超深水裸露陡坡基巖樁基施工浮動平臺與固定平臺結合方案的應用

徐小祥， 王 彬， 朱晨鶴

(鐵道戰備舟橋處，山東 齊河 251100)

1 工程概況

福建永定公路龍湖大橋位于棉花灘水庫蓄水形成的大型人工湖泊龍湖景區，連接仙師鄉和洪山鄉，全長 454 m，橋面總寬23 m，雙向四車道。主橋上部結構為 70 m+120 m+70 m現澆預應力鋼筋混凝土矮塔斜拉橋。下部結構采用鋼筋混凝土空心薄壁墩、高樁承臺和鉆孔灌注樁基礎。主墩(4#、5#墩)處左右幅設計為整體式承臺(17.0 m×12.5 m×5.0 m)，基礎為 12 根嵌巖樁(樁徑 2.0 m，4#墩樁長50.0 m，5#墩樁長55.0 m)，平均嵌巖深度22.0 m。

龍湖大橋下游建有棉花灘水電站，蓄水位標高+146～+173 m，水位會因汛期、臺風等惡劣天氣影響變化幅度較大，單日漲幅最大可達5 m，一個星期漲幅可超過15 m。橋位處水面寬約340 m，平常水的流速小于1 m/s，施工常水位標高為+165 m左右，4#和5#主墩位于棉花灘水庫深水庫區，墩位處水深60～70 m。經多波束、淺地層剖面儀等儀器掃測可知，河床表面覆蓋層為0.5 m左右淤泥黏土層，覆蓋層以下依次為強風化、中風化花崗石巖層，河床在順橋軸線方向坡度為35～45°，垂直橋軸線方向坡度為20～41°，部分樁位處還存有大孤石。

2 主墩總體設計、施工方案

根據現場水文地質和周圍環境實際情況，結合本橋梁為鉆孔灌注樁基礎高樁承臺施工特點，考慮到大型水上設備無法進場、鉆孔樁固定平臺難以直接通過打設鋼管樁搭設完成等特殊情況，加上施工工期緊，故宜優先考慮選用浮式平臺施工主墩鉆孔樁，采用鋼吊箱施工承臺墩身。采用浮式平臺直接施工主墩鉆孔樁存在以下難點：

(1)60 m以上水深、45°裸露花崗巖且水位落差達到20 m以上，保證浮式平臺長時間精確帶纜定位困難。

(2)護筒超長、超重，其拼接吊裝下放要求高，護筒底部難以直接嵌巖固定，護筒垂直度和偏位控制非常困難。

(3)龍湖水庫常年客貨輪通航、沒有大噸位船舶租賃，大型鉆孔浮式平臺難以短時間內組裝完成，且必然影響通航，難以保證工期。因為傳統的浮式平臺大部分是采用自制浮箱或既有船只拼裝成整體，自制浮箱成本高、制造工期長，浮箱不具有周轉性；既有船舶拼裝改裝工程量大，安全性能不易保證。

綜合考慮以上因素，創造性地設計采用新型浮式平臺和固定平臺相結合的施工方案進行樁基施工。橋梁主墩基礎先采用專用舟橋器材快速拼裝成浮式平臺施工定位錨固樁，然后再利用定位錨固樁做基礎來搭設固定平臺進行主墩樁基施工，定位錨固樁設計采用8根?1.5 m直徑鉆孔灌注樁(鋼護筒直徑?1.8 m，鋼板厚度18 mm)，錨固樁嵌巖錨固深度為6 m，浮式平臺滿足4臺鉆機一次性同時施工4根鉆孔樁，分兩輪施工。鉆孔樁固定平臺主要結構為錨固樁做定位、支撐系統，主墩部分鋼護筒頂設置掛樁梁，用桁架片將定位錨固樁和鋼護筒相互連接形成整體平臺。

此方案可快速實現浮式平臺向固定平臺轉化過程，可使橋梁樁基不受水位變化影響，吊裝等施工難點大大減少，有利于實現快速施工，安全工期有保障，施工費用隨之也會相應減少。此方案充分發揮了浮式平臺和固定平臺的優點，實現了浮式平臺快速拼裝施工優勢和固定平臺施工安全方便優勢。

3 浮式平臺設計

3.1 主體結構設計

浮式平臺主體結構設計采用新型組裝式小型浮式平臺，浮式平臺的浮箱采用可周轉重復利用的舟橋標準舟節，通過螺栓及浮箱側面自帶的子母扣將其連接為一個整體浮式平臺。優點：拼拆方便、浮箱可重復利用、施工成本低、安全可靠。浮式平臺設計尺寸為31.5 m×31.8 m，采用標準舟節、分水節作為承重浮體，八三墩作為龍門架支墩組成定位錨固樁護筒起吊提升系統。浮體通過H700型鋼連接成整體，浮式平臺上下游各布置4臺10 t卷揚機作為帶纜卷揚機，中間4個龍門架每個各布置1臺起吊用10 t卷揚機。每個平臺可同步施工4根定位錨固樁。浮式平臺結構組成為[1]：

