深水基础的施工技术

几种桥梁大型深水基础 殷何珣王嘉琪李铭李兆维孙博张晓光滕德虹曾翊轩汲中纲 6 1钢板桩围堰 第6章深水基础的施工技术 6 2锁口钢管桩围堰 6 3钢围堰的施工技术 6 4水上固定 浮动升降平台 6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 6 6扬中夹江二桥有底吊箱施工技术 水中基础的施工手段 栈桥与施工平台水中浮动工作平台板桩围堰 木板桩 钢板桩 钢管桩围堰钢围堰 单壁与双壁钢围堰钢吊箱 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 6 1钢板桩围堰 钢板桩锁口形状 钢板桩是碾压成型的断面形式多种多样 我国常用的是德国拉森 Larssen 式槽型钢板桩 钢板桩的成品长度有几种规格 可查阅施工规范或手册 最大为20m还可根据需要接长 阴阳锁口环形锁口套形锁口 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 围囹 以钢或钢木构成的框架 作为钢板桩的定位和支撑 双层钢板桩围堰 钢管式的钢板桩围堰 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 钢板桩由插入土中的部份桩体支承开挖后侧面土及其它各种荷载的作用 通常在桩顶设置锚固或在围堰内设置多层支撑构架以确保安全 钢板桩截面选用主要考虑其支护深度 土质及周围水的情况 钢板桩围堰要确保支护稳定并满足自身材料强度 刚度要求 设计一般从以下几个方面加以考虑 1 简化作用在钢板桩上的各种力 土压力 水压力等 2 计算稳定所要求的钢板桩入土深度 3 考虑到众多影响因素的不确定性 采用可靠的安全系数 4 采用水平平衡条件计算锚固或支承受力 5 按结构理论计算在土压力 水压力等作用下的桩体弯矩 剪力分布并验算钢板桩和支撑构件的强度 刚度 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 a变形b土压力c理想土压力分布d简化土压力分布 嵌固支承模式的简化 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 a变形b理想土压力分布 自由支承模式假定 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 悬臂式板桩计算简图 几种常用算法简介 1悬臂式板桩 注 H为板桩悬臂高度 Ea为主动土压力 Ep为被动土压力 稳定条件 1 计算入土深度 先假定由被动土压力def对e取矩大于由acd对e取矩的2倍 即安全系数大于2 试算得出计算入土深度t1 2 实际入土深度为1 15 t1 钢板桩强度和刚度条件 由被动土压力gdh等于主动土压力acd试算得出土中剪力为零的点 计算最大弯矩为acd和dgh绕g点力矩之差 根据最大弯矩值选取钢板桩截面和型号 满足容许应力和变形要求 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 单锚浅埋板桩计算简图 2单锚 支承 式钢板桩 a土压力分布b叠加土压力c弯矩d变形 2 1浅埋 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 主动土压力 稳定条件 即计算插入深度由计算 即 强度条件 先求A点反力Ra Ea Ep画出受力图并求出剪力为零的点 该点处求出最大弯矩Mmax 据此选用钢板桩截面和型号 因为EaEp是t的函数t要试算得出最合适的结果 考虑安全被动土压力 BCD 一般只取其一半即安全系数取2 被动土压力 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 等值梁法计算单锚板桩简图 2 2深埋板桩计算 a 等值梁法 b 土压力分布 c 变矩 d 等值梁 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 稳定条件 入土深度 计算作用于板桩上的土压力并绘出分布图考虑到板桩与土的摩擦作用将被动土压力分别乘以修正系数 为安全 主动土压力不折减 t0以下的土压力可不给出 计算土压力为零的点距挖土面的距离这时 钢板桩的被动土压力修正系数 即 式中 为挖土面处桩后主动土压力强度值 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 计算等值梁的最大弯矩Mmax和各支点支反力 Ra po x由po和桩前被动土压力对桩底力矩相等求知即 强度验算 计算等值梁的最大弯矩和各支点支反力 确定钢板桩截面和支撑构件尺寸 计算最小入土深度 实际埋深考虑安全取 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 多层支撑板桩计算简图 3多锚 支撑 式钢板桩的验算 3 1稳定条件即入土深度的计算 