1、2001年度技术交流会论文选集长寿长江大桥水中墩施工方案宋伟俊 李德坤 朱云翔 刘振亚 刘友金 涂满明 李芳军1 工程概况 长寿长江特大桥是新建铁路渝怀线上跨越长江的一座特大桥，位于长寿县境内，中心里程为DK89+623，桥跨布置为2x24m+332m预应力混凝土简支梁+(144+2192+144)m下承式连续钢梁+232m预应力混凝土简支梁。桥梁全长898.36m，全桥位于曲线及直线平坡上，桥高95m。按复线要求一次建成。主墩为圆端形空心墩，墩身高度为49.3m，6号、7号墩采用桩基础、高桩承台，每墩10根3.0m钻孔桩，承台尺寸25.2m17.4m6 m。 桥位范围水深流急，水运繁忙。6#2、7#墩枯水期水深分别是16米和31米，水流为2.53米/秒。河床覆盖层为卵（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#墩处漂石含量约5075%，粒径200450mm，个别大于500mm，卵石含量约20%，粒径一般50200mm，少数2050mm；7#墩处卵石粒径20200mm为主，约占55%70%，个别大于200mm。下伏岩为泥岩夹砂岩和砂岩，极限抗压强度分别为13Mpa和29Mpa。7号墩岩面倾斜37度。2 方案选定 本桥原总工期为35个月，两个水中墩安排在两个枯水期完成。由于设计图纸滞后，为满足总工期的要求，必须将两个水中墩在一个枯水期开工。3、因此，施工工期和通航安全是确定方案的主要考虑因素。 结合本工程的工程规模及工期要求，我局组织专家组及施工单位对桥位的水文地质特点进行了认真分析，开了多次施工方案研讨会，对各种施工方案分析、比较，认为双壁钢围堰方案在本工程应用存在如下缺点： 1）工期长，不能满足总工期目标要求，双壁钢围堰要经过底节拼装、起吊入水、分块接高、下沉等工序，施工周期长，不能进行平行作业。 2）体积大，水流阻力大，且占用河道宽，对通航影响较大。双壁钢围堰必须做成圆形，直径为33m，围堰高度为6#墩43m、7#墩30m。 3）双壁钢围堰在卵石覆盖层，尤其是卵石粒径大、漂石含量多的地层中下沉很困难。 4）下伏岩面高差较大，围4、堰须做成高低韧脚，难于控制。 针对双壁钢围在本工程应用存在的缺点，经专家组及施工技术人员共同研究，对双壁钢围堰施工方法作了改进，我们称之为双壁吊箱围堰，主要优点如下： 1）阻水宽度小，有利通航。双壁吊箱围堰在外形上做成圆端形，阻水面宽度为20m，减少了阻水面积和航道占用宽度，对通航安全有较大改善。 2）工期短。双壁吊箱围堰可以在工厂整体制造，下滑入水，浮运就位，省去了双壁钢围堰在现场拼装接高的大量工作，赢得了时间。 3）施工难度减小。双壁吊箱围堰是带底板结构，无需下入河床，只要将钢管柱下插至岩面。虽然在这种卵石层中插打钢管柱也很困难，但比整个钢围堰下沉至岩面难度要小。 4）经济指标好，用钢量比5、较接近，节约砼19727方。双壁钢围堰和双壁吊箱围堰主要技术指标比较表方案项目指标双壁钢围堰双壁吊箱围堰6#墩7#墩6#墩7#墩围堰用钢量（t）688.8448.6601(含平台)557(含平台)施工平台用钢量(t)24024000钢护筒用钢量(t)495327779514砼用量(m3)1488785882248.91498.3围堰阻水宽度(m)33332020工期(天)(自浮运开始至承台完成)2302051931633 双壁吊箱围堰方案设计 3.1 总体方案简介 双壁吊箱围堰方案的总体思路是：围堰在工厂整体制造，同时进行导向船拼装和抛锚定位工作，围堰制造好并验收合格后，顺滑道下水，浮运至墩位6、，将双壁吊箱围堰的兜缆过渡到定位船上，收兜缆将围堰喂入导向船内，在双壁围堰内加水，使围堰下沉，将围堰两侧的支撑牛腿支在导向船的分配梁上，与导向船连为一体。通过收紧锚绳调整并定位双壁吊箱围堰的位置。 