整体式钢浮箱在跨海大桥桥墩施工中的综合运用.pdf

2 0 0 6 年 9 月第 5 期 城 市道桥 与 防洪 管理施工 1 0 5 整体式钢浮箱在跨海大桥桥墩施工中的综合运用 张 洪光 陈礼 忠(上海市基础工程公 司，上海市 2 0 0 0 0 2)摘要：在水中进行墩基础和防撞设施施工，搭设操作平台是关键，在风大浪急的外海，施工难度更大。该文结合东海大桥 主通航孔辅助墩及其防撞墩施工的成功经验，为平台设计和搭设、承台吊箱围堰设计和防撞墩施工等提供了一揽子解决方 案，可供类似工程参考和借鉴。关键词：跨海大桥；防撞墩；钢浮箱；接高下沉；有限元分析 中图分类号：U 4 4 3 2 2 文献标识码：A文章编号：1 0 0 9 7 7 l 6(2 0 0 6)0 5 0 1 0 5 0 4 1 工 程概 况 期难以保证。已建成的东海大桥是我国第一座外海大型桥 梁，北起南 汇芦 潮港，跨 越杭 州湾北 部海域，止于 洋山岛，是洋 山深 水港 的重要 配套设施，工程全长 3 0 5 k m。主通航孑 L 为主跨 4 2 0 m的单索面钢 一 混 结合梁斜拉桥。辅助墩承台平面尺寸 3 0 6 m1 6 6 m，高 4 0 m，底标高+O 0 m，基础为 1 4根直径 2 5 m、桩长 8 5 m的钻孑 L 灌注桩；防撞墩基础为 1 2根直径 1 3 m、长度 4 8 m的钢管桩，防撞结构为实心承 台和 空心隔栅结构(内灌海砂)。结 构均采用高性 能海 工 混凝 土(桩 基础 为 水下 C 3 0、承 台为 C 4 0、墩 座 和墩柱为 C 5 0)。辅助墩及防撞墩设计见 图 1。工程 所在位置海 区 属非正 规半 日浅海 潮 区，海水深度在 9 5 IT I 1 2 7 IT I 左右，河床面标高 一 1 1 IT I，最大潮差 为 5 1 4 IT I，平均潮 位为+0 3 4 IT I，年平 均浪高 0 8 IT I，区内最大风力一般为 7 8 级，最 大风速 2 3 m s，年平 均可作业 天数不足 1 8 0 d。该工程基础 施工的主要特点 是：风大浪急，平 台搭设难度大，施工条件差，水上施工周期长，工 收稿 日期：2 0 0 6 0 7 3 1 作者简介：张洪光(1 9 5 7 一)，男，上海人，高级1 二 程师，副总经理，从事桥梁施工管理lT作。乜G 已S乜 邑G 邑 e 雷8 8 邑 eG 8雷 S邑 乜G 0 S乜 G邑 G 邑 G 并对总体工期 目标进行全面分析，合理安排每项 关键节点，选择最优施工方案，及时组织施工，才 能做到经济合理、安全可靠。海上施工条件恶劣，必须认真抓好每道施_ 工艺。在主塔施工中，重点是要保证模板系统在风 力作用下 的稳定性，劲性骨架 的应用 和模板 系统 的选择尤其重要，对于裸塔施工期间临时抗风支 撑的设置必须根据计算和施工安排确定。由于海上施T条件复杂，还需不断摸索，吸取 教训，总结经验，进一步优化工艺流程，使海上斜 单位：c n l 图 1 辅助 墩 及防 撞墩 设计 图 2技术方案的确定+6 0 0 1 1 8 6 一半均高潮位 1 3 1 _ 平均高潮位 水 中桥墩和 防撞 墩施工 的常规技术 方案一般 为：搭设高桩平台一打设钢护筒一钻孑 L 桩施工一 部分 平 台拆除一 安装 钢套箱 围堰一 封 底混 凝土、承 台施 工一 安装 防撞 墩 钢 套箱 一 防撞 墩 结 构施 工。通过深入分析和研究后，意识到常规方案的实 施有较 大困难：(1)在环境恶劣的海区搭设高桩平 台施工难 度大，钢护筒打设精度无法保证，对打桩船设备的 要求较 高。(2)平台拆除和钢套箱围堰安装 占用大量时 间，钻孑 L 桩完成后不能迅速转入承台施工，时间跨 拉桥施 工工艺更臻成熟。