1 盾恩近似法 式中 kp ka H L5为已知可得入土深度 深水基础的施工技术6 1钢板桩围堰 2 等值梁法 a 土压力分布 b 等值梁等值梁法计算多层支撑板桩简图 深水基础的施工技术6 2锁口钢管桩围堰 6 2锁口钢管桩围堰 一 设计原则 因锁口钢管桩围堰是以带锁口的钢管桩代替钢板桩 通过导向框下沉到位 并可视作是将双壁钢围堰化整为零 由各根管桩来穿过沉船片石等地下障碍物 所以 这种由钢管桩相互间通过锁口相连构成的基础施工防水围堰的特点是 钢管桩截面模量大 具有很强的抗弯能力 可大大简化围堰的内支撑体系 方便施工 同时 钢管桩的刚度和稳定性好 可采用强制下沉方式 因此它更适用于有地下障碍物的地方使用 也就是说 锁口钢管桩围堰综合了钢板桩围堰和双壁钢围堰的结构受力特点 因而 对锁口钢管桩围堰而言 其设计有如下特点 深水基础的施工技术6 2锁口钢管桩围堰 在对围堰结构整体稳定性 钢管桩的抗弯能力 封底混凝土强度和内支撑强度进行验算的同时 还要重点验算钢管桩的整体和局部稳定性 另外 在钢管桩的设计中 除了考虑通常对外力产生的应力外 锁口间因管桩下沉时相互挤带而产生的施工附加力 也应在计算中予以考虑 当然 钢管桩围堰在提供较大抗弯刚度的同时 也不可避免地加大了钢料的一次性投入 因此 考虑到围堰的经济性 在设计时应尽量利用围堰内的被动土压力 一般应按浅埋桩围堰设计 深水基础的施工技术6 2锁口钢管桩围堰 因钢管桩刚度大 埋深浅 桩侧土压力的分布可不考虑管桩弹性变形的影响 可近似按刚性基础计算 由此确定钢管桩的最佳入土深度 围堰及支撑体系在流水压力 风压力 波浪力以及其他原因产生的不均匀土压力等外力的作用下整体稳定性和围堰内土体的稳定性就更应值得设计中考虑 最后 锁口钢管桩围堰的设计中所需要确定的钢管桩入土深度 还取决于封底混凝土的厚度 封底混凝土厚度大则围堰内除土面低 围堰外土压荷载大 管桩入土深度就要相应加大 故应适当提高封底混凝土的标号 而减小封底厚度 而封底混凝土的厚度应根据静水压力及封底混凝土的支撑边界条件计算确定 深水基础的施工技术6 2锁口钢管桩围堰 锁口钢管桩围堰的受力与围堰内抽水 除土及封底的施工作业顺序有关 按以下几种不利的工况分别进行验算 1 不排水开挖至封底混凝土底面标高 2 封底混凝土施工刚完成 3 封底混凝土达到设计强度后围堰内抽水完毕 4 承台混凝土灌注完成 二 设计验算 深水基础的施工技术6 2锁口钢管桩围堰 当然 以上几种工况验算时 均应分别与风力 波浪力 流水压力等临时荷载进行叠加 同时验算内支撑的强度及稳定性 至于钢管桩因锁口作用而产生的施工附加力 则参照有关资料 仅在取用容许应力时作以折减 另外 锁口钢管桩围堰中锁口的设计也很重要 因锁口既要满足围堰整体性的要求 又要能方便止水 一般要求加工精度高 安装难度大 稍有偏差则影响施工进度 深水基础的施工技术6 2锁口钢管桩围堰 宁波桥22号主塔墩锁口钢管桩围堰施工中的主要做法如下 三 施工方法 1 锁口钢管桩的插打及围堰合拢 所用沉桩方法两种 振动打桩机振沉和滑车组加分配梁对称下压 原采用待围堰底节管桩全部用振动打桩机插完后 先静压使钢管桩顶比施工平台高出0 8 1 2m 高低相互错开 以便接长顶节施焊 然后再依次插打顶节钢管桩至设计标高 后因现场起吊设备调整 采取钢管桩接长至19m 一次插入至稳定深度 然后逐根打至设计标高 管桩下沉前在管桩锁口内涂上黄油 用160t的振动打桩机插打 沉桩过程中伴以高压射水 钢管桩的下沉导向是利用已有钻机平台 沿围堰轮廓线拆除部分平台杆件 并加拼局部构件形成导向框 深水基础的施工技术6 2锁口钢管桩围堰 为了控制锁口缝隙 在导向框上分别标出每根桩锁口的中心位置 管桩插打的工序是 插打从围堰上游中部开始 顺次逐根向两侧插至角桩 再逐次从上游向下游插 最后在下游中部合拢 整个钢管桩围堰合拢并插打到位后 将导向平台拆除 在管桩上焊牛腿 拼装围堰内支撑 完成了从单桩受力到形成整体围堰的内支撑体系的转换 2 钢管桩内除土和围堰内除土 主要除土工具是吸泥机 抓泥斗和高压射水设施等 对于沉船部分的管桩采取了冲击和吸泥交替的方法进行 围堰内除土 是采用边吸泥边补水的方法 深水基础的施工技术6 2锁口钢管桩围堰 3 锁口钢管桩围堰的排水与止水 锁口钢管桩的止水是此种围堰成功的关键 钢板桩的止水主要是依靠精密加工的锁口来实现的 宁波桥22号墩锁口钢管桩围堰因简化了止水功能 其止水堵漏是在施工中加以控制 该锁口是利用P38钢轨作阳扣 型钢加钢板焊接或阴扣 形成锁口连接 其止水堵漏措施则是在逐步摸索中完成的 具体分为四个阶段 第一阶段采用的方法是在管桩锁口滑道内加设填料或压浆 由于该地区潮位不断变化 围堰内水位忽高忽底 这样填料大部分被冲走 其效果不好而放弃 第二阶段是在围堰外插止水钢板 方法是将止水钢板垂直密贴在管桩外边缘 并用钢筋与管桩固定 然后在止水钢板与管桩间填以红土 此法效果不太理想 第三阶段为在锁口中填棉纱或棉絮加红土填缝堵漏 此时还有部分漏水 第四阶段对漏水处采用围堰外堆煤渣 