苏通长江公路大桥北索塔墩平台施工技术.doc

苏通长江公路大桥北索塔墩钻孔平台施工技术苏通长江大桥项目部 肖文福 张鸿 左明昌 高纪兵 何官健 摘 要：在深水、大流速的北索塔墩区直接利用钻孔桩结构钢护筒搭设世界最大群桩基础桩基施工平台的原因、适用条件，及其设计与施工方法、质量控制和实施效果。关键词：钢护筒 搭设 钻孔平台 设计 施工方法 质量控制1、工程概况苏（州）南（通）大桥是交通部规划的黑龙江嘉荫至福建南平国家重点干线公路跨越长江的重要通道，也是江苏省公路主要骨架的重要组成部分。桥区江面宽约6.0km，跨江大桥全长8206m。主桥为100m100m300m1088m300m100m100m共2088m的七跨一联双塔双索面钢箱梁斜拉桥，主跨1088m，为世界拟建的同类型桥梁第一。其北索塔墩位于长江深泓区，距南北两岸约3.0km，水深约35.0m，流速2.53.5m/s，且为半日潮河段，最大潮差约4.5m。北索塔墩基础采用高桩承台结构，承台为哑铃型，平面尺寸为113.7548.1m，桩基由131根直径2.82.5m长117.6m变截面钻孔灌注桩基础组成。2、钻孔桩设计要求及试桩平台搭设的难题2.1、设计要求2.1.1.钢护筒1）.钢护筒受力结构段，采用Q345C25mm钢板卷制，直径为3850mm，长度为58.645m；上接施工用护筒，采用Q23525mm钢板卷制，长10.555m。护筒全长69.2m，重量约120.53吨。受力护筒不宜在现场焊接且水上接长不超过一次。护筒沉放倾斜度不大于1/200，中心偏差不大于50mm。2.1.2. 桩基桩顶中心偏差不得大于50mm，桩身的倾斜度偏差不得大于1/200。承台底面处的桩群垂心偏差不得大于50mm。桩的钢筋笼与工具笼总长131.0m，重约75t，其接长次数不应超过3次。2.1.3.成桩时间从钻头出护筒到浇注混凝土入护筒的时间不宜超过72小时。2.2.试桩平台搭设遇到的难题2.2.1.试桩平台荷载和型式为检验大直径超长钻孔灌注桩的施工工艺和桩基承载能力，在塔墩下游300m设计了2根直径2.82.5m长125.0m的工程试桩。其施工平台按常规采用钢管桩平台。平台设计，按承载1台KP-3500型钻机荷载120t，面荷载1.0t/m2，10t船舶系缆力。水流条件为流速2.5m/s、水深35.0m。采用12根140012mm钢管桩支承。为承受水流力和系缆力，平台上下游设置为斜桩，如图1。图1 试桩平台结构图2.2.2.试桩平台施工过程中出现的问题试桩平台7月份迎着洪水施工，沉桩中出现以下问题：1）流速大，使用长江上最大的航工桩7号沉桩，桩船仍走锚，钢管桩不能精确定位。 2）桩大幅晃动，虽采取稳桩措施，勉强完成三排共9根并平联完成，但大潮使框架整体晃动、破坏平联，单桩在35米深水中摇曳折断7根，致试桩平台无法搭设。3、北索塔墩桩基施工平台的创新 3.1.常规钢管桩搭设施工平台的不可行性试桩平台搭设论证了钢管桩搭设施工平台存在以下问题：1）北索塔墩区水深、流急、流态紊乱，打桩船定位困难，沉桩精度和船舶作业安全难以保证。2）直径1.40m的钢管桩，刚度较小、施沉后自由悬臂近40.0m，在水中其所承受的水流力与流速的平方成正比，水流作用下变形较大，平面偏位难以满足要求，且会产生严重的发散性振动，桩间难以可靠联成整体。3）设置的钢管桩较多，且与护筒之间的净距仅1.0m。若钢管桩不能精确沉设而偏位或倾斜，将侵占护筒位置，致护筒无法定位或发生变形，使钻孔桩无法正常施工。4）护筒入土深度超过钢管桩，在护筒下沉中6400KN的激振力将引起其周围砂性土体液化，会临时性严重削弱临近钢管桩的承载力。