参考 文献 1 抗 风设 计规 范，J T G T D 6 0 0 1 2 0 0 4 s 北京：人 民交 通 出版 社 2 0 0 4 2 路桥 国际东海大桥 V I I 标项 目部 颗珠山大桥总体施工组织设 计 z 2 0 04 3 陈明宪 斜拉桥建造技术 M 北京：人民交通出版社，2 0 0 3 4 刘 士林，梁 智涛 等 斜拉 桥 M 北京：人 民交通 出版社，2 0 0 2 5 周孟波 斜拉桥手册 M 北京：人民交通出版社，2 0 0 4 维普资讯 1 0 6 管理施工 城 市道桥 与防洪 2 0 0 6 年9月第 5 期 度大，增加了很多不确定因素。(3)辅助墩和防撞墩独立施工，将存在两次安 装钢套箱围堰现象，设备和材料需求量较大、周转 时间长，施1 二 成本高。经过方案比选，最终构思了一个与传统工艺 相对的全新的工艺方案整体式钢 自浮套箱方 案，即：(1)将辅助墩和防撞墩平台设计成整体式 钢浮箱，采用在陆上船台制作、浮运至现场定位安 装；(2)钢护筒和防撞桩通过钢浮箱预留的导管孔 插打完成，解决了钢护筒定位问题；(3)浮箱上部 的甲板用作钻孔桩和上部结构的施工场所，浮箱 下部用作辅助墩和防撞墩承 台施工时的模板支 撑；(4)钻孔桩施工完毕，对浮箱进行适 当改造后 可立即转入承台施工，以加快施工进度；(5)将防 撞墩套箱体与主体浮箱平台割开，接高下沉即可 进行 防撞墩施 工。3 钢浮箱设计及计算分析 3 1钢浮箱设计 钢浮箱 的主 尺度为：型长 6 2 6 6 m、型宽 2 1 0 m、高 7 0 m。甲板以下部分为首尾呈菱形，中间为 平行段的浮体。取 2 0 年一遇的有效波高确定平台 面标高为+6 0 m。钢浮箱平台结构见图2。图 2 钢 浮箱 平台 结构 图 浮箱的结构采用单底、单壁，横骨架式，内部 设置 4道横舱壁、2道纵舱壁；面板 8 m m，主龙骨 为 T排(上 5 0 0 X 1 2 2 0 0 X 1 6)，次骨 为 L 7 5 X 7 5 X 8，甲板主梁为 I 4 0 a。浮箱设有用于打设护 筒桩和 防撞桩的钢套管和预留孔洞。甲板层根据各部位 的功能要求其设计荷载分别为 2 d ln 4 d ln 。钢 浮箱包括甲板及其附属重量约 8 5 0 t，空舱吃水约 1 5 m。3 2 有限元计算分析 3 2 1钢浮箱整体受力 阶段 根据钢浮箱结构设计图，建立有限元模型，在 建模过程中采用分组建模技术。浮箱板材大部分采用四节点的板壳元模拟，在局部特殊连接的部分采用三节点板壳元模拟。钢护筒、钻孔桩、防撞桩及措施桩均采用梁单元模 拟，钢管混凝土采用组合截面的梁单元进行模拟。对于浮箱的强横梁、纵桁、肋骨用梁单元模拟，并 且采用偏心梁 的设置。桩底考虑在 泥面以下 5倍 桩径处固结。钢浮梁整体有限元计算模型见图 3。图 3 钢 浮箱整 体有 限元 计算 模型 主要计算的不利工况：(1)工况 1：插打定位桩。验算内容：定位桩及 箱体的强度和变形。(2)工况 2：钻孔桩施工。验算内容：钢护筒、桩、箱体及甲板层的强度和变形。(3)工况 3：体系转换及承台施工。工况 3 a：高 潮位时，验算空浮箱的侧壁强度和变形(混凝土未 浇筑)。工况 3 b：低潮位时，验算侧壁的强度和变 形(混凝 土 已浇筑)。各个工况下结构的最大应力如表 1 所示。表 1 钢浮 箱结构 的 应力 表(MP a)结论：在钢护筒(桩)与浮箱顶底板的连接处 出现应力集中现象，但在连接区域外的应力几乎 都在容许范围内，故对这些区域进行局部加强或 采取构造措施以改善受力状况。3 2 2 防撞墩箱体分离下沉 阶段 防撞墩箱体有限元计算模型见图4。