同时在锁口内镶止水木条堵漏 这种措施止水效果好 至此 围堰止水完成 排水后就可进行承台施工 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 6 3钢围堰的施工技术 1 单向流速的锚碇系统布置 长江黄石长江公路大桥 桥址建于弯曲河道 流向与桥轴线成81 的夹角 5号主墩上游因有沉船 采用了短锚缆 4号主墩采用了长锚缆 主墩中距245m 航道较窄 通航船舶多 不同水位时期 流向的折角多变 最大流速2 0 2 5ms 为此加大了锚的重量 45t个 和数量 施工期虽然发生了多起船舶撞击导向船的事故 但锚碇系统均未失控 因此 在特殊地理位置 主墩所处航道较窄的情况下 提高锚锭系统的安全系数是必要的 一 钢围堰锚碇系统的布置 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 黄石大桥4 5号墩锚碇系统布置图 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 武汉军山长江公路大桥 该桥址位于武汉长江大桥上游50余km 该河段河道顺直 主墩中距460m 航道较宽 钢围堰下沉处覆盖层较薄 3 4m 基岩表面平整 岩面高差20 30cm 预计下沉着床时间短 故锚碇系统的布设极其简化 利用打桩船作定位船 有效地利用其上的铰车和锚缆设施 导向船利用一艘船型较大的起重船在主航道一侧导向 用钢丝缆将钢围堰绕系在起重船的系桩上 岸侧设有三条岸缆 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 武汉军山长江大桥B标主墩锚碇系统布置图 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 2 双向流速的锚缆系统布置 浙江温州大桥 该桥址河段受不规则的半日潮影响 最大潮差8 00m 涨 落潮的流速最大值2 0ms 流向也往复变化 必须设双向定位船 根据承台设计的几何形状 钢围堰按削角长方形 55 5m 29 0m 20 5m 削角7 2m 7 2m 制作 如果在钢围堰两侧设导向船组 其船长应在70m以上 按此船长 其船宽均大于15m 则导向船组的外侧宽度将达60m 不仅增大了主锚缆阻力 更主要的是影响了施工期航道的畅通 为此取消了导向船组 将锚缆直接锚系在钢围堰上 为了适应钢围堰下沉调缆的需要 在钢围堰上设置了多层锚缆平台 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 浙江温州大桥主墩施工锚碇系统布置图 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 二 钢围堰的制作及首节的组拼 一般情况下 钢围堰都是圆形 但也有作成多边形或削角矩形 为便于施工 钢围堰制作时在平面上分块和高度上分节 分块时力求等分和对称 分节高度则以制作 接高的起重能力而定 在条件允许时 节段越少越好 可以减少起吊次数和水平焊缝的现场焊接量 分块是钢围堰制作的第一道工序 也是施工质量的首道关口 为使块体几何尺寸准确和具有互换性 应在特制的胎架上进行组装 为保证焊缝质量和水密性 力求平焊 尽量减少仰焊和立焊 制作时应选择具有块体翻转技术措施和起重能力的专业厂家加工 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 块体运输一般都用船运 因其体积大 陆运有诸多不便 运输堆放时 要存放均匀 绑扎牢固 确保运输过程的安全 首节钢围堰的组拼是施工中的重要环节 它对施工进度和施工投入有举足轻重的作用 组拼方法与施工单位的设备 水上起重能力和习惯作法有关 常用的组拼方法有 1 在墩位附近岸侧设浮式拼装平台拼装成节 起重船整节起吊就位 2 在两导向船间设浮式平台 用导向船上的起重设备起吊块体拼装成节 在导向船上设吊架吊起 退出浮式平台下放就位 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 3 在两导向船间架设临时拼装平台 用导向船上的起重设备起吊块体拼装成节 在导向船上设吊架吊起 拆除临时拼装平台 下放就位 4 在墩附近岸侧修建简易滑道 在滑道上拼装成节后下滑入水 拖运至导向船组就位 实践证明 以上四种方法都是可行的 方法 1 3 4 已在黄石长江大桥 武汉军山长江大桥 浙江温州瓯江大桥都成功应用 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 三 钢围堰的接高 着床与下沉 钢围堰首节就位后 就以自身的浮力形成接高平台 接高的方法有 1 利用起重船将成节钢围堰吊入接高 2 以首节为拼装平台 利用导向船上的起重设备将分块吊入组拼接高 3 以首节为拼装平台 现场拼焊成节接高 三种方法中 方法 1 是先进的施工工艺 接高时节间仅一条水平焊缝 节段工期短 焊接质量有保证 