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跨海大橋大型深水基礎施工技術介紹 中交二航局李維洲2009年10月14日 內(nèi)容簡介 2 大型深基礎施工技術信息 1 緒論 5 大體積承臺基礎施工 3 大型深水基礎施工平臺設計 4 鉆孔樁基礎施工技術 6 結(jié)論與建議 一 緒論 1 前言2 國外橋梁大型深基礎的發(fā)展3 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展4 跨海大橋大型深基礎結(jié)構的發(fā)展趨勢5 主要研究內(nèi)容及意義 1 前言 隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和橋梁設計和施工方法的日趨成熟 本世紀初期開始修建的東海大橋和杭州灣跨海大橋正式拉開了我國跨海長橋建設的序幕 目前中國已建或在建的跨海大橋共有15座 正在建設的有上海崇明通道工程 山東青島灣跨海大橋 廣東南澳跨海大橋 浙江象山港跨海大橋 以及福建廈漳跨海大橋和平潭海峽大橋等 中國跨海長橋正處于蓬勃發(fā)展的階段 大量的海灣 江河入海口 島嶼 海峽將需要架設 人間彩虹 即將建設的特大型跨海通道如 渤海灣大橋 港珠澳大橋 瓊州海峽大橋 跨臺灣海峽大橋等 渤海灣大橋 廈彰大橋 珠港澳大橋 杭州灣大橋 臺灣海峽大橋 瓊州海峽大橋 東海大橋 金塘大橋 上海長江大橋 1 前言 跨海大橋的建設面臨多變的氣象環(huán)境 復雜的海底地質(zhì)與水文條件的影響和混凝土設計基準期年限長等眾多不利因素 跨海大橋的共同特點都要面臨大型深水基礎施工的難題 本人先后參與了荊州 安慶 潤揚長江大橋和杭州灣 舟山金塘 平潭3座跨海大橋項目施工 下面重點結(jié)合在建的平潭海峽大橋?qū)ι钏A施工做簡要介紹 從所處的自然環(huán)境以及基礎施工的技術難度來講 跨海大橋基礎施工主要從以下幾方面采取措施 1 最大程度的掌握大橋所處海域的氣象 水文資料 詳查工程地質(zhì)情況 2 選擇最恰當?shù)募夹g方案 對施工方案要反復比對 不僅要考慮材料的造價 還要求綜合考慮施工與將來運營的成本 3 選用合理施工工藝 要求其工藝盡量簡單 選用先進的大型專業(yè)的施工設備 4 做好特殊的海工混凝土的研制和現(xiàn)場配比工作 對鋼結(jié)構構件采取有效的防腐蝕措施 以達到年設計基準期的要求 5 做好施工組織設計 對施工材料和設備的協(xié)作和調(diào)配進行優(yōu)化 2 國外橋梁大型深基礎的發(fā)展 早期國外跨海大橋的基礎主要都是采用氣壓沉箱基礎 到了二十世紀三十年代 沉井基礎的應用 成為優(yōu)先考慮的基礎類型 二十世紀七十年代后 隨著科學技術的發(fā)展 各國在修建跨海大橋時都有各自偏愛的基礎類型 形成了獨特的技術風格 美國紐約布魯克林大橋 國外橋梁大型深基礎的發(fā)展 基于沉箱基礎固有的缺點 工程人員在其基礎上加以改進 發(fā)明了沉井基礎 1936年建成的著名的美國舊金山 奧克蘭大橋在水深32m 覆蓋層厚54 7的條件下 采用60m 28m浮運沉井 射水 吸泥下沉 入土深度達73 28m 國外橋梁大型深基礎的發(fā)展 二戰(zhàn)之后 美國所建橋梁的基礎形式日益多樣 1955年 查蒙德 圣 萊弗爾在18m水深條件下先打H型鋼樁 然后整體安裝鐘形套箱 最后灌注水下混凝上 首創(chuàng)鐘形基礎 1957年 美國新奧爾良的龐加川湖橋水中基礎采用了 1 37m的預應力管柱 1966年的美國班尼西亞馬丁尼茲橋采用了鋼筋混凝土沉井內(nèi)繼續(xù)施打鋼管樁的組合基礎 1994年切薩比克 特拉華運河大橋和休斯頓航道橋分別采用預制的預應力混凝土方樁和混凝土方樁做為橋梁基礎 國外橋梁大型深基礎的發(fā)展 歐洲的橋梁大國丹麥 建橋歷史悠久 很有代表性 1935年小海帶橋在水深達30m的條件下采用43 5m 22m的鋼筋混凝土沉箱 1998年建成的大海帶橋主橋主塔基礎采用了重32000t的設置基礎 2000年建成的厄勒海峽大橋 全長16km 其51個引橋全部采用設置基礎 其主塔墩設置基礎長37m 寬35m 高22 5m 自重20000t 國外橋梁大型深基礎的發(fā)展 在1970年至2000年間 日本所建的眾多橋梁中很大比例采用了沉箱基礎 如浦戶大橋 日本港大橋 神戶的波特彼河大橋等 還有一部分采用了沉井基礎 如廣島大橋 早漱大橋等 日本所建的世界第一大跨度的明石海峽大橋采用了圓形的設置沉井基礎 其尺寸直徑達 80m 高79m 是前所未有的龐然大物 國外橋梁大型深基礎的發(fā)展 日本明石海峽大橋 3 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 我國真正開展橋梁建設直到解放后才開始 其整個橋梁基礎形式大致經(jīng)歷了從管柱基礎 