武汉二七长江大桥中主塔墩基础围堰施工技术.pdf

文章编号:1003-4722(2010)02-0001-04武汉二七长江大桥中主塔墩基础围堰施工技术高培成,佘巧宁(中铁大桥局武汉二七长江大桥、标项目部,湖北 武汉430081)摘 要:武汉二七长江大桥通航孔主桥为三塔双索面斜拉桥,中主塔墩位于长江中心航道上,其下部结构基础为18根 3.40 m钻孔灌注桩。采用双壁钢吊箱围堰法进行基础施工。钢吊箱围堰在工厂制造,完成后整体滑移下水并浮运至墩位,采用重力锚锭系统进行围堰定位;围堰定位完成后,插打定位钢护筒,将围堰与已经插打完成的钢护筒进行连接形成稳定的钻孔平台,插打剩余钢护筒,进行钻孔桩施工;钻孔桩施工完毕,将围堰下放至围堰封底设计标高,进行围堰清淤、堵漏,用垂直导管法依次浇注封底舱、底隔舱、侧舱封底水下混凝土,按照从两端向中间、从外向内的顺序分块、对称进行施工。关键词:武汉二七长江大桥;桥梁基础;双壁钢吊箱围堰;桥梁施工中图分类号:U448.27;U445.556文献标志码:AConstruction Techniques of Cofferdam for Intermediate PylonPier Foundation of Wuhan Erqi Changjiang River BridgeGAO Pei2cheng,SHE Qiao2ning(Section of Contractsandof Wuhan Erqi Changjiang River Bridge Construction Project,China Zhongtie Major Bridge Engineering Group Co.,Ltd.,Wuhan 430081,China)Abstract:The navigable span main bridge of Wuhan Erqi Changjiang River Bridge is a triple2pylon and double2cable2plane cable2stayed bridge with its intermediate pylon pier located in thecentral shipping channel of the Changjiang River.The foundation of the pylon pier is made up of18 nos.of3.40 m bored piles and was constructed by the double2wall steel boxed cofferdam.Thecofferdam was manufactured in shop,launched to river integrally and floated to the pier sitewhere it was positioned by the gravity anchor system.After the cofferdam was well positioned,part of the steel casings were inserted and driven in,the casings were then connected with thecofferdam to form a stable boring platform.The rest of the casings were continuously insertedand driven in and the boring construction was carried out.Upon the completion of the construc2tion of the bored piles,the cofferdam was sunk down to the design elevation of the cofferdam basesealing,the inside of the cofferdam was cleared off,the water leakage there was stopped and thetremie concrete was cast by the tremie ducts into the base sealing bulks,bottom partition bulksand side bulks of the cofferdam in succession and the concrete was cast in sections symmetricallyfrom both ends to the middle and from the outside to the inside.Key words:Wuhan Erqi Changjiang River Bridge;bridge foundation;double2walled steelboxed cofferdam;bridge construction收稿日期:2010-02-08作者简介:高培成(1962-),男,高级工程师,1994年毕业于华中理工大学,工学学士(gpc )。