惟一的缺点就是需要大型水上起重船 方法 2 是国内桥梁主墩钢围堰施工的常用工艺 它可以充分利用导向船上的桅杆吊 起重机吊拼块体 具有较合理的综合效益 方法 3 是过时的施工工艺 施工质量与施工进度都不能与现代化建设形势相适应 惟一可取之处 就是设备简单 施工投入少 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 节段接高过程中要对钢围堰夹壁内灌水加重 调整节段水平焊缝距操作平台的高度在1 5m左右 以便施焊人员操作 还要根据水流与接高情况 及时安设下兜缆 控制钢围堰的垂直度 钢围堰接高至刃脚临近河床表层1 5 2 0m时 要勤观测表层土的冲刷情况 掌握冲刷面的变化及高差 重点是钢围堰四周刃脚着床范围的高差 将钢围堰的中心坐标控制在施工规范允许的误差以内 即可迅速着床 钢围堰的着床与下沉是极其重要的施工环节 必须在施工组织设计中对不同地质条件进行稳定与下沉系数的验算 并据以采取相应的预挖措施 以免贻误工期 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 当钢围堰着床于砂 土层时 应根据要求的下沉深度计算下沉系数 首先对钢围堰夹壁内采用加水 加砂等低成本及加入与排出简易的材料的助沉措施验算其下沉系数 如不能满足要求 可换放砼块或浇注砼 浇注标高以不高于钢围堰切割线为原则 再不能满足要求时 则需采取外部助沉措施 外部助沉措施有 当采用简易的助沉措施计算的下沉系数与规范要求相差不大时 可以采取射水助沉或钢围堰上部堆放型钢 钢锭之类 当下沉系数的计算相差甚大时 可以考虑空气幕或泥浆套助沉 空气幕助沉的气龛制作困难 每次加气的连续时间不能超过5min 且气量耗用大 水中助沉应用甚少 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 泥浆套可分为膨润土泥浆套与水下不离析泥浆套两种 膨润土泥浆套在陆上应用较好 在水下易于稀释 降低了润滑作用 效果较差 水下不离析泥浆套 具有良好的润滑性 护岸性 稳定性和触变性 在水中不离析分散 不因与水接触而过份恶化其性能 且易于用泥浆泵压注 在黄石长江公路大桥2号 3号 4号主墩钢围堰下沉时 砂层厚度17 25m 在不计下沉正面阻力的条件下 下沉系数仅0 7左右 采用水下不离析泥浆套后 下沉顺利达到设计标高 取得了很好的经济效益 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 当钢围堰着床范围的覆盖层较薄 其下的岩面高差在0 5m以内 着床时其覆盖层可能被冲光 也可能残留无几 着床时钢围堰的垂直度能保持在施工规范允许范围 着床后稍作处理即可达到下沉的设计要求 及时采取抛石或石笼围护 保证基脚稳定 即可进行封底工序 武汉军山长江公路大桥6号主墩钢围堰施工就是这一情况的实例 当钢围堰着床范围的覆盖层较薄 预计着床时已被冲光 且岩面高差甚大 就必须采取可靠的技术措施确保着床的准确性和稳定性 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 四 钢围堰的水下混凝土封底 钢围堰的水下混凝土封底 其作用是预防钻孔过程中上重下轻影响稳定 并为承台的施工创造条件 钢围堰水下混凝土封底 施工条件差 作业面小 施工干扰大 通航船舶多 工程数量大 一般封底厚度4 6m 混凝土体积3000 4000m3 最多达5000余m3 施工技术难度大 大面积 多导管作业 持续工作时间30小时以上 最长达70小时 混凝土配合比应具有超缓凝 低坍落度损失等特点 其技术操作超出了一般水下混凝土施工的范畴 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 1 钢围堰封底前的准备工作 清基挡流 钢围堰终沉后应随即进行内部残存物 浮泥的清理 堵塞刃脚与岩面的缝隙 使水下混凝土处于无夹层的静水状态下凝固 常用的方法是潜水人员水下清除残存物 利用泥浆泵吸出浮泥 用袋装混凝土或水下不离析混凝土塞缝 沉放钻孔桩的钢护筒 封底前沉放钢护筒有两种情况 其一是覆盖为砂土 粘土或砂质粘土等 必须埋设护筒 护筒底标高以接触床面即可 因为钢围堰终沉在持力上层中 其上有封底混凝土覆盖 孔口坍塌的可能性极小 其顶标高则应高于钻孔期江水2m以上 为保证护筒安设的准确性 宜采取定位架整体安放 其二是钻孔在岩层中进行 若设护筒 其底标高接触床面 顶标高比封底混凝土表面高出50cm 若不设护筒 开钻从封底混凝土表面开始 封底混凝土一般为20MPa 低于岩石的强度 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 2 水下混凝土封底的施工要点 用低坍落度损失超缓凝的混凝土 减少导管堵塞 保持封底全过程中的混凝土流动度 具体来说 要求拌合物应有良好的和易性 在运输和灌注过程中无显著离析 泌水 灌注时保持有足够的流动性 其坍落度宜为18 