双壁吊箱围堰设计为一个带底板结构，将钢护筒的导向架、施工平台、吊箱围堰的功能融为一体，一次到位，围堰定位后，通过设在围堰上的上下导环，插打钢护筒，并在护筒内钻岩一定深度填充砼至河床面，利用主体结构钢护筒（钢护筒须加厚）作定位桩。待4根定位桩完成后（6#墩为6根），进行体系转换，将双壁吊箱围堰挂在定位桩上，围堰与导向船脱离关系。在围堰平台上继续插打其余钢护筒至入岩少许，然后将其与围堰支撑环焊接。吊箱围7、堰内封底。达到强度后，在围堰平台上安装钻机钻孔，先钻定位桩之外的桩，然后施工定位桩处的桩孔，完成后抽水施工承台（承台分二次浇注），基础施工完成。 3.2 导向船布置 3.2.1 布置简介 导向船采用两艘800t铁驳，以万能杆件桁梁联结而成。两驳船间净距21.3m，两连接梁内桁间距35m，为方便围堰由下游进入导向船，下游连接梁柱脚高于上游连接梁。每套导向船组上布置一台50吨架梁吊机，一台20吨桅杆吊机，以满足钢护筒吊装，钻机吊装和钢筋笼吊装需要，其中50吨吊机是按最大吊装重量配置的主要吊机，20吨为辅助施工吊机。为确保围堰在水流及风力作用下保持稳定，在导向船上设4个导向支架（上设方木靠帮）。 38、.2.2 导向船计算 导向船计算分为两部分:船体结构计算及连接桁梁计算。导向船800t铁驳采用的是非工程驳，其导水流作用优于工程驳，但船头、船尾等部分受力情况比工程驳要差一些。考虑到吊机及其支架自重、围堰支承牛腿反力等外荷载的不平衡作用，首先要对船舱进行压重，确保船体受力均衡。在各种外荷载（吊机、压重、支架等）作用下，除应验算船体总体应力（验算龙骨系统）外，在荷载作用点下还要验算局部受力状况，不足处需进行加固。 连接梁是空间桁架结构，分为以下两个工况进行计算：浮运和吊机吊重。浮运时由于导向船是单独浮运（与围堰分开），受力并不大，计算时视导向船为刚体，两边连接梁与之铰接，形成框架形结构。以一艘导9、向船为支点，计入另一艘导向船所受风力、水流阻力及连接梁所受风力进行计算。吊重工况计算时根据吊机在不同的方位起吊时计算其下支架及连接梁的受力状况，比较后取最大值配置杆件，荷载应计入侧锚预拉力、风力及施工荷载等。 3.2.3 导向船施工 为减小拼装难度及不影响航道，导向船连接梁及吊机可在岸边用50t及30t浮吊拼装，完成后由2艘拖轮浮运至定位船后方，系好拉缆后逐步放松，使导向船组顺流浮运到墩位，然后再系定边锚及尾锚。 3.3 锚碇布置 3.3.1 主要组成部分及作用 根据桥位处的地质、水文及航道情况，结合所采用的施工方法，设计了2套锚碇系统（由于工期紧张，必须采用2套锚碇系统来满足6#、7#墩基础10、施工需要）。其基本布置思路是因地制宜，必须安全强大且能够迅速高效地实施布设。 锚碇系统由前定位船（400t铁驳）、导向船（2艘800t铁驳）和主锚、尾锚、侧锚、锚链、锚绳及收紧系统等几部分组成。定位船在墩位上游设置，用作确定、调整导向船及围堰顺水方向位置，控制主锚受力。导向船是由万能杆件连成整体的2艘800t铁驳，既作为调整钢围堰位置的约束体系，又作为基础施工的辅助工作平台。导向船与定位船之间通过6根43拉缆连接固定。围堰与定位船、导向船间设兜揽连接。整套锚碇系统设备、材料繁多，施工组织复杂。 主锚承担锚碇系统顺水方向的所有外力（风力及水流冲击力）作用。尾锚主要是承受尾部方向的风荷载，适应主锚11、受力及调节导向船系统和围堰的位置。侧锚作用是调节和控制定位船、导向船的横向位置，使定位船、导向船在横向风力、水力、船舶撞击下保持稳定。为保证航道通航安全，侧锚采用长锚链将锚绳尽量压在河床下。（图一：6#墩锚碇系统布置图）。 3.3.2锚碇系统计算 锚碇系统总压力是根据水流、风向对钢围堰、定位船、导向船、工作船作用的力进行计算的。在不同的施工阶段围堰及船组的受力情况也不同，取围堰下沉到位为控制工况。