南京长江三桥南塔基础投标施工技术方案研究

摘要：主要研究了南京长江三桥南塔桩基锚碇系统+临时定位桩锚固钢套箱施工技术方案。

关键词：南塔锚碇系统临时定位桩施工

中图分类号：TU74文献标识码： A

1 基础构造

南京长江三桥南塔采用套箱―钻孔灌注桩组合基础，桥位处常水位下水深约38m。承台为哑铃型，平面尺寸为84.0m×29.0m，圆端部分直径为29.0m，中间联接部分长度为29.5m，宽度为13.8m，承台厚度为8.00m，封底混凝土厚度为4.6m。套箱施工总高度为24.1m，顶标高设计为+8.50m。基础共包括30根直径为3.0～3.3m，长度为109m变截面钻孔灌注桩。

2 比选施工方案

2.1 钢管桩平台定位方案（比较方案一）

采用钢管桩定位平台进行钢套箱定位锚固，之后插打钢护筒，在钢护筒上搭设钻孔平台施工桩基，并依靠钢护筒上设置的钢套箱悬吊系统实现封底混凝土浇筑。

关键措施：钢套箱向钢管桩定位平台靠位时，采用在钢套箱上设置锚固系统的方式解决，主锚、边锚及卷扬机系统相互配合完成靠位，钢管桩定位平台结构刚度要强大，能经受钢套箱靠拢时的撞击，且在钢套箱定位后能抑制钢套箱的横向摆动。

2.2 锚碇系统定位方案（比较方案二）

钢套箱用定位船、导向船及其相应的锚碇系统定位，处于悬浮摆动状态，其横向摆动靠导向船的边锚来调节。钢套箱定位后，分别插打两侧圆端4根钢护筒，在钢护筒上搭设钻孔平台施工8根桩作为锚固桩，然后，钢套箱接高下沉就位，并将8根桩处套箱封底，实现与钢套箱的锚固。最后，依次施工其余钢护筒及钻孔桩，并依靠钢护筒上设置的钢套箱悬吊系统实现封底混凝土浇筑。

关键措施：抑制钢套箱横向摆动的措施最为关键。由于没有很有效的强制性措施，只是增大导向船的边锚能力，很难抑制钢套箱的摆动，亦即钢套箱在钢护筒施工完成之前一直处于微摆动状态，首次施工的8根钢护筒的准确定位直接关系到整个基础施工的成败。

2.3 锚碇系统+临时定位桩施工方案（推荐方案）

由于钢套箱在锚碇系统作用下处于弹性约束状态，在风浪涡流等作用下可能产生一定摆动，即使钢套箱被固定也会不停的晃动而导致钻孔精度难以达到规范要求。控制钢套箱在悬浮状态下摆动，直接关系到基础施工的成败。根据以往深水基础施工的经验，经过认真、仔细地深入计算和研究，决定推荐采用锚碇系统+临时定位桩定位锚固方案。

关键措施：除了采用强大的导向船、定位船锚碇系统，加强导向船的边锚能力，另外设置12根φ2.5m临时定位钢管混凝土桩限制钢套箱因风浪等荷载引起的小幅摆动，使钢套箱基本保持平面位置的稳定。

即利用定位钢管混凝土桩施工首批12根桩基，由于其稳固性，可以很好地保证首批12根桩基施工精度；然后在施工完成的桩基上搭设平台，施工其余18根桩基，最后完成承台施工。本方案的优点是：施工可靠易行，能够基本消除风浪影响，保证施工精度。

3 基础施工方案

3.1施工工艺框图

图1 南塔基础施工工艺框图

3.2首节钢套箱浮运

3.2.1钢套箱加工

南塔首节钢套箱高12m，重量达1506t。钢套箱的制造选择船坞加工，整个加工生产采用流水线作业法，从工艺上按照如下主要流程进行：（1）生产场地（胎架）布置；（2）下料；（3）散片制作；（4）块段制作；（5）成品块段存放；（6）块段拼装成型；（7）质量检验。