20cm 而首批混凝土的初凝时间不得早于灌注桩全部混凝土完成的时间 配备性能良好的搅拌运输设备 一般情况是建立水上混凝土搅拌站 和充裕的混凝土浇筑强度 尽可能缩短浇筑时间 严格检验施工机具的装配质量 特别是每根导管的水密性 深水基础的施工技术6 3钢围堰的施工技术 注意混凝土浇筑质量 根据漏斗容量和混凝土供料强度 采用平台中心设置集料斗的形式均匀供料 力求每根导管一次性 作堆 和保持均匀供料 混凝土的下料方式以集中料斗加溜槽为佳 加强测量检测工作 监控每根导管的埋深和混凝土表面的高差 建立现场信息管理机制 在各个施工关键环节落实专人 专项负责监控 通过各项信息反馈及时协调各环节的工作 促使封底混凝土 一气呵成 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 6 4水上固定 浮动升降平台 在墩位处采用锤击 震动或压入法下沉预制桩 木桩 钢轨桩 H型钢桩 钢管桩 混凝土桩等 至一定深度后 将桩互相联结 在桩顶架设施工平台 再于平台上安装沉桩和导桩设备 水中桩基施工的全部作业都在平台上完成 这种平台就是固定式平台 一 固定式平台 固定式平台施工方法是我国桥梁水中桩基沉桩作业中广泛采用的一种方法 其优点是可根据基桩结构形式 桥址的水文 地质条件和施工单位所拥有的水上作业设备 器材 以及施工单位习惯采用的作业方法 修建适用的平台 故其种类繁多 下面就经常用的几种形式作一分析 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 在水中墩位适当位置插打平台基础桩 在群桩之间布设帽梁和纵 横梁 再于梁上铺设平台面板 则构成桩式固定平台 铁道部第十三工程局在沈大公路普兰店海湾大桥的水中墩施工中 使用了这种平台 该平台长28 5m 宽10 2m 所用的无缝钢管基础桩直径为325mm 长22m 分成4排 每排8根 采用六四式军用梁单层4片和32a工字钢组成平台主体结构 上铺5cm厚木板 部分铺钢板 作为钻孔作业场地 用此平台完成直径2 0m的钻孔桩6根 总延长389m 1 桩式固定平台 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 桩式固定平台 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 铁道部大桥工程局二处施工的茅岭江大桥 用4根 500钢管桩支承作业平台 顺利地完成两个7 650多柱式钻孔桩基础 山东平阴黄河公路桥的桩基础施工中 采用35cm 35cm的钢筋混凝土方桩作为固定平台的基础 浙赣复线尖山江大桥桩基础施工中 所用的桩式固定平台的基础桩为直径55cm的钢筋混凝土管桩 上述诸平台都很成功 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 在拟建桥的上 下游各建一座找桥 在栈桥上架设平台 平台可沿栈桥移动 使用时可支撑在栈桥墩上 也可另设基础桩 这样 搭1个平台 可以施作几个桥墩的桩基础 2 利用施工便桥 栈桥作桩式固定平台 2 1利用栈桥修筑固定平台 钱塘江二号桥的桩基施工便采用了这种平台 其做法是 用万能杆件拼成跨度为35 7m 宽17 7m 桁高4m的平台结构 将此结构的两端先搁置在运输栈桥的钢轨上 以便沿桥中线方向滑移 平台在桥墩处定位后 抄紧支点 插打钢护筒 顶起平台 在护筒上焊好环形支点 然后将平台落到环形支点上 之后便利用此平台进行墩基础作业 这种可移动的桩式固定平台在潮涌大 水上设备不能采用的情况下能充分发挥其作用 且1座平台可修建几个墩基 其缺点是施工单位需备有足够的常备钢结构器材 其用钢量较大 如钱塘江二号桥 南岸平台使用了2000t拆装式钢梁 900t万能杆件 800t新加工的钢结构零部件 14000延米管桩 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 郑州花园口黄河公路桥施工时 用万能杆件拼成高2m 宽8m的施工便桥 施工单位在便桥梁的横向部分对准正桥待建桥墩基础中心悬臂拼出部分杆件和临时导向框架 用之插打平台基础桩 构筑平台 此平台结构的水平刚度较大 故减少了平台桩间的联接系 2 2利用施工便桥修筑桩式固定平台 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 通常的桥梁水中高桩承台 其底面标高大都低于施工水位 因而往往要筑造水中围堰 利用水中围堰建造水上施工平台 也是构筑固定平台的一种方法 3 围堰式固定平台 重庆长江公路桥水中桥墩桩基础施工 是将双壁钢沉井浮运至墩位 向壁腔内灌水和加压使之下沉至设计标高 再于其上搭设平台 在平台上完成基桩和承台作业 实践证明 这种施工方法消耗材料较多 并需用大型设备 施工技术较为复杂 且工期较长 费用也较高 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 