第二松花江特大桥深水桩基施工技术

摘要:以第二松花江特大桥主桥施工为例,介绍了桥梁深水桩基施工方案的选定及施工要点,重点对砂层长钻孔桩施工、钢护筒渡汛及钢板桩围堰施工进行了分析。

关键词:第二松花江特大桥;深水桩基;钻孔灌注桩;围堰

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

该桥址区位于第二松花江河谷平原区，线路与第二松花江斜交，斜交角度为75°，河道两岸有明显的陡坎台地。桥梁孔跨布置： 56-32m简支T梁+（48+4×80+48）m刚构-连续梁+11-32m简支T梁+（32+56+32）m连续梁+3-32m简支T梁，桥全长2844.335米。跨主航道采用（48+4×80+48）m刚构-连续梁，跨既有河堤采用（32+56+32）m预应力混凝土连续箱梁跨越。

1. 1 结构型式

57#-61#墩为刚构-连续梁主墩，59#墩为刚构，57#及58#墩位于浅水中， 59# 、60#、61# 号墩位于深水中,水深在3.0～8.0 m 之间,设计为Ф1500mm钻孔桩基础,共70 根桩,桩长为49～57 m 。

1. 2 水文地质情况

主河槽宽480～620m，洪水期行洪宽度2500～3000m，河道较顺直，河流比降0.13～0.17％，流速1～1.5m/s，10年一遇设计流量4610 m3/S，水位136.15m，百年一遇设计流量7500 m3/S, ,百年一遇水位137.44m, 三百年一遇设计流量10230 m3/S,三百年设计水位138.39m。

地质情况:表层为饱和稍密细砂层,厚8～19m ;其下为中密状中砂层,厚10～11 m；然后为中密状砾砂层,厚5～6m;然后为粉质粘土18～20m；再下为风化泥岩。

1. 3 工程数量

57#墩:12 根钻孔灌注桩, Ф1500 mm ,单根桩长50 m ;

58#墩:14 根钻孔灌注桩, Ф1500 mm ,单根桩长49 m ;

59#墩:18 根钻孔灌注桩, Ф1500 mm ,单根桩长55 m ;

60#墩:14 根钻孔灌注桩, Ф1500 mm ,单根桩长54m ;

61#墩:12 根钻孔灌注桩, Ф1500 mm ,单根桩长57m ;

总计70 根钻孔灌注桩,总长3716m ,水下砼数量6566.8m3 。

2 施工方案及施工要点

2. 1 选定施工方案

2. 1. 1 57#、58#墩施工方案的选定

57#、58#墩靠近陶赖昭侧岸滩,采用填土筑岛方案，并沿江边在岛上游侧铺砂袋对筑岛防护,钢护筒入土深度10～12m,使57#、58#水中墩的施工变成旱地上的钻孔作业。

2. 1. 2 59#～61#墩施工方案的选定

59#～61#墩离岸滩较远,采用筑岛方案是不可取的。我们着重对两个方案进行了比选。

（1） 浮箱平台钻孔方案

该方案由战备标准浮箱组拼平台进行钻孔作业施工,随着水位的涨退,进行焊接或割除钢护筒,在水位变化小、流速不大、施工期短的情况下非常适用。但因第二松花江水位涨落快、流速大,且面临冬季结冰及冰凌危害，浮箱又不容易稳定,故施工难度比较大。

（2） 固定高桩平台钻孔方案

钻孔平台的主要材料为钢管桩、型钢、贝雷梁、分配梁、钢板型钢组合面板，结构形式见下页图2、3、4。

支撑桩：φ630mm钢管，最大跨径7.4m。

横梁：2I45工字钢。

纵梁：贝雷梁，采用连接片连接。

分配梁：纵梁上设置间距为I20a作为分配梁

面板：采用8mm钢板花纹钢板。

护栏：φ42mm钢管和φ12钢筋焊接为护栏。

连接：横、纵梁与分配梁采用U型钢筋连接。形成固定作业平台,在平台上进行钻孔作业。该方案虽然工作量大,但施工难度相对要小,且适合第二松花水位涨落快、流速大、安全过冬的特点,故我们选择了这个方案。

2. 2 施工要点(以59#水中墩为例)

(1) 采用55t履带吊、振动锤（DZ90、DZ120）及平板驳船进行栈桥及平台钢管桩的打设。栈桥及平台的设计根据施工机械、通行车辆、运输材料、人员、桥跨自重及水流冲击力确定所承受的荷载,根据荷载计算桥跨、纵梁长度和根数。

