南京大胜关长江大桥主墩深水基础施工关键技术研究.pdf

南京 大胜关 长江大桥主墩深水基础施工关键技术研究 宋伟俊 文章编 号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 0 9 ) 0 2 0 0 0 1 0 4 南京大胜关长江大桥主墩深水基础 施工关键技术研究 宋伟 俊 ( 中铁大桥局股份有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 5 0 ) 摘 要 ：南京 大胜 关长 江 大桥 6 8号主 墩 基 础 采 用超 大 型 钢 吊( 套 ) 箱 围堰 施 工 。在 水 文地 质条 件 复杂 的潮 汐河段 ， 钢 吊( 套 ) 箱采 用 气 囊法 下 水 、 浮 运 就 位 ， 无 导 向 船 重锚 精 确 定位 ， 围堰 挂 桩， 内支撑桁架兼作钻孔平 台， 接 高围堰 ， 在重力大于浮力的可控状 态下， 实现 围堰整体下放着床及 河床 内下沉第 2次定位挂桩等施工方案。着重介绍超 大型钢围堰 气囊法断缆整体下水技 术， 钢 吊 箱无导向船重锚精确定位技术， 超 大型钢 吊( 套) 箱下放 、 着床 、 下沉控制技术等基础施工关键技术。 关 键词 ： 桥 梁基础 ； 深 水基 础 ； 围堰 ； 施 工方 法 中图分类号 ：u4 4 5 5 5 6 文献标志码 ：a re s e a r c h o f ke y te c h ni qu e s f o r co n s t r u c t i o n o f de e p w a t e r fo u nd a t i o n s o f m a i n pi e r s o f da s h e n g g u a n c h a n g j i a n g ri v e r b r i d g e i n na n j i n g s ong we i - j u n ( ch i n a z h o n g t i e ma j o r b r i d g e en g i n e e r i n g，i n c ，w u h a n 4 3 0 0 5 0，ch i n a ) ab s t r a c t ：th e f o u n d a t i o n s o f ma i n p i e r s no 6 no 8 o f da s h e n g g u a n ch a n g j i a n g ri v e r br i d g e i n na n j i n g we r e c o n s t r u c t e d b y t h e v e r y h u g e s t e e l b o x e d c o f f e r d a ms i n t h e t i d a l r i v e r r e a c h o f c ompl i c a t e d hy dr o l og i c a n d ge ol o gi c c o nd i t i o ns ，t h e c o f f e r da m s we r e l a u nc he d b y t he a i r ba g me t ho d，f l o a t e d t o t he p i e r s i t e s a nd a c c ur a t e l y pos i t i on e d t he r e b y he a v y a nc ho r s wi t h ou t t he a i d o f g ui di n g b a r ge s th e c of f e r d a ms we r e t h e n s e t on t he pi l e s，t he br a c i ng t r us s e s i ns i de t he c o f f e r d a ms