广佛肇高速公路北江大桥施工关键技术.pdf

世界桥梁2 0 2 3年第51卷第5期（总第2 2 7 期）34World Bridges,Vol.51,No.5,2023(Totally No.227)D0I:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.05.006广佛肇高速公路北江大桥施工关键技术尚庆果，何明辉”，王青云2（1.中铁大桥局第九工程有限公司，广东中山52 8 437；2.中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉430 0 50）摘要：广佛肇高速公路北江大桥主桥为（115十2 15十115）m连续刚构桥。主梁为单箱单室箱梁，顶板宽16.2 5m，底板宽8.15m，梁高4.2 12.8 m，设计采用C60混凝土。基础均采用钻孔灌注桩和分离式承台，主墩为双薄壁墩，过渡墩为花瓶墩。针对桥址处河床无覆盖层，且存在串珠状溶洞地质条件，主墩钻孔桩位处的溶洞采用钢护筒跟进、片石黏土回填及混凝土回填等方式组合处理。针对裸岩地质条件，33号主墩分离式承台采用连体式错位型钢板桩围堰配合旋挖钻铣槽法进行施工；32号过渡墩采用钢板桩打入强风化岩一定深度，对基底岩溶裂隙进行注浆处理后，并以岩石作为支撑结构进行施工。为减小混凝土箱梁开裂风险，通过多种参数配合比试验，研制低收缩、低徐变C60混凝土，大幅提升混凝土工作性能、力学性能及耐久性能，且经济效益明显。关键词：连续刚构桥；串珠状溶洞；连体式错位型钢板桩围堰；注浆；C60混凝土；施工技术中图分类号：U448.23；U 445.4文献标志码：A文章编号：16 7 1-7 7 6 7(2 0 2 3)0 5-0 0 34-0 71工程概况广佛肇高速公路北江大桥主桥为（115十2 15十115）m 连续刚构桥，上、下行线分幅布置，总体布置如图1所示。主桥箱梁顶板宽16.2 5m，设2%的横坡，底板宽8.15m；根部梁高12.8 m，高跨比为1/16.8；跨中梁高4.2 m，高跨比为1/51.2；箱梁顶板厚30 50 cm，腹板厚50 9 0 cm，底板厚32 110cm，设计采用C60混凝土，主梁横断面如图2所示。33、34号主墩采用双薄壁墩，双肢间设2 道系梁，单肢截面尺寸为2 m8.15m，双肢间中心距6m；桩基为7 根2.8m的钻孔灌注桩，桩长分别为71、7 4m，桩间净距4.2 m,呈梅花形布置；主墩左、右分离式承台横向间距1.8 5m，纵向中心线错位5m，承台顶面标高分别为一6.0、一7.5m，承台为圆端形，横桥向宽14.9 m，顺桥向宽2 3.3m，承台厚5m。考虑防洪影响及结构受力，32、35号过渡墩采用花瓶墩，墩底、墩顶截面尺寸分别为4.5mX2.5m、7 m X2.5m；桩基为4根2.2m的钻孔灌注桩，桩长分别为39、35m，桩间净距3.3m，呈矩形布置；分离式承台顶面标高分别为一1.5、一6.5m，承台为圆形，平面尺寸直径11.5m，承台厚4m。北江常水位为十2.5m，洪水期水位高达十9.0 m，最大流速2.5m/s。根据地质勘探，主桥收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 1作者简介：尚庆果（198 1一），男，高级工程师，2 0 0 3年毕业于兰州理工大学土木工程专业，工学学士（E-mail：45450 0 53 q q.c o m）。通信作者：何明辉（198 7 一），男，高级工程师（E-mail：16 0 510 412 1 q q.c o m）。研究方向：大跨度桥梁施工。桥位区地形高低不平，相对高差13m，且桥址区内发育有岩溶，32 号至33号墩区间无覆盖层，基础位置处为全风化泥岩、强风化泥岩，承台设置在全风化泥岩范围内；3335号墩区间覆盖层逐步加厚，34号墩处覆盖层厚约5m，35号墩处覆盖层厚约6 m，覆盖层下方为强风化泥岩、中风化泥岩，承台设置在覆盖层范围内。2施工难点北江大桥主桥基础采用“钻孔平台十钢板桩围堰”法施工 1-4，桥墩采用翻模法施工，主梁采用“托架十挂篮悬臂浇筑”法施工。根据主桥地质水文条件，存在以下施工难点：（1）钻孔桩桩位处存在岩溶区，且存在串珠状溶洞，钻孔桩施工容易发生掉钻、卡钻、埋钻、漏浆事故，从而影响桩基水下混凝土灌注。