閩江特大橋深水裸巖河床棧橋設計與施工技術研究

梁之海

（中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 工程概況

南龍鐵路閩江特大橋位于福建省南平市境內，橋梁長度1 066.41 m，跨越峰福鐵路、閩江及朱熹路。橋梁主橋跨越閩江為孔跨（118+216+138+83）m鐵路雙線剛構連續梁，主跨216 m為目前鐵路剛構連續梁世界最大跨度。主橋17#、18#主墩位于江中，墩高59.5 m，采用24根φ2.5 m鉆孔樁基礎，樁長23 m。承臺尺寸為30.25 m×19.75 m×5 m，承臺嵌入河床2.5～3 m。橋址位于閩江水口水庫庫尾，橋位處閩江水面開闊，江面寬度420 m，河道順直。閩江橋區段為Ⅳ級航道，下游不泄洪的情況下，橋位處流速為0.5 m／s左右；泄洪時設計流速3.3 m／s，橋位處平均水深17 m。河床為裸露基巖，無覆蓋層，巖性為強風化～弱風化花崗巖，σ0＝1 000 kPa，巖石堅硬。

橋梁主墩深水基礎采用雙壁鋼圍堰施工，剛構連續梁采用掛籃懸臂施工。橋梁施工需搭設水中棧橋，棧橋分別從閩江兩岸搭設至主墩位置。

2 棧橋設計方案

深水橋梁施工中，棧橋設計及施工是保證大橋施工順利的重要環節。棧橋應考慮使用功能、荷載、通航條件、水文、地質、防洪防撞能力及施工成本等綜合因素。因河床為裸露巖石河床，棧橋鋼支墩錨固困難。綜合安全、經濟性比較，本橋采用簡易棧橋方案。17#、18#主墩棧橋分別從閩江兩岸向主墩方向搭設簡易棧橋，棧橋位于水中墩鋼圍堰上游側。簡易棧橋滿足混凝土泵管安裝及人員通行，橋梁其余施工材料及機具采用水上運輸船運輸［1］。

18#主墩棧橋跨徑采用3×30 m＝90 m，設兩個水中鋼支墩；17#主墩棧橋跨徑采用2×30 m＝60 m，設一個水中鋼支墩。棧橋兩端頭分別支撐于碼頭鋼平臺橫梁上和橋墩鋼圍堰平臺上。棧橋結構主梁采用貝雷梁（“321”型），采用三排單層上承式結構，貝雷梁片采用90 cm支架連接，棧橋橋面寬度2.5 m。自下而上分別為鋼支墩、橫向分配梁、貝雷梁+橋面板+防護欄桿［2］。棧橋中間鋼支墩采用4×φ630 mm鋼管焊接1.3 m×1.0 m“井”字形結構，鋼管之間采用 25b型鋼連接形成整體，上下每隔5 m焊接一道。采用φ2.5 m鉆孔灌注樁單樁錨固，錨固深度為5 m，混凝土強度等級為C30。鋼支墩頂設置兩道2×40b型鋼橫向分配梁，在分配梁上安裝貝雷梁作為棧橋承重主梁。橋面采用 14b型鋼作為橋面橫向分配梁，鋪設厚度6 mm鋼板作為橋面板，橋面設置1.2 m高防護欄桿。棧橋區域為禁航區域，做好航標設置［3］。

棧橋設計恒載主要考慮貝雷梁、分配梁、鋼板、欄桿、限位卡、混凝土輸送管等自重；活荷載主要考慮混凝土輸送管內的混凝土重量、人行荷載、流水沖擊力、橫橋向風荷載等。經過檢算棧橋結構滿足強度、剛度及穩定性要求［4］。棧橋及鋼支墩結構見圖1、圖2。

圖1 棧橋立面布置（單位：m）

圖2 棧橋鋼支墩結構（單位：cm）

3 棧橋施工

3.1 鋼支墩施工方案比選

在河床有覆蓋層情況下，一般采用“釣魚法”進行棧橋鋼管樁施工，采用振動錘插打鋼管樁。但在裸露堅硬巖石河床狀態下，無法采用傳統方法插打鋼管樁。結合以往施工經驗，對棧橋鋼支墩施工進行方案比選如下:

方案一:采用普通沖擊鉆成孔栽樁法施工。因在水流情況下鋼護筒下放及固定困難，無法進行泥漿循環清渣鉆孔，且裸巖河床搭設鉆孔平臺較困難。

方案二:采用直接灌注水下混凝土包裹鋼支墩。需要安裝套箱式模板，混凝土澆筑方量比較大，且施工質量不好控制，鋼支墩錨固效果差，在汛期閩江上游水庫泄洪情況下鋼支墩穩定性難以保證，而且棧橋使用完成后還需按航道及水利部門相關規定采用爆破開挖法清除混凝土至原河床面。

方案三:采用浮平臺配全液壓沖擊反循環鉆機鉆孔錨固鋼支墩?？衫酶∠渥鳛殂@孔平臺，全液壓沖擊反循環鉆孔，采用“井”字錨固樁作為棧橋鋼樁，施工方便、安全可靠，無需設置鋼護筒、無需泥漿護壁，施工環保［5］。