钢套箱在船台合拢焊接完毕，经密水性试验合格后下水。

3.2.2钢套箱浮运

套箱入水后，利用套箱自身的浮力承受自重，其水平力通过拖轮来施加，如图2。

图2 浮运示意图

浮运在小于六级风时进行，桥位处秋季主导风向为东北向，最大风速取9.5m/s。水流流速采用2002年洪水季节实测流速，垂线最大流速为2.73m/s。浮运拖航速度按施工经验取3.6km/h。经计算，拖航阻力R=686KN，套箱拖运时所需要的功率P=920HP。

现采用一艘1200HP主拖轮作为领拖，为了保证钢套箱在转弯或遇急流时浮运的安全，另配二艘980HP拖轮从后侧面顶推，使钢套箱能在既定的航道上运行。

3.3锚碇系统计算

在南塔上游设置定位船，套箱则通过导向船上的导向架进行限位，导向船通过钢丝绳与定位船相连。导向船和定位船上设置滑车组，利用卷扬机进行紧缆，钢套箱锚碇系统布置如图3。

图3 钢套箱锚碇系统布置图

3.3.1定位施工设备选择

在锚碇系统中，钢套箱施工水上定位设备主要有给钢套箱限位的导向船组、控制钢套箱位置的定位船以及锚、链、缆等定位设施。

根据桥位附近水文情况，在上游距桥轴线300m处设1艘2000T定位船。定位船主要用作确定、调整钢套箱顺水方向的位置，控制主锚的拉力。其一端直接与锚缆相连，另一端用钢丝绳和导向船、钢套箱联系。定位船与导向船联系的钢丝绳为6根，与钢套箱联系的钢丝绳为4根，均选用φ56直径。作用在导向船组和钢套箱的水流冲击力及风力通过这些缆绳传到定位船的主锚上。

导向船主要由2艘5000T铁驳、联结梁、系缆、调缆设备等组成，在钢套箱接高下沉时起导向和限位的作用。在钢套箱两侧各设置一艘驳船，两侧导向船组用万能杆件拼装而成的联结梁联成一整体，确保定位时导向船组的整体性。导向船内侧设置钢套箱下沉限位导向架，主要由H40型钢加工而成。

3.3.2锚碇系统计算

为确保套箱的准确定位以及桩基施工质量，对选用锚碇的锚、缆绳等进行验算。根据桥位处设计勘测结果及实际施工特点，按套箱下沉至设计标高工况计算，确定相关计算资料，如表1。

表1基本计算数据表

3.3.2.1套箱锚碇系统的阻力计算

（1）套箱的水流阻力R1R1=k1k2k3rAV2/2g（KN）

其中：k1――水流阻力系数k2――水工构筑物引起雍水抬高系数

k3――水工构筑物引起水流速度增加系数A――套箱入水部分在垂直于水流方向上的平面投影

V――水流速

得R1=0.8×1.05×1.1×10×597.4×2.52/（2×9.81）=1758.4KN

（2）套箱的风阻力R2

R2=K1K2K3K4W0A（KN）

其中：K1――设计风速频率换算系数

K2――风载体形系数

K3――风压高度变化系数

K4――地形、地理条件系数

W0――基本风压力

A――挡风面积

得R2=1.0×0.85×1.0×1.0×0.628×101.5=54.2KN

（3）导向船水阻力R3

R3=（fSV2+QA1V2）10-2・n（KN）

其中：f――船的摩阻系数

S――船的浸水面积

Q――阻力系数

A1――船入水部分垂直于水流方向的投影面积

V――水流速度

n――导向船数量

得R3=（0.17×2200+10×58.2）×2.52×2×10-2=119.5KN

（4）导向船水面以上部分风的作用力R4

R4=ξ4A4W0（KN）

其中：ξ4――填充系数

A4――各种设备受风面积

W0――单位面积上的风压力

得R4=120KN

（5）定位船的水阻力R5

R5=（fSV2+QA1V2）10-2・n（KN）

=（0.17×1042.9+10×17.29）×2.52×10-2=21.9KN

（6）定位船水面以上的风的作用力R6

R6=ξ6A6W0=15.5KN

（7）首批插打钢护筒的水阻力R7

R7=（2/3）k1k2rAV2/2g（KN）

其中：k1――水流阻力系数

k2――水工构筑物引起水流速度增加系数

r――水的容重

V――水的流速

A――护筒入水部分在垂直于水流方向上的平面投影

得R7=（2/3）×0.8×1.1×10×1.02×112.2×20/（2×9.81）=671KN

3.3.2.2设备验算及选择

（1）套箱拉缆

套箱所用拉缆拉力=1812.6kN，换算为钢丝绳破断力Fb=13263KN。

选用公称抗拉强度为1700Mpa、d=56mm的6*37+1钢丝绳，其钢丝破断拉力总和为2000KN，所需钢丝绳根数n=13263/2000=6.6，取n=4（根），导向船拉缆相应增加根数。