（2）32、33号墩处无覆盖层，且承台位于泥岩岩层范围内，钢板桩围堰在无覆盖层深水条件下插打困难。（3）主墩分离式承台大小里程方向错位设置，且横向间距仅1.8 5m，围堰施工难度大。（4）主梁C60混凝土方量大，混凝土施工要求高。广佛肇高速公路北江大桥施工关键技术115D400伸缩缝F918c82.5又-1.54强风化泥岩中风化泥岩2.2强风化泥岩2.8中风化泥岩-44.5-82.0?115尚庆果，何明辉，王青云立面445215最高通航水位+11.17 0 通航净空18 2 10-6.0全风化泥岩35115D400伸缩缝2.5Z-7.5中租砂我积粉质黏土5强风化泥岩中风化泥岩J-86.5平面4452152-6.52.2-45.5115单位：m图1北江大桥主桥总体布置Fig.1 General layout of main bridge of Beijiang River Bridge单位：m中支点处16252%815图2 主梁横断面Fig.2 Cross-section of main girder3主桥施工关键技术3.1钻孔桩串珠状溶洞处理地质勘察报告显示，主桥桩基范围内存在大小不一的溶洞，部分钻孔桩位置处存在串珠状溶洞，溶洞主要分布在标高一6 0.0 一10.0 m地层，最大串珠状溶洞高2 1.6 m。钻孔桩采用冲击钻成孔施工，单根桩穿越溶洞最多达6 处。考虑施工成本，溶洞处理主要采用多层钢护筒跟进、片石黏土回填、混凝土回填多种方式组合处理 5-。钻孔桩施工前，利用超前钻及管波CT技术探明溶洞发育情况，明确溶洞位置、深度、尺寸等。根据不同溶洞形式，采取不同的处理措施。对于浅层区溶洞，采用多层钢护筒跟进处理，钢护筒穿过溶洞至下一层岩层面。对于串珠状溶洞，先将钢护筒穿中跨跨中处25251.6252%815过顶层溶洞后，在下层溶洞内回填片石、黏土（比例1:1),并掺人水泥增大孔壁的自稳能力，待填充物固结到一定强度后进行复冲，以保证溶洞不再漏浆。当溶洞较大或无填充物时，采用水下灌注混凝土回填的方式进行处理，回填量需确保全填充溶腔后高出溶洞顶口不小于3m，待混凝土达到一定强度后进行复冲，确保溶洞不再漏浆。溶洞处理施工示意如图3所示。单位：cm钢护筒溶洞人溶洞反终孔标高图3溶洞处理施工示意Fig.3Karst cave treatment相比全护筒跟进处理方式，钢护筒跟进、片石黏土回填、混凝土回填组合处理方式节约费用523.81万元，节省工期40 d。该技术成功解决了溶洞密布桩基施工的难题，安全可靠、经济性好，适用性强。孔口标高河床强风化泥岩1中风化泥岩30溶洞363.2主墩基础钢板桩围堰施工33、34号主墩分离式承台采用钢板桩围堰施工 10-13。33号主墩基础布置如图4所示。墩位处河床顶平均标高为一5.7 m，河床顶无覆盖层，河床自上而下分别为全风化泥岩、中风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩，承台埋于全风化泥岩范围内，承台底距围堰设防水位高14m，承台及钻孔桩区域范围内存在岩溶、裂隙发育情况，且存在串珠状溶洞。主墩基础施工步骤为：旋挖钻机铣槽拆除钻孔平台，逐层拼装内支撑并下放到设计位置插打钢板桩,形成围堰铣槽范围高压注浆止水围堰内抽水到基坑底，干挖到承台底部施工垫层，浇筑承台承台四周回填，浇筑顶部50 cm混凝土围堰内支撑转换，施工墩身墩身出水后，围堰内灌水，拆除内支撑。主墩承台施工如图5所示。3.2.1主墩钢板桩围堰设计33号主墩承台采用干挖法开挖施工。主墩左、右幅承台纵向中心线错位5m，为尽量减少钢板桩施工数量，增加围堰内作业面积，承台施工采用连体式错位型钢板桩围堰（18 m长拉森VI型钢板桩围堰），围堰平面尺寸为34.0 2 m30.6m。围堰设防水位十3.0 m，钢板桩顶标高十3.5m。围堰内土层开挖至一11.5m，浇筑厚0.5m的混凝土垫层，并设置2 层内支撑。顶层内支撑标高为一0.8 m，圈梁采用2 HN700mmX300mm型钢，对撑及斜撑均采用$8 2 0 mm10mm钢管；底层内支撑标高为河床面、L5世界桥梁2023,51(5)图5主墩承台施工Fig.5 Construction of pile cap of main pier一5.3m，圈梁采用2 HN900mmX300mm型钢，且在2 HN900mmX300mm型钢顶面和底面各贴20mm厚钢板，对撑采用820mmX10mm钢管，斜撑采用10 2 0 mm16mm钢管。