(1)采用規格為9.0 m×2.7 m×1.65 m 的標準舟節和4.5 m×2.7 m×1.65 m的分水節，拼裝成4個標準浮體，浮式平臺共計24節標準節和8節分水節。

(2)采用[32b型鋼，作為浮體與其上部結構物的連接構件，與浮體采用栓接，與浮體上部結構物采用焊接或者栓接。

(3)連接梁采用HN700×300 mm型鋼，與浮體底座采用焊接，將4個標準浮體連接成整體。

(4)采用八三式輕墩作為定位錨固樁下放支撐立柱；立柱底座與浮體底座之間采用栓接。

(5)掛梁采用2HN700×300型鋼，布置在立柱上方，作為定位錨固樁下放的吊點分配梁。

(6)轉向馬口采用鋼板制作，作為錨繩上浮式平臺的轉向裝置，焊接固定在浮體底座上或者連接梁上。

(7)反力座采用鋼板制作，作為滑車組錨固點。

(8)導向架采用 I32、I45 及鋼板等型鋼制作而成的桁架結構，作為定位錨固樁下放導向、定位使用。

(9)錨碇系統采用8 t霍爾錨、混凝土地錨、錨鏈、錨繩組成，作為定位錨固樁施工浮式平臺錨固定位使用。

浮式平臺結構立面如圖1所示。

圖1 浮式平臺結構立面(單位：mm)

3.2 錨碇系統設計

經現場實地勘測調查和反復論證后，確定4#、5#主墩浮式平臺錨碇系統均采用8 t霍爾錨和重力式混凝土組合錨，并配?39 mm鋼絲繩和?50 mm錨鏈。?39 mm錨繩采用 6×37(a)類繩芯，公稱抗拉強度為1 770 MPa，自重q0=0.060 8 kN/m。錨繩與錨鏈連接，錨鏈平躺在河床上，錨繩安全系數取K=4。5#墩錨碇系統布置見圖2。

圖2 5#墩錨碇系統布置(單位：m)

3.3 拋錨船結構設計

拋錨船由7節標準舟節拼組而成，上設2臺16 t卷揚機用于盤纜及受力轉換，1臺8 t卷揚機用于牽引纜繩，3臺3 t錨機用于臨時停靠帶纜。拋錨船結構設計平面見圖3。

圖3 拋錨船結構設計平面(單位：cm)

4 定位錨固樁固定平臺施工關鍵技術

4.1 難點及關鍵技術

本項目采用的鉆孔樁固定平臺結構如圖4所示。

圖4 鉆孔樁固定平臺結構

4.1.1 施工難點

超深水大坡度裸露花崗巖河床及庫區水位漲落對定位錨固樁的定位及垂直度控制影響很大，施工過程中遇到孤石或斜度較大的定位錨固樁，需要采取特殊方法進行妥善安全處理，方能保障定位錨固樁的施工質量。施工過程中主要存在以下幾個方面施工難點：

(1)水深超過55 m，常規普通潛水方式無法實現水下切割、打撈等水下作業，一旦施工過程中出現異常情況，若采用非常規普通水下潛水作業來進行處理，效率極低，成本極高。

(2)定位錨固樁護筒單根長度60 m以上，單根重量45 t以上，屬于超長超重高空吊裝作業；定位錨固樁鋼護筒接長下放工序操作較復雜，安全風險高。

(3)定位錨固樁樁位底部基本無覆蓋層，在大坡度裸露花崗巖河床埋設鋼護筒采取常規方法根本無法實現，護筒根部靠自重和直接振動錘錘擊根本無法錨固，而且鋼護筒垂直度不易保證。

(4)定位錨固樁鉆孔施工期間，浮式平臺高程受水位漲落而不斷變化，浮式平臺很容易偏位，浮式平臺整體糾偏和護筒垂直度調整都非常困難。

(5)由于航道頻繁通航，鉆錘沖孔、特別是大型船舶通過時都會讓浮式平臺產生劇烈晃動，無形中增加了鉆孔難度。

4#、5#主墩每個墩定位錨固樁共計8根，直徑為1.5 m，利用浮式平臺分2輪進行施工，采用20 t高架浮吊和浮式平臺安裝的龍門架配合進行吊裝作業。每個護筒長度60～65 m，壁厚18 mm鋼板卷制焊接而成，直徑為1.8 m，分節制作，8 m一節，由8～9節對接焊接而成。施工關鍵點是護筒埋設跟進以及根部錨固，鉆孔采用局部造漿和空壓機清孔施工工藝。

