深水桥梁的基础施工技术

/深水桥梁的基础施工技术一、概述所谓深水桥施工，亦是指在水深大于5m、河面宽100m以上的江面上施工的大跨度桥梁。依据桥梁所处河址的地形地貌、水文地质状况，实行科学、合理的施工方法。二、基本思路纵观国内外深水桥梁的施工实例，不论是跨海还是跨越江河湖泊，核心的问题是如何解决基础工程的施工问题。而基础工程的难点则是水中施工问题，要解决这一问题，无外乎是船坞法、或围堰法。船坞法即接受大型船坞（500t以上）搭设水上工作平台，利用水上平台进行下部工程的施工（桩、承台、墩身等）；围堰法即我们近来常运用的双壁钢围堰，利用钢围堰下沉到我们所需的墩位处，在钢围堰上搭设工作平台进行基础施工。如国内大家所熟知的杭州湾跨海大桥、山东青岛的黄岛大桥、浙江宁波的舟山大桥，以及近年来建成的天兴洲大桥、南京大胜关长江大桥等，均不同型式的接受了上述两种施工方法。船坞法须要大吨位的船驳及相应马力的牵引装置和水上配套设施，投入较大、要求较高；我国的大桥工程局、中交系统的中国港湾等常有运用。而围堰法对于水深30m以下、流速在5m/s以下的河流或湖泊中，常被广袤的施工单位所接受，不失为一种经济、简便的深水桥梁施工方法。下面，我们将结合围堰法的特点，重点进行讲解并描述。三、围堰法围堰分土围堰和钢围堰、钢筋混凝土围堰等三种。钢围堰则分钢板桩围堰、单壁钢围堰、双壁钢围堰、混合型钢围堰（即下层双壁、上层单壁钢围堰）等。至于接受哪种型式为好，应依据承台结构形式、底面高程、工程数量、河床面高程、地质状况、冲刷状况及施工期的水位流速变更、围堰安装的方法等因素综合考虑。对于水深小于3m、流速小于3m/s的河中或岸边施工时，可接受筑岛土围堰或钢筋混凝土围堰或钢板桩围堰或单壁钢围堰施工。而对于水深大于5m、流速大于5m/s且有通航要求的水中墩施工，则宜接受双壁钢围堰施工。下面，重点讲双壁钢围堰的设计和施工。四、双壁钢围堰的设计和施工㈠、双壁钢围堰的设计1、基本数据的采集要设计双壁钢围堰，首先要搞清楚需设计一个怎样的双壁钢围堰？它是什么形态？圆形？矩形？而或是两端为圆形、中间为矩形？它的平面尺寸、立面尺寸如何确定？等等。这就要求收集一些必要的基本资料和数据。⑴、要测绘桥址处的平面图（或搜集），以便了解施工场地的状况，为施工场地的布置供应依据。⑵、要测量桥轴线的河床地形断面图，搜集地质断面图，特别是水中墩墩位处的地质状况。⑶、要搜集河流的水文状况、通航状况，要了解近五年来的水位高程、当年枯水期水位高程、丰水期水位高程、百年一遇的水位设计高程、通航水位高程及通航净空要求等。⑷、要通过施工设计图精确驾驭水中墩的桩基布置，包括桩的根数、直径、桩深；承台的平面、立面尺寸，以及承台底、承台顶标高等。2、围堰平、立面尺寸的拟定依据以上搜集到的资料，进行双壁钢围堰的几何尺寸设计。首先是外形设计：在一般状况下，特别是要接受双壁钢围堰作为搭设桩基或承台施工的平台时，宜接受圆形钢围堰。其优点是可利用的平面空间尺寸较大、整体受力较大、过水实力较强；但缺点是要耗费较多的钢材，组拼工作量较大，焊接工作量大等。实际施工中，接受圆形或两端为圆形、中间为矩形的较多。⑴、圆形钢围堰内径尺寸的拟定，其内径为：D1=DEFINED(a2+b2)+2×△B公式中各项字母含义，参见图1所示。图1双壁钢围堰结构尺寸构成示意图式中：D1——钢围堰的内径（以米计）；a——承台（若两层承台，则为下层承台）顺桥向宽；b——承台横桥向最大尺寸（以米计算）；△B——承台对角线处距围堰最近点距离，一般取0.75～1.0米为宜；L——承台（下层）对角线长度（以米计算）；D2——钢围堰的外径（以米计）；h——双壁钢围堰厚度；视围堰高度及承受的荷载确定，一般为0.8～2.0米。⑵、围堰高度的确定H=设计水位高程（或为五年一遇最高洪水位）-封底混凝土高程+平安高△H式中：平安高△H一般为1.5米；封底混凝土高程=承台底高程-封底混凝土厚度；封底混凝土厚度的确定：一般应大于2米，并保证在抽水、进行承台施工时增加围堰抗浮力及底部不漏（渗）水的须要。