大連星海灣跨海大橋水中基礎(chǔ)施工技術(shù)

王國(guó)群

(中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116000)

1 概述

大連市星海灣跨海大橋全長(zhǎng)6 km，位于黃海北部的大連市黑石礁灣，最大水深21 m，年平均高潮位0.964 m，年平均低潮位－1.116 m，受臺(tái)風(fēng)影響時(shí)最大海浪高達(dá)8 m。正規(guī)半日潮每日兩漲兩落，平均高潮間隙10 h 12 min。潮差大，潮流較急，施工易受惡劣氣象條件的影響。橋位區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，軟硬巖層交錯(cuò)分布，串珠狀特大型溶洞極為發(fā)育，需跨臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)期連續(xù)施工，上述諸多因素都給大橋施工帶來巨大困難。

星海灣跨海大橋東段工程由東連接線、東引橋東側(cè)大跨徑混凝土引橋三個(gè)單位工程組成，總長(zhǎng)2.5 km。主線在雙層橋部分為單向四車道，在單層橋部分為單向三車道，匝道為單向兩車道(見圖1)。

圖1 星海灣跨海大橋東段整體效果圖

2 鉆孔樁總體施工方案

2.1 棧橋設(shè)計(jì)

為了提高施工效率，減少大型船機(jī)設(shè)備的投入，控制施工成本，沿線路橋梁方向全線架設(shè)鋼棧橋“變海上施工為陸上施工”，棧橋只作為交通道路，在每個(gè)墩位處單獨(dú)搭設(shè)施工作業(yè)平臺(tái)和鉆孔平臺(tái)。棧橋由一個(gè)主線棧橋和兩個(gè)支線棧橋共三部分組成，全長(zhǎng)2 400 m。

2.2 鉆孔平臺(tái)的設(shè)計(jì)

樁基施工依托鋼棧橋于承臺(tái)位置搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，通過履帶吊起吊振動(dòng)錘在平臺(tái)上直接完成鋼護(hù)筒的沉放，然后安放鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工。

鉆孔平臺(tái)的設(shè)計(jì)需考慮鋼護(hù)筒沉放、鉆孔機(jī)具占位、鋼筋籠下放、混凝土灌注等工序的施工。要求滿足50 t履帶吊起吊30 t護(hù)筒、混凝土運(yùn)輸車直接開至孔位處灌注混凝土，要能夠抵抗10級(jí)風(fēng)和2 m浪高的沖擊、確保樁基30 m長(zhǎng)的鋼護(hù)筒的穩(wěn)定，鉆孔平臺(tái)與施工作業(yè)平臺(tái)和棧橋必須聯(lián)接成一個(gè)整體。

鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu):采用φ630×10 mm鋼管樁基礎(chǔ)，2Ⅰ45b工字鋼下橫梁，以“321”型貝雷桁架為主梁。橋面設(shè)雙層分配梁，主梁為Ⅰ25b，次梁為Ⅰ12.6，面層鋪10 mm厚鋼板，圍欄采用工字鋼硬防護(hù)，在樁位處設(shè)置樁位框。為考慮在鉆孔樁施工時(shí)有較大的作業(yè)空間，根據(jù)不同承臺(tái)大小設(shè)置鉆孔平臺(tái)的尺寸，最小12 m×12 m、最大18 m×15 m。

2.3 鋼護(hù)筒加工及沉放

2.3.1 鋼護(hù)筒的加工制作

鋼護(hù)筒采用Q235b鋼板卷制，板厚16 mm。為確保鋼護(hù)筒各節(jié)段的焊接質(zhì)量，開60°坡口，進(jìn)行“V”形坡口焊，節(jié)段連接處沿周圈滿焊4塊加勁鋼板，最底節(jié)鋼護(hù)筒進(jìn)行加厚，貼焊50 cm高12 mm厚鋼板。

2.3.2 定位導(dǎo)向架的制作

為了確保鋼護(hù)筒沉放垂直度和平面位置的精度，制作一個(gè)定位導(dǎo)向架。將導(dǎo)向架安裝在提前預(yù)留好的樁位孔內(nèi)，并跟鉆孔平臺(tái)的鋼管樁和平聯(lián)焊接牢固。其結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 鋼護(hù)筒定位導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2.3.3 鋼護(hù)筒沉放

鋼護(hù)筒采用DZ-135雙夾具振動(dòng)錘進(jìn)行沉放施工，50 t履帶吊配合完成。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，鋼護(hù)筒沉放以底標(biāo)高和貫入度進(jìn)行雙控確定停錘標(biāo)準(zhǔn)，確保鋼護(hù)筒底部貫入在穩(wěn)定的地層內(nèi)，確保在鉆孔施工中不會(huì)出現(xiàn)漏漿或者反穿孔的現(xiàn)象。

