寧安鐵路安慶長江大橋主塔墩深水基礎施工技術

劉愛林

(中鐵大橋局寧安鐵路安慶長江大橋工程指揮部，安徽安慶 246008)

1 工程概況

寧安鐵路安慶長江大橋是南京至安慶鐵路(兩線客運專線)和阜陽至景德鎮鐵路(兩線Ⅰ級干線)的重要組成部分，是寧安鐵路重點控制工程。主橋采用(102.29+188.5+580+217.5+159.5+117.3)m六跨連續鋼桁梁斜拉橋［1](圖1)，鋼梁桁間距2×14 m，節間長14.5 m，桁高15 m。主塔為鋼筋混凝土結構，塔高 210 m。

圖1 主橋立面布置(單位:m)

設計最高通航水位16.46 m，最低通航水位1.80 m，施工期間最大水深達40 m，最大水流流速達2.87 m/s。

3、4號主塔墩均位于主河槽中，基礎均采用37根φ3.4 m/3.0 m變徑鉆孔嵌巖樁基礎，基樁梅花形布置，按摩擦樁設計，持力層為微風化泥質粉砂巖，樁長分別為108 m和110 m。兩承臺平面尺寸均為φ51 m的圓形結構、厚8 m。

3號墩墩位處水下河床斷面呈不對稱“V”字形，江底狹窄，東陡西緩;河床表面僅覆蓋有0.3～0.85 m厚砂夾卵石土層，局部無覆蓋層，巖面高程為-24.8～-26.6 m。基巖主要為微膠結礫巖和微風化泥質粉砂巖。

4號墩位于河床中，河床面高程約為-8.75 m，表部覆蓋厚約18 m粉細砂。基巖主要為弱風化泥質粉砂巖、微膠結礫巖和微風化泥質粉砂巖。

2 主墩基礎施工方案選定

根據總工期要求，兩主墩基礎必須在汛期進行施工。主墩基礎的施工進度不僅制約著全橋總工期目標的實現，也是施工成本控制的關鍵。為此經過技術方案、經濟比選，最終選定均采用雙壁鋼套箱圍堰、先圍堰后平臺的施工方案。圍堰既作為基礎施工的擋水結構，又兼作鉆孔樁施工平臺。

3號墩底節圍堰選在橋位下游船廠進行拼裝，氣囊法下河后浮運至墩位，錨碇系統定位，墩位處接高圍堰并下沉到位，安裝鋼護筒群(其中底節圍堰下水前自帶墩中心6根φ3.8 m鋼護筒)，圍堰頂搭建平臺鉆孔，鉆孔完成后進行安慶側高刃腳處封堵，圍堰內清基、封底，承臺底3.8 m高空檔范圍內填砂處理，施工承臺。

4號墩底節圍堰選在橋位附近水域作為組拼下河地點，在橋位鐵駁平臺上組拼、大型浮吊整體起吊下水，錨碇系統定位，墩位處接高圍堰并下沉到位，插打鋼護筒，圍堰頂搭建平臺鉆孔，鉆孔完成后進行圍堰內清基、封底，施工承臺。

3 施工難點

(1)汛期進行主墩基礎施工。由于正值高溫季節且水位高、水流速度快，圍堰接高施工作業環境惡劣，圍堰下沉、著床、定位難度極大，安全風險高。

(2)大直徑變徑超深嵌巖鉆孔樁施工難度大，垂直度控制要求嚴格。

(3)大體積承臺混凝土灌注質量控制難度大。

4 關鍵技術

4.1 雙壁鋼套箱圍堰的設計

4.1.1 圍堰結構

結合墩位處水文地質條件、承臺結構尺寸、結構受力、施工便利和節省材料用量等角度考慮采用外徑56 m、壁厚2 m的圓形雙壁鋼套箱圍堰結構(立面見圖2)進行基礎工程施工。3、4號墩圍堰高度分別為42.88 m和41.4 m，圍堰由內外壁板、隔艙板、內外環梁、水平桁架等組成。

4.1.2 圍堰在起吊、接高、下沉、抽水等工況下進行檢算

(1)因4號墩底節10.3 m高圍堰整體起吊，對圍堰結構、局部補強及吊點設置進行計算。

(2)當上節圍堰接高后為保證下節圍堰頂在水面以上1 m，需要計算在圍堰井壁內加水高度以及井壁隔倉能承受的最大水頭差。

(3)圍堰接高完畢，澆筑井壁內填充混凝土，計算加水下沉圍堰至底高程后需要在井壁內加水高度和圍堰受力;圍堰下沉到位后填充混凝土，計算隔倉能承受的最大混凝土高差。

(4)圍堰下沉到位后計算封底，分圍堰外側高水位(+15.88 m)、圍堰井壁內無水和有10 m高水兩種工況計算抽水后的圍堰結構受力。

4.1.3 圍堰封底

圖2 3、4號墩圍堰立面布置(單位:cm)