4.1.2 鋼護筒安裝

根據設計圖紙及實際水位情況，為保證平臺的穩定性及定位錨固樁的剛度，護筒加工、運輸、對接加長時不變形和易于接長焊接施工要求，主墩平臺定位鋼護筒利用20 t浮吊和浮式平臺固定龍門架進行分節焊接安裝。浮式平臺設置4套導向定位架和龍門架，可同時滿足4根護筒安裝下放要求。但為確保浮式平臺穩定性和受力安全，可采取斜角對稱同步安裝方法，并且在兩根護筒著床基本錨固穩定不滑移后，再對稱安裝另外對角2根護筒。

(1)用型鋼制作5 m高、內徑比鋼護筒外徑大100 mm的定位架。在平臺上測量出鉆孔樁的準確位置，將定位架對位安裝到平臺上。安裝時保證定位架的垂直度偏差不大于0.5%。

(2)在護筒導向架上，設置雙層調節結構，每層采用4臺5 t螺旋千斤頂調整。

(3)在護筒上嚴格量出兩個對稱的位置，用龍門架上的扁擔梁平穩下放，保證下放豎直。

(4)用垂直度測量儀測量護筒的豎直度，通過調節桿和吊裝設備共同調整鋼護筒。如果護筒傾斜，用龍門架先將護筒吊起，然后采用5 t螺旋千斤頂調整其垂直度，輔助上部焊接臨時牛腿，先在傾斜方向的一側焊接牛腿，然后再吊裝鋼護筒另一側進行調整。調整好垂直度后，再焊接另一側牛腿，平衡吊裝鋼護筒，緩慢下放鋼護筒到達巖面。

(5)鋼護筒接長下放到位后，為防止護筒底部局部落到孤石上或者基巖面坡度太大導致護筒突然下滑脫離導向架的安全風險，需要在浮式平臺導向架下導環位置焊接4個保護牛腿(高出下導環面50 cm)，護筒沖擊跟進過程中隨時調整保護牛腿位置。

4.1.3 鋼護筒根部錨固

為防止鋼護筒及定位錨固樁插打過程中遇巖石底部卷口，在底節鋼護筒底部1.5 m范圍內圍焊加強環板。根據浮吊的起吊能力對護筒進行合理分節，護筒對接處采用剖口焊接，單節不宜超過 12 m。由于龍湖大橋樁基位置處于傾斜裸巖之上(傾角達45°)，在鋼護筒下放前，需將護筒范圍內傾斜面河床進行預偏沖擊找平處理，具體措施如下[2,3]：

(1)傾斜巖面處理前，用測繩或儀器對各樁位進行準確測量，測出單樁的最大高差與傾斜方向。

(2)選擇單繩鉆機處理巖面，鉆頭為四翼或五翼的沖擊鉆頭。該鉆機輕巧，移動方便，改變鉆頭直徑操作簡單。傾斜巖面處理時選取直徑為2 m的鉆頭。

(3)預偏沖擊、找平河床。根據樁位處高差情況，調整鉆機位置，鉆機預先往斜面較高處偏位，在鉆機沖擊時，鉆頭將沿著斜面滑動，偏位量根據巖面傾斜度選擇偏離樁中心30～50 cm 不等。

(4)沖擊河床基本平整后且孔底必須進入巖層，現場取樣判斷巖層位置，并再次測量孔深。待河床找平后，根據實測平臺頂標高與孔底標高、找平后河床面標高，加工場內配置鋼護筒。將鋼護筒運至樁位處，用 20 t浮吊吊起，在上端臨時焊上牛腿，架在導向裝置上的承重梁上，逐節接長，使鋼護筒通過龍門吊吊起沿著導向裝置準確就位下沉，當焊接接長達到河床面時，需進行初次振打，使護筒嵌入河床一定深度，有利于護筒自身重力作用下豎直穩定。振動采用 120 kW振動錘，通過龍門吊吊起進行振打。在振打前再次復核偏位、垂直度等。初次振打應選擇中低檔，根據振打情況調整控制開關，不得強打，否則會因為傾斜面的巖層強度不均勻造成鋼護筒振打傾斜。鋼護筒在施工過程中既作為鉆孔樁導向作用，又為下放鋼筋籠及施工平臺支撐載體，因此鋼護筒在第一次沉樁后需對鋼護筒進行第二次跟進，施工要求護筒刃腳跟進弱風化巖面不小于 1 m。