⑶、围堰上浮浮力的计算围堰上浮力计算原理很简洁，即依据阿基米德定律，浮力大小等于物体排开液体的重量。即：式中：Wf——水的浮力（t）；D2——围堰外径（m）；Ht——围堰抽水后内外的水头差（m）；γ1——水的容重（t/m3）。⑷、抗拒浮力的计算：W抵=W自+W台+W填+W摩式中：W抵——围堰抗拒水的浮力（t）；W自——钢围堰的自重（t）；W台——围堰上搭设工作平台及设备重（t）；W填——围堰内注水或灌入混凝土的重量（t）；W摩——围堰内壁及桩护筒和封底混凝土的摩擦力（t）；W摩=（πD1+nπd）×H封×φ式中：D1——围堰内径（m）；n——桩的根数；d——桩的钢护筒外径（m）；H封——封底混凝土厚度（m）；φ——钢和混凝土的粘着系数。由此计算，若W抵≥1.3Wf则封底混凝土厚度符合要求；如不满足要求，则修正封底混凝土的厚度，直至满足要求为止。留意：有人曾在计算抗拒浮力时，将整个封底混凝土的自重均计入，这是不够科学的；除非能保证封底混凝土和钢围堰形成一个结构整体。图2双壁钢围堰结构示意图3、钢围堰的结构设计⑴、钢围堰的结构设计应按钢结构设计原理进行计算。其整体设计组成如图2所示。⑵、在计算出围堰总高度后，应依据自身的起吊实力对围堰总高进行分节。为下沉及接高的须要，底节高不宜小于4.5m，其它节的高度在3～5m均可。为削减焊接、拼装的工作量，不宜分得太小。每节围堰又可分为8块或12块组拼。⑶、围堰的刃脚部分应进行特别设计。一般接受较强的型钢焊接而成，因要入岩及起整个围堰的支撑作用。⑷、组成围堰的竖肋、水平横（斜）撑、面板等，均要进行构件的计算。计算的原则为：竖肋应按两端固结的杆件或将整个围堰的竖带组合体视为一桁架结构的弦杆进行检算；水平横（斜）撑按桁架结构的杆件进行检算；面板则应按四边嵌固的板验算板的应力及局部变形。计算荷载如下：①、平台上传递而来的竖向静活载（自重、设备、人员）；②、如作为钻孔桩施工平台，还应考虑钻机的冲击荷载；③、水压力；④、自重。详细计算方法，详见钢结构计算手册。㈡、钢围堰的施工1、钢围堰的加工及制作钢围堰的制作及加工，应在指定的具备加工实力的大型钢构件厂进行，详细的加工工艺，各单位均有较成熟的工艺，从略。2、钢围堰的就位、下沉、接高、落床如何将制作好的钢围堰运到指定墩位，并精确就位下沉，是一个面临要解决的难题。要解决此问题，大致有以下几种方法：⑴、栈桥T接平台法（先堰后桩）图3钢栈桥T接平台示意图此法的核心思想是：先在平行于桥轴中心线的上游20m左右的地方修建栈桥，栈桥长度依据实际须要确定；然后利用修好的栈桥向水中墩位处横向延长，形成T接工作平台。利用此平台组拼钢围堰底节，并在平台上设置两台50t以上的门式吊机起吊、限制下沉、接高及就位。围堰下沉时靠预先在设计好的位置插打4～6根钢管桩作为下沉的导向装置，以固定、制导钢围堰精确下沉。如图3所示。详细施作程序如下：①、先修建栈桥。②、栈桥T接。③、利用100t以上打桩船、DZ60振动锤插打Φ630×6mm钢管桩，保证入岩深度不小于2m。入岩困难时，可在钢管中先打入不少于3根Φ108的三个小孔、并插入钢管；待大钢管定位后浇注C25水下混凝土、高度不小于4m（从岩面起算），共打入4～6根。④、在钢栈桥上拼装龙门吊。⑤、利用拼装好的龙门吊修建工作平台，用于底节钢围堰拼装。⑥、拼装底节钢围堰时，亦可将工厂生产并经试拼的底节钢围堰先在栈桥上拼成1/4（4块）大块；在已打好的4～6根定位钢管桩上搭设临时工作平台进行组拼，起吊整节底围堰时再拆除该工作平台，缓缓下沉。⑦、当底节钢围堰在导向装置的带动下，下沉到围堰能自浮、并保证干弦高度不低于1.5m时，依靠设定在钢导管侧面的临时锁定装置临时锁定，以备下节钢围堰的接高。临时锁定装置可设抱箍或钢楔块或导向轮等装置。