沉井基礎到大力發(fā)展鉆孔灌注樁基礎的過程 我國發(fā)展跨海大橋是從上世紀80年代開始的 1987年動工并于1991年5月建成通車的廈門大橋 它也是我國首次采用海上大直徑嵌巖鉆孔灌注樁 1997年的廣東虎門大橋 其主通航跨的跨度達到了當時我國橋梁跨度最大的888m 所用的基礎形式也是鉆孔灌注樁基礎 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 下面列舉幾個國內(nèi)近幾年施工的代表性橋梁工程大型深水基礎運用情況 1 浙江杭州灣跨海大橋通航孔南航道橋主塔基礎采用38根直徑2 8m鉆孔灌注樁 樁長125m 創(chuàng)國內(nèi)跨海大橋超長鉆孔灌注樁樁基礎施工新紀錄 2005年中國企業(yè)新紀錄 基礎承臺為啞鈴型結(jié)構 長81 4m 寬23 7m 厚6 0m 采用海工高性能混凝土 單個承臺方量11000m3 引橋主要采用打入鋼管樁基礎 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 2 浙江舟山金塘跨海大橋主塔基礎采用42根 2 85m變徑至 2 5m的變徑鉆孔灌注樁 樁長為115m 基礎承臺結(jié)構尺寸為56 78 34 02 6 5m 單個承臺方量10960m3 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 3 江蘇泰州長江大橋 世界上最大的三塔兩跨2X1080m懸索橋 中塔采用沉井基礎 沉井長58m 寬44m 總高度為76m 相當于半個足球場大 25層樓高 其下部38m為雙壁鋼殼混凝土沉井 上部38m為鋼筋混凝土沉井 沉井沉入19m深水和55m河床覆蓋層 為世界上入土最深的水中沉井基礎 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 4 江蘇蘇通長江大橋 蘇通大橋是世界最大跨徑斜拉橋 主墩基礎為世界最大規(guī)模橋梁超大型群樁基礎 由131根長120m 直徑2 8m變至2 5m的變徑鉆孔灌注樁組成 承臺平面為啞鈴形 長113 75m 寬48 10m厚6 0m 混凝土為C35 方量42271m3 鋼筋總重達7020t 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 5 江蘇潤揚長江大橋 懸索橋北錨碇基礎為矩形箱式結(jié)構 長69m 寬50m 深50m 三縱四橫隔墻將箱體結(jié)構分為20個隔艙 倉內(nèi)充填砂和砼 穿過35m厚粉細砂 地連墻計42個槽段平均深度54m 最大深度57m 單幅6 0m寬槽段鋼筋籠重量102t 創(chuàng)國內(nèi)施工行業(yè)穿過粉細砂最厚 支護結(jié)構嵌巖地連墻最深 單榀鋼筋籠重量最大新紀錄 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 潤揚長江大橋 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 6 江蘇南京長江四橋 南京長江四橋為雙塔三跨懸索橋 主跨1418米 世界排名第四 其中主塔基礎采用48根D3 2m D2 8m變直徑鉆孔灌注樁基礎 主塔承臺基礎為啞鈴形結(jié)構 平面尺寸80 5 35m 厚度9 0m 混凝土方量達17500m3 南京長江四橋 鉆孔灌注樁基礎 懸索橋南錨碇基礎采用井筒式地連墻結(jié)構形式 平面形狀為 形 長82 00m 寬59 00m 由兩個外徑59m的圓和一道隔墻組成 壁厚為1 50m 地連墻嵌入中風化砂巖3 00m 總深度達50 0m 國內(nèi)橋梁大型深基礎的發(fā)展 7 平潭海峽大橋平潭海峽大橋引橋為50m跨等截面連續(xù)梁橋 主橋為100m 2 180m 100m的變截面預應力混凝土T型剛構橋 下部結(jié)構為帶圓端的矩形承臺 鉆孔灌注樁基礎 采用 2 8m 2 5m變截面鉆孔灌注樁 3個主墩各有鉆孔樁22根 最長樁長約90m 承臺尺寸為34 7 21 5m 為海工高性能混凝土 平潭海峽大橋因特殊地質(zhì)條件和惡劣施工環(huán)境 主橋鉆孔樁施工遇到了各種困難和前所未有的技術難題 例如 鋼護筒變形 孤石 串孔 塌孔 深水無覆蓋層的海槽區(qū)域鉆孔樁施工 時間跨度達1年 目前已全部施工完成 平潭海峽大橋鉆孔樁布置及承臺圖 4 跨海大橋大型深基礎發(fā)展趨勢 跨海大橋大型深基礎發(fā)展趨勢有 1 新的結(jié)構形式2 創(chuàng)新的施工技術3 不斷加大的基礎結(jié)構尺寸4 大型化 專業(yè)化的施工機械5 采用信息化施工技術 本文論述的主要重點 在對國內(nèi)外橋梁大型基礎施工技術調(diào)研與分析的基礎上 結(jié)合平潭海峽大橋以及國內(nèi)的其他大型海上橋梁的建設工程特點 對其大型深水基礎施工進行以下幾個部分的總結(jié)歸納 1 