图 4 防撞墩 箱体 有 限元计 算模 型 维普资讯 2 0 0 6 年 9 月第 5 期 城 市道桥 与防洪 管理施工 1 0 7 主要 计算的不利工况：(1)套箱下沉到标高。验算 内容：底板、侧壁 的强度和变 形。(2)浇筑水下封底混凝土。验算 内容：底板、侧壁的强度 和变形。(3)抽水完成。验算 内容：底板、侧壁的强度 和变形，底 板与钢管桩铰接点支反力。(4)浇筑承台混凝土。验算内容：侧壁的强度 和变形，底板与钢管桩铰接点支反力。结论：各工况下防撞套箱体的底板和侧壁应 力都在容许范围内，满足使用功能；工况(3)和(4)状态下浮箱底板 和钢管桩将承 受最 大为 1 9 0 t 的支反力，应通过设置抗浮牛腿传递到钢管桩上。4 钢浮箱施工 4 1钢浮箱制作和浮运 钢浮箱在船厂的船台上进行加工制作，采用 零件拼装、分散组 装、船 台总装 的工艺流程。钢 浮 箱整体制作完成后，进行最终检验，随后安装附属 设施，最后用平 车沿轨道下水。浮运选 择在小 潮汛期 间，6级 风以下进行，利 用 浮箱 自身 的浮力拖 运，由三艘 拖 轮(一艘 1 6 7 0 H P、两艘 9 0 0 H P)拖带至施工海域。为了保证拖运 安全，在浮箱上设置警示旗帜、安装警戒灯。4 2 钢浮箱 就位安装 浮箱根据“D G P S”导航进行初步定位，初定位 依靠 自身 的锚泊 系统。二 次精 定位 时在钢 浮箱 的 强制对中架上安装棱镜，利用主墩平台上的控制 点上 架设全站仪 对浮箱平 台安装进行测 量，并根 据测量结果进行绞锚纠偏，控制浮箱平面位置偏 差小于 5 0 m m；二次定位 由4根定位钢护筒、8根 定位防撞桩共同参与。定位桩打好后将其他防撞 桩也全部 打入并 与浮箱焊 接固定后，锚 泊系统 即 可解 除(见 图 5)。图 5 钢 浮 箱锚泊 定 位 定位桩的插入和打设 由“建基 1 5 0 1”打桩船 挂D 1 0 0锤实施。打桩作业完成后，在定位桩设计 位置焊接限位牛腿，待涨潮时进行抽水起浮，当浮 箱 甲板顶住 限位牛腿后，将 甲板层用 承剪板 和桩 焊接，最后利用低潮位将箱底与桩连接，完成钢浮 箱标高的固定。4 3 防撞墩套箱体 下沉就 位 辅助墩施工完毕后，将 防撞 墩范 围钢套 箱接 高，与承台切割脱离，下沉至设计标高后即可进行 防撞墩施 工。原防撞墩套箱侧壁高度仅 7 m，根据施工需 要接高至 1 4 6 m。上下共设 4道水平内支撑，其 中第 2道支撑利用原平台甲板层，其余支撑采用(1)3 2 58钢管。根据计算，钢套箱 自重(包括 内部支撑 及附 件)共 3 0 0 t。在 防撞桩 上搭设 H5 8 8横 梁，安装 4 台 1 0 t 卷扬机(钢丝绳走 1 2)，作为钢套箱下沉时 的动力设备。在底板上安装吊装横梁，与底板 T 排焊接成整体。利用套箱底板 和第 二道水平 支撑 设置下沉 导向。防撞墩套箱接高下沉示意见图 6。_ 一 一 _ 营 卜 l 巷扮机 !硒 _ I I 卜 I I II I I，U _ I 8 士 C-r-r -r-e-L -单位：图 6 防撞墩 套 箱接 焉下 沉 示意 图 带紧卷扬机钢丝绳，先将防撞墩套箱与承台 区域的钢浮箱平 台割 离，随后割 除 甲板层 与防撞 桩的连接板，利用高平潮或低平潮流速较慢时缓 慢下沉 至设计标 高。卷扬机 限位 固定后，用型钢水 平撑和斜撑将钢管桩与侧壁连接，保证套箱体不 发生水平位移，并将套箱体的 白重传递到钢管桩 上。将防撞墩套箱体重新与承台钢浮箱平台连接，以克服水流和波浪对套箱的破坏作用，维持施工 期 间套 箱的稳 定性。维普资讯 1 0 8 管理施工 城 市道桥 与防洪 2 0 0 6 年 9 月第 5 期 5 结构施工 5 1钻孔桩 成孑 L 设备选择 2台 Q J 一2 5 0型钻机，钻头选 用防斜梳齿钻头，钻头配配重“减压悬吊钻进”，以 防止孑 L 斜与提高钻进效率。