第二次世界大战后 石油工业迅速发展 西方发达国家在沿海大陆架进行海底石油勘探开发 使海洋工程得到了很大的发展 他们研究了一种不受海潮和风浪等恶劣环境影响 又便于移动的海洋自升式工作平台 作业时船体升出水面 按照平台升降动力这种平台可分为液压自升式工作平台 如荷兰的KAWASAKL 法国的GEM和我国已制成的渤海1 11号平台 电动自升式平台 如法国的海神号 日本的白龙号 和气压式自升平台 如法国的GEM111号 日本的拼筑式浮箱平台 同其他形式的平台相比 自升式平台具有很多优点 在水中基础施工的全过程中均能得到利用 还可用作临时墩进行架梁 例如德国弗尔恩大桥 俄罗斯的阿斯特拉罕伏尔加河特大桥 均采用自升式平台架梁 国外自20世纪60年代后期开始将自升式平台应用于桥梁水上施工 并在实践中发展成为专业化的定型平台 尽管这种平台的升降动力 装置各不相同 如有的用浮箱拼装 有的装有气垫 但均具有吃水浅 灵活轻便 机动性好等特点 当然 根据施工需要 也可以采用大型的自升式平台 如日本的本州 四国联络线施工时 就使用了适应50m水深的大型自升式平台 二 活动升降式平台 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 为适应我国大规模发展经济的形势 加速桥梁建设 笔者提出研制一种新的活动施工平台 拼装移动式升降平台 此平台拼组时只需将船体稍作加固 补充一些零 部件即可 其大部分结构均可用常备工程器材和抢修器材拼组 故此平台的研制是符合我国国情的 且技术上安全可靠 1 拼装移动式升降平台的特点 1 改善了施工条件 此平台使用时升出水面 故作业时不受水流冲击和水位涨 落的影响 作业条件得到改善 保证了施工的安全 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 2 加快了施工进度 利用拼装移动式升降平台施工 尽管工点不同 却可采用同样的设备 同样的施工方法 故能实现作业标准化和专业化 而不需要再进行专门设计 也不需要像其他平台那样因形式改变要购置新料和变更构筑方法 从而加快了施工进度 3 机动性强 拼装移动式升降平台充分考虑了拆 装方便 在水上 陆地均可运输 4 平台备有升降设备 此平台用专设的桩腿代替了固定平台的桩基础或围堰 平台上的升降设备使平台沿桩腿升降 使用起来颇为方便 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 5 施工方便 此平台平面布置成 凹 形 在缺口处设有托架 横梁 以便基础竣工后船体退出 在 凹 形区设有滑动支架 其上可安设基础施工机械 施工很方便 6 用途广泛 此平台可用来进行桥梁水中基础施工 又可用作架梁的临时支墩 还可在水中转运大件重物 7 可大量使用抢修器材 开发了抢修器材应用于平时施工的新领域 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 8 经济效益显著 此平台可重复使用 故比用固定式平台省工 省料 且作业安全 施工进度快 特别在一座桥有多个水中墩时 其优点更为突出 9 一次性投资较大 拼装移动式升降平台所需用的部分船体 需要开孔加固 其升降设备 持桩机构 桩腿加工等需要一定费用 造成一次性投资较大 但使用2 3次即可收回成本 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 2 拼装移动式升降平台的构成 拼装移动式升降平台由船体 桩腿 升降装置 控制系统 工程设备等部分组成 现简单介绍如下 2 1船体 平台的船体应具有足够的浮力和稳定性 能安全运载设备 材料 人员到指定施工位置 平台的船体可由多个浮箱拼组而成 以便于解体和运输 平面成凹形 在缺口处的浮箱顶面上设有2 5 3 0m高的托架 托架上安置有刚度较大的横梁 将浮箱联成整体 船体的内凹处还设有供安装基础施工机械的滑动支架 整个内凹处空间即为桥墩基础施工空间 凹形平面 托梁和横梁设备的另一功能 是使平台在基础施工完成后安全退出施工点 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 2 2桩腿 活动平台可设4条或6条 8条能插入河床的桩腿 平台送至工点后 通过升降机构将桩腿送至河床面 然后按编定的程序给桩腿施压 当加压至设计承载力 桩腿进至设计深度后 再把平台举升到波浪打不到的高度 桥墩基础完成后 把平台落到水面 再把桩腿拔起 平台即可返航 由上述可知 桩腿的功能主要是支承升起的平台以及平台上的设备 器材 使桥墩基础施工得以安全进行 同时 桩腿也是平台升降的导向装置 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 2 3平台升降装置 1 平台举升结构 每个桩腿位置 都设有1座固桩架 固桩架与船体联成一体 下固桩架与船体联结范围内的船体龙骨 桁架应按受力情况进行加固 2 升降机构 