大洋河特大桥水中基础施工.docx

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大洋河特大桥水中基础施工

大洋河特大桥水中基础施工

中铁一局一公司祝西文

摘要：

本文介绍了大洋河特大桥水中基础施工，采用钢管桩基础、64式军用梁栈桥和水上工作平台的施工过程，有效的抵抗了涌潮、流冰的袭击。

关键词：

栈桥工作平台水中基础钢围堰钢管桩涌潮流冰

1概述

大洋河特大桥位于辽宁省东港市，是丹东至大连高速公路跨越大洋河连接黄土坎镇与孤山镇的一座特大桥，桥全长1367米，上部结构为10×30+8×50+22×30m预应力钢筋混凝土T型简支梁，采用分离式上、下行，桥面全宽22.5米。

下部结构为圆柱式桥墩、钻孔桩基础，低桩承台。

1.1地形、地貌与工程地质

桥位所处地势平坦低洼，地貌为冲海积平原区。

地质为河床下12—16.2米为细砂，细砂下有4米左右为卵石，卵石以下为片岩，风化层有7米左右，钻探最大深度28.98米，桩基穿过风化层，嵌入弱风化层2.5米。

1.2气象、水文

该桥因濒临黄海、兼具海洋气候特点。

年平均气温8.4℃，年最高气温35.6℃，最低气温-28.2℃，基本风压700Pa。

大洋河桥位处于下游感潮河段，考虑潮汐及水流影响，最大设计水位为9.31米，300年一遇。

桥头壅水高度为0.15米,河床底水流速最大2.97米/秒,最大表流速4.13米/秒,最高流冰水位3.50米,最底流冰水位-2.5米,重现期20年的最高潮位为6.86米,施工水位5.47米。

大洋河在每月的农历初一——初四、十五——十八涨潮（其中农历四月十七、十八，十月十七、十八为天文大潮），每天早晚涨落潮各两次，最高潮位为3.2米，最低潮位-0.8米，水位落差达4米。

干潮期常常大部分河滩外露，涨潮时则波滔汹涌，全被大水淹没，属时滩时水，水位时浅时深、流速时大时小、流速时上时下多变地段。

本文着重论述该地段10-18号墩基础工程施工。

2工程概况

大洋河特大桥主河道较平坦，桥墩10-18号处于感潮期河段受潮汐水流及流冰的影响，施工难度大，工期紧，是本项目的重点工程及控制工程。

⑴本桥设计为双幅四车道、双幅宽25.5米，两承台净距3.2米，承台为尖端形，尺寸为9.60×5.70米。

⑵桥位于浅滩及河水中，有水但不能行舟，有滩却不能陆地施工、且涨潮每日两次，时大时小，大时来势凶猛，并且冬季有冰凌。

因此，抗御涌潮和防御春季流冰是施工的关键问题。

⑶常水位在5.47-6.86米间变化、设计承台底高程为-3.5米，承台顶高为-1.0米，考虑双壁钢围堰底砼封底厚度约3米，钢围堰下沉到-6.5米,根据潮差确定围堰总高度在13米左右。

⑷覆盖层上层地质条件较差，且有一层较厚的细砂层，约12米左右，钻孔桩施工须有钢护筒穿过此层,故钢护筒入土较深,一般护筒底标高在-0.9~16.21米左右,护筒长度在9~25米之间。

⑸钻孔最深34.77米，穿过12米左右的细砂层，3米左右卵石层，14米左右的风化片岩，进入新鲜片岩2.5米。

⑹水中单幅承台尺寸为9.6×5.70米，计划采用长边10.8米，短边6.9米尖端形钢围堰，高约13米，分两层制作，底节高6米，为双壁结构，上层7米左右，为单壁结构，中间加设支撑和肋，按计算确定。