采用气举反循环的成 孑 L 工艺、主筋直螺纹套筒机械的钢筋笼制作连接 工艺、水上搅拌船拌制混凝土、导管法水下灌注混 凝 土成桩 的施工 工艺。钢筋笼总重量 4 9 t，单节钢筋笼定长 9 m，主 筋 3 2，采用滚压直螺纹机械连接，具有操作简 便、连接速度快、下笼迅速等优点。每个平台配 1 台 1 0 0 t 履带吊机，负责钻机就位、钢筋笼吊装。钢筋笼采用两点起吊，对接下笼设计固定架(挂 4 只 2 0 t 葫芦)进行微调对中。5 2 承 台和墩柱 在低潮位时将钢护筒和浮箱底板的间隙用钢 板密闭，随后浇筑一层混凝土垫层。承台厚度 4 m，一次浇筑成型，混凝土采取 内散外蓄养护。墩柱施工垂直运输采用 Z S C 4 0 2 5高吊，混凝 土由搅拌船提供。墩柱为分节现浇混凝土，分节高 度 5 m，采用定型钢模板”翻模法施工”，由塔吊 提 升。5 3 防撞墩 为保证封底混凝土摊铺效果，将钢套箱底板 T排面用薄钢板封盖。封底混凝土采用多导管点 连续灌注，每个导管点应在混凝土摊铺到该点前 完成初灌。灌注过程中应对所有导管定时循环供 料，防止堵管。封底混凝土达到强度后关闭连通管，抽水，焊 接抗浮(重)反力牛腿，分层浇筑承台混凝土和格 栅混凝土。钢套箱内的四道水平支撑在混凝土浇 筑过程 中逐步拆除。防撞墩封底混凝土底标高 一 8 5 m，平均水深 约 9 m，加 上桥址 海况 复杂，风浪较 大，故封底 质 量是防撞墩施工的关键点。封底t 昆 凝土施工中应 注意以下事项：(1)连通管。钢套箱应设置足够过水能力的连 通管，维持封底混凝土养护期间套箱内水位平衡。连通管根据施工期间最大涨落潮落差设计，过水 速度应小于平均涨落潮速度。(2)止水。应将钢管桩与套箱底板的间隙用两“哈夫”抱箍封闭，防止混凝土漏失；派潜水员将钢 管桩上附着的生物、杂质清理干净，保证与混凝土 的粘结效果；钢管桩和钢套箱侧壁设一道止水钢 带，防止海水从薄弱的交界面上窜，止水带设在封 底混凝土 中部。(3)抗 风浪措 施。为克服施工海 区风浪对封底 混凝土浇筑质量的影响，必须将防撞墩钢套箱与 承台结构可靠连接，将所有钢管桩与套箱连成整 体，共同抵抗风浪的巨大的破坏作用。6 结 语 实践证明，整体式钢 白浮套箱技术，在承台基 础和防撞墩施工中的运用是非常成功的。它对传 统的水中墩基础施工工序进行 了有机的整合，省 去了大量的水上作业工序，克服不利 自然条件的 影响，解决了钢护筒施打精度问题，有效地缩短了 水中墩基础的施工周期。东海大桥辅助墩整体式 钢浮箱技术为水中墩基础施工提供了一个成功的 典范，值得推广和借鉴。参 考 文献 1 陆云等 东海大桥主通航孔主塔墩蜂窝状钢浮套箱平 台的设 计研究 与应 用 J 1 上海：建筑 施 工，2 o o 4(7)2 铁路桥梁钢结构设计规范 s 2 0 0 0 【3 1 海港水文规范【s】1 9 9 8、新疆 3个高速公路建设项 目开工 近 日，连 一霍国家高速公路赛里木湖 一果子沟 口、果子沟口一霍尔果斯及 2 1 8国道清水河 一伊宁 三个高速公路建设项 目开工仪式在霍城县清水河镇举行。连 一霍国家高速公路赛里木湖 一果子沟口公路改建工程全长 5 6 k m，采用高速公路标准建设，总工 期 4年，初步设计总概算为 2 3 9 亿元；果子沟口一霍尔果斯高速公路建设项 目全长 5 0 k m，另建辅道 3 8 公里，总工期 3年，初步设计总概算为 9 1 3 亿元。2 1 8国道清水河 一伊宁高速公路项 目全长 5 6 k m，总工 期 3 年，初步设计总概算为 1 2 6 0 亿元。维普资讯