如果預先處理效果不佳，可以先安裝鋼護筒，利用鋼護筒作為導向限位裝置，在鋼護筒與巖面接觸部位，反復大量拋填片石，利用1.7 m加大錘頭進行護筒內擴孔，使護筒底部錨固入河床；如果反復拋填無法使鋼護筒跟進錨固，實測護筒底部與河床間高差，如果縫隙較小(50 cm以內)，可以大量拋填片石黃土及適量的水泥造成混合物填充封堵；如果縫隙很大，可采用在護筒內外灌樁水下混凝土完成鋼護筒錨固。

4.1.4 定位錨固樁樁基施工

(1)鉆機鉆孔：①開始鉆孔時應采用小沖程鉆孔，等到錘頭穿過鋼護筒底部一定距離后，再進行正常鉆進。②鉆孔過程中，經常檢查鋼絲繩磨損及錘頭連接處牢固情況，防止掉錘。③現場備用錘頭，檢查發現錘頭直徑磨耗超過15 mm時及時更換，補焊錘牙。

(2)成孔檢測及清孔：成孔檢測設備采用傘形孔徑儀進行檢測，檢驗合格且經監理工程師驗收認可后，立即采用氣舉反循環清孔。清孔采用大功率空壓機一臺(排氣量不小于23 m3/min，排氣壓力為1.2 MPa)配合風管進行。

(3)鋼筋籠安裝：鋼筋籠在陸地上鋼筋加工廠內分2節制作，岸上由拖車運輸，水上由機動舟頂推運輸船至施工平臺，然后用高架浮吊進行安裝。

(4)混凝土灌注：由于水位變化頻繁，且鉆孔浮式平臺通過浮橋和棧橋連接，為防止混凝土澆筑過程中因水位變化影響損壞地泵管造成灌注中斷等突發情況，將地泵安放在浮橋上靠近棧橋端部，通過專門設計的垂直溜管加緩沖裝置讓混凝土從棧橋上罐車流放至地泵后再進行泵送入孔。澆筑時，由于地泵管拐彎處較多，需嚴格控制混凝土質量，確保灌注過程連續，防止堵管現象。混凝土澆筑過程中加強測量，核實標高和方量，特別注意混凝土面到達護筒底部時，要放緩澆筑速度，盡量不在此時選擇拔管，確保護筒底部位置不穿孔，保證定位樁質量。

4.2 伸縮式水下連接系設計與施工

鉆孔平臺采用8根定位錨固樁(2排×4根)作為承重結構，定位錨固樁長約70 m，需要至少設計2道連接系來保證平臺的安全穩定性，其中下層水下連接系設計頂高程為148 m，該連接系在施工常水位165 m標高水面以下17 m，施工工期緊，施工質量要求高。常規抱箍連接系(定位樁上安裝抱箍，定位樁之間采用連接系管和抱箍焊接或者銷接)實施起來非常困難，安裝速度、安裝質量都不能有效保證，創新設計采用了大管套小管可調節伸縮式水下連接系，施工快速安全、質量有保障，解決了水下連接系一系列施工難題。

4.2.1 設計與制作

水下連接系由抱箍管、連接系管、調節套管和精軋螺紋鋼調節盤四部分組成。工作原理是通過抱箍管實現連接系安裝至設計高程與定位樁通過螺栓擰緊后固接，然后通過精軋螺紋鋼調節盤調節施擰兩側精軋螺母實現調節套管與連接系管的軸向定位，用以抵抗水下連接系的應力。可調式連接系平面布置見圖5。

圖5 可調式連接系結構(單位：mm)

4.2.2 施工工藝

(1)半圓型抱箍制作完畢后，按設計要求同連接系管和調節套管焊接一起，應保證焊接質量要求；可調式連接系倒運到現場后在運輸船上將連接系管與調節套管拼組為整體，在定位樁上焊接鋼牛腿，將可調式連接系在鋼牛腿上完成抱箍管及精軋螺紋鋼調節盤的安裝，再利用浮吊將可調式連接系吊至設計高程，由潛水員進行螺栓及精軋螺紋鋼螺母施擰，完成可調式連接系安裝。為了提高潛水員的安裝效率，可以用鋼絲繩將幾組水下連接系懸掛至設計高程，等待潛水員統一進行施擰。可調式連接系倒運到現場后在運輸船上將連接系管與調節套管拼組為整體，在定位樁上焊接鋼牛腿，利用浮吊將預拼好的鋼管安裝在鋼牛腿上，再完成兩側的抱箍鋼管、螺栓及精軋螺紋鋼安裝，根據定位樁傾斜度調整法蘭盤兩側精軋鋼螺母間距。