1武汉二七长江大桥中主塔墩基础围堰施工技术 高培成,佘巧宁1 工程概况武汉二七长江大桥位于武昌罗家路至汉口二七路一线,通航孔主桥采用(90+160+2616+160+90)m的三塔双索面斜拉桥。中主塔墩位于长江中心主航道上,其下部结构基础为18根 3.40 m钻孔灌注桩,行列式布置,纵桥向3排,横桥向6排;钻孔桩桩顶标高+4.50 m,桩底标高-80.50 m,桩长85m。承台为矩形,长52.50 m,宽30.75 m,承台顶标高+10.50 m,底标高+4.50 m,高6.0 m;承台上设3 m高塔座。基础范围内河床标高为+5+6 m,标高-20 m以上为第四系覆盖层,主要为松散粉细砂1。大桥设计水位为+27.64 m,20年一遇最高通航水位为+25.81 m,最低通航水位为+9.75 m。根据18652004年观测资料统计,汉口水文站历年最高水位为+27.81 m,最低水位为+8.06 m,多年平均水位为+17.08 m。2 总体施工方案武汉二七长江大桥合同工期为36个月2,为保证工程的顺利建成,必须在一个枯水期内完成钻孔桩基础施工并安全渡过汛期,结合墩位处历年水情统计、河床地质条件和以往的施工经验,决定采用双壁钢吊箱围堰法进行基础施工。钢吊箱围堰设计长56.7 m,宽34.95 m,高16.0 m,双壁厚度2.0 m(图1)。图1 中主塔墩围堰结构示意武汉二七长江大桥所使用的双壁钢吊箱围堰法是在以前单纯的防水双壁钢吊箱围堰的基础上,融合多年的施工经验,并对双壁钢吊箱进行了大胆创新设计而形成的一种先进的施工方法,该施工方法中极大地强化了围堰的使用功能,使围堰能满足水中墩基础施工中所需要的各种要求,即:为水上施工提供一个安全、方便的施工操作平台;围堰内部的定位导向系统能满足钢护筒插打的精度要求;作为钻孔施工平台能承受巨大的钻孔施工荷载;根据施工水位的要求,围堰能在自身提供巨大浮力的基础上方便的提升或下放;承受水压力,为下部结构水中构筑物施工充当挡水构件。中主塔墩基础施工主要流程为:钢吊箱围堰在工厂制造;墩位进行锚锭系统施工;围堰制造完成后整体滑移下水并浮运至墩位;利用锚锭系统对钢吊箱围堰进行精确定位;插打支承钢护筒,将钢吊箱围堰与支撑钢护筒连接,形成固定平台,完成体系转换;插打剩余的桩基钢护筒,进行钻孔桩施工;钻孔桩施工完成后钢吊箱围堰下放到承台施工标高,灌注水下封底混凝土;封底混凝土到达设计强度后,钢吊箱围堰内抽水、进行承台施工。3 围堰制造围堰制造场地的选择遵循以下原则:为便于围堰的拖带、航行、墩位定位和锚固,宜选择在桥位下游岸滩;围堰体量巨大,制造地和墩位间要有可靠的通行航道;为便于围堰下河,制造场地应尽量靠近航道。武汉二七长江大桥位于武汉市中心城区,桥址下游码头密集,航道繁忙,经实地考察,将围堰的制造场地安排在桥址下游约10 km处,该处长江河段被天兴洲分划成南、北两汊,为不影响航道,确保通航安全,制造场地最终安排在北汊的北边江滩。围堰制造时首先按设计图纸在工厂加工成板单元,然后在下河场地进行组拼。围堰为薄壁结构和空间桁架结构的组合体,组拼时先确定系统线,对称组拼,尽量减少组拼误差,合理估算焊接收缩余量,保证薄壁结构和空间桁架结构在接点处的传力要求。围堰制造和验收严格按钢结构制造和验收规范进行。由于围堰是水密构件,制造完成的围堰应做相应的水密试验。4 围堰下水及浮运4.1 围堰下水围堰采用气囊法下水(图2),即在斜坡上将围堰拼装成整体,在自重作用下,依靠围堰底圆柱形气2桥梁建设 2010年第2期囊的滚动将围堰滑移到水中。为保证围堰能在自重作用下滑移以及围堰在入水前、后气囊受力均匀,结合下水时的水位情况,将围堰的制造场地和地面滑道设计成一定的坡度(图3)。图2 围堰气囊法滑移下水图3 围堰下水断面示意为保证围堰在滑道上能够向前移动,并能控制围堰下滑的速度和大致方向,需要在围堰上设置后控制拉缆,拉缆的设计拉力大于围堰自重的最大下滑分力。后控制拉缆的固定端设置钢筋混凝土地锚,顶面与地面平齐,锚力通过外露的锚环传至锚体内。后控制拉缆通过2台滑车组与卷扬机相连(图4)。图4 后控制拉缆布置示意4.2 围堰浮运根据武汉二七长江大桥的实际施工情况,围堰有2种浮运路线可供选择,浮运路线1:围堰起航后,由拖轮沿北汊河道的下游方向溜放至天兴洲洲尾,绕过天兴洲后从长江南汊沿上游顶推,通过天兴洲大桥后到达墩位处图5(a)。浮运路线2:围堰起航后,直接由拖轮沿北汊顶推至天兴洲大桥处图5(b),2种方案优、劣比较见表1。围堰浮运时正处于枯水季节,同时,2008年长江三峡进行蓄水试验,致使武汉关长江水位急剧下降,天兴洲北汊河道淤积严重,特别是天兴洲洲尾河床淤积已无法满足围堰浮运的要求。