為減少一次圍堰封底混凝土數量，在圍堰底部8.438 m高度范圍設置2道底隔艙，將圍堰內部分隔為3個區域，單個底隔艙寬為2.4 m。3號墩圍堰為滿足氣囊法下河需要，在底隔艙底部設置能自動脫落作滑道鋼板的底托架(圖3)。巧妙設計的底隔艙既解決了大面積封底問題，又解決了圍堰下河滑道設置難題。

圖3 3號墩鋼圍堰支承上滑道立面示意(單位:m)

4.1.4 圍堰下沉處河床不平的處理措施

為解決3號墩安慶側較池州側巖面低約2.0 m的問題。采取在圍堰底節制造時沿圍堰外壁板預設活動插板;待圍堰著床穩定后用鋼凳先支墊圍堰，再下插預設的活動插板;后在圍堰外壁由潛水工下水用砂石袋封堵缺口［2]的辦法解決。

4.2 圍堰施工

4.2.1 圍堰制造、拼裝和下河

圍堰按照事先劃分好的塊段在工廠制造。3號墩底節圍堰在安慶樅陽船舶廠組拼，組拼完成后利用船廠下水坡道采用氣囊法下水。即利用氣囊托起鋼套箱，依靠鋼套箱自重分力在圍堰內兩底隔艙下墊板在氣囊上下滑的方法使圍堰前行;至離岸邊14 m處解除控制拉纜圍堰加速下滑沖入江中，整體自浮;最后利用拖輪控制圍堰。4號墩底節圍堰則選在橋位6號墩下游350 m處水域作為組拼下河地點，組拼平臺采用3艘長75 m、寬13 m的1 500 t鐵駁連成整體構成。在橋位鐵駁平臺上組拼、1 200 t浮吊整體起吊下水。

4.2.2 圍堰浮運、接高、下沉

底節圍堰下水后，選擇風速小于4級、水流穩定、無雨的白天進行。圍堰浮運采用綁、吊結合的形式，選擇功率大且操縱性能好的拖輪做主控拖輪，控制前進淌航和前進的速度;2艘大功率拖輪分別編綁于圍堰兩側;用360°全回轉拖輪正頂于鋼圍堰正后方，頂推以穩定船位，又兼作監護。浮運到位，定位船過纜至圍堰后，拖輪即行解隊。錨碇系統定位圍堰后接高圍堰，并在各節圍堰接高過程中及時調整錨碇系統設置;圍堰僅靠自重難以下沉，需在隔艙內灌注配重混凝土或灌水輔以下沉。

4.2.3 錨碇系統設置

根據工期要求，圍堰下河、水上接高下沉、著床定位及堰內抽水等工序均需在汛期進行，施工難度和安全風險大。結合對墩位處水文、地質、河床情況等的調查，因地制宜地選擇了無導向船的前后定位船錨碇系統結構形式。主要方法是在沿水流方向由前后定位船安裝絞錨裝置與主、尾錨相連，通過拉纜來固定和調節主墩圍堰橫橋向位置;在橫水流方向通過前后定位船安裝絞錨裝置和堰頂收錨平臺，利用圍堰四周和堰頂轉向馬口，解決邊錨收錨和固定、調節圍堰順橋向位置(3號墩結合河床面情況，無覆蓋層的安慶側邊錨使用200 t重型鋼筋混凝土錨，前主錨和池州側邊錨采取在池州岸設地錨，見圖4)。圍堰完全轉移到由定位船和錨碇固定后，根據水位高程變化情況，及時調整各錨繩的張力，進行精確定位［3]。

4.2.4 圍堰清基、封底混凝土施工

圍堰精確定位且鋼護筒(3號墩護筒群為防止在灌注封底混凝土時被推移，在護筒群桁架端部設有支撐與圍堰頂緊，同時護筒群事先在其上設置浮標來定位)下放完畢后，圍堰內河床清基。清基完畢后，潛水員下水逐塊檢查基巖面上泥砂情況以及刃腳斜面外露長度是否達標。清基合格后，按2 m見方劃分方格，測出基巖面各點的高程，繪出等高線［4]。清基時須注意保持圍堰內外水位一致，采用水泵補水，防止翻砂影響清基效果。

圖4 3號墩鋼套箱圍堰錨碇系統布置(單位:m)

