株洲湘江四桥基础施工方案比较

水上基础施工

方

案

汇

报

中港二航局株洲市湘江四桥

项目经理部

二00 五 年 三 月

说明：

株洲湘江四大桥基础施工原设计方案是考虑在枯水期施工，而按照目前的开工时间和工期安排，必须确保基础在汛期正常施工。为了确保工期，安全、可靠、经济地修建大桥，“一桥五方”于2005年3月9日召开了“株洲湘江四大桥基础渡洪施工方案研讨会”，会议否定了“筑岛施工方案”。现我部对“钢管桩施工平台方案”和“钢围堰施工方案”进行了比较和阐述，具体如下：

一、概述

1、工程概述

株洲芦淞大桥桥型为三塔部分斜拉桥。主桥为75m+2×140m+75m四跨三塔单索面部分斜拉桥，桥宽29m，承台顺桥向宽810cm，横桥向长2336cm，高400cm。基础采用10根Φ220cm群桩嵌岩桩基础，桩底奠基于微风化泥质粉砂岩中。主、引桥过渡墩（19、23号）墩基础为3根Φ300cm嵌岩桩，桩底奠基于弱风化泥质粉砂岩中，桩顶设系梁（高为250cm）。

19～22号墩为水上墩，23号墩在堤面上，泥面标高在43.5m左右。主桥钻孔桩参数见下表

株洲湘江四桥《工程地质勘察报告》显示，本桥位未发现有不良地质存在，其区域地质稳定性与地基稳定性较好，桥位地基工程地质条件好，地质构造简单，河床与两岸第四系覆盖层厚度不大，下伏基岩风化层较薄，奠基持力层埋深适中，河槽基岩埋深浅，起伏小，有利于桥基施工。

强风化带岩石结构部分被破坏，大部分岩石矿物成分风化变质，岩质变软，风化裂隙密集发育，呈碎石状或碎石夹土状。

汇总各地层的分布情况见表-2

表-2、主桥处岩土层主要分布及力学指标表

株洲市地处亚热带季风湿润气候地区。气候温暖，四季分明，雨水充沛，生长期长。

4、水文

湘江自南向北贯穿株洲市，较大支流的枫溪港、白石港迂回曲折于河东汇入湘江，水情较为复杂。在市区内有株洲水文站，水文系列较长，湘江干流最高水位一般出现在4～7月，主要受洪水径流控制。根据株洲水位站质料统计，多年平均水位30.61m（85黄海系统），历年最高水位实测最高值为42.59m（1994年6月18日，56黄海系统），实测最大流量20200m3/s（19年6月）；实测最低水位27.51m（1998年11月13日），实测最小流量101m3/s（1966年9月）。正常水位为29.44～31.96m。年最高水位一般出现4～7月，年最低水位出现在12～2月。

二、钢管桩试打

株洲湘江四桥《工程地质勘察报告》河床主桥桩基础建议采取水中搭平台进行钻孔灌注桩施工。水中搭设平台首先需进行钢管桩试打，以验证与实际情况是否有出入。

钢管桩下沉采用35t全旋转浮吊配合DZ160VM4-10000AⅡ振动锤振动下沉。DZ160VM4-10000AⅡ振动锤性能见表2.。

表2.、DZ160VM4-10000AⅡ振动锤性能表

下沉示意见图2. 钢管桩下沉照片。

从实际打设情况看，钢管桩在穿过很浅的覆盖层后，在岩层中无进尺，浮吊松钩后在水中难以站稳，实际情况与资料、计算有出入。

                       图2.钢管桩下沉照片

三、搭设钻孔钢平台进行钻孔桩施工方案介绍

1、施工流程

2、施工方法

2.1钻孔平台施工

根据2004年株洲船闸处高程统计数据，洪水期施工，最大水位+39.0m；枯水位施工（9月∽下年2月），最大水位：+32.8m， 

2004年株洲船闸处平均水位（黄海高程）统计

三主墩钻孔桩均为10根桩，桩间距4.4m，采用布设两台钻机，根据施工荷载要求对平台进行结构设计。平台采用Φ800×10钢管桩、500×1000钢箱梁、贝雷架、I22工字钢、钢板组成。以21#墩为例，平台结构见图2.1。