跨海大橋大型深水基礎施工平臺的設計與施工 2 海上大直徑超長鉆孔樁基礎施工 3 海上大型深水基礎結(jié)構的防腐技術 4 跨海大橋大型套箱制作 安裝和大體積承臺基礎的施工技術 一 平潭大橋基礎施工技術信息 福州平潭島為全國第五大島 島上常住人口40萬 平潭是距臺灣最近的縣 平潭島在規(guī)劃中的京臺線對臺通道中占據(jù)橋頭堡的關鍵角色 平潭海峽大橋全長3510m 是進入平潭島唯一的直接通道 該橋?qū)τ诘胤浇?jīng)濟乃至海西經(jīng)濟發(fā)展有著至關重要的作用 1 氣象信息 平潭海峽大橋地處我國東南部沿海地區(qū)的海壇海峽 屬典型的亞熱帶季風濕潤氣候區(qū) 橋區(qū)季風顯著 多臺風 氣候特征溫和 濕潤 多雨 冬季的10月至次年的2月為季風的多發(fā)期 風速大 時間長 海浪高 多年平均風速為9 0米 秒 08年經(jīng)歷影響施工的臺風7次 09年已經(jīng)歷8次 08年統(tǒng)計全年7級以上大風天數(shù)占75 實際年有效作業(yè)時間不到200天 2 水文條件 1 潮汐特征平潭大橋海灣潮汐類型為正規(guī)半日潮 據(jù)附近平潭海洋站統(tǒng)計近期實測資料潮汐特征值如下 潮位基準面采用1956黃海平均海平面 實測最高潮位 4 23m實測最低潮位 3 67m平均高潮位 2 27m平均低潮位 1 97m最大潮差 6 69m平均潮差 4 24m設計高潮位 5 18m設計低潮位 4 16m 水文條件 2 波浪平潭大橋施工設計波浪取值參照如下表 主橋采用D點設計波要素 西淺水區(qū)引橋采用A點設計波要素 西深水區(qū)引橋采用B點設計波要素 西平臺區(qū)引橋采用C點設計波要素 20年重現(xiàn)期波要素如下表 3 地質(zhì)條件 東 西兩側(cè)橋臺處的基巖強風化層直接裸露 巖性為凝灰熔巖 多數(shù)橋墩覆蓋層較薄 或沒有覆蓋層 基巖巖性為凝灰熔巖 其余各墩的覆蓋層為粉砂 含砂淤泥 含淤泥砂 粉砂 中粗砂 亞粘土和粘土等 但中間夾雜較多孤石 給護筒沉放 鉆進成孔造成較大的困難 基巖巖性為凝灰熔巖 巖石強度極高 達200MPa 樁基設計嵌巖深度深 對鉆機性能要求高 不良地質(zhì)及其對鉆孔樁施工的影響 工程不良地質(zhì)主要表現(xiàn)為 覆蓋層不穩(wěn)定不利于鉆孔 易出現(xiàn)塌孔 串孔等問題 孤石存在易出現(xiàn)鋼護筒不能沉放到位以及鋼護筒底口變形的問題 基巖強度高達200MPa 鉆進速度緩慢成孔周期長 而覆蓋層又不穩(wěn)定 更加容易出現(xiàn)塌孔事故 無覆蓋層的深槽區(qū)對鉆孔平臺以及鋼護筒沉放帶來了極大困難 施工測量 1 施工測量坐標系統(tǒng)根據(jù)工程的特點 施工測量運用的坐標系統(tǒng)如下 1 WGS 84坐標系統(tǒng) 主要應用于GPS測量 2 平面坐標系統(tǒng) 建立了大橋獨立坐標系 獨立坐標系的橢球定位 定向 3 高程系統(tǒng) 1985年國家高程系統(tǒng) 施工測量 2 施工測量控制網(wǎng)1 施工測量平面控制網(wǎng)根據(jù)大橋工程的特點 特殊要求及施工方法 控制網(wǎng)分為首級網(wǎng) 首級加密網(wǎng) 一級加密網(wǎng)和二級加密網(wǎng)四個等級 次一級網(wǎng)由高一級網(wǎng)點作起算數(shù)據(jù) 2 高程施工控制網(wǎng)與平面控制網(wǎng)類似 高程控制網(wǎng)分為首級網(wǎng) 海中首級加密網(wǎng) 一級加密網(wǎng)三個等級 次一級網(wǎng)由高一級網(wǎng)點作起算數(shù)據(jù) 施工測量 3 橋墩基礎施工測量1 基礎施工測量控制技術 控制方法2 GPS全球衛(wèi)星定位3 施工平臺施工測量技術4 鉆孔樁施工測量5 承臺施工測量6 基礎沉降觀測 小結(jié) 1 詳細如實的收集大量基礎信息對大型基礎工程結(jié)構設計 施工具有重要的指導意義 2 GPS測量技術隨著海上大型工程的建設 尤其是橋梁工程建設 目前運用已經(jīng)成熟 精度能達到設計的要求 具有選點靈活 作業(yè)方便 工作量小等傳統(tǒng)方法無法與之比擬的優(yōu)點 成果可靠 GPS短基線測量能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)導線測量方法進行加密點的測設工作 三 跨海大橋深水基礎施工平臺設計 1 概述2 施工平臺設計思路3 鋼平臺的主要設計參數(shù)4 鋼平臺計算工況類型及最不利工況確定5 鋼平臺施工6 鋼平臺處的沖刷與防護7 小結(jié) 1 概述 鉆孔樁在旱地進行施工非常方便易行 平整場地后 鉆機即可就位并開鉆作業(yè) 但是由于海上橋梁基礎都位于水深 流急 潮差大 強腐蝕的環(huán)境中 因此在進行鉆孔樁施工前首要為鉆機 沉放鋼筋籠及灌注設備等提供一個作業(yè)場地 