清基完成后進行圍堰封底混凝土灌注。3、4號墩封底混凝土面積均為1 509.4 m2(其中兩底隔艙中間部分面積684.6 m2，底隔艙外側面積各為412.4 m2)，混凝土總量分別為1.13萬m3和1.06萬m3。封底混凝土灌注順序:先封兩底隔艙中間部分，后封底隔艙兩側;先低后高，先中間后周圍。3號墩由于順橋向兩側巖面高差，為確保封堵質量，采取分上、下兩層且分塊的方法進行，第一次澆筑2.0 m厚找平層至圍堰刃腳頂部，第二次澆筑5.5 m至頂高程為-17.8 m位置。4號墩圍堰分隔艙一次性封底到位。

由于主墩圍堰平面面積較大，為保證封底效果，施工時根據混凝土流動度和分隔倉大小布置混凝土灌注導管，按事先編號順序灌注。采用垂直導管多點水下灌注;采用φ377 mm卡式快裝垂直導管，按灌注半徑4.0 m重疊覆蓋布置導管數量。灌注平臺支承在圍堰井壁上，平臺上布置4個混凝土集料槽，料槽儲量與混凝土工廠生產能力相匹配，保證導管初灌埋深大于1.0 m。

4.3 主墩鉆孔樁施工

4.3.1 兩主墩鉆孔樁施工的共同點

(1)利用圍堰搭設鉆孔平臺［5];(2)采用8臺KTY-4000型液壓動力頭鉆機清水法鉆孔;(3)鋼筋籠在北岸鋼筋籠車間采用長線法匹配預制，分節段運至碼頭，由碼頭的桅桿吊機裝船，再船運至墩位;墩位處大型浮吊配合接長、吊放入孔;(4)混凝土采用水下導管法灌注，混凝土供應量不少于110 m3/h。兩主墩基樁施工共同采用的關鍵技術有:(1)垂直度控制措施:鉆機就位時底座水平、穩定，鉆頭、鉆桿和樁中心在同一鉛垂線上，鉆孔傾斜度小于0.5%;加大鉆機自重，主機最大質量(含鉆具、液壓站)達179.4 t，通過鉆鋌上下的配重塊和鉆頭穩定器起到鉆頭限位、穩定作用;鉆進過程中保持鉆頭減壓鉆進，鉆壓不得超過鉆具重力之和(扣除浮力)的80%，并堅持每班檢查鉆機水平偏差以保證成孔垂直度和孔型;鉆孔完成后用JJC-1D超聲波成孔檢測儀［6]檢查孔徑變化及傾斜情況，確保一次性成孔、鋼筋籠順利下放到位。(2)為加快鋼筋籠安裝速度，鋼筋接頭采用滾軋直螺紋接頭形式，連接位置按規范要求錯開布置;鋼筋籠在長線臺座上制作成型后再松開螺紋接頭連接器，編號標記，以備運輸和二次對接。(3)采取在棧橋平臺或鐵駁上將12 m節接長為24 m，拖至墩位處起吊安裝，先吊掛存放在未鉆孔的閑置樁位鋼護筒中，減少下籠時起吊扶正時間和接頭安裝次數;另安裝鋼筋籠時采取2臺浮吊同時進行安裝和配合作業的辦法加速鋼筋籠下放速度。(4)為防止混凝土初灌時沉渣未清理干凈而堵管，采用水下填充導管進行空氣反循環二次清孔。(5)混凝土初灌結束后，將攝像頭放置導管內，觀察初灌是否成功。(6)經試壓合格的導管預留4～5節長的導管存放在駁船上或在鉆孔平臺搭設專用存放導管平臺予以臨時擺放，加快導管安裝速度。(7)加大混凝土供應量和儲料斗儲存量，每樁混凝土約800 m3，基本控制在6～8 h左右灌注完成。

4.3.2 兩主墩鉆孔樁施工的不同點

3號墩利用底隔艙上的萬能桿件支架和圍堰側壁為基礎搭設鉆孔平臺，混凝土由岸上和水上混凝土工廠供應。采取的獨特新技術有:(1)采用護筒群下放安裝方案。共設5個鋼護筒群加1個中心鋼護筒，鋼護筒壁厚均為22 mm。(2)采取護筒群下放前自帶浮漂予以定位的辦法解決了離水面約20 m高，深水鋼護筒內水下鉆孔定位及鋼筋籠安裝定位的難題。