经过研究,选用浮运路线2,即围堰从非主航道通过天兴洲大桥。围堰浮运具体实施方案为:利用2艘大马力拖轮图5 围堰浮运路线示意表1 围堰浮运路线方案比选可选浮运路线优势劣势浮运路线1(从主航道通过天兴洲桥)围堰从天兴洲大桥主跨处(主跨504 m)通过桥址,级航道,通航净宽455 m,航道水深,浮运作业水域宽广浮运路线长,且需在天兴洲尾调头,增加了浮运风险,对施工组织要求高浮运路线2(从非主航道通过天兴洲大桥)浮运路线短,围堰不需要调头直接逆水顶推就位围堰从北汊非主航道处(通 航 孔 跨 度80m)通过天兴洲桥址,级航道,通航净宽60 m,航道水浅,浮运作业水域狭小首先将围堰浮运到天兴洲桥位处,并临时锚锭;利用绞锚将围堰拖行通过天兴洲大桥;拖轮重新编队将围堰浮运至墩位。5 围堰定位采用重力锚锭系统进行围堰定位。重力锚锭系统由大吨位霍耳铁锚,前、后定位船及连接围堰的拉缆组成(图6)。锚锭系统施工完成后,围堰未到达墩位前,对锚锭系统进行预绞,即将前、后定位船用拉缆连接后进行对拉,其作用为:使铁锚处于较好的受力状态,检验锚锭系统的安全;收紧整个锚锭系统,便于围堰精确定位。图6 围堰重力锚锭系统布置围堰浮运到墩位后,在拖轮的帮助下,将布置在围堰上的拉缆拉到前、后定位船上,围堰受力转换完成,解除拖轮,调整各拉缆,使围堰大致处于设计位置,完成围堰边锚抛设,围堰初定位完成。随后进行3武汉二七长江大桥中主塔墩基础围堰施工技术 高培成,佘巧宁测量监控,调整锚锭系统,使围堰相对垂直度达到1/1 000以内,平面位置及扭角均调整至 50 mm,扭角偏差 2,完成围堰精确定位。6 围堰挂桩围堰定位完成后进行围堰挂桩,即插打定位钢护筒,将围堰与已经插打完成的钢护筒进行连接(图7),使围堰形成一个稳定的钻孔平台,围堰上的施工荷载可通过围堰的挂桩牛腿传给插打到位的钢护筒上。围堰挂桩前认真测量复核定位钢护筒标高并放线,在8个定位钢护筒上安装围堰挂桩设施,检查合格后,进行围堰下沉的工作。围堰采用灌水下沉的方法施工,在施工前根据实际的水位计算好灌水深度作为控制标准,在围堰灌水下沉的过程中,应注意观测围堰的顶面标高、平面位置并及时调整。围堰下沉到位后,及时用钢楔将护筒与活动导环之间楔紧,至此围堰定位完毕。在后续的施工过程中应注意根据水位情况对双壁舱及时补水或抽水,以调整定位护筒的受力情况。图7 围堰挂桩围堰挂桩施工除满足结构受力需求外,合理确定围堰的挂桩标高也极为重要。该工程围堰的挂桩标高取决于以下几方面:钻孔桩的施工进度;施工水位情况,即在整个钻孔桩施工过程中,围堰顶面平台不能被江水淹没;由于中主塔墩处河床标高为+4+6 m,围堰封底时其底口标高为+0.0m,所以还要考虑如何充分利用围堰压缩河流断面对河床进行自然冲刷,以减少后期河床的清淤工程量。中主塔墩钻孔施工工期安排为:2008年12月2009年9月,在此段时间内武汉关长江历年平均水位为+20.2 m。经分析,决定将围堰顶面标高挂设在+21.5 m标高处,此高度高于钻孔桩施工时段长江水位1.3 m,可以满足钻孔桩施工渡洪要求;另外在此标高处,围堰底口距离河床高度有23 m,也有利于河床冲刷。后经过实践证明,围堰在中主塔墩钻孔桩施工过程中,既保证基础施工所需功能要求,又满足了汛期的防洪要求,围堰挂桩方案效果良好;同时,对钻孔桩施工完成后的河床标高进行测量表明,墩位处河床标高也基本达到了预期的冲刷效果。围堰挂桩完成后,插打剩余钢护筒,进行钻孔桩施工。7 围堰下放、封底钻孔桩施工完毕后,需将围堰下放至围堰封底设计工况(顶面标高+16.0 m,底板标高+0.0 m),以满足承台施工的需要。围堰下放采用一次到位的下放方案。围堰下放施工时应注意以下问题:正确估算围堰荷载重量,确保围堰下放提升装置的提升力有一定的富余,满足围堰下放基本要求;汛期围堰下放时长江水位高、流速大,需分析围堰下放对围堰拉缆的影响,以保证围堰的稳定;下放过程中围堰要保持平稳,下放操作要在安全可控的状态下进行。围堰下放前,检查河床冲刷情况,将围堰处河床标高降至-0.6 m以下。安装围堰下放提升装置,抽出双壁舱内的水使围堰自浮,在自浮状态下拆除挂桩牛腿,对称、均匀向围堰双壁舱内灌水,使围堰缓慢、均匀下沉至设计高程。利用围堰下放提升装置调整围堰的垂直度,使其 1/1 000,利用锚锭系统和横向控制系统精确调整围堰的平面位置,使其精度达到:中心位置偏差 50 mm,扭角偏差 2。围堰位置定位完成后,潜水员下水将钢护筒与围堰固定下导环位置抄垫牢固,固定围堰平面位置。安装围堰挂桩设施,固定围堰标高位置,拆除提升装置,完成围堰下放施工。围堰下放到位后,进行围堰清淤、堵漏,完成围堰封底。围堰的封底混凝土浇注一次浇注完成。封底水下混凝土浇注采用垂直导管法进行,通过对围堰的内力分析,先浇注封底舱和底隔舱,待封底舱与底隔舱混凝土达到标准强度的75%以上后,进行侧舱混凝土浇注。