为保证连体围堰内支撑共同受力，顶层相邻2 根H型钢采用10.9级M24承压型高强度螺栓连接，底层相邻2 根H型钢采用10.9 级M30承压型高强度螺栓连接。33号主墩承台钢板桩围堰布置如图6 所示。根据围堰施工步骤，采用MIDASCivil软件按弹性支点法建立钢板桩围堰模型进行受力分析。承台下基岩参考地勘数据，基岩水平反力系数的比例系数按最不利考虑，取40 MN/m。经计算，钢板桩嵌固稳定系数k=1.411.15，钢板桩最大弯矩为457.6kNm，对应最大应力为16 9.5MPa，钢板桩立面十左幅墩身9-6.0-10.0全风化泥岩-11.7中风化泥岩-13.7强风化泥岩平面23.3左幅桥墩8+右幅桥墩（中风化泥岩23.3图433号主墩基础布置Fig.4 Foundation configuration of main pier No.33+5单位：m广佛肇高速公路北江大桥施工关键技术17.0117.011.18514.90.9250.925钢板桩顶+3.5折钢板桩联结系7牛腿15承台34.025.87 5.29 5.4 9.9 5.4 5.29+5.4钢板桩斜撑9对撑42290209Fig.6 Layout of steel sheet pile cofferdam for pile受力满足要求。围堰顶层内支撑最大受力为209.2kN/m，圈梁最大应力为8 6.4MPa、最大剪应力为2 8.9MPa，对撑及斜撑最大应力为6 4.6 MPa；底层内支撑最大受力为6 18.5kN/m，圈梁最大应力为148.1MPa、最大剪应力为7 6.8 MPa，对撑及斜撑最大应力为12 4.4MPa；受力均满足要求。3.2.2旋挖钻机铣槽施工33号主墩基础高度范围处岩层自上而下为全风化泥岩、中风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩，为确保钢板桩插打到承台底以下一定深度，采用旋挖钻机进行引孔铣槽以满足围堰所需的锚固深度。由于钻孔平台覆盖在围堰上方，旋挖钻机铣槽施工时需拆除钢板桩上方对应的钻孔平台结构，改造为可移动调整的钻孔平台，以满足旋挖钻机铣槽及对围堰范围内基岩的预开挖施工需求。旋挖钻铣槽法进行钢板桩引孔作业时，采用隔孔钻的方式，保证钻孔过程中不出现基岩大块塌落，铣槽完成后在槽内回填碎石。旋挖钻机铣槽施工布置如图7 所示。尚庆果，何明辉，王青云立面14.9顶层内支撑底层内支撑平面圈梁对撑左幅墩身托架，钢板图6 33号主墩承台钢板桩围堰布置cap of main pier No.3337下游侧上游侧旋挖钻机旋挖钻机1.185设计线路中心线设防水位平台A区3.0-08-5.3承合顶-6.0-11.0承台底F11.5封底底4.50.47$下L5托架9右幅墩身9单位：m平台区图7 旋挖钻机铣槽施工布置Fig.7 Slotting by rotary drilling rig3.2.3承台范围基岩注浆止水钢板桩围堰插打完成后，钢板桩内、外侧的槽口采用压浆法进行封堵。在钢板桩上设置注浆作业平台，在围堰内、外侧槽内采用压浆管进行注浆，管底距离槽底10 cm，为保证压浆效果，压浆量按照铣槽设计压浆体积的1.2 倍进行压浆，注浆压力为1.0 MPa。在承台基底岩溶区域，基岩开挖前对承台底以下5m范围内进行注浆，达到承台范围内基岩止水效果。注浆孔采用Y-100A型钻机回转钻进，终孔孔径不小于9 0 mm，采用高压水对浆孔清洗后开始注浆。裂隙注浆水泥采用P42.5水泥，水灰比1：1,承台底部的溶洞及较大裂隙处采用双液注浆（水泥净浆内添加8%水泥用量的水玻璃溶液），注浆压力为1.0 MPa，注浆孔间距2.4m，呈梅花形布置。采用自上而下分段注浆的方式，钻进至岩层后，若遇到漏水严重，先进行注浆处理，终凝后继续往下钻进；若套管内不漏水或漏水量小，采取一次性钻至设计深度再注浆处理。承台范围基岩注浆有效解决了承台基底岩溶涌水的难题，为基岩干作业开挖提供了有利的环境，加快了施工进度且降低了施工成本。承台范围基岩注浆孔平面布置如图8 所示。3.3过渡墩钢板桩围堰施工32、35号过渡墩分离式承台为圆形结构，采用钢板桩围堰施工 13。32 号过渡墩墩位处河床平均标高为一1.0 m，河床岩层自上而下分别为强风化泥岩、中风化泥岩，承台埋于强风化泥岩范围内，承台底较设防水位高8.5m。