采用分节分块制作，底节有可能在下沉中灌填砼或砂石，下沉时设吊挂设备、以维持钢围堰的稳定。

⑺该桥施工要求18个月完成，工期很紧，同时施工点又很多，且上、下幅同时穿插施工、工序繁多，要求能全天候施工。

310-18号墩基础施工方案的比选

水中10-18号墩基础施工特点已如上述、它排除了采用常规的水上施工方法，也不能改河道施工以及填筑河道使之成为陆地施工，因此较为适宜的施工方法是栈桥加平台的施工。

高速公路上下幅桥并列，且同时施工，横向宽度又很大，在两桥之间设置栈桥，因无空间，又不可能，因而在桥的上游设置栈桥，连接大平台，一直通往对岸，使水中桥墩基础可同时施工，满足了施工工期要求。

栈桥设计要具备以下功能：

一是要满足物资、机具、材料、设备的运输及畅通；二是适应起重机具的运转和操作；三是最大限度地为施工提供方便，使栈桥能够为桥墩基础施工结构的简化发生作用；四是确保安全，为全天候施工创造条件，对此，我们对栈桥上的吊装设备进行了比选，采用65T的履带吊和25T的轮胎吊，每个钻孔平台上用2~4台冲击钻进行钻孔。

4栈桥施工

栈桥按照涨潮最大水流河面宽度确定栈桥长度为408米，采用钢管桩基础，梁部采用六四式军用梁，桥面用16号工字钢和方木组成。

4.1栈桥设计

考虑春季河流解冻时流冰的冲击，栈桥设在主桥上游并和六个钻孔工作平台连成整体，抗抵流冰的冲击。

栈桥设计综合考虑承载能力、流冰的冲击、工期进度及经济指标后，施工栈桥基础设计为2φ529mm钢管桩的基础，桩间距3米。

桥梁选用64式军用梁，标准跨度12米，最大跨径16米。

钢管桩桩长根据桥面标高6.5米，承受荷载、地基土摩擦力的大小、局部冲刷深度，钢管桩壁厚设计为8~10mm，钢管桩长度各不相同，根据实际打入卵石层1米左右来确定实际长度。

钢管桩顶部设置桩帽，用2Ⅰ32工字钢将钢管桩连接成整体，桩顶以下2米范围内采用L75角钢焊接成剪刀撑加强钢管桩横向连接。

桥面系采用军用梁的横向联结系槽钢和钢枕,槽钢和钢枕之间的空隙用方木满铺,U型卡连接,桥面宽4.3米,梁与钢管桩横梁用U型螺栓连接,如栈桥结构图1

4.2栈桥施工

栈桥施工前首先确定栈桥与主桥的相对位置,并做好临时放桩的码头,打桩前首先按两排桩的轴线位置100米打一个定位桩，作为栈桥钢管桩的基准。

4.2.1接桩

钢管桩太长对运输、吊装、打桩均不利。

要求吊装设备很高，本工程采购的钢管桩均12米，打桩时采用上下节对接焊。

先用浮吊将钢管桩放到舶船上，舶船四周抛锚，用来固定舶船的位置，在舶船一侧设置钢管桩的导向架，以便确定钢管桩的垂直度。

接桩在打入第一节12米桩后，吊起第二节钢管桩进行对接焊并进行帮焊，再震动下沉到卵石层不再下沉为止。

4.2.2打桩顺序

先打栈桥桩，后打水上作业平台桩。

便桥以丹东东岸侧起向庄河岸侧方向以此进行，上、下游两根钢管桩先后进行，以便进行加固桩帽，横垫梁和剪刀撑，是纵梁的架设可随之进行。

当栈桥钢管桩打到水上工作平台后，桥面铺到位，再按设计要求及打桩顺序施工水上工作平台。

为提早钻孔做好准备工作。

4.2.3桩位的确定

钢管桩的准确位置用全站仪确定，桩的轴线已用定位桩确定，栈桥跨度为12m，可用全站仪测定每根桩的位置，桩的标高用水准仪测定，不够高的要接长，超过标高的用气割割掉多余部分。