根據上述方案比選，結合現場施工實際情況，確定采用方案三進行棧橋鋼支墩施工。

3.2 施工工藝及方法

根據深水堅硬裸巖河床棧橋設計及使用要求，水中棧橋鋼支墩鋼管采用鉆孔灌注樁錨固，“栽樁”法施工。采用浮箱拼裝浮平臺作為移動鉆孔平臺，設四個“八”字錨調整及固定浮平臺位置。利用裸露堅硬巖石河床面鉆孔樁孔壁堅固不易塌孔的特點，在無需安裝鋼護筒及泥漿護壁的情況下，直接采用YCJF-25型全液壓沖擊反循環鉆機從裸巖河床面向下鉆孔，采用氣舉法出渣及清孔。然后在樁孔內安裝棧橋鋼管支墩并臨時固定，采用導管法灌注水下混凝土，混凝土灌注高度略高出河床面，即完成一個鋼支墩錨固施工。當完成一個鋼支墩錨固施工后，移動浮平臺進行下一個鋼支墩施工，重復以上步驟依次完成全部棧橋鋼支墩錨固工作。然后根據實際鋼支墩頂標高情況，對鋼支墩焊接接高至設計標高，從而完成全部棧橋鋼支墩施工。最后依次進行棧橋橫向分配梁安裝、主梁架設、橋面板及欄桿扶手等施工，完成全部棧橋施工任務。棧橋水上作業施工采用20 t浮吊吊裝作業，碼頭及岸邊吊裝采用汽車吊完成［6］。

施工順序:浮平臺拼裝→鉆機安裝→移動平臺鉆機就位→鉆孔→清孔、驗孔→安裝鋼支墩→灌注水下砼錨固樁→鋼支墩接高→棧橋上部結構安裝→棧橋驗收。

3.2.1 浮平臺拼裝施工

鉆孔浮平臺采用六七式標準舟節浮箱拼裝，單個標準舟節浮箱尺寸為9 m×2.7 m×1.65 m，每兩個浮箱拼裝成一組整體結構（9 m×5.4 m×1.65 m）。然后根據鉆機尺寸將兩組浮箱分開距離2.8～3 m（大于 2.5 m），采用型鋼將兩組浮箱連接成整體，采用7根 36b型鋼作為承重橫梁支撐在浮箱上形成鉆孔平臺，共計4個標準舟節浮箱拼裝形成一個鉆孔平臺［7］。鉆孔浮平臺拼裝見圖3。

圖3 鉆孔浮平臺平面（單位：mm）

3.2.2 鉆機安裝

YCJF-25型全液壓沖擊反循環鉆機主要由液壓動力站、液壓步履、液壓操作臺、主副卷揚機、導繩架、鉆塔、油缸沖擊機構、緩沖機構、沖擊錘頭及排渣系統組成。鉆機主要性能參數:鉆孔直徑1.2～2.5 m，最大鉆孔深度80 m；沖擊錘頭最大質量10 t，沖程0.1～1.3 m，沖擊頻率0～30次／min；主卷揚機提升能力100 kN，副卷揚機提升能力30 kN；排查主電機功率75 kW，主機質量19 t，運輸尺寸776 cm×280 cm×330 cm。排渣采用泵吸（或氣舉）反循環，采用6BS／3PN反循環泵組和φ159 mm排渣管，采用氣舉法排渣空壓機。

3.2.3 移動平臺鉆機就位

鉆機采用浮吊配合安裝鉆機，先安裝主機，然后吊裝錘頭就位，最后安裝附屬機具。鉆機安裝底座應平穩、牢固，在鉆進過程中鉆機不得產生位移。采用機動舟頂推浮動平臺移動到樁位附近位置，拋4個3 t錨碇將浮平臺粗調錨固，采用GPS坐標測量控制位置。最后采用卷揚機調整錨索力微調進行樁位對中，保證鉆機的鉆頭中心與樁孔中心一致，偏差不得大于5 cm。

3.2.4 鉆孔施工

錨固樁鉆孔施工是棧橋施工重要環節。因河床為堅硬巖石河床，無需安裝鋼護筒；孔壁不會坍塌，無需泥漿護壁，直接進行鉆孔作業。

鉆機利用鉆塔上的液壓油缸提升、下落沖擊錘頭，實現沖擊鉆進，液壓油缸提升錘頭質量大，鉆機破碎巖石能量大，破碎效率高。同時鉆機錘頭中間預留孔洞供排渣管插入，采用泵吸（或氣舉）反循環連續排渣，能有效避免孔底巖屑的重復破碎。故該鉆機施工成孔質量好、鉆進效率高。

氣舉反循環出渣是利用空壓機的壓縮空氣，通過安裝在排渣管外的進氣閥門嘴將壓縮空氣送入排渣管內，高壓氣體與孔內泥水混合，在排渣管內形成一種密度小于泥水的水氣混合物。水氣混合物因其比重小而上升，在管內底端形成負壓，下面的泥水在負壓的作用下迅速上升，形成向上流動的泥、渣、氣混合體。因為管的內斷面積大大小于管外與樁壁間的環狀斷面積，便形成了流速、流量極大的反循環，攜帶沉渣從排渣管內反吸排出管外。排渣過程中，不斷向孔內補水（江水自動補水）［8］。