32 号过渡墩位于岸边，墩位处无覆盖层。每个承台单独设置1套12 m长拉森V型钢板桩围堰，围堰设置顶层和底层内支撑，内支撑圈梁均采用2 145型钢，斜撑均采用d630mm8mm钢管。32 号过渡墩钢板桩围堰布置如图9所示。32号过渡墩围堰施工时，不需要采用旋挖钻铣槽插打钢板桩，而是充分利用岩层自身强度和稳定施工水位+2.0m险,开展低收缩、低徐变C60混凝土配制研究 1-16 。研究确定混凝土试验配合比范围为：水胶比0.2 7 0.33、胶凝材料总量47 0 510 kg/m、砂率34%3824X12X8图8 承台范围基岩注浆孔平面布置Fig.8 Layout of bedrock grouting holes in pile cap zone立面19.22.85,111.5顶层内支撑底层内支撑一74L5184152L51584Fig.9 Layout of steel sheet pile cofferdam forpile cap of main pier No.32性作为基坑开挖支撑结构，采取常规的钢板桩插打方法插打到入岩0.5m闭合形成围堰。然后在围堰内侧的河床面上方设置底层内支撑，再将围堰顶世界桥梁2023,51(5)221.2层内支撑下放到设计位置，并将顶层内支撑与其接触的钢板桩之间进行焊接固定，形成钢板桩围堰。钢板桩在插打时，插打位置需与承台边线之间预留4适当范围，并采用注浆设备在围堰内侧进行高压注X8浆，以达到止水效果。3.4低收缩、低徐变C60高性能混凝土配制该桥为大跨度连续刚构桥，主梁C60混凝土方量大 14，为降低混凝土箱梁收缩徐变，减小开裂风注浆孔2i221.2单位：m+,2.85设防水位+3.0钢板桩承台平面19.24.555.05斜撑承台圈梁图932 号过渡墩钢板桩围堰布置40%、掺合料掺量2 0%35%（粉煤灰不低于15%），采用多种参数组合进行混凝土低收缩配合比试验。经试验分析可知：随着水胶比的增加，混凝土抗压强度、7 d弹性模量、7 d及2 8 d干燥收缩率减小，胶凝材料用量和含砂率增加，混凝土各力学性能先提升后降低；胶凝材料总量49 0 kg/m、砂率37%时的混凝土各力学性能指标最佳。混凝土中加人掺合料后工作性能得到改善，且干燥收缩率随之大幅降低，单掺粉煤灰比双掺粉煤灰与矿渣粉的混凝土工作性能更佳，粉煤灰及矿渣粉掺量分别为15%、10%时混凝土力学性能最佳。在混凝土低收缩配合比试验基础上，进行徐变试验。结果表明，水胶比为0.30，胶凝材料总量490kg/m，砂率37%，粉煤灰及矿渣粉占胶凝材5.054.55单位：m料比例分别为15%、10%时的混凝土性能最佳，对应90 d徐变度均为1310-6 MPa-1，小于低徐变钢板桩桥梁混凝土徐变度（30 X10-6MPa-1）。该桥主梁C60混凝土推荐配合比如表1所示。推荐配合比混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能达到综合最优，对比该地区已建桥梁上部结构C60混凝土，单方混凝土生产成本降低了33元，可节省混凝土原材料成本约59万元。且随着混凝土耐久性能的显著提升，在一定程度上提升混凝土工程使用寿命，降低全寿命周期成本，具有较好的经济效益。4结语广佛肇高速公路北江大桥主桥为（115十2 15十115）m 连续刚构桥。桥位处河床无覆盖层且存在岩溶性地质，钻孔桩处存在串珠状溶洞，通过采用钢护筒跟进、片石黏土回填、混凝土回填多种方式组合进行处理，解决了串珠状溶洞钻孔桩施工难题。主广佛肇高速公路北江大桥施工关键技术水胶比砂率/%胶凝材料比/%0.3037注：C为混凝土；F为粉煤灰；S为矿渣粉。墩左、右分离式承台采用连体式错位型钢板桩围堰，并采用旋挖钻铣槽法进行钢板桩引孔作业，解决了钢板桩入岩难题。32 号过渡墩位于岸边，采用钢板桩打入强风化岩一定深度，对基底岩溶裂隙进行注浆止水处理，并以岩石作为支撑结构进行承台施工。为避免混凝土箱梁收缩徐变导致的开裂风险，通过不同配合比参数研究，主梁采用推荐的低收缩、低徐变C60混凝土，工作性能、力学性能及耐久性能得到大幅提升，且经济效益明显。参考文献(References):1贾卫中，孟超蒙华铁路洞庭湖特大桥主墩基础施工关键技术 J桥梁建设，2 0 18，48（5)：1-5.