图2.1、21#墩钻孔平台结构示意图

（2）钢平台搭设

钢平台搭设首先进行钢管桩下沉，通过钢管桩试打结果，钢管桩需采取特殊的手段，钢管桩方能在水中稳定，以便钢管桩间能架设水平联，构成平台刚架结构。

在枯水期，钢管桩采取先抛填袋装砂，后栽桩的方式进行钢管桩稳定。

在洪水期，钢管桩在水中自由高度太大，钢管桩采取先抛填袋装砂，后栽桩的方式进行钢管桩稳定，则抛护的工程量较大。同时需考虑洪水对河床的冲刷。湘江水系株洲段具有山区河流特点，2月15日∽2月17日，三天水位由+30.0m涨至+36.2m。后每天回落，回落开始几天每天回落1m，后缓慢回落。洪水期的抛护对河床的通航、排洪有较大影响。见表2.2.2、洪水期与枯水期施工抛护比较。

2.2 钢护筒施工

锚桩处理后方能搭设施工平台，进行钢护筒沉放。为确保钢护筒的稳定及平台安全，护筒需采取跟进的方式入岩5米左右。护筒下放的速度相比常规下放方式，每护筒下放时间增加2天左右。

2.3 钢吊箱施工

考虑到施工时间和水位的问题，吊箱基本在水位不高的条件下施工，按32.5m的设计施工水位，进行吊箱设计，如水位发生变化，在吊箱顶部临时加高2m的挡水结构。

在钻孔桩施工完成后，需进行平台的转换，即拆除钻孔平台，安装钢吊箱拼装平台，相比钢围堰，钢吊箱的安装工序要复杂得多。因钢吊箱采取拉压杆的方式将钢吊箱的荷载施加于钢护筒上。在混凝土封底过程中，杆件受拉，在封底施工完成后承台内抽水过程中及抽水后杆件受压。

钢吊箱首节重量约在100吨左右，在钻孔平台拆除后搭设首节拼装平台和下放平台，首节钢吊箱拼装及两平台搭设也占用一定工期。

钢吊箱底板工程量较大，同时无法拆除，钢吊箱的壁板在拆除后用途也较小。

四、先下钢围堰、后下钢护筒、封底、钻孔桩施工方案

1、施工流程

2、施工方法

2.1、钢围堰设计

按以下设计条件，对株洲市湘江四大桥主墩钢围堰进行施工图设计：

2.1.1、钢围堰混凝土封底及钻孔施工工况（抗倾覆控制）

1最大水位：+39.0m；

2最大水流速：3.0m/s；

3河床覆盖层标高：21.0m；

4河床岩面标高：20.5m；

5考虑钢围堰需度过洪水期，双壁钢围堰顶标高：+38.0m，刃脚底标高取为+20.5m；

6底口设有挡土和便于下沉的刃脚；

7钢围堰采取先下沉就位、后下钢护筒、清淤、混凝土封底、砂石回填、后钻孔桩、钢围堰内抽水、桩头凿除、混凝土找平、承台干施工；

8钢围堰分三层设计，第一层采取整体加工、浮运、导向船就位，第二层、第三层采取拼装，单块重量不超过10吨。第一层高度满足在第二层钢围堰重量加上去后，第一层钢围堰干弦高度仍有1米。

2.1.2、钢围堰抽水工况

1设计施工水位：+32.5m；

2设计最大流速：1.5m/s；

2.2、钢围堰加工制作与首节运输

钢围堰采取在河漫滩上加工，平台选取在+39.0m标高位置处，钢围堰加工、验收严格按《钢结构施工规范》、《钢结构工程验收规范》执行。所有壁板和隔舱的焊缝必须做煤油渗透试验，首节需做渗水试验。