4號墩利用走道梁作為導向插打長、薄壁鋼護筒。鋼護筒采用2臺APE400B振動打樁機并聯振動下沉，鋼護筒工廠分節制作、拼裝，在棧橋平臺拼裝成24 m。船運至墩位后利用400 t浮吊起吊，150 t浮吊配合插放到位。插打完畢后將護筒與走道梁通過牛腿連成整體。圍堰封底完成后，在鋼套箱頂部走道梁上拼裝鉆孔平臺。混凝土由水上2座混凝土工廠供應。

4號墩因圍堰未下至巖面，覆蓋層厚(粉細砂層)，在鉆孔或清孔過程中多次出現護筒底口流砂、坍塌的問題，給鉆孔樁施工增加了很大的難度。后通過采取:(1)潛水員下水對護筒底口探摸并在孔洞內填塞部分鋼筋，護筒底口以上一定高度割孔并吸泥至護筒底口以下約2 m，灌注水下混凝土，待混凝土初凝后立即重新鉆進;(2)套插外徑φ3.45 m的鋼護筒至底高程-34.5 m處;(3)重新安排鉆孔順序等措施加以解決。

4.4 主墩承臺施工

單個主墩承臺C40混凝土16 342.6 m3，考慮到現場的混凝土供應和施工能力，采取分2層澆灌，底層3.5 m、混凝土7 149.9 m3;頂層 4.5 m、混凝土9 192.7 m3。

兩主墩承臺施工的共同點和關鍵技術有:(1)鉆孔樁和井壁混凝土填充完成后，封閉圍堰內外連通管，用潛水泵將圍堰內的水抽干，清理圍堰內的淤泥等雜物;(2)切割鋼護筒，人工鑿除多余樁頭后澆筑10 cm厚墊層混凝土;(3)圍堰內壁和模板間50 cm空檔周圍均勻布置8個集水井;(4)采取岸上混凝土接地泵至承臺頂面;圍堰頂設布料機且其前端設置軟管到已澆灌混凝土面;自制前端帶橡膠管或帆布袋的φ273 mm導管輔以下料等辦法來確保圍堰頂至承臺底32 m高落差的混凝土灌注質量;(5)混凝土灌注作業由圍堰邊向中間澆筑，水平分層斜向澆筑，分層厚度40 cm，連續進行并振搗密實;(6)大體積混凝土施工采用冷卻水管通水冷卻，并進行溫度監控［7];(7)確保原材料質量，控制混凝土入模溫度，加強混凝土的二次收漿及養護工作。

兩主墩承臺施工的不同點有:(1)3號墩因承臺底至封底混凝土頂有3.8 m高空檔，采取在此3.8 m段內布設排水濾管，將砂填到高程-14.1 m的位置，潛水泵置于濾水管內，從濾水管中抽水的同時進行樁頭處理，樁頭處理完畢后，將砂層頂面整平，再在砂層頂面鋪設鋼筋網片，澆筑10 cm厚混凝土墊層作為承臺混凝土的底面支撐。待圍堰拆除前將所填砂全部吸出。(2)承臺模板:3號墩采用竹膠板、焊接角鋼支撐在圍堰內壁上;4號墩采用填充白色硬塑料泡沫，外貼1層彩鋼板。(3)3號墩混凝土由2座岸上和1座水上混凝土拌和站供應;4號墩混凝土由3座水上混凝土拌和站供應，實際混凝土供應能力均不低于140 m3/h。

5 結語

安慶長江大橋于2009年3月20日正式開工;2009年6月15日主墩圍堰下水，浮運;2010年1月24日主墩首根鉆孔樁開鉆;2010年8月28日全橋樁基施工完成;2010年11月25日主墩承臺全部完成。主墩基礎的按期完成為全橋總工期目標的實現奠定了良好的基礎。

針對地形地質條件采用混凝土重錨和地錨的無導向船前后定位船錨碇系統，實現了圍堰的精確定位。3、4號墩圍堰定位結果分別為:平面偏差9.6 cm、11.7 cm;垂直度 0.1%、0.05%;扭角 0°01'46″、0°12'04″。兩主墩74根基樁經超聲波檢測均為Ⅰ類樁。

主墩深水基礎的施工由于受水深流急、河床沖刷大、通航干擾厲害等因素的影響，施工中的風險巨大，對施工組織、施工技術方案、施工裝備等要求高［8]。本項目汛期進行的深水、大流速條件下無支撐大直徑巨型圓形雙壁鋼套箱圍堰設計和施工，大直徑變徑鉆孔樁清水法鉆孔、31 m高落差大體積混凝土灌注等關鍵技術的成功應用為復雜建橋條件下大型深水基礎的建造技術積累了寶貴的經驗［9]，推動了橋梁大型深水基礎建設技術的發展［10]。

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