大桥局南京大胜关长江大桥为此事特地设计了可水平调整的挂桩装置，从围堰下沉时可控、可调，特别是在有潮汐及流速较大时，这种设计是必要的。⑵、栈桥T接法之二：先桩后堰法，即利用延长的栈桥在墩位处先将桩的导管打入指定位置，利用导管搭设工作平台；先施工桩基并完成桩后，再利用桩的导管施作围堰、下水、接高就位、水下混凝土封底，之后施工承台、墩身。⑶、临时码头加浮运平台法（先堰后桩）此法的核心思想是：在水中墩上游30m左右处、靠工作场地开阔的一岸修建临时码头，码头的规模可修建为6.5m宽、35m长、近2000平方米的场地，可满足底节钢围堰组拼的要求即可。参见下图4。图4码头浮运法示意图在码头修建好后，可按如下程序操作：①、在靠近码头处利用租赁的中60浮箱（个数由钢围堰的大小确定）或自行在工厂焊制浮箱组成确定规模的浮运平台；②、在浮运平台上组拼、焊接底节钢围堰；③、用拖轮将已组拼好的钢围堰拖到指定的墩位处；④、在要下沉钢围堰的水中墩处，事先设定、就位好定位船；定位船设有50t浮吊或门式吊机，作为起吊底节围堰、接高、就位而用；参见下图5。图5钢围堰在墩位处提升、就位示意图⑤、待底节围堰利用定位船上的吊机起吊后，拖轮将牵引浮运平台至岸边进行下一节围堰的组拼、以备接高；大型组件如此反复工作，直至围堰达到全高；⑥、钢围堰下沉的限制靠设在船上的四台卷扬机相互调整，限制下沉。此法的优点是工序简洁，可不修建栈桥；但须要较多的水上施工设施。⑷、临时码头升降平台浮运法（十七局沅江桥施工方案）此法和上述方法基本相同，不同之处在于：①、在靠近码头处修建一个可以升降的组拼平台，组拼平台由两台固定龙门吊梁拖住，而龙门吊的起升动力由穿心式千斤顶供应；每组由四根Φ38精轧螺纹钢筋穿过小横梁传递拉力或下滑。见图6。图6临时码头升降平台浮运法示意图②、在码头处利用吊车在升降平台上组拼（组拼时高出水面1.5m左右），当底节钢围堰组拼完毕后，利用龙门吊机的吊杆下滑，使围堰入水、并达到自浮。自浮后，利用两艘200t铁驳夹住钢围堰、用拖轮拖至墩位处，用锚碇锁定铁驳位置，并用铁驳上的浮吊（60t）起吊钢围堰完成入水、就位。③、至于其次节……直至顶节的组拼，需船将散件通过水上运输运至定位船旁边，再利用导向船上的60t浮吊组拼。此法的优点是简易可行，不须要太大的起吊设备；但和浮运平台法相比，则需修建浮运升降式平台，二者相比，工期可能较长；费用和租赁中-60浮箱或自制浮箱相比，不愿定经济。施工单位可自行详细核算后取弃。⑸、底节围堰岸上整体制造、气囊法断缆下水法中铁大桥局承接的京沪高速南京大胜关长江大桥，其主跨为：（108+192+336×2+192+108）六跨连续钢桁拱、按六线设计，其水中墩接受了此法施工。此法的要点是：①、在岸上整体制造底节钢围堰，使钢围堰支承于U型浮箱上，并对刃脚部分接受气垫加以处理，以增加其浮力。②、底节围堰在岸上组拼好后，利用1：28的斜坡滑道、断缆下水，使其滑落到足以上浮的深水区不至于搁浅。③、然后利用拖轮及铁驳导向，将其浮运至墩位，利用重锚精确定位。④、定位后，插打定位钢护筒；利用钢护筒顶设置提升设备，使钢围堰挂于钢护筒上，形成固定工作平台；进行钻孔灌注桩的施工。⑤、待全部的桩完成施工后，利用此固定平台接高钢围堰；在设于钢护筒上的导向装置下，使钢围堰下沉、着床。⑥、然后进行水下封底混凝土施工。围堰内灌注确定高度的混凝土，以满足在围堰抽水后围堰具备足够的重力以抗拒上浮。⑦、随后进行承台、墩身施工，程序同前。接受这种方法施工，是在大江大河并有潮汐影响的状况下，进行水中墩施工的好方法；但须要起重量1000t以上级的大型浮吊及配套的水上设施。国内除中铁大桥局、中交三航局外，其它单位尚无实力组织施工，因而只能依据自身的设备实力及施工技术水平，接受前述四种方法之一进行水中墩施工。3、封底混凝土的施工①、水下封底混凝土为接受垂直导管法施工，因其体积大、面积大，应依据导管的直径、灌注砼的流淌半径，匀整、合理布设灌注导管。导管直径宜为Φ320至Φ360mm，接受分层