1、2001年度技術交流會論文選集長壽長江大橋水中墩施工方案宋偉俊 李德坤 朱云翔 劉振亞 劉友金 涂滿明 李芳軍1 工程概況 長壽長江特大橋是新建鐵路渝懷線上跨越長江的一座特大橋，位于長壽縣境內，中心里程為DK89+623，橋跨布置為2x24m+332m預應力混凝土簡支梁+(144+2192+144)m下承式連續鋼梁+232m預應力混凝土簡支梁。橋梁全長898.36m，全橋位于曲線及直線平坡上，橋高95m。按復線要求一次建成。主墩為圓端形空心墩，墩身高度為49.3m，6號、7號墩采用樁基礎、高樁承臺，每墩10根3.0m鉆孔樁，承臺尺寸25.2m17.4m6 m。 橋位范圍水深流急，水運繁忙。6#
2、、7#墩枯水期水深分別是16米和31米，水流為2.53米/秒。河床覆蓋層為卵（漂）石，6#墩河床底部段有89m卵石土，7#墩河床底部段有3.511m卵石土。其中，6#墩處漂石含量約5075%，粒徑200450mm，個別大于500mm，卵石含量約20%，粒徑一般50200mm，少數2050mm；7#墩處卵石粒徑20200mm為主，約占55%70%，個別大于200mm。下伏巖為泥巖夾砂巖和砂巖，極限抗壓強度分別為13Mpa和29Mpa。7號墩巖面傾斜37度。2 方案選定 本橋原總工期為35個月，兩個水中墩安排在兩個枯水期完成。由于設計圖紙滯后，為滿足總工期的要求，必須將兩個水中墩在一個枯水期開工。
3、因此，施工工期和通航安全是確定方案的主要考慮因素。 結合本工程的工程規模及工期要求，我局組織專家組及施工單位對橋位的水文地質特點進行了認真分析，開了多次施工方案研討會，對各種施工方案分析、比較，認為雙壁鋼圍堰方案在本工程應用存在如下缺點： 1）工期長，不能滿足總工期目標要求，雙壁鋼圍堰要經過底節拼裝、起吊入水、分塊接高、下沉等工序，施工周期長，不能進行平行作業。 2）體積大，水流阻力大，且占用河道寬，對通航影響較大。雙壁鋼圍堰必須做成圓形，直徑為33m，圍堰高度為6#墩43m、7#墩30m。 3）雙壁鋼圍堰在卵石覆蓋層，尤其是卵石粒徑大、漂石含量多的地層中下沉很困難。 4）下伏巖面高差較大，圍
4、堰須做成高低韌腳，難于控制。 針對雙壁鋼圍在本工程應用存在的缺點，經專家組及施工技術人員共同研究，對雙壁鋼圍堰施工方法作了改進，我們稱之為雙壁吊箱圍堰，主要優點如下： 1）阻水寬度小，有利通航。雙壁吊箱圍堰在外形上做成圓端形，阻水面寬度為20m，減少了阻水面積和航道占用寬度，對通航安全有較大改善。 2）工期短。雙壁吊箱圍堰可以在工廠整體制造，下滑入水，浮運就位，省去了雙壁鋼圍堰在現場拼裝接高的大量工作，贏得了時間。 3）施工難度減小。雙壁吊箱圍堰是帶底板結構，無需下入河床，只要將鋼管柱下插至巖面。雖然在這種卵石層中插打鋼管柱也很困難，但比整個鋼圍堰下沉至巖面難度要小。 4）經濟指標好，用鋼量比
5、較接近，節約砼19727方。雙壁鋼圍堰和雙壁吊箱圍堰主要技術指標比較表方案項目指標雙壁鋼圍堰雙壁吊箱圍堰6#墩7#墩6#墩7#墩圍堰用鋼量（t）688.8448.6601(含平臺)557(含平臺)施工平臺用鋼量(t)24024000鋼護筒用鋼量(t)495327779514砼用量(m3)1488785882248.91498.3圍堰阻水寬度(m)33332020工期(天)(自浮運開始至承臺完成)2302051931633 雙壁吊箱圍堰方案設計 3.1 總體方案簡介 雙壁吊箱圍堰方案的總體思路是：圍堰在工廠整體制造，同時進行導向船拼裝和拋錨定位工作，圍堰制造好并驗收合格后，順滑道下水，浮運至墩位
