力可靠，检查完所有螺栓均施拧到位后，解除定位钢丝绳，完成水下连接系安装。

4.3 钻孔桩固定平台施工技术

锚固桩施工完成后，在拼组好的浮运平台上进行固定平台拼组焊接。固定平台整体通过浮运平台浮运就位后，在锚固桩顶部设置提升系统，采用连续式千斤顶提升钻孔平台完成固定平台的安装。通过这种工艺，可以快速构建使用钻孔桩固定平台。

4.3.1 浮运平台与固定平台拼组

钻孔平台尺寸为19.8 m×15.3 m，主要结构由平台桁架片、分配梁、面板、栏杆等组成，总计重量135.24 t，其中平台桁架片为96.44 t，其他部分为38.8 t。提前在岸边利用钢栈桥及履带吊进行浮运平台的拼装，浮运平台是由15个标准舟节组成，尺寸为13.5 m×27.0 m。待浮运平台组装完成后，在平台上放置5组贝雷梁，间距为4.5 m，每组贝雷梁由8片标准贝雷片组成，作用为钻孔平台的垫梁，以保证钻孔平台底部焊接质量。待浮运平台及垫梁安装好后，在垫梁顶端开始拼装主墩桩基钻孔平台桁架。钻孔平台严格按照设计图纸进行拼装。钻孔平台在岸边浮运平台上组拼完成后，通过顶推船将浮运平台浮运至锚固桩之间就位并锚固[4]。

4.3.2 提升结构设计

(1)承重梁采用2组3拼贝雷梁合并而成，每组贝雷梁共计42片，总计贝雷片84片。

(2)钻孔平台的安装采用整体吊装，设置4个吊点，根据钻孔平台的重量和预先安放在平台上的八三墩龙门架以及龙门吊主梁重量，每个吊点需要按照75 t拉力进行计算。平台采用4台200 t连续式千斤顶进行同步提升，提升高度为18 m，吊绳通过计算采用7根∅15.2 mm钢绞线(单根最大拉应力19.6 t)。

(3)贝雷片纵梁上单个吊点放置2组双拼I32b工字钢作为分配梁，单根双拼I32b工字钢长度2.5 m。2组双拼工字钢摆放间距为60 mm，采用300 mm×300 mm×12 mm的钢板做连接板连接。在分配梁中央顶部底部各开一个∅100 mm的圆孔，以便千斤顶钢绞线能穿入。将千斤顶放置在纵梁顶的分配梁顶端中部，放置时千斤顶锚具中心要与分配梁梁上预留的圆孔对准，将连续式千斤顶底部与分配梁采用栓接进行连接固定[4]。

(4)在每个吊点对应钻孔平台底端设置1组双拼的I40b工字钢作为吊点下端承重的扁担梁(分配梁A)，长度为2.5 m。工字钢与工字钢之间预留60 mm的缝隙，采用200 mm×200 mm×12 mm的钢板作为连接板将其连接。在分配梁中央顶部底部各开一个∅120 mm的圆孔，以便钢绞线穿入。固定平台整体提升施工如图6所示[4]。

图6 固定平台整体提升施工

5 结束语

龙湖大桥2个主墩桩基施工，采用浮式平台和固定平台相结合的施工方案(先施工定位锚固桩，后利用定位锚固桩搭设固定平台进行主桥桩基施工)非常合理可行，此方法能有效解决超深水陡坡裸露基岩钻孔桩施工中出现的护筒滑移、偏位、跟进锚固困难等一系列技术难题。两个主墩采用一套浮式平台分4轮周转进行定位锚固桩施工，可满足通航、工期等各项条件，工序衔接良好，大大节省施工费用，且施工质量安全可控，产生了良好的经济效益和社会效益，为以后类似条件下工程施工提供很好地借鉴。