we r e c o nc ur r e n t l y u s e d a s t h e b or i n g pl a t f o r m s a nd t he c o f f e r d a m s we r e e x t e nde d i n h e i g h t i n t h e c o n t r o l l a b l e s t a t e t h a t t h e g r a v i t y wa s g r e a t e r t h a n t h e b u o y a n c y，t h e c o n s t r u c t i o n s c h e me s f o r l o we r i n g t h e i n t e g r a l c o f f e r d a ms d o wn t o t h e r i v e r b e ds i n k i n g t h e c o f f e r d a ms i n t o t h e r i ve r b e d a n d t he s e c o nd t i me po s i t i o ni n g a nd s e t t i n g t he c o f f e r da ms o n t he pi l e s we r e we l l r e a l i z e dthi s pa pe r ma i nl y d e a l s wi t h t he ke y t e c h ni q ue s f or c on s t r u c t i on of t he f o und a t i on s，i n c l u d i n g t ho s e o f l a un c hi n g t he i nt e g r a l hug e c of f e r d a m s by t he a i r ba g m e t ho d a nd by c u t t i n g a n c h or r o pe s，a c c u r a t e l y po s i t i on i ng t he c o f f e r da m s b y he a vy a nc ho r s wi t h out t h e a i d o f gu i d i ng b a r g e s， l o wi n g。l a ndi ng o n r i ve r b e d a n d s i nki n g c o nt r o l o f t he c of f e r d a ms ke y wo r d s：br i d ge f ou nd a t i o n；d e e p wa t e r f ou nd a t i on；c o f f e r da m ；c o ns t r u c t i on m e t hod 1 工 程概 况 南京大胜关长江大桥主桥桥跨布置为 2联( 8 4 +8 4 )m 连续 钢桁 梁 + ( 1 0 8 +1 9 2 +3 3 6 +3 3 6 +1 9 2 +1 0 8 )m六跨连续钢桁拱。6 8号主墩均采用 4 6 根 2 8 m钻孔桩基础 ， 桩基按纵 向 5排、 横向 1 0排 行列式布置 ， 桩底标高为1 2 0 1 2 5 m， 桩长 1 0 7 1 1 2 m。圆端形承台平面尺寸为 3 4 m7 6 m， 顶 面标高一7 0 m， 厚度 6 m， 墩 座厚 4 m。采用超大 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 2 1 8 作者简介 ： 宋伟俊 ( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 教授级高工 ， 1 9 8 6年毕业于西南交通大学 ， 工学学士( mb e c d s g 1 2 6 c o m) 。 