3.2.直接利用钻孔桩结构钢护筒搭设施工平台的构想根据试桩和施工环境特别是水文、地质情况的深入调查研究，对设计文件进一步理解，鉴于本工程的钢护筒是按参与永久结构受力设计的，直径达2850mm、壁厚达25mm，且底口标高在53.0m62.2m、入土深度都在20m以上，具有足够的强度、刚度、竖向和水平向的承载力。在征询有关方面的意见后，对钻孔平台进行了优化：1）取消承台区的直径1.40m的钢管桩，设法满足钢护筒沉设的设计标准，直接利用钢护筒搭设平台承受施工荷载。2）利用250020mm的大直径钢管桩在承台上游侧搭设起始平台，以增大单桩稳定性和辅助平台钢度，提高钢护筒定位下沉的精度。3）用起重船和定位船沉设起始平台钢管桩，形成满足自身稳定和钢护筒施沉要求的起始平台。4）在起始平台上，精确安装特制的大刚度悬臂式钢护筒导向架，以起重船供护筒入导向架定位，振动锤激振下沉至设计标高，并跟进平联成整体。续以已沉设的钢护筒固定导向架，逐渐推进形成钻孔平台。5）调整平台搭设时间在10月份进行，搭设前先进行河床预防护，以防止钢管桩、钢护筒沉设造成水流流态改变、河床剧烈冲刷、钢管桩与钢护筒的入土深度减少而引致承载力降低。同时，也避开了洪水季节的最不利水文因素，防止单桩沉放和平台形成过程中的不稳定现象。3.3.钻孔桩施工设施配置的优化施工平台结构的优化、承载力的提高，使钻孔桩施工设施配置也得到了优化。1）在平台上、下游各安装一台1400tm 的桅杆吊，平台上安装2台净吊高40m、起重力80t门吊，使钻孔桩施工的起重设备完全覆盖、自由作业，形成类似陆地作业的条件，提高作业安全性和施工质量。2）充分利用钻孔平台的有效面积。利用钢护筒作储浆池，将钻孔泥浆设备安装在平台上，以克服风浪对泥浆船的影响，提高作业效率。4、平台设计4.1、设计条件4.1.1.地质条件土层代号岩土名称状态土层底标高（m）极限侧摩阻力（Kpa）桩端承载力（Kpa）河床面标高-28.00/Q4粉砂中密-34.74351500Q4粉细砂中密-40.4401800Q4粉砂中密-50.09402300Q4细砂密实-58.09453000Q3粉砂密实-60.985052004.1.2.水文条件设计高潮位：+4.30m 设计低潮位：-1.45m设计水流流速：2.21m/s 校核水流流速：2.75m/s设计河床面高程：-28.00m 设计风速：35.5m/s（30年一遇）设计波高：2.0m（300年一遇） 设计波长：60m（30年一遇）4.1.3.施工条件钢护筒、钢管桩顶标高：+7.00m下沉设备：2台APE400型液压振动锤并联， 设计激振力6400KN 沉桩导向架：自重600KN，护筒进入龙口后中心最大悬臂32.0m，护筒最大允许倾斜度1/200，激振力作用下钢护筒支承向滚动摩擦系数0.15平台起重设备：上、下游各一台起重力矩为1400KNm桅杆吊。2台龙门吊，其参数为：自重210t、轨距22.8m、腿距18.0m、轮距0.8m、轮数45、轮压（吊重80t时）250KN（包括冲击荷载）钻机荷载：8台直径3.0m钻机同时作业，隔孔布置，单台重1250KN，冲击系数1.3平台船舶荷载系缆力：300KN平台均载：15KN/m24.2、平台结构布置平台分为起始平台、护筒区平台和下游平台等三个区域（见图2）。图2 平台结构图起始平台和下游平台均采用直径250020mmA3钢管桩、长55.00m。下层平联设在+2.00处，选用100014mmA3钢管连接。上层平联选用2HN800300型钢，焊接在与钢管桩连接的牛腿上。