根据围堰底隔舱的设计,按照从两端向中间、从外向内的顺序分块、对称进行施工。8 施工方案实施效果武汉二七长江大桥中主塔墩基础施工中采用上述施工方案,围堰定位快速,定位精度高(围堰垂直(下转第13页)4桥梁建设 2010年第2期参 考 文 献 1 项海帆.现代桥梁抗风理论与实践M.北京:人民交通出版社,2005.2陈政清.桥梁风工程 M.北京:人民交通出版社,2005.3 朱乐东.桥梁涡激共振试验节段模型质量系统模拟与振幅修正方法J.工程力学,2005,22(5):204-208.(ZHU Le2dong.Mass Simulation and Amplitude Con2version of Bridge Sectional Modle Test for Vortex2Ex2cited ResonanceJ.Engineering Mechanics,2005,22(5):204-208.in Chinese)4 李加武,林志兴,项海帆.桥梁断面雷诺数效应J.空气动力学学报,2005,23(1):123-128.(LI Jia2wu,LIN Zhi2xing,XIANG Hai2fan.ReynoldsNumber Effect of Bridge Deck SectionJ.Acta Aero2dynamica Sinica,2005,23(1):123-128.in Chinese)5 金 挺,林志兴.扁平箱形桥梁断面斯特罗哈数的雷诺数效应研究J.工程力学,2006,23(10):174-179.(J IN Ting,LIN Zhi2xing.Reynolds Number Effects onStrouhal number of Flat2Box Girder Bridge DecksJ.Engineering Mechanics,2006,23(10):174-179.inChinese)6Gnter Schewe,Allan Larsen.Reynolds NumberEffects in the Flow Around a Bluff Bridge Deck CrossSectionJ.Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics,1998,74-76:829-838.7 张 伟,魏志刚,杨詠昕,等.基于高低雷诺数试验的分离双箱梁涡振性能对比J.同济大学学报(自然科学版),2008,36(1):6-11.(ZHANG Wei,WEI Zhi2gang,YANG Yong2xin,etal.Comparison and Analysis of Vortex Induced Vibra2tion for Twin2Box Bridge Sections Based on Experi2ments in Different Reynolds NumbersJ.Journal ofTongji University(Natural Science),2008,36(1):6-11.in Chinese)8 曹丰产,葛耀君,吴 腾.钢箱梁斜拉桥涡激共振及气动控制措施研究C/第十三届全国结构风工程学术会议论文集,2007:668-673.9Khalak A,Williamson C H K.Dynamics of a HydroElastic Cylinder with Very Low Mass and DampingJ.Journal of Fluids and Structures,1996,10(5):455-472.(上接第4页)度控制在1/2 000以内,纵、横向偏差均 30 mm,扭角偏差 2),节约工期1个多月,取得了良好的经济效益和社会效益。9 结 语武汉二七长江大桥中主塔墩基础通过采用大型钢吊箱围堰进行整体制造、整体下水、整体浮运的施工工艺,为大型深水钻孔桩基础在一个枯水期建成和安全度洪提供了先决条件;利用钢吊箱围堰兼作钻孔施工平台,二者合二为一,缩短了工期,按照业主的要求和投标施工组织设计的承诺,安全地按既定目标工期完成了中主塔墩基础施工。该施工技术主要适用于深水或潮汐河段的大型基础施工,具有以下优点:(1)围堰工厂化制造,整体浮运就位,减少了现场施工工序,缩短了工期,节省了工程投资,降低了施工安全风险。(2)围堰水上施工工期短,同时围堰平台兼作钻孔平台,几乎可以布置所有的施工机具,对航道干扰很小。(3)围堰定位精度高,围堰自身稳定性好,有效保障了工程质量。(4)围堰抗洪能力强,利用围堰自浮功能,根据施工水位变换及时调整围堰标高,提高了钻孔桩施工的汛期适应性。参 考 文 献:1 中铁大桥勘测设计院有限公司.武汉二七长江大桥初步设计文件Z.2008.2 武汉市城市建设投资开发集团有限公司.武汉二七长江大桥合同文件Z.2009.31不同尺度扁平箱梁节段模型涡激振动风洞试验 鲜 荣,廖海黎