2 桥梁建设 2 0 0 9年第 2期 型钢 吊( 套 ) 箱 围堰施 工 1 。 ( 1 )工 程 地 质 。6号 主 墩 位 于 长 江 主 河 槽 北 侧 ， 施工期间河床面高程 一8 9 一1 9 9 m， 上下游 河床高差近 1 1 m， 覆盖层厚约 5 1 m。7号主墩位于 长 江 主河 槽 深 泓 区北 侧 ， 河 床 面 高程 一 2 1 4 一 2 3 7 m， 覆 盖层 厚 3 1 m。8号 主墩 位 于 长江 主 河 槽深 泓 区 ， 河 床 面 高 程 一3 7 6 一 4 2 7 m， 覆 盖 层 厚 1 3 m。覆 盖 层 主 要 为 粉 质 粘 土 、 淤 泥 质 粉 质 粘 土 、 砂类土及圆砾土等 ， 基岩为泥岩 ， 微风化泥岩承 载能力较低 ， r 一4 6 7 mp a 。 ( 2 )水 文 条 件 。桥 址 位 于 长 江 下 游 感 潮河 段 ， 水流既受上游径流影响， 又受潮汐影响， 水文条件变 化 频繁 ， 汛期 最 大潮 差 1 2 7 m， 枯 季 最大 潮 差 1 5 6 m， 水流为单 向流， 水流方 向与横 桥 向轴线夹 角约 3 。 ， 洪水位时主流表面最大流速为 2 2 8 m s 。6 8 号 主墩处 施工 期 间平均 水深 分别 为 1 7 ， 3 0 ， 5 2 m。5 1 o月施 工水 位 +8 0 m， 1 1月 次年 4月 施工 水 位 +5 0 m。 ( 3 )主墩 钢 围堰 。6 8号 主 墩 基 础 钢 围 堰 平 面尺寸 为 8 0 r n 3 8 i n ， 壁 厚 2 m， 底 标 高为 一1 7 5 m。围堰总高 2 6 5 m， 分 3节制造 ： 底节高 1 4 5 m， 重 3 1 0 0 t ( 2 9 0 0 t ) ； 第 2节 高 9 m， 重 2 1 0 0 t ( 1 9 0 0 t ) ； 第 3节高 3 r n ， 重 1 0 0 0 t ， 见图 1 。根据主墩结构 设计及水文河床情况 ， 6号墩设计为钢套箱围堰 ； 7 、 8号 墩设 计为 钢 吊箱 围堰 。 1 4 隔仓平 面 1 4 支架平面 垄 量 丛堡 堕 单 位 ：m 图 1 钢 围堰 布 置 2 6 8号主墩 基础 施工 总体 方案 针对墩位水文地质 、 河床 冲刷、 通航、 河床 地形 等施工条件与主墩深水基础施工特点 ， 钢 围堰在岸 上整体制造、 下河 、 浮运的条件 ， 经多方案研究 比较 ， 6号主墩采用双壁钢套箱围堰整体制造浮运定位的 总体方案 ， 7 、 8号主墩采用双壁钢吊箱 围堰整体制 造浮运定位的总体方案 。考虑围堰整体滑移下水安 全方便 ， 且能快速建立钻孔平 台， 围堰分 3节制造 。 结合江边滩地地形、 地基承载力 、 前端水深、 水下坡 度 、 围堰 底部 结构特 点及 底 节 围堰 重量 ， 7 、 8号 主墩 底节围堰采用在岸边滩地整体制造 ， 气囊法断缆下 水方法 ， 6号主墩底节 围堰采用气囊法 +u 形浮箱 下 水方 法 。 围堰浮运至墩位 ， 重型锚锭精确定位 ， 插打定位 桩钢护筒 ， 围堰挂桩 固结 ， 内支撑桁架兼作钻孔平 台， 钻孔桩完成后在固定平台上接高围堰( 6 、 8号主 墩 ) ， 在 重力 大于 浮力 的可控 状态 下 围堰 整体 提升 下 放 、 着床及在河床 内下沉至设计标高， 进行 围堰第 2 次精确定位挂桩 ， 围堰分隔仓进行底隔仓 与侧壁仓 封 底 ， 施 工承 台与 墩身 。 受 通航 条件影 响 ， 先期 安排 6 、 8 号 主墩 施工 ， 之 后 7 号 主墩 底节 围堰 滑移下 水 浮运至 水上 临时锚 定 区， 进行第 2 、 3节围堰的接高， 待 6 、 8号主墩钻孔桩 部分完成拆除边锚后 ， 再整体浮运至墩位 。同期分 步 进行各 主 墩基础 施 工 ， 确 保 3个 主 墩施 工 在 一 个 半枯水期内全部完成。