(JIA Weizhong，M ENG C h a o.K e y C o n s t r u c t io nTechniques for Foundation of Main Pier of DongtingLake Bridge on Mengxi-Huazhong RailwayJ.BridgeConstruction，2 0 18,48(5):1-5.in C h in e s e)2苏从辉，尚龙池州长江公路大桥4号主墩钢围堰施工技术J世界桥梁，2 0 18，46（5）：32-35.(SU Conghui,SHANG Long.Construction Techniquesfor Steel Cofferdam of Main Pier No.4 of ChizhouChangjiang River Highway BridgeJJ.World Bridges,2018，46(5):32-35.in C h in e s e)3徐京海，潘博马鞍山公铁两用长江大桥Z3号墩承台施工关键技术J世界桥梁，2 0 2 2,50（3）：39-44.(XU Jinghai,PAN Bo.Key Construction Techniquesfor Pile Cap of Pier Z3 of Maanshan Changjiang RiverRail-cum-Road BridgeJ.World Bridges，2 0 2 2,50(3):39-44.in Chinese)4张程然，祝兵，张振，等临港长江公铁两用大桥3号墩组合围堰施工技术 J桥梁建设，2 0 2 0，50（4）：101-106.（ZH A NG C h e n g r a n，ZH U Bi n g，ZH A NG Zh e n,et al.Construction Techniques for Composite Cofferdamof Pier No.3 of Lingang Changjiang River Rail-cum-Road BridgeJJ.Bridge Construction,2020,50(4):101-106.in Chinese)5陈山亭珠海洪鹤大桥主桥施工关键创新技术J桥梁建设，2 0 2 1,51（6)：12 6-131.(CHEN Shanting.Key Innovative Technologies in MainBridge Construction of Honghe Bridge in ZhuhaiJ.Bridge Construction，2 0 2 1，51（6)：12 6-131.i n尚庆果，何明辉，王青云表1低收缩、低徐变C60混凝土推荐配合比Table 1 Recommended mix proportion of C60 low shrinkage and creep concrete胶凝材料总量/(kg m-3)75C+15F+10S49039混凝土原材料用量/（kgm-3）水泥粉煤灰矿渣粉粗集料细集料拌合水外加剂36873Chinese)6 李强，秦余顺中老铁路桥梁桩基岩溶处理施工技术研究J.中国岩溶，2 0 19，38（4）：6 0 7-6 11.(LI Qiang,QIN Yushun.Technologies to Deal withKarst Caves beneath Pile Foundation of the Big Bridgeon the Laos-China Railway J.Carsologica Sinica,2019,38(4):607-611.in Chinese)7 王阳岩溶地区城市桥梁下部结构设计与施工 J世界桥梁，2 0 14,42（6)：16-2 0.