4.2.4震动沉桩

舶船上吊机吊起钢管桩，放入导向架中，移动舶船，使钢管桩移到桩位，固定舶船，使钢管桩自由下沉，再用振动桩锤夹住管头，起动振动锤使桩下沉，下沉到一定高度，高出水面，用吊机吊起另一钢管对位接长,并且振动下沉直到不能下沉为止，桩基进入卵石层，再割去多余部分,使管头平面控制到设计标高。

4.3军用梁架设

4.3.1焊接桩帽

将加工好的桩帽卡入钢管桩内如图2，直至钢板完全卡入钢管内，然后在桩帽与钢管桩之间焊接联系钢板，采用双面焊接、联接牢固可靠。

4.3.2横联及枕梁

横联采用∠75×75×7的角钢在桩顶枕梁以下2米内进行连接如图1所示。

角钢与钢管的连接采用焊接，焊接必须焊接饱满，以保证角钢与钢管连接牢固可靠，使两根钢管桩形成一个整体，保持整体稳定。

枕梁采用2Ⅰ32工字钢组成。

2根工字钢上下翼缘板在中部和两端部用12mm厚的缀板焊接，连接成整体，再焊接在桩帽上，经计算满足强度要求。

4.3.3栈桥64军用梁架设及桥面铺设

军用梁采用悬臂拼桩法施工，每组单片单层在拼装时，首先对构件要严格进行选择，构件产生变形、有裂缝、有焊缝开裂的等不能使用。

在拼装时用吊车，构件应纵向立面进行拼装，钢销选择从外侧向内侧打销并且插销大口向上，以防构件受力插销下落钢销松动,出现危险。

单片拼装时要在拼好的军用梁两侧加设人字撑，防止单片梁失稳。

当单片梁拼装到12米长时，用40T履带吊吊起与已安装的军用梁悬拼，每次可拼装一整孔梁，节点支撑在钢管桩的横垫梁上，每两个单片并为一个整体，作为一个受力体。

用430厘米的12号槽钢在斜杆处用U型螺栓联结牢固并铺设栈桥桥面，桥面用430厘米长16工字钢和16×25×430的方木满铺，16号工字钢每100厘米一根，用U型螺栓分别与军用梁上弦杆联结，方木用8号铁丝捆绑牢固。

搭设完第一孔后，履带吊上栈桥上作业，以后每搭一孔履带吊向前推进一孔，逐步完成栈桥的架设。

5水中墩桩基施工

5.1水上工作平台设置

桩基础施工应先设计水上工作平台，考虑钻孔桩间距及钻机、混凝土罐车、吊车等机械作业范围，确定水上工作平面尺寸为1070×2650cm。

每个平台30根钢管桩，最大间距535cm。

钢管桩采用φ529，按摩擦桩设计，单桩设计承载力40吨，设计桩长1715厘米，但根据河床地质断面图，钢管桩要沉入卵石层，桩长实际为18~22m长。

平台的横梁和分配梁为2Ⅰ40a工字钢，工作平台面层为16号工字钢和方木相间铺设，如作业平台结构图3。

水上工作平台标高与栈桥桥面相同，并且水上工作平台与栈桥连成整体，平台面下200厘米处用32号槽钢将钢管桩连接成整体，增强工作平台的整体稳定性。

5.2水上工作平台施工

5.2.1浮吊组装

采用简易拼装式10吨浮吊，浮吊由长9米、宽2.7米、高1.65米的10个浮箱拼接而成，最大起重量10吨，吊高20米。

浮吊与运输船、冲锋舟组成一个水上作业体系，如图4所示。

根据结构物的尺寸，确定浮吊的作业范围，在河中抛设混凝土锚碇。

浮吊依靠四台慢速卷扬机放收钢丝绳控制浮吊的位置。

钢管桩的运输船、冲锋舟来回运输物资设备和人员。

5.2.2平台施工

根据平台设计的结构尺寸和每根桩的相对位置，在沉桩施工时用全站仪按每个钢管桩的坐标值放出角桩，作为两根基准桩，然后在基准桩之间拉一条准绳，准绳用Φ5钢丝绳制作，准绳上设置标志，用彩色胶布缠在准绳上确定其余桩位。