7号主墩围堰水上临时锚定 区选择在 6号主墩后定位船尾部水 域， 此处水深条 件较好 ， 汛期水流流态平稳、 流速较低 、 河床淤积较 小 、 地处非通航区、 围堰 渡汛 防撞条件较好 ， 临时锚 定区至 7 号主墩间水域水深较好， 易于围堰整体浮 运 至墩 位 。 3基 础施 工关键 技术 3 1 超大型钢围堰气囊法断缆整体下水技术 气囊法断缆下水是指围堰在 自重分力与尾锚拉 缆作用下起动 ， 迅速断开拉缆后 ， 围堰沿坡道快速下 滑 ， 在围堰尾端吃水下沉搁浅 前 ， 迅速 到达深水 区 域 ， 实 现安全 自浮 。 通过围堰 断缆后入水速度、 吃水深度及重心与 浮心变化的计算 ， 确定下水坡道长度 、 坡度大小。结 合岸边场地条件 、 气囊 的承载特性、 围堰所需滑行距 离及坡度 ， 将下水坡道分为 3 个调节段， 从 1： 4 0的 坡度经 1： 1 8 2 、 1： 1 1 8逐渐调整为 1：1 0 ， 吊箱 畔 南京大胜关长江大桥 主墩 深水 基础施工关键技术研究 宋伟俊 3 在 1： 1 8 2的坡 度下 起 动 后 断 缆 ， 其 重 力 沿 坡 道 的 分力 大 于气囊 滚 动摩 擦 力 ， 沿 1：1 1 8与 1：1 o的 坡道加速下滑入水。经计算 吊箱入水速度 约 9 0 5 m s ， 滑 移距 离 为 1 2 2 5 m， 距 水 边 线 2 2 1 t i 实 测 水 深 8 m， 吊箱需要 滑 行 的最小 距 离 为 1 1 0 m， 下水 自 浮稳 定后 吊箱 吃水 深 度 为 7 6 m， 吊箱 入 水 后 可 安 全 白浮 。 根 据 围堰重 量 、 底 板 结 构 构 造 、 地 基 条 件 、 单 个 气囊承载力及围堰入水 各工况受力计算 ， 确定气囊 规 格型 号 、 布 置方 式 。采 用直 径 1 2 m、 长 1 5 m 气 囊 ， 工作高度为 0 5 m， 在吊箱底板 直线段 、 部分 圆 弧 段按 2 m 间距 布 置 ， 共需 要 气囊 6 o只 ， 可满 足 吊 箱 下水 需要 ， 见 图 2 。 图 2钢 围堰 岸 上 整 体 制 造 、 下 河 3 2 钢 吊箱无 导 向船重 锚精 确定 位技 术 精确定位思路 ： 采用理论计算分析钢吊箱定位 精度 ， 实测水文条件变化规律及其对 围堰 刚体平面 位 移影 响规 律 ， 合 理选 择定 位桩 插桩 时 机 ， 利 用重 锚 预设 强 大预 拉力 ， 尽 可 能 消 除定 位 系统 的非 弹 性 变 形 ， 提高 锚定 系统 刚度 ， 有效 控 制插 桩期 间 围堰 的平 面位 移 。 3 2 1 重锚定位系统定位精度计算 预拉重锚定位系统 ， 对钢 吊箱进行精确定位， 计 算在不同水位 、 流速条件下定位系统的受力与变形 ， 计 入定 位 系统变 形后 的钢 吊箱 位 置 即为精定 位 初始 状 态 。在定 位桩 插 打及 围堰挂 桩过 程 中 ， 水 位 、 流速 产生不同的变化 ， 钢 吊箱将偏离原精定位初始状态 ， 计 算重 锚 系统 的受 力 与 变形 变 化 量 ， 此 变 形 变 化 量 与 钢 吊箱 精定 位初 始状 态偏 差值 的矢 量 和 即为 吊箱 定位 精度 。 3 2 2 分析影响定位精度的因素， 进行误差传播计算 钢吊箱在制造 、 浮运定位、 定位桩插打及 2次挂 桩过程中存在以下 因素影响桩位、 承 台位置与 吊箱 下放 ： ( 1 )吊箱尺寸庞大 ， 受焊 接变形 与制造 精度的 影 响 ， 其 桩位 、 上下 导环 中心 位置 存在 一定 偏差 。 ( 2 )吊箱定位时 ， 因水位 、 流速、 流 向等变化影 响 ， 吊箱产生平面位移、 扭转及倾斜而影响桩位及垂 直度 。 ( 3 )吊箱 由定位 系统约束向固定平 台体系转换 时 ， 在水流阻力 、 施工荷载等作用下 ， 沿水 流方 向产 生一 定 量位 移而 影 响桩位 精度 。 