(2)在定位樁和連接系管上焊接吊耳，將定位鋼絲繩連接在定位樁上，利用浮吊將可調式連接系吊起，將鋼牛腿割除，再利用浮吊將可調式連接系下放直至定位鋼絲繩受力，浮吊再下鉤，解除浮吊吊具，完成水下連接管定位。

(3)2名潛水員同時下水，先將連接管兩側抱箍管螺栓擰緊，將連接系與定位樁固定，再施擰精軋螺紋鋼調節盤兩側的螺母，使所有螺母均受力可靠，檢查完所有螺栓均施擰到位后，解除定位鋼絲繩，完成水下連接系安裝。

4.3 鉆孔樁固定平臺施工技術

錨固樁施工完成后，在拼組好的浮運平臺上進行固定平臺拼組焊接。固定平臺整體通過浮運平臺浮運就位后，在錨固樁頂部設置提升系統，采用連續式千斤頂提升鉆孔平臺完成固定平臺的安裝。通過這種工藝，可以快速構建使用鉆孔樁固定平臺。

4.3.1 浮運平臺與固定平臺拼組

鉆孔平臺尺寸為19.8 m×15.3 m，主要結構由平臺桁架片、分配梁、面板、欄桿等組成，總計重量135.24 t，其中平臺桁架片為96.44 t，其他部分為38.8 t。提前在岸邊利用鋼棧橋及履帶吊進行浮運平臺的拼裝，浮運平臺是由15個標準舟節組成，尺寸為13.5 m×27.0 m。待浮運平臺組裝完成后，在平臺上放置5組貝雷梁，間距為4.5 m，每組貝雷梁由8片標準貝雷片組成，作用為鉆孔平臺的墊梁，以保證鉆孔平臺底部焊接質量。待浮運平臺及墊梁安裝好后，在墊梁頂端開始拼裝主墩樁基鉆孔平臺桁架。鉆孔平臺嚴格按照設計圖紙進行拼裝。鉆孔平臺在岸邊浮運平臺上組拼完成后，通過頂推船將浮運平臺浮運至錨固樁之間就位并錨固[4]。

4.3.2 提升結構設計

(1)承重梁采用2組3拼貝雷梁合并而成，每組貝雷梁共計42片，總計貝雷片84片。

(2)鉆孔平臺的安裝采用整體吊裝，設置4個吊點，根據鉆孔平臺的重量和預先安放在平臺上的八三墩龍門架以及龍門吊主梁重量，每個吊點需要按照75 t拉力進行計算。平臺采用4臺200 t連續式千斤頂進行同步提升，提升高度為18 m，吊繩通過計算采用7根?15.2 mm鋼絞線(單根最大拉應力19.6 t)。

(3)貝雷片縱梁上單個吊點放置2組雙拼I32b工字鋼作為分配梁，單根雙拼I32b工字鋼長度2.5 m。2組雙拼工字鋼擺放間距為60 mm，采用300 mm×300 mm×12 mm的鋼板做連接板連接。在分配梁中央頂部底部各開一個?100 mm的圓孔，以便千斤頂鋼絞線能穿入。將千斤頂放置在縱梁頂的分配梁頂端中部，放置時千斤頂錨具中心要與分配梁梁上預留的圓孔對準，將連續式千斤頂底部與分配梁采用栓接進行連接固定[4]。

(4)在每個吊點對應鉆孔平臺底端設置1組雙拼的I40b工字鋼作為吊點下端承重的扁擔梁(分配梁A)，長度為2.5 m。工字鋼與工字鋼之間預留60 mm的縫隙，采用200 mm×200 mm×12 mm的鋼板作為連接板將其連接。在分配梁中央頂部底部各開一個?120 mm的圓孔，以便鋼絞線穿入。固定平臺整體提升施工如圖6所示[4]。

圖6 固定平臺整體提升施工

5 結束語

龍湖大橋2個主墩樁基施工，采用浮式平臺和固定平臺相結合的施工方案(先施工定位錨固樁，后利用定位錨固樁搭設固定平臺進行主橋樁基施工)非常合理可行，此方法能有效解決超深水陡坡裸露基巖鉆孔樁施工中出現的護筒滑移、偏位、跟進錨固困難等一系列技術難題。兩個主墩采用一套浮式平臺分4輪周轉進行定位錨固樁施工，可滿足通航、工期等各項條件，工序銜接良好，大大節省施工費用，且施工質量安全可控，產生了良好的經濟效益和社會效益，為以后類似條件下工程施工提供很好地借鑒。