桥梁特大型深水基础设计施工新技术

1、桥梁特大型深水基础设计施工新技术报 告 提 纲一、问题的提出二、项目的研究三、研究成果1、南京长江第三大桥的深水基础 南京长江第三大桥的建设遇到了深水基础问题。 南京长江第三大桥的跨江主桥为双塔双索面、钢塔柱、钢箱梁斜拉桥，其桥跨对称地布置为63m+257m+648m+257m+63m。索塔采用“人”字造型。 主桥桥位处床体断面呈不对称“V”形，深槽靠近南东岸，靠南岸的索塔即南塔处于水深流急的江中。 南塔塔位区覆盖层由粉细砂、细中砂、砾砂、卵砾石等土层组成，基岩为泥岩。覆盖层总厚度为34.5m39.7m。覆盖层中砂盘（俗称铁板砂）散布，所处深度在7m左右。铁板砂强度很大，对基础设计、施工非常不

2、利。问题的提出南京三桥桥型图南京三桥“人”字型索塔铁板砂砂块问题的提出南主塔南临时墩问题的提出 南塔基础是南京三桥设计、施工难度最大的深水急流基础。 由于索塔采用“人”字形，所以索塔基础长度很大。南塔的基础平面尺寸达到了29m84m，其承台高度亦达到了7.5m，为特别大型的流水中基础。 南塔位洪水期自然水深最大可超过50m，设计垂线平均流速达到了2.5m/s，最大流速达到了2.9m/s。这种深水急流的程度在以往是很少遇到的，造成设计施工的很大难度。 从基础规模、地质、水文条件可知，南京长江第三大桥南塔基础是特大型深水基础的典型代表。问题的提出2、桥梁深水基础的基本情况 深水桥梁基础一般采用三种

3、形式，即钢围堰、基桩、承台的组合基础，沉井基础，高桩承台基础； 深水急流基础一般只采用前两种基础形式； 深水急流基础一般采用下述方式施工： 利用导向船及其锚碇系统建立初期平台下放钢围堰或沉井； 当钢围堰、沉井进入土层足够深度后，则利用其作为施工平台完成其后全部基础施工。问题的提出3、桥梁深水基础存在的问题 桥梁深水基础施工有四大问题需要解决： 基础结构在水流中的精确定位问题； 施工平台设施在水流冲击下安全、稳定问题； 施工平台结构大自由高度问题； 施工平台设施的冲刷问题。 对于南京三桥南塔这样的特大型深水急流基础，如采用钢围堰、沉井基础，则结构过于庞大、结构阻水面积太大，因而施工难度大、施工造

4、价高、施工工期长。项目的研究1、项目的确立 由于南京长江第三大桥对交通、经济、社会起着重要作用，且南塔深水基础具有典型代表意义，交通部和南京市政府均有意愿对南塔深水基础技术进行探索和研究。 专家、设计单位也建议进行南塔深水基础的技术研究和创新。 南京长江第三大桥建设指挥部决定立项对南塔大型深水基础设计施工进行研究。 项目的研究2、研究的目的 通过研究，解决南京三桥特大型深水基础所存在的问题，使基础施工质量好、工期短、造价低。项目的研究3、技术难点 基础结构在水流中的精确定位问题的解决； 施工平台设施在水流冲击下安全、稳定问题的解决； 施工平台结构大自由高度问题的解决； 施工平台设施冲刷问题的解

5、决； 基础施工造价高、工期长问题的解决。项目的研究4、研究的组织 在南京长江第三大桥建设指挥部的组织下，以南京长江第三大桥建设为依托，以湖南路桥建设集团公司、中交公路规划设计院为主进行研究，并委托哈尔滨工业大学配合进行相关监控、测试工作。研究成果1、南京三桥深水基础设计施工新技术方法 基础设计采用承台、基桩的高桩承台形式。 基础施工采用钢护筒、钢套箱自身刚构平台体系的施工方法；即： 基础的水下承台采用钢套箱方式施工。钢套箱既是承台施工的围水及抽水后的挡水结构，又是承台混凝土浇筑的模板结构。钢套箱采用设舱壁及设开孔底板的可自浮的形式。 利用钢套箱和进入土层的钢护筒形成刚构平台，作为深水基础的施工