6、，將雙壁吊箱圍堰的兜纜過渡到定位船上，收兜纜將圍堰喂入導向船內，在雙壁圍堰內加水，使圍堰下沉，將圍堰兩側的支撐牛腿支在導向船的分配梁上，與導向船連為一體。通過收緊錨繩調整并定位雙壁吊箱圍堰的位置。 雙壁吊箱圍堰設計為一個帶底板結構，將鋼護筒的導向架、施工平臺、吊箱圍堰的功能融為一體，一次到位，圍堰定位后，通過設在圍堰上的上下導環，插打鋼護筒，并在護筒內鉆巖一定深度填充砼至河床面，利用主體結構鋼護筒（鋼護筒須加厚）作定位樁。待4根定位樁完成后（6#墩為6根），進行體系轉換，將雙壁吊箱圍堰掛在定位樁上，圍堰與導向船脫離關系。在圍堰平臺上繼續插打其余鋼護筒至入巖少許，然后將其與圍堰支撐環焊接。吊箱圍
7、堰內封底。達到強度后，在圍堰平臺上安裝鉆機鉆孔，先鉆定位樁之外的樁，然后施工定位樁處的樁孔，完成后抽水施工承臺（承臺分二次澆注），基礎施工完成。 3.2 導向船布置 3.2.1 布置簡介 導向船采用兩艘800t鐵駁，以萬能桿件桁梁聯結而成。兩駁船間凈距21.3m，兩連接梁內桁間距35m，為方便圍堰由下游進入導向船，下游連接梁柱腳高于上游連接梁。每套導向船組上布置一臺50噸架梁吊機，一臺20噸桅桿吊機，以滿足鋼護筒吊裝，鉆機吊裝和鋼筋籠吊裝需要，其中50噸吊機是按最大吊裝重量配置的主要吊機，20噸為輔助施工吊機。為確保圍堰在水流及風力作用下保持穩定，在導向船上設4個導向支架（上設方木靠幫）。 3
8、.2.2 導向船計算 導向船計算分為兩部分:船體結構計算及連接桁梁計算。導向船800t鐵駁采用的是非工程駁，其導水流作用優于工程駁，但船頭、船尾等部分受力情況比工程駁要差一些。考慮到吊機及其支架自重、圍堰支承牛腿反力等外荷載的不平衡作用，首先要對船艙進行壓重，確保船體受力均衡。在各種外荷載（吊機、壓重、支架等）作用下，除應驗算船體總體應力（驗算龍骨系統）外，在荷載作用點下還要驗算局部受力狀況，不足處需進行加固。 連接梁是空間桁架結構，分為以下兩個工況進行計算：浮運和吊機吊重。浮運時由于導向船是單獨浮運（與圍堰分開），受力并不大，計算時視導向船為剛體，兩邊連接梁與之鉸接，形成框架形結構。以一艘導
9、向船為支點，計入另一艘導向船所受風力、水流阻力及連接梁所受風力進行計算。吊重工況計算時根據吊機在不同的方位起吊時計算其下支架及連接梁的受力狀況，比較后取最大值配置桿件，荷載應計入側錨預拉力、風力及施工荷載等。 3.2.3 導向船施工 為減小拼裝難度及不影響航道，導向船連接梁及吊機可在岸邊用50t及30t浮吊拼裝，完成后由2艘拖輪浮運至定位船后方，系好拉纜后逐步放松，使導向船組順流浮運到墩位，然后再系定邊錨及尾錨。 3.3 錨碇布置 3.3.1 主要組成部分及作用 根據橋位處的地質、水文及航道情況，結合所采用的施工方法，設計了2套錨碇系統（由于工期緊張，必須采用2套錨碇系統來滿足6#、7#墩基礎
10、施工需要）。其基本布置思路是因地制宜，必須安全強大且能夠迅速高效地實施布設。 錨碇系統由前定位船（400t鐵駁）、導向船（2艘800t鐵駁）和主錨、尾錨、側錨、錨鏈、錨繩及收緊系統等幾部分組成。定位船在墩位上游設置，用作確定、調整導向船及圍堰順水方向位置，控制主錨受力。導向船是由萬能桿件連成整體的2艘800t鐵駁，既作為調整鋼圍堰位置的約束體系，又作為基礎施工的輔助工作平臺。導向船與定位船之間通過6根43拉纜連接固定。圍堰與定位船、導向船間設兜攬連接。整套錨碇系統設備、材料繁多，施工組織復雜。 主錨承擔錨碇系統順水方向的所有外力（風力及水流沖擊力）作用。尾錨主要是承受尾部方向的風荷載，適應主錨
11、受力及調節導向船系統和圍堰的位置。側錨作用是調節和控制定位船、導向船的橫向位置，使定位船、導向船在橫向風力、水力、船舶撞擊下保持穩定。為保證航道通航安全，側錨采用長錨鏈將錨繩盡量壓在河床下。（圖一：6#墩錨碇系統布置圖）。 3.3.2錨碇系統計算 錨碇系統總壓力是根據水流、風向對鋼圍堰、定位船、導向船、工作船作用的力進行計算的。在不同的施工階段圍堰及船組的受力情況也不同，取圍堰下沉到位為控制工況。圍堰受水流阻力是主要因素。其計算公式如下： R=kr(V2 /2g).A式中： k水流阻力系數，取0.75 V計算水流速度，取3(m/s) A圍堰入水部分在垂直水流方向的投影面積 錨碇系統主要計算數據