围堰受水流阻力是主要因素。其计算公式如下： R=kr(V2 /2g).A式中： k水流阻力系数，取0.75 V计算水流速度，取3(m/s) A围堰入水部分在垂直水流方向的投影面积 锚碇系统主要计算数据12、汇总表（括号外为6#墩荷载，括号内为7#墩荷载）序号名称数值备注1钢围堰水阻力84.5t按吃水深12.5m计算2钢围堰风阻力3.6t按风压60Kg/m2计算3导向船水阻力7.0t按吃水2.2m计算4导向船风阻力28.1t按风压60Kg/m2计算5定位船水阻力2.3t按吃水1.8米计算6定位船风阻力1.1t按风压60Kg/m2计算7工作船水阻力5.4t4艘工作船及1艘浮吊8工作船风阻力7.2t按风压60Kg/m2计算9插桩的水流作用力42.3T(11.5T)按同时插打两根护筒计算10主锚所受总阻力181.5T(150.7T) 侧锚、尾锚受力按主锚受力的40%计算。 3.3.3 锚碇系统施工方案 13、由于长寿长江大桥工期紧张，在抛锚工作量非常大、时间又短的情况下，各类锚（地龙除外）均采用铁锚，主要施工工序如下：导向船拼装、浮运就位导向船尾锚、边锚抛锚定位定位船抛锚定位 钢围堰制造、浮运钢围堰导向船刚性连接、精确定位后开始插打护筒 为减小投入，长寿桥拟采用8t以下旧的霍尔式铁锚及有档锚链，并用“甩梢”的方法进行抛锚：抛锚时采用拖轮拽带抛锚船浮运至锚位，由测量组用全站仪测试位置后，松开挂置铁锚的钢丝绳，铁锚因自重而落入河床，锚绳及锚链也随之落入河中。 3.4 双壁吊箱围堰 3.4.1 结构设计概况 围堰平面尺寸为33.2m20m，考虑到水流冲击及结构受力等因素，围堰横桥向采用圆端形过渡，形成一14、个长形结构。6#墩围堰高15.5m，自重600t，封底砼高2.5米，仓内填充砼高7米。7#墩围堰高13m，自重560t，封底砼高2米，仓内填充砼2米。围堰由侧板、底板及龙骨、内支撑架和上下导环等部分组成，形成集钻孔平台和承台施工平台为一体的结构，综合了双壁钢围堰与吊箱围堰的特点。 侧板为双壁结构，内外壁间距1.2m，具备自浮能力，通过舱内灌(抽)水可调节围堰标高。面板为6mm钢板，竖向用L75X50X6角钢加劲，布置间距400500mm。内外壁间采用水平支撑环板，通过L75X75X6（8）角钢斜撑连成整体。水平环板间竖向间距1000或1200mm，并根据计算水头分别采用10、12、14及14外15、贴20mm加强板四种断面形式。为有利围堰下沉、加强双壁整体性，在内外壁间设18道隔舱板，将双壁间分成若干小隔舱。 底板承受封底砼重量，通过吊杆将荷载传至内支撑架。为减小投入，底板可使用一部分旧模板，另一部分新制。底板直接支承于龙骨上，并通过模板间缝隙将底板与龙骨焊连。底板龙骨采用40b组成纵横框架结构形式，交叉处采用等强焊接。内支撑架既是围堰竖向及水平传力构件，同时也是施工平台的组成部分，由万能杆件及新制杆件组成。支撑架下设吊杆与底板龙骨相连。因吊杆长度较大，为降低受力杆件的长细比，吊杆纵横向连成框架。 上下导环既作为钢护筒插打的导向装置，又是钢护筒与围堰形成整体的连接装置。护筒插打完后，将下16、导环锲紧，上导环与钢护筒焊接，围堰与护筒即形成整体框架结构。整个平台7#墩采用4根、6#墩采用6根主桩钢护筒作为定位桩。定位桩嵌岩一定深度并浇筑钢筋砼，形成可靠锚固。 （图二：6、7#墩围堰总体布置图） 3.4.2 计算分析 围堰计算由三部分组成，围堰与定位桩形成的平台系统计算、围堰本体结构计算及整体抗浮计算。 平台系统计算 假定围堰是支承于4根定位桩的刚性梁，定位桩锚固于基岩中，计算模式如下： 平台计算控制工况是插打离平台中心最远的非定位桩钢护筒时，荷载组合为：竖向力（平台自重+导向架及接桩钢护筒自重+施工荷载）+平台及支承桩所受的风力、水流力+单根桩下沉所受水流力。