沉桩时、行驶浮吊、使浮吊上的导向架中心与设计桩位重合，然后将钢管桩从导向架中下放至河床，调整管桩的垂直度至工艺要求标准，下沉钢管桩。

振动沉桩时，振动锤夹紧钢管壁，随振动锤振动下沉使钢管桩下沉。

桩长不够时，在水上接桩。

水上接桩时，采用浮吊吊起钢管桩与底节钢管桩对中，先焊定位板，再焊接其它焊缝。

为了加强钢管桩接口的质量，沿圆弧对称布置焊接三块弧形钢板，尺寸长、宽、厚为150×100×8mm.

沉桩长度控制，根据控制室电流达到额定要求，钢管桩不再下沉为止，然后采用水准仪测量，将高出部分割除。

工作平台的铺设，以栈桥为运输通道，用40吨履带吊吊安第一层40号工字钢并焊接在钢管桩上，再吊安第二层40号工字钢，最后间隔铺设16号工字钢和方木为平台的面层。

5.3钢护筒下沉

钢护筒下沉选择在涨潮与落潮相对平稳、流速较小时下沉钢护筒。

为了确保钢护筒下沉的准确性，利用水上工作平台的型钢和钢管桩作为下沉导向架的受力架，导向架设置为上下两层，上层设在平台上，下层设在平台以下4米处，用16工字钢焊接成井字架，固定于钢管桩上，井字架每边比钢护筒大5mm。

钢护筒直径170厘米，钢板厚10毫米，长度分别为12m、6m、4.5m三种类型，便于现场吊装和拼焊接长。

钢护筒振动下沉采用DZ60Y型振动锤下沉钢护筒，因护筒直径较大，一侧受力易产生偏斜，所以在下沉时，先加工以辅助十字架，使钢护筒四周均匀受力下沉，振动锤作用在十字架中心。

将加工好的十字架吊装在钢护筒上，安装牢固，然后用振动锤夹住十字架顶部，先预振一分钟，再边振边松吊绳，使钢护筒在自重作用下沉入河床中。

钢护筒的沉入深度以振动锤不能再下沉，钢护筒嵌入稳定土层，钻孔时护筒不坍塌为原则。

根据大洋河的水文地质情况，钢护筒的长度在18~22米之间，顶部标高控制在高潮水位1米，中心与桩的设计位置偏差不大于5cm，斜度偏差不大于1%。

5.4钻孔桩施工

每个平台上布上设四台冲击钻进行钻孔，一个平台上有八根桩待施工，四台冲击钻在布设时按上下行对角布置施工，并且对角钻孔同时开钻施工。

由于大洋河潮水高差达4米，容易造成泥浆反涌或涌浆。

为了避免该现象的发生，钻头在穿过钢护筒进入稳定土层前，将泥浆比重配制到1.6以上，让冲击钻反复上下运动，使泥浆搅拌均匀。

由于大洋河潮差较大，水中布设泥浆池较困难，利用钢护筒作为泥浆池循环使用进行钻孔施工，最后将废弃泥浆用船运到指定位置进行处理。

冲击钻在钻进时，开始进尺放慢，待进尺超过钢护筒后，进尺可加大。

钻孔结束后，即清孔。

经验证符合钻孔要求后，下放钢筋笼，并使之固定，随既安装导管，浇注水下封孔混凝土。

6水中墩承台施工

大桥的10#~18#墩为水中墩，其中10#、17#、18#墩可以采用筑岛方案施工，11#-16#墩受潮汐影响尤其明显，11#-13#墩位于大洋河主河道上，长期处于水中，最大水深9米，14#-16#墩位于浅滩上，落潮时河床露出水面。