12、匯總表（括號外為6#墩荷載，括號內為7#墩荷載）序號名稱數值備注1鋼圍堰水阻力84.5t按吃水深12.5m計算2鋼圍堰風阻力3.6t按風壓60Kg/m2計算3導向船水阻力7.0t按吃水2.2m計算4導向船風阻力28.1t按風壓60Kg/m2計算5定位船水阻力2.3t按吃水1.8米計算6定位船風阻力1.1t按風壓60Kg/m2計算7工作船水阻力5.4t4艘工作船及1艘浮吊8工作船風阻力7.2t按風壓60Kg/m2計算9插樁的水流作用力42.3T(11.5T)按同時插打兩根護筒計算10主錨所受總阻力181.5T(150.7T) 側錨、尾錨受力按主錨受力的40%計算。 3.3.3 錨碇系統施工方案
13、由于長壽長江大橋工期緊張，在拋錨工作量非常大、時間又短的情況下，各類錨（地龍除外）均采用鐵錨，主要施工工序如下：導向船拼裝、浮運就位導向船尾錨、邊錨拋錨定位定位船拋錨定位 鋼圍堰制造、浮運鋼圍堰導向船剛性連接、精確定位后開始插打護筒 為減小投入，長壽橋擬采用8t以下舊的霍爾式鐵錨及有檔錨鏈，并用“甩梢”的方法進行拋錨：拋錨時采用拖輪拽帶拋錨船浮運至錨位，由測量組用全站儀測試位置后，松開掛置鐵錨的鋼絲繩，鐵錨因自重而落入河床，錨繩及錨鏈也隨之落入河中。 3.4 雙壁吊箱圍堰 3.4.1 結構設計概況 圍堰平面尺寸為33.2m20m，考慮到水流沖擊及結構受力等因素，圍堰橫橋向采用圓端形過渡，形成一
14、個長形結構。6#墩圍堰高15.5m，自重600t，封底砼高2.5米，倉內填充砼高7米。7#墩圍堰高13m，自重560t，封底砼高2米，倉內填充砼2米。圍堰由側板、底板及龍骨、內支撐架和上下導環等部分組成，形成集鉆孔平臺和承臺施工平臺為一體的結構，綜合了雙壁鋼圍堰與吊箱圍堰的特點。 側板為雙壁結構，內外壁間距1.2m，具備自浮能力，通過艙內灌(抽)水可調節圍堰標高。面板為6mm鋼板，豎向用L75X50X6角鋼加勁，布置間距400500mm。內外壁間采用水平支撐環板，通過L75X75X6（8）角鋼斜撐連成整體。水平環板間豎向間距1000或1200mm，并根據計算水頭分別采用10、12、14及14外
15、貼20mm加強板四種斷面形式。為有利圍堰下沉、加強雙壁整體性，在內外壁間設18道隔艙板，將雙壁間分成若干小隔艙。 底板承受封底砼重量，通過吊桿將荷載傳至內支撐架。為減小投入，底板可使用一部分舊模板，另一部分新制。底板直接支承于龍骨上，并通過模板間縫隙將底板與龍骨焊連。底板龍骨采用40b組成縱橫框架結構形式，交叉處采用等強焊接。內支撐架既是圍堰豎向及水平傳力構件，同時也是施工平臺的組成部分，由萬能桿件及新制桿件組成。支撐架下設吊桿與底板龍骨相連。因吊桿長度較大，為降低受力桿件的長細比，吊桿縱橫向連成框架。 上下導環既作為鋼護筒插打的導向裝置，又是鋼護筒與圍堰形成整體的連接裝置。護筒插打完后，將下
16、導環鍥緊，上導環與鋼護筒焊接，圍堰與護筒即形成整體框架結構。整個平臺7#墩采用4根、6#墩采用6根主樁鋼護筒作為定位樁。定位樁嵌巖一定深度并澆筑鋼筋砼，形成可靠錨固。 （圖二：6、7#墩圍堰總體布置圖） 3.4.2 計算分析 圍堰計算由三部分組成，圍堰與定位樁形成的平臺系統計算、圍堰本體結構計算及整體抗浮計算。 平臺系統計算 假定圍堰是支承于4根定位樁的剛性梁，定位樁錨固于基巖中，計算模式如下： 平臺計算控制工況是插打離平臺中心最遠的非定位樁鋼護筒時，荷載組合為：豎向力（平臺自重+導向架及接樁鋼護筒自重+施工荷載）+平臺及支承樁所受的風力、水流力+單根樁下沉所受水流力。根據計算結果確定鋼護筒的