根据计算结果确定钢护筒的17、壁厚及护筒嵌岩深度。 本体结构计算 结构计算采用SAP93程序进行电算，建立空间模型:内外壁板及环板视为空间板壳单元，水平斜撑及竖肋采用空间梁单元，围堰内支撑杆件视为桁元，根据不同的工况进行计算，根据各种工况下计算结果的最不利应力状态来选取杆件尺寸。 为了校核计算结果，在如下假定下进行手算复核： （1）对环板和水平斜撑计算时考虑壁板50倍板厚的宽度参与受力； （2）竖向加劲板按满跨连续梁计算，同时考虑壁板50倍板厚的宽度参与受力； （3）壁板按支撑在竖向加劲肋上的满跨连续板计算。两种计算结果吻合较好。 计算表明：外侧板由围堰下沉过程中水头控制，内侧板及环板由围堰在抽水后隔仓内填充水头控制，底板18、由浇注水下砼重量控制，而内支撑杆件则在浇注封底砼、钻孔及抽水工况中均有局部杆件受控制。 整体抗浮计算 围堰完成抽水时，吊箱承受浮力，此时隔仓内灌水压重，以6#墩吊箱为例，整体抗浮稳定验算如下： 钢吊箱抽水水位为+154.0米，此时吊箱吃水为14.5m，计算浮力扣除钢护筒所排水的体积。F浮=492.714.51=7144 t 封底砼与护筒粘结力： F粘=103.32.510=2281 t 整体抗浮安全系数k k=F整/F浮 =2281（粘结力）+600（吊箱自重）+850（隔仓灌水重量）+1610（隔仓灌注砼重量） +2242（封底砼重量） / 7144 =1.064 钢围堰施工 根据水中墩总体19、施工方案，制订钢围堰施工工序流程如下：安装支承牛腿浮运至墩位船厂制造钢围堰设计 钢围堰下沉至牛腿落在导向船上并刚性连接钢围堰下沉至设计位置插打定位桩非定位桩钻孔、成桩定位桩钻孔、成桩浇筑封底砼插打非定位桩抽水、浇筑第一节承台砼浇筑第二节承台砼浇筑墩身砼围堰割除 4.1 围堰制造： 为减小现场焊接工作量、缩短工期及提高加工质量，围堰尽量在船厂整体制造，一次成型。 4.2 围堰浮运： 由于围堰整体浮运吃水较深（计算吃水深度6米），长江上游江面水流湍急，局部区段流速达4m/秒，围堰逆水而上须克服相当大的阻力（约50t），计算需用5000马力以上拖轮拖运。如此规模庞大的浮运 在长江上实属罕见，需要与船20、厂仔细斟酌。围堰拖运至导向船尾部后，可在定位船及导向船上设拉缆共同将围堰拉入导向船内设计位置。 4.3 形成浮式平台： 由于平台定位桩是利用主体结构桩位，必须保证钢护筒的精确位置，因此需建立较稳定的浮式平台来插打定位桩。可在围堰上焊接牛腿支架与导向船刚性连接，同时安装限位架，在限位架及牛腿支架的共同作用下将围堰与导向船形成一个整体，通过强大的锚碇系统来保证围堰的准确位置。 4.4 钢护筒插打： 由于墩位处漂卵石粒径大，仅用250t打桩机可能无法将钢护筒振动下沉到基岩，可辅以吸泥、冲击钻或冲抓锥等方法使护筒跟进。对定位桩，需用冲击钻冲孔并浇筑砼形成可靠锚固。 4.5 封底砼浇筑： 封底砼分围堰内21、承台部分和隔仓填充两部分，根据围堰设计计算的允许受力状况，须分步浇筑，先浇筑围堰内部分，达到强度后再浇筑隔仓部分。6#墩围堰隔仓填充砼至7米，分两步进行，先浇筑2.5米，待达到强度后再浇筑另外4.5。 4.6 钻孔桩施工： 钻孔桩直径为3.0米，属大直径钻孔桩。由于插打护筒需用冲击钻，为减少设备投入及减轻平台的荷载，拟采用自重较轻的冲击钻钻孔。 4.7 承台施工： 承台砼分两次浇筑，根据封底砼允许承受荷载，确定第一次浇筑2.5米，第二次4.5米，同时作好温度控制措施。5 结束语 渝怀线长寿长江大桥水中墩基础施工复杂，任务艰巨。本桥采用围堰与主体桩位钢护筒形成一体、即作平台又作围堰的施工方法即有针对性，又切实可行，开创了长江特大桥深水、大流速、浅覆盖层基础施工的先例。但由于地质复杂、施工难度大等原因，还需要在实践中积极探索、精心组织，才能确保工程的顺利完成。