2.3.4 海水泥漿的配置

施工中采用海水泥漿。海水泥漿必須具有良好的穩(wěn)定性、適當(dāng)?shù)谋戎?、良好的流?dòng)性能、泥皮形成性、酸堿度和含砂率。

2.3.5 鉆孔施工

為了提高施工效率，針對(duì)不同地質(zhì)情況、不同樁徑選擇了多種形式的鉆機(jī)進(jìn)行施工，分別配備單繩手拉式?jīng)_擊鉆、CZ-80沖擊鉆、沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)行施工。

沖擊反循環(huán)鉆機(jī)主要施工覆蓋層較深，溶洞發(fā)育不嚴(yán)重的樁基，對(duì)斜巖和軟硬不均的地層比較有效。

CZ-80沖擊鉆機(jī)適應(yīng)性較強(qiáng)，可分別施工裸巖區(qū)、淺覆蓋層、深覆蓋層、溶洞較發(fā)育區(qū)的樁基，尤其對(duì)淺覆蓋層和溶洞塌孔漏漿的樁基施工特別有效。

單繩手拉式?jīng)_擊鉆主要用于施工溶洞較發(fā)育和巖石較硬的樁基，沖程靈活可調(diào)，無需較大的鉆孔平臺(tái)，施工成本低，成樁較慢。

2.3.6 清孔

水中大直徑鉆孔樁清孔質(zhì)量好壞直接關(guān)系到樁基的質(zhì)量，采用ZX-100/30“黑旋風(fēng)”泥漿凈化器進(jìn)行清孔，渣與漿分離后鉆渣外運(yùn)，清孔后的泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求，孔底無沉渣。

2.3.7 鋼筋籠安裝和水下混凝土灌注

1)鋼筋籠加工、安裝。鉆孔樁的鋼筋籠采用長(zhǎng)線胎具法在加工場(chǎng)整體制作，運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)節(jié)段拼裝吊放入孔，采用鎖母型滾扎直螺紋套筒連接。

2)水下混凝土灌注。基樁混凝土采取水下灌注工藝?？紤]混凝土受海洋環(huán)境影響，混凝土水泥用量相對(duì)陸上要大，同時(shí)為保證水泥混凝土的流動(dòng)性和初凝時(shí)間，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的混凝土坍落度控制在20 cm～22 cm，為保證樁頭質(zhì)量，樁頂超灌1 m。

3 承臺(tái)施工

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本橋海中高樁承臺(tái)頂標(biāo)高均為+0.5，略高于海平面。承臺(tái)尺寸分為5 種，分別為(5.8×5.8 ×3)m，(7.4 ×7.4 ×3)m，(8.4 ×8.4 ×3)m，(9 ×9 ×3)m，(10.6 ×10.6 ×3.5)m。

根據(jù)承臺(tái)所處位置海水深度的不同，海中承臺(tái)分為3種類型，深水區(qū)高樁承臺(tái)，淺水區(qū)高樁承臺(tái)和灘涂區(qū)埋置式承臺(tái)。其中，后兩種形式的承臺(tái)采用單壁無底式鋼套箱施工，工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單，在此重點(diǎn)講述深水區(qū)高樁承臺(tái)有底鋼吊箱施工。

3.2 鋼吊箱施工方案概述

承臺(tái)樁基施工完成以后，拆除鉆孔平臺(tái)，進(jìn)行鋼吊箱的拼裝。

鋼吊箱在海中承臺(tái)施工期間，抵抗海水浮力、承受承臺(tái)混凝土重力是依靠封底混凝土和鋼護(hù)筒之間的摩擦力，為了確保鋼護(hù)筒和封底混凝土之間的粘結(jié)力，在進(jìn)行吊箱施工之前，必須采用環(huán)形的護(hù)筒刷將封底混凝土高度范圍內(nèi)的鋼護(hù)筒進(jìn)行清理(見圖3)。

圖3 采用護(hù)筒刷清理鋼護(hù)筒上海生物

鋼吊箱側(cè)板和底板均為組合式拼裝單壁鋼結(jié)構(gòu)。底板系統(tǒng)由面板和縱、橫梁組成，高度為50 cm，底板在對(duì)應(yīng)樁基孔位處開孔。底板和護(hù)筒間的孔隙采用橡膠皮結(jié)合鋼板進(jìn)行封堵，將橡膠皮用螺栓固定在圓形壓板上，利用橡膠皮緊緊裹住護(hù)筒，實(shí)現(xiàn)隔水和防止混凝土泄漏。側(cè)板塊與塊之間豎向采用角鋼法蘭栓接，縫間設(shè)置橡膠條以防止漏水。