6、平台。然后利用该施工平台完成全部基础施工。 这里的钢护筒就是基桩施工所用钢护筒。钢护筒在振动锤的振动下进入土层。 由于钢套箱、钢护筒本来就是承台、基桩所需要的结构物，而不是另外设置的结构，故上述刚构平台称之为钢护筒、钢套箱自身刚构平台。研究成果 在刚构平台形成以前，利用导向船平台及其锚碇系统作为平台，以在水流中进行刚构平台的安装施工。 刚构平台中的钢护筒只要必要数量就可以了。由于对钢套箱及整个系统起定位作用，故称之为定位钢护筒。南京长江第三大桥采用了8根定位钢护筒。 基础施工的时间选在洪水期内开始，首先进行导向船平台及其锚碇系统布设，然后进行钢套箱的浮运就位施工。全部基础施工可在洪水期过后的一

7、个枯水季节内完成。8根定位钢护筒8根定位钢护筒研究成果导向船平台及其锚碇系统布设导向船浮运就位定位船就位导向船拼装及锚体、锚缆、定位船准备钢套箱底节浮运就位钢套箱底节下水钢套箱底节制作、钢套箱块件制作锚碇系统布设完成及调整钢套箱拼接接高钢套箱块件运输钢套箱精确定位定位钢护筒下放、受振下沉、定位钢护筒、钢套箱自身刚构平台体系的形成基础施工全面开展并最终结束南京长江第三大桥南塔深水基础施工流程、步骤：研究成果2、基础方案设计 根据南京长江第三大桥的具体情况，结合本研究，在钢壳混凝土沉井、钢围堰加钻孔桩、高桩承台三种基础方案中选择了高桩承台基础方案为南塔基础设计方案。 承台为哑铃形，平面尺寸为84m

8、29m。厚度为7.5m，圆形部分基桩，即主承力基桩的直径为3.0m，矩形即系梁部分基桩直径为2.5m。研究成果3、钢套箱的主要结构设计 钢套箱根据承台形状，同样采用哑铃形状，平面尺寸为84m29m，总高度为24.1m。 钢套箱采用有底、底板预留护筒孔、双壁自浮式结构。 在钢套箱底板护筒位置，设置了定位钢护筒的下层导向装置。 钢套箱的设计考虑了其在定位钢护筒上支承的悬挂构造。研究成果4、技术难点的解决方法 对于本研究项目中的上述五项技术难点，采用下述方法一一解决： 基础结构在水流中的定位问题 选择在无波浪或波浪很小的时机，利用锚碇系统的调整，首先定位钢套箱，然后利用钢套箱的夹持下放钢护筒，通过进

9、入土层的钢护筒反过来又使钢套箱固定，从而达到钢套箱、钢护筒均精确定位的效果。 施工平台设施在水流中的安全稳定问题 在钢护筒、钢套箱自身刚构平台形成以前，利用导向船平台及其锚碇系统稳定施工设施；在刚构平台形成后，刚构平台作为施工平台具有足够的安全、稳定性。 施工平台结构的大自由高度问题 以大直径的钢护筒作为支承桩，保证了平台支承桩的刚度；钢套箱沉入水下，对钢护筒形成夹持，使钢护筒从水面开始的自由高度变成了从钢套箱底开始的自由高度，则自由高度很大程度地减少，从而解决了大自由高度问题。研究成果 施工平台的冲刷问题 由于本施工平台阻水面积小，因而所受到的冲刷不大，特别是基础施工能在一个枯水期结束，钢护

10、筒所受的冲刷更小，故该平台施工方法能自然解决冲刷问题。 基础施工造价高、工期长问题的解决 由于钢套箱结构不象钢围堰、沉井结构一样庞大，以及不存在钢围堰、沉井一类结构在土层中的下沉嵌固施工，本新技术的基础施工工期很大程度地减少，造价也很大程度地降低。研究成果5、导向船平台及其锚碇系统的布置、分析、计算 采用多船组拼方式布置导向船平台，及相应布置锚碇系统，以适应84m大长度的基础情况。 通过分析、计算以使导向船平台及其锚碇系统布置合理、安全。研究成果6、钢护筒、钢套箱自身刚构平台施工过程力学分析 考虑冲刷后的刚构平台在水流的冲击下，受力是安全的。 在刚构平台的形成过程中，结构受水流作用也是安全的。8.4946.51m8.4914.363.64m5.79m28.21m16.43FFFFFFFFqqqq18.46PPPP套箱护筒土体纵、横向计算简图研究成果7、导向船平台及其锚碇系统平面位置变化状况的分析、计算 分析、计算得出的结论： 导向船平台及其锚碇系统平面位置的变化是影响结构精确定位的主要因素； 平面位置变化是由波浪引起的； 平面位置变化大小与波高有关； 为保证结构的精确定位，定位施工时机应选择在无波浪或波浪很小的时机。研究成果8、基于光纤光栅传感器的桥梁基础施工监测技术 为配合本项目研究，对基础施工的关键结构钢护筒进行受力状态监测。 通过研究和运用，开发了基于光纤