(2) 钢管桩施沉前根据桩位图计算每一根桩中心的平面位置，计算该处钢管桩的桩中心坐标，同时确定好沉桩顺序，防止先施打的桩妨碍后续的桩施工。水上桩基施工重点在于水中桩基定位，本工程采用GPS手持定位仪器，在驳船外侧采用Ⅰ25a焊接出连根延长钢梁，制作一个略大于桩径的钢制框架，用于定位，测量在框架中心定出桩中心后将钢管桩从框架中下入水中，进行震动沉桩。也可加工一个独立的导向架，上口插桩，下口放大保证稳定性。

图1 钢管桩定位打设

(3) 在钢管桩纵横向设置剪力撑,吊装工字钢、贝雷梁、搭设工作平台。详见图2 、3 、4。

图2 59#墩平面图图3 59#墩横向立面图

图4 59#墩纵向立面图

(4)钢护筒的打设用履带吊在平台上配合DZ120振动锤插打Ф1.7 m （厚12mm）钢护筒,钢护筒入土深度8 m ,钢管桩入土深度10 m ,钢护筒的定位利用钢护筒导向架。

护筒埋深计算

1） 计算依据

交通部第一公路工程公司，公路施工手册《桥涵》。对于深水河床护筒底端埋置深度的计算公式如下：

L=[(h+H）rw -H ro]/( rd - rw)①

式中：L——护筒埋置深度（图5），m；

H——施工水位至河床表面深度，m；

h——护筒内水头，即护筒内水位与施工水为之差，m；

rw——护筒内泥浆容重，KN/m3；

ro——水的容重，KN/m3；

rd——护筒外河床土的饱和容重，KN/m3；

rd=(+e)ro/(1+e) ②

式中：——土粒的相对密度；

e——饱和土的孔隙比；

当护筒穿过几种不相同的土质时，护筒外河床土的饱和容重取平均值，即rd =(∑rid Li)/∑Li ③

图5

式中：rd——几种不同土的平均饱和容重，KN/m3；

rid——每种不同土的饱和容重，KN/m3；

Li——每种不同土的层厚，m。

59#墩桩基

① ｈ=2.5m② γ0 =10ｋＮ／ｍ３ ③ Ｈ=4.2m④ γｗ=11ｋＮ／ｍ３

⑤γｄ =［（+е）／（１＋е）］γ0= [（2.65+0.6）/（1+0.6）]×10 = 20.313ｋＮ／ｍ３

L=[(2.5+4.2)×12－4.2×10]/（20.313－11)=4.12m

护筒实际埋置深度:

LS=2L=2×4.12=8.24m

护筒总长 L总=n+H+h+Ls=2+4.2+2.5+8.24=16.9（m）

实际施工时钢护筒按取值18m长。

(5) 钻机就位作业,钻机钻孔时利用泥浆槽连接相邻钢护筒做泥浆池。

(6) 灌注水下砼。

(7) 拆除平台,进行围堰施工,用砼封底,抽水堵漏,割除护筒,破除桩头。

(8) 在无水环境中,进行承台、墩柱施工。

3 对几个技术问题的分析和采取的对策

3. 1 砂层长钻孔桩的施工在地层为砂层的条件下进行钻孔灌注桩施工的难度是相当大的,尤其是长度> 50 m 的摩擦支承桩,在施工过程中需要克服坍孔、沉淀过快、灌注砼时间长所带来的困难,使其综合施工难度更大。现将第二松花江特大桥施工所遇到的问题作一介绍。

3. 1. 1 钻机的选择

59#～61#全部选用GPS - 20型正反循环回转钻机,钻头采用刮刀钻和滚刀钻结合。一般情况下,在地表淤泥层及松散细砂层内用正循环钻进,这样做泥浆护壁效果好,能确保进口段安全施工;在进入密实砂层后,即采用反循环钻进,并用优质泥浆护壁,这样做的优点是钻进速度快,终孔后孔内泥浆悬浮物少。底部硬质泥岩层采用滚刀钻施工。

3. 1. 2 事故预防及处理

(1) 斜孔。预防措施:对钻机严格找平定位,并检查校正,若出现一般轻微倾斜,在倾斜处吊住钻头上下反复扫孔,使钻头正直。倾斜严重时,浇注水下砼或砂浆2～3 m 到倾斜处,待砼或砂浆达到一定强度后,再行钻进。