（2）导向船拉缆

导向船拉缆拉力=910.5KN，换算为钢丝绳破断力Fb=6662KN。

选用与套箱拉缆同规格钢丝绳，所需钢丝绳根数n=6662/2000=3.3，取n=6（根）

（3）定位船锚绳

定位船锚绳拉力=2760.5kN，换算为钢丝绳的破断力Fb=20199KN。

选用公称抗拉强度为1700Mpa、d=52mm的6*37+1钢丝绳，其钢丝破断拉力总和为1705KN，所需钢丝绳根数n=20199/1705=11.8，取n=12（根）

（4）主锚的选择

选用12个主锚，每根锚绳承受的拉力：，采用铁锚，河床覆盖层为砂土，则铁锚的质量G=230/5.5=41.8KN，取铁锚质量为5t。

（5）锚绳长度选择

锚绳长度Lm=（m）

其中：h――锚船马口至河床面的高差，取h=39.8m

F――锚的水平拉力，F=230KN

g――钢丝绳在水中重力，按空气中70%，取0.066KN/m

得Lm=528m

（6）锚链的选择

取锚链的负荷安全系数为4，一根锚链破断负荷应为：

Fm=4FZ=4×23=92t

采用M3级d34mm有挡锚链，其破断负荷为93.7t>Fm

链条长度L0=2.5×锚绳出马口处与锚位河床高度差（m）=2.5×39.8=99.5m

主锚共设12个，间距为15m，在定位船中央设置拉力架，相互抵消水平拉力，定位船只承受下拉力。为抵抗水流方向偏斜的分力和增强边锚能力，在定位船两边各设2个边锚，导向船两边各设6个边锚。

3.4首节钢套箱就位

（1）拖轮将首节钢套箱浮运至导向船组尾锚端，逆水进入导向船组之间。

（2）浮运钢套箱到达导向船组尾端后，需退出主拖轮，以导向船上缆绳连接钢套箱拉环，在帮拖轮的协助下一同拖拉使其进入导向船组之间，最后退出帮拖轮。钢套箱就位后，迅速引渡定位船上钢套箱拉缆至导向船上，与钢套箱连接，确定其位置。

（3）为了避免互相干扰，部分导向船尾锚、边锚在首节钢套箱就位后再进行抛设。

（4）考虑钢套箱进入净空不足原因，导向船组尾端万能杆件联结梁在首节钢套箱就位后再行拼装。

（5）钢套箱浮运到位后先进行初步定位，然后连接导向船组之间的尾端联结梁，使导向船组形成一个“井”字结构，首节钢套箱通过限位架固定。

3.5临时定位桩施工

3.5.1临时定位桩布置

临时定位桩共计12根，采用直径φ2.5m，壁厚δ20mm钢管混凝土桩。首节钢套箱初定位后，在钢套箱上设置导向架，利用200T浮吊配合振动沉桩机将钢管桩打入河床指定位置，然后用吸泥机吸出桩内泥砂，再灌入C30水下混凝土（适当配筋）以增强其刚度。临时定位桩的结构及位置如图4所示。

图4 临时定位桩的结构及位置图

3.5.2临时定位桩计算

因为定位桩的作用是限制钢套箱的横向摆动，所以将受到钢套箱的水平推力作用，需要验算的是定位桩的横向抗推能力能否满足要求。根据《海港码头结构设计手册》按波浪对大尺寸结构物的作用计算波浪对钢套箱的作用力，以及风对钢套箱的作用力，进而得出钢套箱对定位桩的水平推力。