以滿足鉆孔 灌注水下混凝土的需要 并保證人員及機具的安全 這就產(chǎn)生了大型橋梁施工所用的施工平臺 概述 平潭大橋地處海壇海峽 水深 浪高 風疾 施工水文條件惡劣 地質(zhì)條件差 臺風活動頻繁 冬季季風時間長 鉆孔施工平臺的施工 鋼護筒的準確定位和沉放難度很大 經(jīng)過多次專題討論 最后確定為以鋼護筒為主要支撐樁的平臺結(jié)構形式 選用起始平臺利用移動懸挑式導向架和整體式簡支導向架兩種工藝進行鋼護筒沉放 這兩工工藝鋼護筒的沉放精度非常高 杭州灣大橋海上施工平臺 施工平臺設計思路 1 平潭大橋海域施工條件惡劣 需要設計抗風 浪 流 潮以及抗沖刷能力很強的大型鉆孔施工平臺 2 要充分利用鋼護筒入土深的特點 將鋼管樁和鋼護筒共同作為鉆孔平臺的支撐樁 3 施工平臺不但要為鉆孔樁施工提供作業(yè)區(qū) 配置電力系統(tǒng)和起重設備 還要為施工人員提供生活 辦公 構件加工區(qū) 施工平臺設計思路 4 在平臺的北側(cè)以及東西兩側(cè)分別布置起始平臺 利用起始平臺及已經(jīng)沉放的鋼護筒作為支撐 移動懸挑式導向架進行鋼護筒沉放 5 在東西兩側(cè)平臺上架設整體式導向架進行鋼護筒沉放 鋼平臺的主要設計參數(shù) 施工用鋼平臺是比較重要的臨時結(jié)構 對一些設計參數(shù)的確定按照20年一遇的標準進行取值 對平臺標高的確定則選用了兩種標準 鉆孔區(qū)平臺按照5年一遇高潮位 并滿足鉆孔樁施工中水頭高度要求 按照20年一遇高潮位確定其頂標 同時還要海浪的影響 考慮平臺的下部焊接的可行性 標高確定為為 6 5m 表3 1鉆孔鋼平臺主要設計參數(shù)表 鋼平臺計算工況類型及最不利工況確定 根據(jù)鋼平臺的施工工藝 海床沖刷及使用期間可能出現(xiàn)臺風侵襲 平臺設計考慮以下工況 1 單樁穩(wěn)定驗算 2 平潭大橋水流速不算太大 沖刷深度5m考慮 3 成樁前抗臺風 4 平臺未全部完成時的抗臺風情況 5 整個平臺在最大沖刷深度時抵抗臺風 6 整個平臺在最大沖刷深度時正常工作 第4種為最不利工況 鋼平臺施工 整個上下游平臺及護筒區(qū)平聯(lián) 梁系等施工均是比較常規(guī)的施工方法 鋼護筒沉放施工才是整個鋼平臺施工的重點 也是難點 1 起始平臺施工起始平臺位于鉆孔平臺下游側(cè) 其主要作用是為沉放鋼護筒 安裝移動懸挑式定位導向架 提供具有足夠剛度的工作平臺 施工流程見圖3 3 圖3 3鉆孔施工平臺搭設施工工藝流程圖 鋼平臺施工 2 護筒區(qū)平臺施工護筒區(qū)平臺是鉆孔樁施工平臺最核心的部分 是主要的受力結(jié)構 也是施工難度最大的部分 護筒區(qū)平臺施工中最重要的是鋼護筒沉放施工 沉放質(zhì)量不但關系到護筒區(qū)平臺的安全 而且還關系到鉆孔樁施工能否順利進行 如何保證鋼護筒的沉放精度 包括平面位置及垂直度 又是鋼護筒沉放施工中的關鍵 護筒沉放工藝流程見圖3 6示 1 安裝導向梁 2 安裝定位調(diào)整裝置 3 插入鋼護筒 4 振沉鋼護筒 鋼護筒沉放施工 整體式導向架沉放工藝 a 導向架就位 b 護筒起吊 c 護筒進龍口 d 測量定位 e 振動下沉 f 沉放設計標高 移動式導向架沉放工藝 g 移導向架 依次沉放 杭州灣大橋鋼平臺處的海底防護 平潭大橋由于水流速小 沖刷不大 故此沒有采取海底防護措施 杭州灣大橋 在建的嘉紹大橋因流速大 沖刷快 為了確保鋼平臺施工以及鉆孔樁施工期間的安全 在鋼平臺施工期間同時進行平臺處海底防護 具體的防護方法為如下 由于鋼平臺及鋼護筒是按照從下游至上游的推進法施工 所以拋填維護工作也是按照此方法進行 每沉放完一根護筒后 在高平潮或低平潮時段流速較小時 利用多功能作業(yè)駁上的起重設備將袋裝砂用大型網(wǎng)兜吊運至該護筒周圍進行拋填 待推 鋼平臺處的海底防護 進至兩排護筒后 再對已經(jīng)形成平臺的區(qū)域進行補拋找平 保證拋填厚度達到1 5m以上 當鋼平臺施工全部完成后 再將拋填的范圍擴大 對平臺邊緣向外側(cè)15m的范圍進行拋填 拋填厚度仍然按照不小于1 5m控制 在鉆孔樁施工期間 還要求對平臺處海底標高進行定期測量 了解沖刷情況 使鋼平臺始終處于設計的安全受控狀態(tài) 小結(jié) 平潭海峽大橋三個主墩和兩個交界墩施工平臺 從2008年初開始進行搭設 2009年3月份完成樁基施工 平臺開始拆除 在搭設過程中及后續(xù)進行的鉆孔樁基礎施工過程中經(jīng)受了多次臺風 大潮汛 大波浪的考驗 狀況良好 對此施工平臺下面談幾點體會 小結(jié) 1 采用入土深度達27m的鋼護筒作為支撐樁的平臺結(jié)構形式 能夠滿足流急 浪高 臺風等條件下平臺整體穩(wěn)定性要求 同時節(jié)約施工成本 2 采用移動懸挑式導向架以及整體式導向架進行海上鋼護筒的沉放 能夠滿足鋼護筒沉放精度要求 是一種行之有效的施工方法 導向架剛度設計時盡量考慮大剛度 小結(jié) 