(2) 漏浆和坍孔。预防措施:做好泥浆护壁,经常测试泥浆的各项指标,随时掌握泥浆状态,控制好钻进速度,万一发生坍孔,便要用粘土回填密实,然后重新钻孔。

(3) 导管进水。若是首批砼储量不足,立即将导管提出,将撒在孔底的砼拌合物用泵吸反循环空气吸泥机清出,然后重新下管灌注。若是导管接头不严或导管提升过猛,导管底口超出砼面,就视具体情况,拔换原管重新下管或用原导管插入续灌,但灌注前将进入导管内的水和沉淀土用吸泥和抽水的方法吸出。

(4) 卡管。若初灌隔水栓卡管,可用长管冲捣管内砼,用吊绳抖动导管,使隔水栓下落。若是机械故障或其它原因使管内砼已初凝,可将导管拔出,用吸泥机将孔内表层砼、泥浆和渣土等吸出,重下新导管灌注,但这根桩作断桩处理。

3. 1. 3 施工注意事项

在砂层长钻孔桩施工时,要规划好施工现场,首先考虑冲洗液循环、排水、清渣系统的安设,以保证反循环作业时,冲洗液循环通畅,污水排放彻底,钻渣清除顺利。水中钻孔时使用多级振动筛和旋流除砂器进行机械除砂清渣。对于第一次沉渣的处理,要在终孔时停止钻具回转,将钻头提离孔底50～80 cm ,维持冲洗液的循环,并向孔内注入含砂量< 4 %的新泥浆或清水,令钻头在原地空转10 min 左右,直至达到清孔要求为止。灌注水下砼最好用灌注架,尽量不用吊车灌注,以保证砼导管起落都在钻孔中心。此外,首批砼自始至终处于后灌砼的顶层,其上为水和泥浆,因此它保持一定的流动性,以防止粘孔或粘钢筋笼而导致堵管。

3. 2 钢护筒渡汛

第二松花江特大桥深水基础施工恰逢汛期,对于钢护筒能否安全渡汛是至关重要的。为此,进行了大量的计算,决定采用沿钢护筒周围铺设3 m 高的编织砂袋进行防护。

3. 2. 1 防冲刷措施

该桥59 #墩汛期前共打设18 根钢护筒,护筒入土深度9.1 m ,护筒顶高程+138.10 m ,河床高程+131.32 m , 表层为饱和稍密细砂层,厚8～19m ;其下为中密状中砂层,厚10～11 m；然后为中密状砾砂层,厚5～6m;然后为粉质粘土18～20m。最大局部冲刷深度有6.8 m 深。现按抛撒碎石防护进行冲刷计算,最大局部冲刷深度为2.85 m ,因编织砂袋的防冲刷能力大于碎石,故3 m 厚的编织砂袋对于钢护筒的防冲刷是有效的。

3. 2. 2 稳定措施

第二松花江最大流速V = 2 m/s,按《59桥规》流速在3m/s以上时才计算水流冲击力。

同时为防止冰凌桩基栈桥钢管桩及钢护筒，在平台上游侧打了防冰钢管桩故钢护筒在流水及冰凌冲击下是安全稳定的。

4结语

水中墩施工运用栈桥、钻孔平台以及深水基坑开挖钢板桩防护方案在松陶铁路第二松花江特大桥得到了成功的运用，它的运用不仅解决了传统草袋围堰对施工现场条件的局限性和施工安全风险性，同时也加快了施工进度，赢得施工的时间。同时在第二松花江特大桥基础施工中圆满地解决了该桥深水基础施工难题。施工过程中,多次优化改进了施工方案,对于简化施工工序,缩短工期,降低工程成本具有很大的意义。为我公司以后跨河桥梁深水基础施工提供了宝贵的施工经验，在深水桥梁的施工中具有推广价值。

参考文献

【1】黄绍金 刘陌生.《装配式公路公路钢桥多用途使用手册》. 北京.人民交通出版社.2002年3月

【2】交通部第一公路工程公司.《桥涵》.北京.人民交通出版社.2000年3月

【3】江正荣.《建筑施工计算手册》（第二版）.北京.中国建筑工业出版社.2007年7月

第一作者简介：肖春春（1983年—），男，中铁二十二局第一工程有限公司工程师，本科，2005年毕业于北京交通大学，土木工程专业。