17、壁厚及護筒嵌巖深度。 本體結構計算 結構計算采用SAP93程序進行電算，建立空間模型:內外壁板及環板視為空間板殼單元，水平斜撐及豎肋采用空間梁單元，圍堰內支撐桿件視為桁元，根據不同的工況進行計算，根據各種工況下計算結果的最不利應力狀態來選取桿件尺寸。 為了校核計算結果，在如下假定下進行手算復核： （1）對環板和水平斜撐計算時考慮壁板50倍板厚的寬度參與受力； （2）豎向加勁板按滿跨連續梁計算，同時考慮壁板50倍板厚的寬度參與受力； （3）壁板按支撐在豎向加勁肋上的滿跨連續板計算。兩種計算結果吻合較好。 計算表明：外側板由圍堰下沉過程中水頭控制，內側板及環板由圍堰在抽水后隔倉內填充水頭控制，底板
18、由澆注水下砼重量控制，而內支撐桿件則在澆注封底砼、鉆孔及抽水工況中均有局部桿件受控制。 整體抗浮計算 圍堰完成抽水時，吊箱承受浮力，此時隔倉內灌水壓重，以6#墩吊箱為例，整體抗浮穩定驗算如下： 鋼吊箱抽水水位為+154.0米，此時吊箱吃水為14.5m，計算浮力扣除鋼護筒所排水的體積。F浮=492.714.51=7144 t 封底砼與護筒粘結力： F粘=103.32.510=2281 t 整體抗浮安全系數k k=F整/F浮 =2281（粘結力）+600（吊箱自重）+850（隔倉灌水重量）+1610（隔倉灌注砼重量） +2242（封底砼重量） / 7144 =1.064 鋼圍堰施工 根據水中墩總體
19、施工方案，制訂鋼圍堰施工工序流程如下：安裝支承牛腿浮運至墩位船廠制造鋼圍堰設計 鋼圍堰下沉至牛腿落在導向船上并剛性連接鋼圍堰下沉至設計位置插打定位樁非定位樁鉆孔、成樁定位樁鉆孔、成樁澆筑封底砼插打非定位樁抽水、澆筑第一節承臺砼澆筑第二節承臺砼澆筑墩身砼圍堰割除 4.1 圍堰制造： 為減小現場焊接工作量、縮短工期及提高加工質量，圍堰盡量在船廠整體制造，一次成型。 4.2 圍堰浮運： 由于圍堰整體浮運吃水較深（計算吃水深度6米），長江上游江面水流湍急，局部區段流速達4m/秒，圍堰逆水而上須克服相當大的阻力（約50t），計算需用5000馬力以上拖輪拖運。如此規模龐大的浮運 在長江上實屬罕見，需要與船
20、廠仔細斟酌。圍堰拖運至導向船尾部后，可在定位船及導向船上設拉纜共同將圍堰拉入導向船內設計位置。 4.3 形成浮式平臺： 由于平臺定位樁是利用主體結構樁位，必須保證鋼護筒的精確位置，因此需建立較穩定的浮式平臺來插打定位樁。可在圍堰上焊接牛腿支架與導向船剛性連接，同時安裝限位架，在限位架及牛腿支架的共同作用下將圍堰與導向船形成一個整體，通過強大的錨碇系統來保證圍堰的準確位置。 4.4 鋼護筒插打： 由于墩位處漂卵石粒徑大，僅用250t打樁機可能無法將鋼護筒振動下沉到基巖，可輔以吸泥、沖擊鉆或沖抓錐等方法使護筒跟進。對定位樁，需用沖擊鉆沖孔并澆筑砼形成可靠錨固。 4.5 封底砼澆筑： 封底砼分圍堰內
21、承臺部分和隔倉填充兩部分，根據圍堰設計計算的允許受力狀況，須分步澆筑，先澆筑圍堰內部分，達到強度后再澆筑隔倉部分。6#墩圍堰隔倉填充砼至7米，分兩步進行，先澆筑2.5米，待達到強度后再澆筑另外4.5。 4.6 鉆孔樁施工： 鉆孔樁直徑為3.0米，屬大直徑鉆孔樁。由于插打護筒需用沖擊鉆，為減少設備投入及減輕平臺的荷載，擬采用自重較輕的沖擊鉆鉆孔。 4.7 承臺施工： 承臺砼分兩次澆筑，根據封底砼允許承受荷載，確定第一次澆筑2.5米，第二次4.5米，同時作好溫度控制措施。5 結束語 渝懷線長壽長江大橋水中墩基礎施工復雜，任務艱巨。本橋采用圍堰與主體樁位鋼護筒形成一體、即作平臺又作圍堰的施工方法即有針對性，又切實可行，開創了長江特大橋深水、大流速、淺覆蓋層基礎施工的先例。但由于地質復雜、施工難度大等原因，還需要在實踐中積極探索、精心組織，才能確保工程的順利完成。
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