3 鋼護筒沉放完成后 要及時與已行成平臺進行連接 保證鋼護筒在水流力 波浪力作用下不發(fā)生偏位 4 在鋼護筒沉放過程中以及后期平臺使用中 定期進行海底泥面觀測 掌控海底泥面沖刷情況和發(fā)展動態(tài) 制定出海底防護的預案 并定期進行平聯(lián)焊縫檢查 保證平臺的使用安全 小結(jié) 5 施工平臺在施工過程中證明了平臺的一些技術參數(shù)如平臺頂標高 平臺尺寸等 以及設計條件的確定是合適的 為其他海上橋梁施工平臺設計提供了借鑒 6 此施工平臺采用的結(jié)構形式?jīng)Q定了現(xiàn)場焊接工作量很大 由于惡劣海況氣候影響 有效工作時間比較少 工效低 所以還有可以改進的部分 例如由于焊接工作量大 應該盡量將一些構件在陸地上加工成品 運到現(xiàn)場安裝 減小現(xiàn)場焊接工作量 四 跨海大橋深水基礎鉆孔樁施工技術 1 施工平臺及孔位布置2 施工工藝及設備的選擇3 樁底注漿4 施工中遇到的主要問題及處理技術5 小結(jié) 施工平臺及孔位布置 平潭大橋主墩樁基按梅花型布置 承臺為長方形型 承臺平面尺寸為34 7 21 5m 鉆孔施工平臺是利用鋼護筒作為整個平臺的支承受力樁 護筒區(qū)外側(cè)設置靠船樁及龍門吊軌道平臺 護筒之間及護筒與樁之間用平聯(lián)聯(lián)結(jié) 護筒上設擱置牛腿 牛腿上布置分配梁 并鋪設面板形成鉆孔樁施工平臺 鉆孔樁鋼護筒直徑為3 0m 壁厚25mm 長55m 入土深度27m 因外海施工的需要 在護筒區(qū)上下游搭設生活區(qū)平臺和生產(chǎn)區(qū)平臺 整個施工平臺尺寸為58 5m 39m 平臺布置見圖4 1 圖4 1施工平臺及孔位布置圖 施工工藝及設備的選擇 1 施工工藝流程主墩樁基施工機械采用大功率回轉(zhuǎn)鉆機鉆進 氣舉反循環(huán)的成孔工藝 交界墩采用沖擊鉆工藝 混凝土采用水上拌和船攪拌 泵送水下混凝土灌注的方法 施工工藝及設備的選擇 2 施工設備鉆機的扭矩是影響鉆進成孔進度的關鍵因素 根據(jù)本工程的地層情況和距施工平臺面鉆孔深度達90m的特點 施工中還要穿過含砂淤泥質(zhì)土層 砂土層 粘土層 強風化 弱風化 微風化等地層 對鉆機的鉆桿質(zhì)量 扭矩要求較高 選用了技術先進 扭矩較大 提升能力較大的全液壓鉆機 選用的鉆機性能參數(shù)見表4 1 對于交界墩樁基較短 鉆孔深度近80m 采用了沖擊鉆鉆孔工藝 也非常成功 表4 1鉆機性能參數(shù) 樁底注漿 1 樁底壓漿的機理鉆孔灌注樁后壓漿是在樁基鋼筋籠內(nèi)預置壓漿管路 待混凝土達到一定強度后 通過壓漿管路采用高壓注漿泵注入水泥漿液 使一部分水泥漿液進入樁底土層 另一部分水泥漿液沿樁壁的四周向上走 最終達到一定的高度 所以 進行樁底注漿可以使樁底沉渣及樁壁一定高度范圍內(nèi)的泥皮隱患 樁底注漿工藝在平潭大橋并未采用 但因為其對于提高樁基承載力有顯著作用 并在杭州灣 東海大橋 蘇通大橋 上海長江大橋等多做著名的橋梁上成功應用 是一種非常使用的一種工藝 在此進行簡單介紹 樁底注漿 得到改善 提高樁底土層的承載力以及樁與樁壁土層之間的極限摩阻力 最終提高鉆孔灌注樁承載力 減小樁的沉降量 2 壓漿回路布置在樁底壓漿管的形式中有兩種 即直管法和 U 管法 在東海大橋應用的是直管法 而蘇通大橋應用的是 U 管法 杭州灣大橋總結(jié)了東海大橋和蘇通大橋的經(jīng)驗 注漿管的形式采用 U 管法 共布置8根注漿管 形成四個回路 樁底注漿 其中四根 60 3 5注漿管兼作聲測管 四根 33 5 3 25鋼管為專用注漿管 相鄰兩根聲測管及兩根注漿管之間互成90 角 注漿管在樁底形成 U 回路 U 回路樁底直線段布置向下和向水平方向的注漿孔 并與鋼筋籠底端平齊 注漿管的布置見圖4 3 圖4 3鋼筋籠注漿管的布置 樁底注漿 3 漿液配合比借鑒杭州灣先期施工標段的施工經(jīng)驗 漿液的性能 特別是漿液的水灰比和初凝時間 直接影響到注漿質(zhì)量 所以漿液的配合比十分重要 其配合比如表4 3 表4 3壓漿液配合比 樁底注漿 4 工程實施及效果分析利用兩根工程樁進行了鉆孔樁工藝試驗及承載力試驗 其中一根樁又進行了注漿前后承載力對比試驗 另外一根樁只做注漿后的承載力試驗 23 試樁壓漿后承載力較壓漿前提高了43 5 提高幅度基本上與東海大橋 注漿后承載力提高60 左右 和蘇通大橋 注漿后承載力提高40 左右 接近 表4 4杭州灣大橋壓漿前后試樁結(jié)果匯總 施工中遇到的主要問題及處理技術 1 護筒變形及處理平潭海峽大橋由于非常不利的特殊地質(zhì)條件 也出現(xiàn)了杭州灣大橋一樣鋼護筒底口嚴重變形的情況 主橋主墩鋼護筒的規(guī)格相同 均為 3000 25mm 入土深度為27m左右 雖然鋼護筒的沉放工藝采用了移動懸挑式導向架和整體式大跨度簡支桁架兩種工藝 利用激振力大720t的液壓振動錘將鋼護筒拔出泥面 底口變形成丁字型 