3.5.2.1钢套箱对定位桩水平推力P计算

（1）最大总波压力Pmax

（t）

式中：fA――系数

γ――水容重

H――浪高

L――浪长

d――静水深

得波浪作用力Pt总=4Pmax=4×8.83=35.3t，则波浪对每根定位桩产生作用力Pt=Pt总/12=2.94t=29.4KN。

（2）套箱及套箱以上部分横向风作用力PF

PF=K1K2K3K4A1W0+ξA2W0（KN）

式中：K1――设计风速频率换算系数

K2――风载体形系数

K3――风压高度变化系数

K4――地形、地理条件系数

A1――套箱挡风面积

W0――基本风压力

ξ――填充系数

A2――各种设备受风面积

得PF总=179.4+193.4=372.8KN，则风对每根定位桩产生作用力PF=PF总/12=31.1KN

（3）钢套箱对定位桩的水平推力P

P=Pt+PF=60.5KN

3.5.2.2定位钢管桩入土深度计算

（1）单根钢管桩流水压力

PV＝（K×γ×A×V2）/2g

式中：K――形状系数

γ――水的容重

A――阻水面积

V――设计流速

g――重力加速度

得PV=342.7KN。

（2）钢套箱对定位桩水平推力P

由以上计算知P=60.5KN

（3）单根钢管桩桩身弯矩

计算弯矩M=M1+M2

式中：M――地面处最大弯矩

M1――动水压力所产生的弯矩

M2 ――钢套箱作用力所产生的弯矩

得M=13915KN・m。

（4）钢管桩入土深度

h=[M/(0.066×βRaD)]1/2

式中：M――地面处最大弯矩

β――系数

Ra――天然湿度岩石单轴极限抗压强度

D――钢管直径

得h=17.7m，考虑冲刷深度的影响，最后确定钢管桩入土深度为33m。

根据以上计算知，临时定位桩在抵抗钢套箱的推力时，对自身的刚度要求较高，当将钢管桩内灌入C30混凝土后，可明显增大其整体刚度，12根临时定位桩完全可以定位钢套箱。因此，从受力上分析，临时定位桩的定位作用将是明显而有效的，从而为钢套箱和钢护筒的精确定位提供了一个很好的方法。

3.6其他工程施工

3.6.1桩基钻孔施工

钻孔平台按两批桩基施工顺序分两次施工，在钢护筒施工完毕后，在其周围焊接牛腿搭设钻孔施工平台，平台结构主要利用贝雷桁梁、H40型钢拼装。钻孔按常规工艺施工，其分批顺序如图5所示。

图5 钻孔桩分批施工示意图

3.6.2钢套箱接高、下沉、悬挂施工

在首批钻孔桩施工完毕后，拆除钻孔平台，即进行次后节钢套箱接高、下沉及钢套箱第一组悬挂系统施工；当所有桩基施工完成后，进行第二组悬吊系统施工，至此，悬吊系统全部施工完毕。

为有效提高施工工效，满足基础施工进度要求，其余各节钢套箱分为三块在离桥位较近的造船厂加工制作而成，然后由船运抵施工现场，采用500t浮吊拼装接高。

钢套箱的悬挂系统依靠30根钢护筒作为支撑点，通过吊杆连接钢套箱底板上的吊点锚固梁组成。钢护筒上的承重梁由型钢组成，吊杆采用360根φ32mm精轧螺纹钢。

3.6.3封底混凝土和承台大体积混凝土施工

封底混凝土厚度确定的原则是：钢套箱抽水后，在保证封底混凝土强度的基础上，能保证整体的抗浮稳定性即可，也就是要满足套箱的上浮力F≤封底混凝土与钢护筒间的粘结力T。经复核，封底混凝土厚度为4.6m时可以满足要求。

钢套箱封底混凝土达到强度后，拆除悬吊系统，浇筑井壁水下混凝土9.5m，同时抽除套箱内等重量的水；待井壁混凝土达到强度后，抽出井壁内的所有水，干浇混凝土至设计标高；井壁内回注水，同时抽干套箱内的水，准备承台施工。

南塔墩承台高8m，混凝土11067m3，分两层进行浇筑，按大体积混凝土施工工艺施工。