平台升降机构采用油压式 油压千斤顶生根在固桩架的上端 压桩时以油压千斤顶通过持桩机构将桩腿压入河床 每根桩腿布置2 4套油压千斤顶 深水基础的施工技术6 4水上固定 浮动升降平台 2 4施工设备 1 起吊设备设计时除须考虑吊重 幅度等因素外 还要考虑其安装位置 以使其对平台上施工人员的影响减到最小程度 2 其它工程设备如发电机 混凝土搅拌机 工程车等 一定要布置合理 除上述外 平台上还应设有控制系统 安全监测系统和救生消防系统 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 钢套箱作为承台施工的阻水结构 又兼作承台混凝土浇筑的侧模 所以设计时按照承受抽水时水压和承台混凝土侧压力双重作用计算 一 施工方案实施 钢套箱采用单壁无底结构 由侧板 外圈梁 内支撑 导向架4部分组成 共200多吨 断面尺寸为57 2m 14 8m 高6 15m 分6块5种规格制作 1 套箱设计与制作 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 侧板是肋板式结构 采用5mm钢板作面板 75mm 50mm 6mm角钢作竖向加劲肋 外圈梁用32号工字钢 兼作水平加劲肋 三者焊接为一体 内支撑用20号工字钢和6型槽钢焊制成桁架梁 沿套箱短方向设8道 为了套箱下沉方便 先在中间安装2道内支撑 封底完成后 进行体系转换 焊接安装其余6道内支撑 导向架由直径60mm钢管和6型槽钢焊接成三棱体结构 安装于套箱侧板和钢护筒之间 导向架与钢护筒之间预留5cm可调间隙 且必须在现场根据实际尺寸下料制作 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 2 钢套箱拼装 首先进行施工放样 铺设支垫方木进行精确找平 然后吊装圆弧段侧板模型就位 内外作临时支撑以保证侧板的垂直度 块与块之间先用螺栓固定连接 然后对接缝进行满焊 外圈梁用型钢焊接连成整体 再固定导向架和2道内支撑 之后钢套箱拼装完成 3 套箱下沉 由于此钢套箱为单壁结构 内部尺寸较大 在下沉过程中要确保均匀下沉 保证平面高差不超过20cm 套箱外部采用3台长臂挖掘机进行挖砂 套箱内部采用2台50t履带吊穿挂3t抓斗进行水下捞砂 随时进行测量 以便指导挖掘机和抓斗移位 对导向架和护筒周围死角部位采用水泵进行高压水冲砂 特别注意内外砂高差不大于1m 防止钢套箱提前受力变形 同时对钢套箱外部线形进行质量控制 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 套箱下沉施工断面示意图 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 5 套箱封底 为确保超大体积水下封底混凝土的强度 密实度 整体性和密水性 混凝土必须一次性不间断浇筑 采用标号为C25的超长缓凝混凝土 坍落度不小于20cm 用大型汽渡水上运输混凝土输送车上岛 2台汽车泵泵送入斗 2套大漏斗移位灌注 1套小漏斗随机补充 由于基底面积很大 所以导管口距基面宜控制在15cm左右 采用拔塞法压水 2套设备布置在同一端 同时灌注 向另一端推进 混凝土的扩散半径根据以往经验按5m考虑 施工时 应派专人测量 为导管的换位或提升提供正确数据 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 6 套箱抽水 待封底混凝土现场同等条件下养生试件强度达到200MPa以后 开始进行套箱抽水 抽水过程中 设专人巡逻检查套箱的受力情况 并用型钢将三棱体导向架与其相邻的护筒之间楔紧 以防套箱由于受外界水压出现过大变形 从而致使封底混凝土开裂 出现漏水漏砂现象 7 套箱内支撑转换 待套箱内的水抽干后 割除中间的8根钢护筒 在套箱内部加设其余的6道内支撑 然后方可割除靠桩的三棱体导向架 最后割除剩余的四周钢护筒 从而完成了套箱内支撑的转换 将由三棱体导向架和四周钢护筒所组成体系承担的外界水压力 转变为由20号工字钢焊接形成的内支撑承担 因此可以保证在内支撑转换过程中 套箱可以处于受力稳定状态 不至于出现过大的变形 特别应当注意的是 内支撑的20号工字钢横梁必须与32b的外圈梁对应焊接 使外界水压通过外圈梁传递至内支撑横梁 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 支撑转换前 后结构示意图 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 8 清底整平 绑扎钢筋 布设冷却管 用风镐清除封底混凝土多余部分 并用7 5号砂浆找平 然后放样 绑扎承台钢筋 布设冷却管 冷却管采用直径50mm无缝钢管 层间距为80cm 由上而下共设5层 同一层冷却管间距为1 0m 为防止冷却管漏水 浇注承台混凝土前 所有冷却管均要通水试压 9 大体积混凝土的浇注 承台混凝土采用超缓低热配合比 