如圖示 平潭海峽大橋鋼護筒變形圖 平潭海峽大橋鋼管樁變形圖 圖4 4杭州灣大橋護筒底口變形實例圖 施工中遇到的主要問題及處理技術 1 鋼護筒變形的原因分析 鋼護筒下沉過程內(nèi) 外土壓力不均衡的影響 鋼護筒剛度影響 鋼護筒加工精度的影響 地層變化以及孤石影響 施工中遇到的主要問題及處理技術 2 變形鋼護筒的處理變形鋼護筒處理采取以下二種方法 即水下切割變形鋼護筒和千斤頂頂撐變形鋼護筒 由于千斤頂頂撐的施工方法無法解決頂撐后回彈的問題 所以該方法很難成功 施工中遇到的主要問題及處理技術 2 鋼護筒漏漿串孔及處理鋼護筒經(jīng)水下切割后 在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)護筒普遍存在漏漿現(xiàn)象 經(jīng)過多次試驗 最終確定采用護筒外注漿及沉放內(nèi)護筒法 因為這兩種方法能夠有效解決漏漿問題 串孔在平潭大橋也很常見 主要采用鋼護筒跟進和加入水泥造漿等方式進行堵塞 施工中遇到的主要問題及處理技術 3 鉆進過程中糊鉆問題及處理樁基鉆進成孔過程中主要地層為粘土層 尤其是硬塑狀的粘土 亞粘土 粘性很大 粘土粘附在多頭鉆刀片上 產(chǎn)生抱鉆 甩不掉 堵死出渣口的現(xiàn)象 造成無法正常鉆進 被糊住的鉆頭見圖4 8 圖4 8被粘土糊住的鉆頭 施工中遇到的主要問題及處理技術 1 糊鉆原因分析 在硬塑粘土層鉆進 進尺過快 鉆渣大 出漿口堵塞 易造成糊鉆 在粘性土層成孔 鉆速過慢 未能將切削泥土甩開 附在鉆頭刀片上 將鉆頭抱住 與泥漿流動形式 鉆頭形式有關 與空壓機氣舉壓力和排量有關 空壓機較小無法將較深的鉆渣吸出 施工中遇到的主要問題及處理技術 2 處理糊鉆的措施 對鉆頭進行優(yōu)化 加強泥漿指標的控制 加大空壓機壓力 加強鉆孔操作控制 提高鉆機轉(zhuǎn)速 小結(jié) 跨海大橋鉆孔樁施工因海況條件惡劣 施工難度大 對施工組織 施工設備要求極高 對海上鉆孔樁施工基礎幾點認識總結(jié)如下 1 關于施工設備因海上風浪較大 尤其是季風季節(jié) 海上大風持續(xù)數(shù)日 一旦鉆孔樁成孔后 受風影響很難進行鋼筋籠下放及混凝土施工 因此海上施工設備的配備一定要盡量選用大型的抗風 抗浪 穩(wěn)性好的設備 小結(jié) 2 關于海水泥漿使用海水泥漿鉆進成孔孔壁穩(wěn)定 質(zhì)量有保證 環(huán)節(jié)少 經(jīng)濟效益明顯 值得推廣運用 在東海大橋 杭州灣大橋 青島海灣大橋 金塘大橋等多座橋梁中成功應用 小結(jié) 3 關于鋼護筒鋼護筒除了要滿足合適的入土深度 還要考慮要有適當?shù)膭偠?根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)壁厚應不小于直徑的1 150 同時護筒底口10m段應采用增加材質(zhì)強度級別或采取加強措施 如設置環(huán)向箍 豎向肋等措施 避免護筒下沉過程中底口產(chǎn)生變形 在福建平潭海峽大橋施工中經(jīng)過對比 取得較好的經(jīng)驗 小結(jié) 福建平潭海峽大橋大型深水基礎結(jié)構是22根直徑2 8m的群樁基礎 鋼護筒直徑3 0m 長55m 壁厚25mm Q345C材質(zhì) 前期22根下沉的護筒未采取任何加強措施 大部分發(fā)生變形 直徑2m鉆頭穿不過護筒 后期對護筒底部10m范圍設置三道環(huán)向加強箍和豎向加強肋 壁厚及材質(zhì)不變 增強底節(jié)段的整體剛度 結(jié)果沒有護筒發(fā)生變形 底部加強護筒見圖4 10 圖4 10鋼護筒底節(jié)部分加固圖片 五 跨海大橋深水基礎大體積承臺施工技術 1 概述2 鋼吊箱設計與施工3 大體積承臺混凝土施工4 小結(jié) 概述 平潭大橋處在自然條件惡劣的海況條件下 受風 流 潮的影響比較大 尤其是主橋墩鋼吊箱施工處在冬季季風盛行的季節(jié) 在海中間 最大潮差達7m 施工條件極端惡劣 因海況條件制約 安裝定位要求在短時間內(nèi)快速精確的完成 以避開潮差 風浪等各種因素的影響 平潭鋼吊箱設計與施工 1 鋼吊箱的設計1 設計思路鋼吊箱是為承臺施工而設計的臨時阻水結(jié)構 其作用是通過吊箱側(cè)板壁體和底板封底混凝土共同圍水 為承臺施工提供無水的干施工環(huán)境和兼作承臺施工模板 為了解決快速定位安裝問題 采用了設置調(diào)梁牛腿的方式進行定位 平潭大橋鋼吊箱設計與施工 2 主要設計條件1 鋼吊箱頂標高 5 80m2 鋼吊箱底標高 2 00m3 鋼吊箱底板標高 1 00m4 承臺底標高 0 00m5 封底砼厚度1 0m6 封底砼標號C307 承臺頂標高 5 00m第一次澆筑承臺厚度2 00m 鋼吊箱設計與施工 8 水位 設計高潮位 3 29m設計低潮位 3 0m防臺驗算高潮位 4 23m防臺驗算低潮位 3 67m9 波浪 鋼吊箱安裝 就位 封底砼及承臺砼施工 