由于承臺(tái)尺寸各異，為了節(jié)約一次性投入側(cè)板加工鋼材，鋼吊箱側(cè)板采用分塊組裝，用不同長(zhǎng)度的節(jié)段組拼出相應(yīng)承臺(tái)的吊箱側(cè)板，無須針對(duì)每個(gè)型號(hào)的承臺(tái)單獨(dú)制作定型鋼側(cè)板。鋼吊箱平面尺寸按照承臺(tái)尺寸加大20 cm制作，側(cè)板兼承臺(tái)模板使用。鋼吊箱側(cè)板按照3種寬度進(jìn)行加工，分別為3 m，1.6 m和1 m。

鋼吊箱共設(shè)置16根φ32精軋螺紋鋼吊桿，吊桿均位于吊箱內(nèi)部。吊架橫梁采用雙肢HN350×175型鋼，吊架縱梁采用雙肢HN600×300型鋼，節(jié)段與節(jié)段之間采用鋼板法蘭連接，安放在鋼護(hù)筒頂部。下放采用8個(gè)掛在主吊架上的20 t倒鏈或4個(gè)50 t液壓穿心千斤頂下放。下放過程中要均勻緩慢地水平下放，并適時(shí)監(jiān)測(cè)吊箱四角的標(biāo)高，如發(fā)生傾斜狀況，必須立即校正。

鋼吊箱下放到位后澆筑C30水下封底混凝土，封底厚度根據(jù)鋼吊箱大小確定，最小1.15 m、最大1.6 m。根據(jù)布置的澆筑點(diǎn)按順序進(jìn)行封底，直至混凝土面達(dá)到標(biāo)高，封底混凝土須一次澆筑完成。混凝土坍落度控制在180 mm～200 mm之間，使每盤混凝土灌注后的流動(dòng)坡度在1∶(5～7)范圍內(nèi)。灌注點(diǎn)選擇在樁基與樁基空隙處及四個(gè)邊角處，澆筑導(dǎo)管口離底板約20 cm，灌注高度高出設(shè)計(jì)約15 cm，待抽水后鑿除。施工時(shí)，測(cè)量封底混凝土面各處標(biāo)高，特別是四個(gè)邊角處的標(biāo)高，確保混凝土面基本平整。封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上后，即可抽出吊箱內(nèi)積水，拆除吊架和底板下托梁，完成受力體系的轉(zhuǎn)換，割除護(hù)筒，鑿樁頭，進(jìn)行承臺(tái)施工。側(cè)板在首節(jié)墩柱澆筑完成后拆除。

3.3 鋼吊箱施工控制關(guān)鍵點(diǎn)

由于星海灣海域位于黃海北部開闊海域，夏秋兩季受南風(fēng)和浪涌的影響十分嚴(yán)重。為了確保工程質(zhì)量，在施工中對(duì)鋼吊箱采取了諸多加強(qiáng)措施，確保不滲不漏。

3.3.1 增加內(nèi)支撐和外圈梁

在封底混凝土頂面標(biāo)高以上位置增加一道鋼管“十”字形內(nèi)支撐，并在側(cè)板外側(cè)對(duì)應(yīng)標(biāo)高上增加設(shè)置一道圈梁。針對(duì)特大10.8 m×10.8 m鋼吊箱，于兩道外圈梁之間再增設(shè)一道圈梁，共三道圈梁(見圖4，圖5)。

圖4 加固三道外圈梁

圖5 內(nèi)支撐加固

3.3.2 增加斜撐工字鋼

在每塊側(cè)板與底板交接處設(shè)置斜撐工字鋼，使側(cè)板與底板牢固聯(lián)結(jié)，并和封底混凝土緊密結(jié)合(見圖6)。

圖6 側(cè)板斜撐工字鋼

圖7 側(cè)板防脫件

3.3.3 在側(cè)板上設(shè)置防脫件

在封底高度以下的側(cè)板上設(shè)置錨固防脫件(見圖7)，使封底混凝土與側(cè)板緊密粘結(jié)，避免因大浪沖擊造成的鋼吊箱側(cè)板活動(dòng)而漏水。

3.3.4 增設(shè)防落鋼帶

在鋼護(hù)筒四周設(shè)防落鋼帶，對(duì)10.8 m×10.8 m吊箱局部改為工字鋼作防落鋼帶(見圖8)，確保3.5 m厚承臺(tái)澆筑時(shí)吊箱的受力。

圖8 鋼護(hù)筒防落鋼帶

3.3.5 吊箱下放時(shí)間控制

每個(gè)鋼吊箱下放之前都需要準(zhǔn)確掌握連續(xù)5 d的天氣和海況，盡量避免在農(nóng)歷月初、月中大潮期間和超過6級(jí)南風(fēng)天的情況下進(jìn)行鋼吊箱下放或封底作業(yè)。

4 結(jié)語

星海灣跨海大橋?qū)儆谕夂Ｊ┕ぃ毕?、浪涌、裸巖、巖溶地質(zhì)條件對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的樁基、承臺(tái)施工造成巨大影響，通過對(duì)本橋水下部分的施工工藝總結(jié)，為同類海上橋梁施工提供參考依據(jù)。

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