为了增加混凝土的流动性和和易性 混凝土中适当掺入优质粉煤灰 浇注过程中采用大型汽渡水上运输混凝土运输车上岛 30台混凝土运输车负责运输 3台汽车泵泵送混凝土至承台 待浇注的混凝土厚度将冷却管包裹后 应顺次对冷却管开始供应循环水 以防止混凝土内部温度急剧上升 在连续15d内持续供应循环水 使出水管水温不高于外界气温20 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 二 设计难点及施工重点 由于套箱的设计结构尺寸很大 且采用内外挖砂的方法下沉 因此很难保证整个套箱下沉过程中步调一致 总会出现局部下沉不均现象 如采用刚度过大的双壁钢套箱或混凝土围囹 则易出现由于下沉不均 导致钢套箱撕开 或混凝土开裂 现采用单壁钢套箱 具有一定柔韧性 可以适应一定程度的不均匀下沉 同时由于套箱侧板可容许有一定的变形 也为导向架更好地支撑于钢护筒提供保证 1 套箱单壁柔性体的确定 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 2 导向架设计 采用三棱体导向架设计 主要有以下几点施工需要 由于套箱体积庞大 在下沉中必须设置一定的导向装置 才能保证下沉到位后 满足承台的设计尺寸 承台的桩基布置为梅花形 无法设置型钢内支撑 但如无内支撑 在抽水过程 单壁套箱将无法承受外界水压 同时 即使内支撑可以在套箱下沉前焊接好 也将影响下沉中的箱内取砂作业 套箱下沉中 导向架起固定套箱 导向作用 在套箱抽水过程中 导向架起内支撑作用 将外界水压有效地传递给密贴的周边钢护筒 深水基础的施工技术6 5江心滩大型无底钢套箱施工技术 3 周边砂袋反压 套箱下沉到设计标高后 外侧四周需要用砂袋进行反压 其作用为 防止在封底过程中 混凝土从钢套箱下口不平处大量流出 平衡封底混凝土浇注时的侧压力 平衡抽水以后外界水压 防止套箱底口外翘 4 封底前的清平与抛填片石 封底前 应认真进行基底清平 特别是钢护筒与套箱四周 导向架下部等死角部位应进行拉网式测量 对其中超高点 采用高压水泵冲平 而后从一端开始 全断面均匀抛填片石 抛填的片石既可防止封底混凝土入水时冲起砂子 又可形成一层强度较高的片石混凝土 注意 这层片石决不能用砂袋代替 因为砂袋具有可变性 可以被封底混凝土冲滚到一起 使封底失败 深水基础的施工技术6 6扬中夹江二桥有底吊箱施工技术 6 6扬中夹江二桥有底吊箱施工技术 钢吊箱围堰是高桩承台施工的临时围水结构其作用是通过吊箱围堰的侧板 底板及其上的封底混凝土围水 为承台施工提供无水环境 钢吊箱由侧板 底板 内支撑 上承系统 导向定位系统 悬吊系统六大部分组成 一 钢吊箱构造 深水基础的施工技术6 6扬中夹江二桥有底吊箱施工技术 套箱总体立面布置图 单位 m 深水基础的施工技术6 6扬中夹江二桥有底吊箱施工技术 单壁钢吊箱围堰侧板采用单壁结构 侧板直接作为承台侧模 为防止下沉时孔位偏差 设计时侧板内平面尺寸每边放大100mm 侧板采用8mm钢板 水平方向背肋采用 10槽钢 背肋间距50cm 竖直方向采用 16槽钢 竖肋采用通长 沿侧壁周长方向等间距50cm布置一道 形成网格形状 以增加侧壁刚度和抗变形能力 并提高侧板竖向 水平方向承载能力 1 侧板系统 底板采用8mm钢板 底板底顺桥方向焊接I16工字钢 每60cm一道 底板周圈加焊 160 160 10mm角钢 底板在钻孔桩位置处留有 2 8m的圆孔 周围加工宽22cm 厚10mm的夹板 由潜水员下潜安装 为方便吊箱下放和填堵底板与护筒之间缝隙 下部设有用于悬吊的型钢2 40a和用于吊箱下沉用的 40b槽钢 2 底承系统 深水基础的施工技术6 6扬中夹江二桥有底吊箱施工技术 为了保证吊箱具有足够刚度 使封底后抽干水时吊箱侧壁不产生变形 并充分考虑承台施工时绑扎钢筋的需要 采用合理的满布式多点内支撑 内支撑采用直径为 500 10mm的钢管 进行结构设计时 结合施工情况 在 0 1m标高处 设计 500 10mm的钢管内支撑 该支撑位于承台混凝土内 在 2 3m 3 7m处采用型钢做内支撑 3 内支撑 上承系统是以钻孔桩钢护筒为依托将钢吊箱悬挂其上进行钢吊箱的拼装 下沉 浇筑封底混凝土等工作 起吊系统包括承重梁 滑车 吊杆等部分 其下沉是通过5t倒链滑车实现 承重梁是由工字钢组成 主要承受吊箱的重量 吊杆采用 32mm精轧螺纹钢 由锚头加垫片固定 当吊箱下沉到位 浇筑水下混凝土之前将吊杆另一端通过螺纹连接器加垫片固定在承重梁上 4 上承系统 深水基础的施工技术6 6扬中夹江二桥有底吊箱施工技术 钢吊箱下沉入水后受水流作用 会向下游漂流 吊箱下放到位后 为防止水流压力 波浪压力及靠船力等动荷载对自由悬挂的钢吊箱发生挠动 在吊箱 护筒上设置导向定位器 导向定位器定位基点在钢护筒上 与钢护筒焊接 与钢吊箱侧板留30 40mm的间距 5 导向定位系统 悬吊系统采用国内生产的 32mm精轧螺纹钢作为吊杆 使用其连接器和螺母 根据吊箱重量和一定的安全储备 设计吊杆数量为40根 6 悬吊系