H 1 52m T 4 7S鋼吊箱吊裝定位 吊箱抽水 H 2 03m T 5 1S防臺工況 H 2 81m T 5 8S10 護筒與封底砼間的粘結(jié)力f 300kN m2 鋼吊箱設計與施工 2 鋼吊箱的加工制作由于施工鋼吊箱時只能找到500t起重船 而主橋墩鋼吊箱總重近800t 若采用整體安裝鋼吊箱施工 則浮吊起重量達1000多噸 考慮施工成本和吊裝安全 采用了鋼吊箱在平潭東澳碼頭碼頭分兩塊整體制作的方式 這樣就可以分兩次各吊裝一半鋼吊箱 又可以滿足尺寸大鋼吊箱加工精度高的要求 鋼吊箱設計與施工 3 鋼吊箱吊裝施工鋼吊箱在碼頭碼頭分兩塊整體制作好以后 利用浮吊起吊一塊鋼吊箱并運至現(xiàn)場安裝 然后再回頭吊另一塊鋼吊箱 因為優(yōu)化了安裝定位方式 在全天任何時段均可安裝定位 但內(nèi)部的拉桿以及封孔等加固焊接工作仍需在低潮位時段進行 兩塊鋼吊箱的拼縫采用高強螺栓連接 1 有關鋼吊箱施工隨著大跨徑橋梁的不斷涌現(xiàn) 橋梁基礎的規(guī)模越來越大 鋼吊箱作為橋梁大型深水基礎承臺施工的主要隔水結(jié)構 尺寸也越來越大 因鋼吊箱比混凝土吊箱具有自重輕 可拆卸 可周轉(zhuǎn)等優(yōu)點 應用較多 鋼吊箱的施工工藝也在不斷推陳出新 超大型鋼吊箱施工方法主要有如下幾種 方法一 為減少主線施工時間 首節(jié)鋼吊箱工廠內(nèi)制作 船運至施工現(xiàn)場 采用大型浮吊整體吊裝就位 例如舟山金塘大橋鋼吊箱 金塘大橋鋼吊箱長60 88m 寬38 12m 高9 858m 重約1623t 安裝施工下圖5 16示 圖5 16金塘大橋鋼吊箱安裝圖片 方法二 在鉆孔樁施工結(jié)束后 在鉆孔平臺上搭建鋼吊箱拼裝平臺 然后在平臺上組拼鋼吊箱 鋼吊箱組拼完畢 采用浮吊或千斤頂?shù)仍O備將鋼吊箱整體下放到位 例如蘇通大橋主橋墩基礎鋼吊箱施工即采用千斤頂整體下放到位 南京四橋南主塔鋼吊箱采用浮吊下放 南京四橋南主塔鋼吊箱重1700噸 浮吊抬吊 圖5 17 蘇通橋主4號墩鋼吊箱設計為雙壁有底自浮式鋼吊箱 安裝完后形狀為啞鈴形 外壁長117 950m 外壁寬為52 300m 壁間寬度為2m 高度18 5m 總重約6180t 國內(nèi)沒有大型起重船能夠整體起吊 鋼吊箱采用工廠分塊分節(jié)段制作 現(xiàn)場散拼 逐節(jié)沉放的技術方案 首節(jié)吊箱重3120t 鋼吊箱采用連續(xù)千斤頂多點起吊 同步下放 入水自浮后 通過加配重沉放吊箱至指定位置 下圖5 18示 千斤頂 圖5 18蘇通大橋鋼吊箱安裝圖片 方法三 鋼吊箱預先分幾大塊工廠進行制作 在鉆孔樁施工結(jié)束后 分三部分先后現(xiàn)場用浮吊安裝 最后在現(xiàn)場連接成整體 例如杭州灣鋼吊箱施工 每部分重約600噸 下圖5 19示 圖5 19杭州灣大橋鋼吊箱安裝圖片 方法四 鋼吊箱在船廠船臺上制作完畢 解除鋼吊箱固定裝置 牽引鋼吊箱沿滑道下滑入水自浮 浮運現(xiàn)場利用浮吊吊裝就位 優(yōu)點是可以克服橋區(qū)無大型構件加工場地的難題 上海隧橋工程主塔承臺基礎鋼吊箱采用上述方法施工 上海隧橋主塔承臺基礎鋼吊箱長72 4m 寬37 4m 高10m 吊箱重約1480t 在江蘇靖江某船廠加工 由靖江八圩汽渡上游50米處船臺出發(fā) 浮運至上海長江隧橋B5標施工現(xiàn)場 利用起重船安裝就位 其浮運里程達220余公里 經(jīng)過長江江蘇省 上海市兩地 下圖5 19示 圖5 20上海隧橋工程鋼吊箱浮運 吊裝 平潭大橋鋼套箱施工 分塊整體制作 既可以保證制作安裝的精度 又可以解決安裝設備起重量不足的難題 平潭海峽大橋主橋墩 采用此種方式完美的實現(xiàn)了快速精確的防撞鋼吊箱安裝任務 主橋墩防撞鋼吊箱尺寸長40 5m 寬26 1m 高7 8m 重量近800t 分兩塊制作 采用500t起重船分兩次安裝 平潭海峽大橋鋼吊箱制作浮運 平潭海峽大橋鋼吊箱吊裝 大體積承臺混凝土施工 1 高性能海工混凝土配制2 承臺混凝土澆注3 承臺大體積混凝土的裂縫控制4 鋼筋防腐技術 環(huán)氧鋼筋 外加電流陰極防護技術 2 海洋環(huán)境下混凝土耐久性結(jié)構防腐研究海洋環(huán)境下 必須考慮結(jié)構物的防腐 對于鋼管樁基礎結(jié)構 首先選擇較大的壁厚 以犧牲壁厚達到防腐蝕 其次采用多層復合熔溶結(jié)合改性環(huán)氧涂層為主 輔以犧牲陽極聯(lián)合防護方案 對于混凝土基礎結(jié)構腐蝕 主要防止鋼筋銹蝕 環(huán)境惡劣 保護層不足 氯離子滲透是導致混凝土結(jié)構破壞的主要原因 混凝土結(jié)構腐蝕情況見下頁圖示 海洋環(huán)境混凝土基礎結(jié)構腐蝕情況 基礎的防腐 為達到混凝土結(jié)構設計基準期100年內(nèi)鋼筋不銹蝕 跨海橋梁一般采用了如下措施 結(jié)構措施 加大保護層厚度 要求見表5 4 并嚴格控制混凝土結(jié)構裂紋寬度 