分析产生误差的原 因， 控制、 实测、 计算各项影 响因素的误差量 ， 计算各类误差对承 台底面标高处 钻孑 l 桩桩位偏差与承台位置偏差 的影响。对桩位与 承台偏差的影响因素进行有效控制 ， 防止误差积累。 3 2 3 重 锚定 位 系统 重锚定位系统 的作 用是保证钢 吊箱在水 流阻 力 、 风力等外力作用下 ， 平面位移满足轴线偏差小于 5 c m 的精度 要求 。 重 锚定 位 系 统 除 了承 受 水 流 力 、 风 力 外 ， 主 尾 锚 、 边锚 主要 还 应承 受强 大 的预拉 力 ， 预拉 力约 为主 锚 水 流力 的 3 0 4 o 。设 置强 大 预 拉 力 的 目的 ， 主要是为了尽可能消除定位系统 的非 弹性变形 ， 增 强 锚锭抗 走 锚 能力 ， 有效 控 制 围堰 的平 面 位 移 。重 锚定 位 系统 按照 有 效提 供 强 大 的预 拉 力 、 增 加 单 个 锚锭重量与锚 固能力 、 增加锚链长度与重量 、 减小锚 绳长度 、 锚定系统布置尽可能紧凑且锚锭具有一定 上拔 能力 等 原则进 行 布置 与选 配 。 3 2 4 精 确定 位 ( 1 )施加预拉力 ， 钢吊箱初步定位。主尾锚 、 拉 缆和边锚逐级施加预拉力并监控锚绳受力 ， 保证各 锚 绳受 力均 匀 ， 主锚 预 拉力 之和 达到 水流 阻力 的0 3 o 4倍 。钢 吊箱定位初始状态为设计理论中心偏 上游 5 c m， 偏差控制在2 0 c m 以内。 ( 2 )实测水文条件周期变化规律 ， 根据实测数 据分析钢吊箱平面轴线偏差受潮水影响规律。钢吊 箱 平 面位 置 随潮 水 变 化 而发 生 相 应 的变 化 ， 实 测 结 果表 明高潮 位时偏 差 较 大 ， 低 潮位 时偏 差 变 化 小 且 较稳 定 。 ( 3 )分 析不 同潮 位 时的拉 力 、 位 移 变化 ， 选 择 在 低潮 位 时段进 行 钢护 筒 试 插 打 ， 以减 小 钢 吊箱 精 确 定位受潮水影响幅度， 并提高试插 桩的成功率 。通 过试插桩掌握不同潮位 、 不 同流速对钢 吊箱定 位精 度及钢护筒位置、 倾斜度 的影响。选择合理的插桩 顺序 ， 有利于在短时间内快速稳定钢吊箱 ， 逐步提高 后续钢护筒的定位精度 ， 缩短钢护筒插放时间 ， 提高 作业效率。同时配合活动上导环的微调进一步提高 钢 护筒 的插 放精 度 。 随着定位钢护筒插打数量 的增加 ， 钢 吊箱平 台 4 桥梁建设 2 0 0 9年第 2期 的纵向刚度增大， 平面偏差变化幅度显著变小 ， 受潮 水影响幅度也随之变小 ， 钢吊箱定位精度得到提高 。 3 3 超大型钢 吊( 套) 箱下放 、 着床 、 下沉控制技术 控制原理： 围堰支承于 4根钢护筒的升降系统 上 ， 在 重力 大 于浮 力状 态 下 ， 通 过 控 制 提 升 力 、 设 置 钢护筒与围堰问水平导 向及双壁 内等量注水， 有效 抵抗水流力或不平衡土压力 ， 控制 因水流力 、 土压力 变化 引起 的 围堰位 移 与 倾 斜 ， 实 现 围堰 下 放 过 程 主 动可控、 定量可调 ， 位置可控 、 偏差可调 ， 见图 3 5 。 图 3 6号主墩钢 围堰下放 图 4升 降系统 图 5水 平 导 向 装 置 3 3 1 钢吊箱下放控制 钢 吊箱下放在已成桩钢护筒的约束下进行 ， 钢 护筒的平面位置与倾 斜度将直接影 响钢 吊箱顺利 下 放 。 钢 吊箱下放至设计标高二次挂桩时 ， 其平面位 置、 纵横向中心线及扭转偏差应满足承台施工精度 要求 。 钢吊箱若在浮态下下沉 ， 吊箱将产生平面位移 、 扭转及倾斜， 受钢护筒的约束 ， 固定下导环将与钢护 筒产生相互挤压与摩擦而阻碍吊箱 的下沉 ， 因此双 壁钢 吊箱的下放应在可控与可调 的状态下进行 ， 即 钢吊箱在下放过程中， 在水 流、 风力作用下 ， 所受的 水平 力 、 平面 转动 力矩 、 竖直 力矩 及其对 吊箱 位置 的 影响应是可控 的， 受水流力变化的影响， 即使 吊箱产 生一 定量 偏差 也是 可调 的。