鉴于潮水对施工的影响，11#-16#墩承台采用下沉钢围堰，水下灌注混凝土封底进行大桥承台施工。

6.1钢围堰结构设计

承台底标高-3.5米，封底混凝土厚度2.5-3.5米，最高潮水位3.2米，由此可确定钢围堰总高度9.5-11米，围堰可分为2节，其中双壁部分高6米（含刃脚部分1米），单壁部分高3.5-5米；为了运输方便，在加工场内将围堰分成12块预制，运至现场附近后组拼焊成6大块如图5所示。

承台设计平面形状为棱形，为了节约材料，围堰平面形状也为棱形，其中双壁围堰厚100厘米，尖端处内壁比承台大30厘米，长边内壁比承台外边大50厘米。

刃脚高度100厘米，踏面宽10厘米，采用10#角钢加强刃脚。

考虑双壁钢围堰能均匀下沉、控制下沉垂度和速度，将双壁钢围堰设置12个相对密封的隔仓，仓板用10mm的钢板，仓板四周采用10#角钢，并与10#角钢满焊牢固，围堰钢板用8mm的钢板。

双壁钢围堰的单片骨架由8#槽钢与5#角钢焊接而成的钢架结构。

骨架竖撑和横撑为8#槽钢，斜撑用5#角钢，焊接成主体受力骨架。

单壁钢围堰为8#槽钢和5#角钢焊接成井字架，井字架横向间距100厘米，竖向间距88厘米，对角用5#角钢。

单、双壁钢围堰的连接采用焊接，并增设16#工字钢进行加强，成为一组合结构。

经检算钢围堰的强度、刚度、稳定性及下沉均满足要求。

6.2钢围堰下沉施工

6.2.1搭设辅助平台

将钻孔桩施工平台左幅顶面拆除，用拆卸下来的Ⅰ40a工字钢在平台顶面搭设钢围堰下沉简易吊架。

工作平台顶面以下410厘米处搭设辅助工作平台，在辅助工作平台上拼装第一节双壁钢围堰，用履带吊分别吊起双壁钢围堰十二块钢箱，按设计结构尺寸用螺栓临时连接每块结构，再焊接，双壁钢围堰内外十二道焊逢，焊接要符合设计要求，不能漏水。

在双壁钢围堰外壁顶面下300厘米处设置十二个吊环，用10吨十二台倒链吊在简易吊架上如图6所示，

图6简易吊架及辅助平台示意图

6.2.2双壁钢围下沉

起吊沉放钢围堰之前，对围堰焊接缝进行渗漏检查，用水泵对每个隔仓注水检查，若有渗水，画上记号，排水进行补焊。

用十二台10T倒链提起钢围堰并校正围堰位置，焊接井字型导向架2层，间距300厘米，以围堰顶部开始，以四个钢护筒为导向桩，导向架与导向桩间距2厘米，导向架采用Ⅰ30工字钢，同时对钢围堰又起支撑作用。

拆卸辅助平台上的16号工字钢。

设专人指挥，保证10T十二个倒链同时受力，使倒链同时下放，80吨围堰落到水面以下到平衡为止。

向围堰隔仓内加水下沉，根据下沉情况，调节隔仓加水量，使之平衡均匀下沉，到一定高度后，接高第二节单壁钢围堰。

当下沉困难时，采用射水吸泥下沉钢围堰。

在每个围堰内布设3台Q5PS型潜水泵（电机功率30kw，流量190m3/h），3台DA1型离心水泵（电机功率22kw），配备9把射水枪，均匀射水吸泥，防止局部吸泥过深，造成围堰下沉偏斜。