护筒区平台支承为285025Q345C的钢护筒。下层平联设在+2.00m处，选用100010mmA3钢管连接。上层平联选用2HH588300型钢，焊接在与钢管桩或护筒连接的牛腿上，与护筒顶标高+7.00m齐平。支承龙门吊外侧支腿，选用140016mmA3钢管桩，下层平联设在+2.00m处，选用6008mmA3钢管与护筒和其它钢管相连接。顶层平联与护筒相连，选用2HN588300型钢，焊接在与护筒或钢管桩相连接的牛腿上。钢管桩间的连接仍采用60008mmA3的钢管。4.3、平台受力工况和结构计算平台设计共考虑5种受力工况：单桩稳定，见表1；始沉护筒时起始平台整体稳定性，见表2；平台使用期起始平台的整体稳定性（桅杆吊荷载），见表3；下游平台渡洪期整体稳定性，见表4；桩基施工期间平台的整体稳定性，见表5。单桩应力应变化算成果 表1编号桩规格应力（Mpa）应变（cm）1254020109.020.3228502587.815起始平台应力计算结果 表2计算项目结构物件桩上层平联下层平联最大综合应力（Mpa）141.61最大弯应力（Mpa）32.3150.5最大轴应力（Mpa）6.33.20.78平台平面最大移位：4.19cm 使用期起始平台整体稳定性计算结果表 表3计算项目结构物件桩上层平联下层平联斜撑最大轴应力（Mpa）5.9（轴力902.5KV）2.07.682.1最小轴应力（Mpa）-31.7（轴力5878.0KV）-11.2-16.91Z轴弯应力（Mpa）97.811.06.00.2Y轴弯应力（Mpa）9.684.689.724.9最大剪力（Mpa）对应弯距（KN.m）1593.1182.177.911232.9945.351.4位移（cm）12.7 下游平台渡洪期整体稳定性 表4计算项目结构物件桩上层平联下层平联斜撑最大轴应力（Mpa）6.9（轴力：1100KN）3.33.7-80.0最小轴应力（Mpa）-34.6（轴力：5484.2KN）-10.1-17.41Z轴弯应力（Mpa）95.36.03.10.05Y轴弯应力（Mpa）8.5117.988.624.9最大剪刀（KN）1509.9179.88.0对应弯距（KN.M）11718.6934.046.4位移（CM）11.8平台使用期整体稳定性计算表5部位结构线型最大综合应力（Mpa）最大弯应力（Mpa）最大轴应力（Mpa）位移（cm）起始平台钢管桩254020/37.2221.034.10护筒区钢护筒285025/35.8716.10护筒区钢管桩140016/32.3520.80平台区上层平联2HN800300135.74/5.90护筒区上层平联2HH58830097.11/22.14平台区下层平联120010/8.659.31护筒区下层平联6008/14.7042.42从上述结构计算结果可知，钢护筒、钢管桩自身强度及平台整体强度均满足平台使用要求。5、平台施工5.1、钢护筒施沉工艺流程如图3。图3 护筒施沉工艺流程5.2、悬臂式导向架的设计5.2.1.导向架设计、调节及安装要求1）满足在水深35m、流速不大于1.5m/s,7级风力作用下施沉钢护筒，其高度不小于8.0m，且有足够的强度和刚度。2）应满足护筒在导向架内入水着床时，平面位置50mm、倾斜度1/200的标准。 3）导向架加工及安装精度须满足平面位置50mm、倾斜度1/500的标准。4）导向架上龙口打开后能让振动锤顺利通过，下龙口须低于护筒设计顶标高，在满足操作的情况下尽可能降低，以降低导向架的顶标高，并有足够的导向高度。5.2.2、导向架设计悬臂式导向架选用钢桁架结构，长度16.125m、宽6.0m。