表5 4各部位混凝土保護層厚度 基礎的防腐 采用海工耐久性混凝土 使用P 水泥 控制最大水膠比和膠凝材料最小用量 氯離子擴散系數(shù)是海洋環(huán)境橋梁混凝土判定耐久性主要監(jiān)控指標 平潭大橋設計規(guī)定 鉆孔樁混凝土12W齡期要求 2 5 10 12m2 s 承臺混凝土12W齡期要求小于2 5 10 12m2 s 其他海上橋梁基礎工程基本上采用此標準 基礎的防腐 海洋環(huán)境下的混凝土承臺 墩身結(jié)構表面采用封閉型涂裝體系進行防護 涂層設計使用壽命20年 使用具有濕固化和快固結(jié)性能的油漆涂料 干膜厚度平均厚400um 承臺鋼筋采用環(huán)氧涂層鋼筋 5 采用SAVCOR計算機自動監(jiān)控外加電流陰極保護系統(tǒng) EPS系統(tǒng) 對海洋環(huán)境下鋼筋進行防護 上述各項措施中 加厚保護層和采用海工耐久性混凝土 是海洋深水基礎結(jié)構防腐最基本的措施 六 結(jié)論與探討的問題 1 主要結(jié)論2 跨海大橋施工與公路定額的相適應性 1 主要結(jié)論 通過平潭海峽大橋和其他海上大型橋梁建設工程 對大型深水基礎施工進行總結(jié) 有如下結(jié)論 1 建立在科學研究基礎上的設計創(chuàng)新平潭海峽大橋和杭州灣 金塘大橋等項目的施工平臺采用了以鋼護筒為主要支撐樁的平臺結(jié)構形式 能夠滿足流急 浪高 臺風等條件下平臺整體穩(wěn)定性要求 同時節(jié)約施工成本 這種平臺能夠快速的形成整體以抵抗風浪 且整體面積大 適宜作為大型基礎的工作平臺 主要結(jié)論 2 跨海大橋的基礎防腐蝕方案中一般采用了涂覆防滲耐腐蝕涂料以及外加電流陰極防護的保護方法 加電這種工藝是近幾年出現(xiàn)的一種比較新的工程防腐工藝 防護系統(tǒng)使用LIDA SP100活性鈦網(wǎng)帶作為陽極材料 鋼筋為陰極材料 同過外加電流犧牲陽極材料鈦網(wǎng) 保護鋼筋 以達到工程防腐的目的 相比采用常用的環(huán)氧鋼筋方案 此技術有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢和便于施工 便于控制的特點 主要結(jié)論 3 平潭海峽大橋借鑒和發(fā)展了我局在杭州灣 金塘大橋等項目研制的海工混凝土 它具有效果好 費用低 能最大限度提高混凝土的密實性 阻擋氯離子的滲入 減緩氯離子的擴散速度 從而延長了氯離子到達鋼筋表面并達到 臨界值 的時間等特性 另外 在杭州灣大橋首次成功運用了海水泥漿鉆孔工藝 替代了淡水 節(jié)約成本 方便施工 成孔質(zhì)量也能得到保證 這種工藝值得推廣 主要結(jié)論 4 在平潭海峽大橋基礎施工中遇到的困難主要在樁基上 主要問題是鋼護筒變形 其主要原因有三方面 一是對地層勘察的不夠詳細 二是鋼護筒的制作誤差導致其環(huán)向臨界應力降低 三 地層變化非常頻繁復雜 并且地層中的孤石非常多 處理變形護筒投入了大量的人力 物力及財力 并且嚴重的影響了工程進度 造成的損失是很大的 2 跨海大橋項目與公路定額的相適應性 隨著全國各地公路網(wǎng)的完善 更多的連島工程正在興建 跨海大橋建設項目正趨于高峰期 雖然2007年10月出版了新的公路概預算定額 完善了部分概預算子目 但仍不能滿足大型跨海橋梁施工成本及投資控制的需要 結(jié)合平潭海峽大橋項目談幾點體會 1 因為跨海大橋施工工期長 且海水腐蝕性極強 對鉆孔平臺的鋼管樁 平聯(lián)管及型鋼等臨時性鋼結(jié)構 長期處于海水浸泡中 施工損耗和周轉(zhuǎn)次數(shù)遠低于定額中的14次 按定額進行測算投資或成本 均導致投資額或成本偏小 定額中可增加臨時結(jié)構防腐或調(diào)整周轉(zhuǎn)次數(shù)以彌補其不足 跨海大橋施工與公路定額的相適應性 2 跨海大橋施工過程中 現(xiàn)場采用的船舶等機械設備均為大型設備 船機等設備費用占工程造價比重達35 45 左右 新版概預算定額中雖然較96版定額增加了部分設備 但仍不能滿足海上施工的需要 特別是對橋梁基礎施工 經(jīng)常涉及大型起重船 打樁船 大噸位駁船等船舶 而定額中大型打樁設備較少 導致費用估算偏低 跨海大橋施工與公路定額的相適應性 3 跨海橋梁施工對結(jié)構防腐要求較高 目前出現(xiàn)很多新的防腐工藝 特別是基礎部分 防腐費用占的比重還不小 但概預算定額中卻沒有相關的工程細目 編制預算時所采用的其他定額又太適用于大型跨海橋梁的施工環(huán)境 導致防腐費用估算嚴重不足 4 基于跨海橋梁建設的特殊性 一般的公路定額均不能滿足投資及成本控制的要求 很多大橋施工過程中或施工完成后會根據(jù)本項目大橋建設的特點 編制適合跨海大橋施工的補充定額 用于后期的跨海橋梁的造價及成本控制 歡迎批評指正謝謝 中交二航局李維洲聯(lián)系電話 15985777788