2.2.1、钢围堰制作、拼装场地布置

钢围堰制作场地选在位于墩位处上游的西岸大堤内，整个场地长100m，宽40m，制作场地共分三个区，即上、下游分块制作区和底节拼装区（即滑道场地）。

钢围堰制作场地底节拼装区总宽40.0m，长36.2m，两边处设两条砼滑道，滑道各宽2.5m，滑道外口到外口宽12.2m，内口到内口宽7.2m，要求滑道能满足钢围堰底节（第1节）下滑要求。滑道斜坡1：10，滑道面浇筑25cm高砼。滑道在较低水位时施工，同时在江侧采取筑岛的方式，将滑道尽可能往江侧延伸。

滑道前方两侧设方驳或浮吊，卷扬机通过前方方驳或浮吊上的转向滑车牵引底节钢围堰入水。在下滑过程中，配备两台10t卷扬机及相应的滑轮组，并且围堰下配备滚杠。滑道后方设两台10t卷扬机，防止底节围堰自行下冲。

底节围堰制作区两侧布置围堰分块制作区。各节围堰在分块制作区制作后，底节围堰块体用16t吊车吊入底节围堰拼装区拼装，拼装时采取底面水平布置，侧面可用吊锤线或经纬仪来控制垂直度。第2节围堰块体由16t吊车、平板车转至岸边10m范围内，再由起重船吊至方驳，在导向船内进行水上接高拼装。

2.2.2、钢围堰制作与拼装工艺

钢围堰第一节为陆上拼装，其他两节为水上分块拼装。

第一节钢围堰在陆上制作拼装完成后，通过滑道拖滑下水。首先应带好后侧卷扬机钢丝绳，防止围堰沿滑道斜面下滑失控。卷扬机派专人控制，围堰下滑时，始终保持一定拉力。系好尾缆后，用4个50t千斤顶将围堰顶起，在围堰底板下放上槽钢、滚杠（滚杠材料用无缝钢管）。滚杠和钢围堰的运动方向垂直，每隔1m放置1根，然后缓缓落下千斤顶，使围堰落至滚杠上。下滑过程中要求两边卷扬机同步开启且速率相同，并且每个角度都有人观测，随时纠正偏位。围堰入水时，滑道前端水深不足使围堰自浮时，采取在围堰顶加吊耳，江侧用浮吊、岸侧用汽车吊抬吊钢围堰前移，钢围堰自浮后松钩。

围堰入水后浮运至导向船内。为了保证钢围堰在水中的稳定性及安装安全要求，利用4台抽水泵向第一节钢围堰隔仓对称灌水，使其下沉直至顶板离水面约3.0m，然后分块安装二、三节。

钢围堰均采取分片制作，后组装，形成流水作业，1个半月内完成单个钢围堰的制作。在第1个钢围堰墩位处安装的同时，完成第2个钢围堰的制作，同时钢围堰的制作和下水不受水位的影响。

2.3、导向船抛锚定位

2.3.1、导向船及锚锭布置

采取两艘400t方驳作为导向定位船，导向定位船采用钢箱梁、钢管连成整体，导向船上安装橡胶护舷作为钢围堰下沉定位导向。

导向船用10个20吨混凝土锚进行定位，其中引水锚4个、边锚4个、尾锚4个。采用拖轮配合35t浮吊进行抛锚定位。导向船布置见图3.1、导向定位船平面布置；图3.1’、导向定位船侧面布置