在其前端设置两层层距10.0m的上、下层导向装置。导向装置内设置可供钢护筒定位、施沉过程中纠偏和锁定装置，如图4。 图4 导向架结构图导向架总重约65吨，采用300t起重船吊装移位，并锚固在起始平台或已沉设钢护筒顶口上定位。5.3、振动锤的选择按激振力P土的动摩阻力R减去护筒和振动锤自重G选择，即PR-G = KiLiUiGLi：护筒在不同土层中的入土深度 U： 护筒周边长度 Ki：土层液化系数 i：不同土层的单位摩阻力 G： 护筒和振动锤自重 经查相关资料计算得护筒振动下沉到允许最大底标高-62.2m时：R-G6326KN选用两台美国生产的APE400型液压振动锤(技术参数见表6)并联使用，其激振力为6400 KN ,满足施工要求。APE400型液压振动锤的。表6基本参数振动锤外形尺寸（mm）动力柜外形尺寸（mm）重量（kg）长宽高长宽高振动锤动力柜液压头3607660251547242083244016363110001700机械性能偏心力矩最大激振力最大上拔力系统振幅功率150kg.m3203kN16363N2.1mm990HP/2100RPM5.4、钢护筒沉设钢护筒沉设位采用全站仪定位。同时，用架设在起始平台和主2墩上的两台经纬仪校核。第一排钢护筒下沉：起始平台梁系形成后，在钢管桩上焊接牛腿并找平，然后吊装前、后锚固梁，并固结在牛腿上；吊装悬臂式导向架，进行初步定位及精确定位，将悬臂式导向架固结在锚固梁上。 1）起重船将第一节58.645m长的钢护筒吊入定位导向架的导向装置内，锁定上下龙口。2）利用液压调节装置，调整钢护筒的平面位置及垂直度，使平面位置偏差30mm，倾斜度2/1000。起重船落钩，钢护筒沿导向架下落至河底并入土，起重船脱钩。3）起重船吊安振动锤至钢护筒顶口，并再次校正钢护筒及振动锤的位置。4）启动振动锤，振护筒下沉。同时，起重船移至另一位置沉设护筒。5）当振动锤至上导向装置1.0m时停振，移走上层导向龙口，使振动锤能继续振动下沉护筒，至下层导向龙口顶面约1.5m处，停振。此时，钢护筒入土深度20m以上，满足钢护筒自身稳定。将振动锤吊开，用起重船吊装对接第二节护筒。6）护筒对接完成且上层导向精确就位后，按照第5）程序，将护筒沉设至设计标高。检验护筒平面偏位50mm，倾斜度1/200。7）吊走振动锤，拆除导向架与锚固梁间的连接，将导向架移至另一护筒位定位，并重复以上工序。8）护筒沉设到位后，及时与起始平台及相邻钢护筒连接。9）每排护筒沉设完成后，前移进行下一排护筒沉放，并利用平台两侧安装平联的60吨浮吊上的导向架施沉钢管桩，并与护筒及已沉的钢管桩连接。 5.5、钢护筒间的连接钢护筒之间（龙门吊轨道梁底部承重梁用钢箱梁）在+2.0和+7.0m处设置两层水平联系，单根护筒沉放结束后，立即按设计要求连接平台底下沉平联，将其与已沉护筒（起始平台）连成整体，防止单根护筒在潮流作用发生偏位。为保证连接质量，连接钢管一端割成相贯线，另一端用已割成相贯线的half接头先套在平联管上与护筒或钢管桩连接。6、实施效果1）质量水平。通过施工平台结构、专用设备和施工工艺的创新，精细的技术及质量控制措施，在临长江口的开敞、感潮河段深泓区，针对中外桩基工程罕见的工况，采用起始平台“造陆”、悬臂式导向架直接施沉长近70m的钢护筒，实施精度达到了：平面偏位均50mmm内，倾斜度1/4801/1200，普通达到1/800左右，远优于1/100国家规范和1/200设计标准。创出了国内特大型桥梁桩基施工前所未有的质量。2）效率水平。从2003年10月10日搭设起