另外，应备有向围堰内补水的设施，保持围堰内水位与围堰外水位相平衡或围堰内水位略高于围堰外水位，防止翻砂。

围堰下沉速度不宜过快，以保证其准确就位。

下沉受阻时应立即停止下沉，进行详细检查，针对产生的原因，采取措施排除障碍后方可继续下沉到设计标高。

6.3钢围堰水下封底

围堰下沉至设计标高后，用16#工字钢将围堰与平台四周的钢管桩固定，防止其在封底过程中由于潮水冲刷产生下沉，或者封底结束后围堰内抽水浮力增大上浮，从而影响封底质量。

在水下封底前，均匀抛入片石和部分碎石找平，而保证砼封底时围堰刃脚四周不漏，并可避免在水下灌注砼过程中基底泥砂翻涌，根据围堰底面面积的大小及混凝土流动半径的实验结果和混凝土的封顶厚度，确定布置3根导管进行封底如图7所示。

导管底部离基底10-20cm。

先灌注1号导管，使导管埋置深度在50-100厘米，再进行3号导管，最后进行2号导管的灌注，三根导管均达到埋置深度后，按1号、3号、2号导管进行循环灌注混凝土。

封底过程中，随时用测绳测量混凝土面的标高。

在实际施工过程中，根据潮水对不同墩位处的围堰影响情况，将封底混凝土厚度控制在2.5~3.5米之间。

6.4承台施工

封底混凝土水下养生3-7天内，对同等条件下的试件进行试压，当强度达80%以上，便将围堰内水抽干。

在抽水过程中，随时观察围堰的变形情况，并在单壁围堰高度的三分之一处增加一道支撑（三根16号工字钢并焊使用），然后将围堰内的导向架拆除。

对封底混凝土进行凿平并凿除表面浮浆。

割去钢护筒多余部分，凿除桩头，调直钢筋，绑扎承台钢筋，最后按正常的陆地承台施工程序进行施工。

7结束语

⑴大洋河特大桥水中基础施工，采用了φ529钢管桩基础、64式军用梁等作为栈桥和工作平台、从而为施工提供了良好的工作面。

栈桥梁底标高按4.84米布置，实测最高水位3.2米，从而使栈桥具备足够的抗潮能力。

工作平台与栈桥的钢管桩连成整体，从而使栈桥具备足够的抗冰凌冲击力。

栈桥梁部全长采用连续梁结构，跨度12米，考虑了个别桩受冰凌冲击破坏而不影响栈桥的正常使用，并可随时进行补桩。

⑵钢护筒下沉简易导向架设置在钢管桩上，用16号工字钢焊接在钢管桩上、相距4米，形成井字架，具体足够的强度，保证了钢护筒的垂直度。

并且采用辅助十字架焊接在钢护筒顶部，振动锤作用在护筒中心，保证了钢护筒受力均匀不偏斜。

⑶水中承台施工，采用单、双壁相结合的尖端形钢围堰施工，减少了涌潮时的局部冲刷，使围堰与钢管桩及四个钻孔桩钢护筒连为整体，能够抗御涌潮和流冰的冲击。

⑷采用型钢搭设辅助平台和简易吊架，以及四根钻孔桩护筒作为导向桩保证了围堰下沉的垂直度和方向，确保了自重达80多吨的钢围堰顺利下沉。

⑸水中11#-16#墩承台施工采用尖端形钢围堰下沉到设计标高后将钢围堰挂吊在护筒和钢管桩上，然后在围堰中抛片石和粗砂砾，确保了围堰内顺利封底。

⑹水上施工的混凝土全部由岸上拌合站集中拌制，由运输罐车通过栈桥运送至各墩处，减少了水上设备的使用。

⑺在水深、水流速急、水位落差大、有流冰的大洋上采用64式军用梁及钢管桩搭基础搭设栈桥，为大洋河特大桥水中墩施工奠定了良好的基础，作到了用料省，最大限满足了施工要求。