图3.1、导向定位船平面布置

图3.1’、导向定位船侧面布置

导向船间联系梁采取φ1016钢管、φ426钢管、1.2米高钢箱梁构成；导向架采取型钢、橡胶护舷构成，型钢与导向船间焊接，橡胶护舷与钢围堰间接触。

2.3.2、锚碇系统所受外力计算

作用于锚碇系统的外力主要为钢围堰、导向船组和导向船旁临时工作船的水阻力，风阻力可忽略不计。按洪水位钢围堰定位进行锚锭设计：

1最大水位：+39.0m；

2最大水流速：3.0m/s；

钢围堰、导向船及临时工作船外力总合为：R=R1+2R2+R3=1220.98+2×14.29+14.29=1263.9kN

1）钢围堰水阻力R1

2）导向船水阻力R2

3）钢围堰旁临时工作船的水阻力R3

2.3.3、主锚个数的计算

设所需钢筋混凝土锚在空气中总重为G，当河床覆盖层为砂砾时：

      G =P/3～6，取G =P/3 =R主/3 =1263.9/3 =421.3(KN)

若主锚采用20吨重的钢筋混凝土锚，则所需主锚个数 

N=G /（20×9.81）=421.3/（20×9.81）=2.15(个))

  为安全起见，取N =4个20吨重的钢筋混凝土锚

  则每个主锚受力为 F =R主/4 =1263.9/4 =316.0（KN)

2.3.4、主锚钢丝绳强度验算

采用6 ×37-43-1700钢丝绳，校核其安全系数。

2.3.5、尾锚、边锚个数及钢丝绳强度验算

尾锚受力按与主锚相同考虑，个数为主锚相同，钢丝绳直径与主锚相同。

边锚受力按主锚的一半考虑，个数为主锚的一半，钢丝绳直径与主锚相同。

2.3.6、导向船加工、就位

2.3.6.1、采取钢管、箱梁将两400吨方驳连接

2.3.6.2、抛锚

抛锚施工顺序为：先引水锚，再边锚，然后尾锚。

抛锚施工主要包括以下几个步骤：

①起重船定位 ②起吊锚块 ③上锚环 ④下放锚块至河床 ⑤吊车脱钩

2.3.6.3、绞锚定位

1）测量控制，将导向船基本定位于设计位置，将卷扬机及滑轮组安装定位。

2）将要安装的钢丝绳散开，两端作扣，上钢丝扣与锚链相连，拖轮上设吊放架。

3）驳上的5t卷扬机利用浮筒拖起锚链一端,用拖轮将钢丝绳的另一端拖至导向船上与动滑轮相连，卷扬机绞缆，手拉葫芦配合换扣直至钢丝绳上的拉力器显示受力达到20KN力。此时滑轮组间应留足够调整距离。

4）重复上述工作将12个锚全部抛完，控制绞缆顺序，防止压锚缆。

5）岸上测量定位。

2.3.6.4、安装橡胶护舷（钢围堰导向装置）。

在钢围堰就位后，安装钢围堰导向装置，导向装置采取型钢、橡胶护舷制作。导向装置型钢与导向船间焊接，导向装置橡胶护舷与钢围堰接触。

2.4、钢围堰下沉

为便于钢围堰着岩，钢围堰底设置刃脚，刃脚下口采取厚钢板作为切岩点。钢围堰采取内填充水、或填充砂、或填充混凝土的方式使钢围堰下沉。钢围堰采取四脚调平钢管调平，调平后采取潜水员水下用钢支垫结合麻袋砼支垫刃脚，后注水稳固。稳固后四周抛掷砂袋，防止钢围堰内外串通。钢围堰内外水头平衡采取在箱壁设置连通管的方式。

2.4.1、钢围堰定位下沉工艺流程：  

2.4.2、定位下沉

通过稳定性验算，钢围堰的注水下沉在小于1.5m/s时进行是可靠的。注水采用6台20m3/s的潜水泵抽水入仓。灌水操作应掌握对称、均匀、有计划的原则。

下沉过程中浮吊始终吊着钢围堰顶部，以扶持钢围堰入水下沉。应随时观测围堰平面是否偏位，及时通过船两侧拉缆修正平面位置。

下沉过程中通过下拉缆或隔仓内水位控制垂直度，利用岸上经纬仪检查，保证垂直度不大于1/100。跟踪观测水流速度,河床冲测及淤积情况,根据情况变化采取措施。

围堰底部离河床面相距1m时，停止下沉。

2.4.3、纠偏措施:

1）船面设上拉缆扭偏，上拉缆为四个方向布置的倒链连接于钢围堰顶部的锚板上。

2）过船底采用二台5t卷扬机向上游从底部收紧钢缆（下拉缆）以抵抗河底流力，保持围堰垂直度。

3）下沉调平钢管桩，底部用麻袋砼支垫，焊反牛腿，安装螺旋千斤顶。使用4×50=200t的外力使围堰水平。

2.4.4、测量校位，超过规范要求，则浮起钢围堰用上、下拉缆调整后再次着床。此时，所有锚缆收紧。

2.4.5、钢围堰下沉保证措施

1）下沉过程中，应跟踪测量水流速度、河床冲刷及淤积情况，以便及时采取措施，保证围堰平稳落床，准确就位。

2）对所有缆绳、锚链锚碇和导向设施进行检查和调整。

3）下沉过程中，应配合港监部门严格过往船只的行驶速度，以防波浪造成钢围堰自浮体系的偏位。

4）控制围堰舱壁内外的水头差不大于4m、保持围堰结构稳定。

2.4.6、调平、定位着岩

收紧所有锚缆。检查围堰垂直度，调平钢管桩，调平围堰。检查围堰平面位置，符合规范要求后注水，若不符合则用抽水使围堰上浮，收紧下拉缆，调整钢围堰平面位置，再注水下沉。潜水员下潜摸床，发现1∽2个点着岩后停止下沉。

2.4.7、刃脚支垫、内外封堵

潜水员水下用钢支垫结合麻袋砼支垫刃脚，收紧上下拉缆。千斤顶松动将力传至4个钢支垫上。抽出调平钢管桩。潜水员内侧用麻袋砼封堵刃脚空隙。外侧分层抛袋装砂。抛填用35t浮吊进行，潜水员检查抛填质量。上述工作完成后及时浇注夹壁砼，以增加围堰刚度，抵抗水压力。最后再次检查锚缆，上、下拉缆，防止跑位。

2.5、钢护筒平台、钻孔桩施工平台搭设

钢围堰着床定位后，利用型钢、贝雷架，搭设钢护筒下放用平台，该平台也作为以后钻孔桩施工用平台。

钢护筒采取35吨浮吊吊安，通过平台限位直接安放在基岩上。周围可采取措施进行封堵。

2.6、钢围堰内先封底、后砂石回填施工（或先回填、后混凝土封底）

钢护筒安放完毕，在钢护筒与钢围堰间进行清淤。混凝土封底厚度暂定为2米。

清淤施工完毕，搭设封底用施工平台。混凝土封底采取长江上施工常用的集料斗和从一边向另一边推进的原则补料，用两座水上砼拌和站生产，拖泵泵送到料斗。封底混凝土一次性浇注完成。

2.7、钻孔桩施工

封底混凝土达到设计强度后，钢围堰、钢护筒在水中已定位完毕。移开导向船，利用钢护筒搭设时形成的钢平台进行钻孔桩施工。

钻孔完成后抽水，进行承台施工准备。

五、方案比较

以21#墩为例：

1、工期比较

因①钢吊箱底板无法拆除，钢吊箱壁板和钢围堰拆除后用途均较小；②相同工况下钢平台和钢围堰的承台封底混凝土厚度相同；③封底混凝土底离河床最大高度为4.0米，在相同外界条件下，钢吊箱与钢围堰的用钢量相当。

在株洲四桥桥位处，在相同外界条件下，尤其在洪水季节施工，水中主墩钢围堰方案与钢平台方案费用相当。

鉴于洪水期施工钢围堰施工方案较钢管桩平台施工方案工期提前2个月左右，而费用相当，同时采用钢围堰方案施工的安全性要高于钢平台方案，我们推荐采用钢围堰方案进行施工。