為減少沖擊鉆孔對浮平臺的擾動，確保平臺穩定，開孔一般采用低沖程沖擊（0.3～0.5 m），然后根據平臺的平穩情況逐步適當增大沖程、高頻次沖孔。鉆進時排渣管底口距孔底0.3～0.5 m為宜，過高排渣效率則低，過低易造成堵管［9］。

3.2.5 鋼支墩安裝

棧橋中間鋼支墩采用4×φ630 mm鋼管焊接1.3 m×1.0 m“井”字形結構，鋼管之間采用 25b型鋼連接形成整體。在碼頭平臺加工完成后浮運到樁位處安裝，采用浮吊吊裝，GPS測量坐標定位，鋼支墩與浮平臺臨時固定，鋼支墩位置及垂直度滿足規范要求［10］。

3.2.6 灌注水下砼錨固樁

當棧橋鋼支墩安裝就位后，應加快灌注錨固樁混凝土。C30混凝土采用泵送入孔灌注，采用浮箱搭設泵管通道，灌注施工方法同普通鉆孔灌注樁施工。水下混凝土灌注前，對鋼支墩平面位置再進行一次復測，核實孔深及沉渣厚度是否滿足設計及規范要求。混凝土導管從“井”字架中間下放至錨固樁中心位置，導管底部應高出孔底20～30 cm。安裝滿足首批混凝土方量的料斗，然后正常灌注水下錨固樁混凝土。施工過程中，盡量避免導管及其他設備觸碰鋼支墩，確保錨固效果。灌注混凝土標高適當高出河床面即可［11］。棧橋鋼支墩錨固施工見圖4。

圖4 棧橋鋼支墩錨固施工

3.2.7 鋼支墩接高

鋼支墩錨固完成后，對鋼支墩接高施工。利用浮平臺作為接柱工作平臺，采用浮吊吊裝配合接高施工，上下鋼管對焊設置加勁板連接，重點控制鋼管柱的垂直度及對接焊接質量。鋼支墩接高完成后，松錨移動浮平臺至下一個棧橋鋼支墩位置，重復以上步驟至棧橋水中橋墩施工完成。

3.2.8 棧橋上部結構施工

鋼支墩施工完成后安裝棧橋分配梁，然后安裝貝雷梁，采用浮吊配合安裝。貝雷梁在碼頭拼裝成組片后浮運到橋位處安裝，貝雷梁支架采用90 cm型鋼支架。貝雷梁拼裝完成后，下弦桿橫橋向采用14型鋼配U型螺栓連接成整體，增加水平穩定性。貝雷梁頂橫向安裝 14型鋼分配梁，間距1.0 m，然后鋪設6 mm鋼板，最后安裝防護欄桿。棧橋貝雷梁在承重分配梁左右兩側及棧橋梁端頭設置限位裝置，增加棧橋的穩定性。

4 施工安全及質量控制要點

（1）鉆孔平臺拼裝及鉆孔過程一直因處于流水沖擊狀態及樁基施工振動狀態中，需隨時檢測樁孔位置，采用錨機調整平臺位置，確保樁孔位置準確［12］。

（2）混凝土灌注過程中，保證鋼支墩的垂直度，施工平臺及機具不能碰撞鋼支墩。

（3）鋼支墩錨固樁混凝土強度達到設計強度70%后方可進行鋼支墩接高、貝雷梁架設等工作，避免對樁基混凝土的擾動。

（4）凡是進入水上作業人員必須穿戴救生衣，高空作業正確系安全帶，確保人員安全。

（5）避免汛期施工棧橋，做好防洪應急預案及應急演練；設置安全的停泊區停靠水上設備，確保施工安全。

（6）水上作業過程中，加強通航安全警戒，與地方海事、航道部門加強溝通，必要時封航，確保施工及通航安全。

5 結束語

（1）河床為堅硬巖石裸露河床時，采用全液壓沖擊反循環鉆機進行錨固樁施工，氣舉法清孔。堅硬巖石不會塌孔，不需要鋼護筒、泥漿護壁及泥漿循環清渣等措施，施工方便、速度快、環保好及節省成本。本技術解決了深水裸巖河床棧橋鋼支墩錨固“生根”施工技術難題。

（2）采用移動浮平臺作為棧橋鋼支墩錨固樁施工平臺，拆裝方便，無需另外搭設鉆孔平臺，施工方便靈活、投入較小。

（3）棧橋鋼支墩采用“井”字形結構，單樁錨固。鋼支墩錨固效果好，棧橋抵抗洪水沖擊能力強，安全可靠。

（4）在特定條件下，簡易棧橋施工方便、速度快、安全可靠；棧橋拆除方便，對填筑碼頭及深水基礎鋼圍堰平臺配套要求不高。棧橋拆除時只需將鋼支墩從河床面位置切除即可，滿足航道及防洪要求。