(WANG 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Engineering Group Co.,Ltd.,Wuhan 430050,China)Abstract:The main bridge of Beijiang River Bridge carrying a section of the Guangzhou-Foshan-Zhaoqing Expressway is a continuous rigid-frame bridge with a main span of 215 m and twoside spans of 115 m.The superstructure consists of single-cell box girders made from C60concrete.The top,bottom and depth of the box girder are 16.25 m,8.15 m,and 4.2-12.8 m,respectively.The main piers are double-thin-walled piers,while the transition piers are vase-shaped piers,and both the main and transition piers are mounted on separated pile caps that aresupported by bored pile foundations.To address the challenging geological conditions,includingthe riverbed with no overburden and beaded karst caves,steel casings together with riprapping,and backfilling with clay and concrete were applied to treat the karst caves for the pile foundations.To construct the separated pile cap of main pier No.33,the tandem and staggering type steel sheetpile cofferdam was built up for shoring and rotary drilling rigs were employed for slotting.Duringthe construction of the transition pier No.32,the steel sheet piles were driven into a depth of theseverely-weathered rock,the crevices in the bed rocks were grouted,and the remedied rock thenacted as supporting structure for the subsequent construction.To reduce the cracking risk of theconcrete box girders,multiple mix proportions were tested and compared,and a type of C60concrete featuring low shrinkage and creep was developed,which improved the workability of theconcrete as well as the mechanical property and durability of the box girders,achieving goodeconomy.Key words:continuous rigid-frame bridge;beaded karst cave;tandem and staggering typesteel sheet pile cofferdam;grouting;C60 concrete;construction technique(编辑：刘海燕）世界桥梁2023,51(5)Channel Rigid-Frame Bridge of Chizhou ChangjiangRiver Highway Bridge J.World Bridges，,2 0 18,46(5):41-45.in Chinese)15申法钰罗江大桥C60高强大体积混凝土裂缝预防与控制 J.工程建设与设计，2 0 19（8）：10 5-10 6.(SHEN 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