故钢 吊箱 的下放 应在 重 力 大 于浮力 的状态 下进 行 ， 以确保 其下 放 的可控性 。 利 用 4根 已成 桩钢 护 筒 作 为支 点 ， 设 置 围堰 升 降系统与水平导向装置 ， 结合双壁围堰的 自浮功能， 实现围堰的升降调整 ； 在重力大于浮力状态下， 利用 升降系统既可实现吊箱 由固定状态向浮态的体系转 换 ， 又可均匀 同步下放围堰并辅助双壁内等量注水 ， 保 证 围堰在 可控 的支 承条 件下下 放 。 3 3 2 钢套箱着床、 下沉控制 ( 1 )升降系统受力计算分析 。根据施工期不 同 潮水位及围堰接高后的总重量 ， 计算钢套箱下放升 降系统受力大小及布置， 确定钢套箱首次提升下放 最佳 时 间段 。 ( 2 )着床前控制下放受力计算。按照重力大于 浮力的原则， 计入潮差影响， 升降系统单个 吊放点荷 载不超过 2 5 0 0 k n， 总承载 8 o 0 o 1 0 0 0 0 k n， 计算 围堰 分级 下放 注水 量 。 ( 3 )着床后钢套箱抵抗不平衡力矩计算。围堰 下沉 过程 中 ， 承受 因上 、 下游河 床 高差产 生 的不平衡 土压力及水流冲击力 ， 其受力按不平衡力矩 由升降 系统 、 上下 导环承受 2 种 工况进行受 力分 析 。确定 围 堰安全下沉至设计标高时， 上、 下游河床允许高差值。 ( 4 )钢套箱 各 阶段下 沉系数计 算。围堰着床 后 ， 壁仓分级注水 ， 围堰在升降系统控制下分级缓慢 下沉。为使升降系统受力均衡 ， 壁仓内外水头差应 随入土深度作相应调整。根据地质资料 ， 经计算围 堰 最大 下沉 深度 约 6 m。 ( 5 )升降系统及水平导向装置。升降系统由护 筒顶挂桩装置、 上下分配梁 、 千斤顶和精轧螺纹钢筋 组 成 。选择 6 根 垂 直度 较 好 的 已成桩 钢 护 筒 ， 作 为 围堰下沉的定位及导向桩 ， 分别在导 向桩的围堰 内 支架处设双层可调导向架 ， 组成水平导向装置。 ( 6 )围堰可调机理 ： 利用升降系统提升辅 以壁 仓 内注水使 围堰高程可调 ； 利用水平导 向装置和升 降系统抵抗不平衡水平力 、 不平衡力矩， 使围堰水平 位 置偏 差可 控 。 围堰下 沉 过 程 中 ， 在 4个 对称 吊放 点和水平导 向装置作用下使围堰对称均匀下沉 ， 做 ( 下转 第 8页) 8 桥梁建设 2 0 0 9 年第 2期 标高， 以顶标高测量最后一节钻杆余长， 累加已测量 过 的各 节钻杆 长 度和钻 具 、 钻头 长度得 总长 ， 减 钻杆 余长， 求得终孔标高。 ( 3 )拆除钻杆钻头后 ， 用校正过 的钢丝测绳复 测 孔底 标高 ， 监 理 见证 复 核 后 方 能 移走 钻 机 。钻 具 的测深数据作为终孔时沉渣厚度计算基准 。清孔后 钢丝绳 测深 与钻 具测 深之 差 即沉 渣厚 度 。 ( 4 )超声 波检测 成孑 l 的孔 径 、 孔 斜 ， 出具 临 时检 测合格证明， 成孔结束。 7 号墩钻孔桩开 l j jp , 序及钻孑 l 周期见表 3 。 5 结 语 南京大 胜关 长 江 大 桥 主桥 7号 墩 钢 吊箱 于 2 0 0 6 年 1 o月 1 1日实 现精 确定 位 ， 于 2 0 0 6年 1 0月 3 1日开钻 ， 至 2 0 0 7年 4月 2 1日钻孔桩施工结束 ， 历 时 1 7 3 d 。通 过科 学 的组织 和合 理 的安 排 在 1 个 枯水 期 内顺利 完成 全墩 桩基施 工 。所采 取 的工艺措 施对类似大型深水桩基施工具有很好的借鉴价值 。 ( 上接 第 4页) 到 高程 、 转角 双控 。根 据 围堰下沉 的不 同情 况 ， 吊放 点可 4点同步或单个 点分别控 制， 做到偏差 、 高程 可 调 。 ( 7 )下沉控制 。实测河床高程及水位变化， 根 据 围堰下沉系数及受力计算 ， 进行河床调整 ， 尽可能 调平降低河床高差。