武汉天兴洲长江大桥主塔基础选型及施工技术

武汉天兴洲长江大桥主塔基础选型及施工技术中铁大桥局集团公司秦顺全摘要：天兴洲公铁两用桥是武汉市三环路及武广客运专线跨长江的主要桥梁，主跨504米，主塔墩位于长江主河槽，2#墩32根φ3.4m钻孔桩，采用双壁吊箱围堰（57.6m×31.20m×14.5m）、锚墩定位施工技术，3#墩40根φ3.4m钻孔桩，采用采用双壁吊箱围堰（69.5m×44.0m×15.0m）、重锚定位施工技术，主塔墩基础是全桥关键性工程，本文结合桥位处水文地质特点，针对主塔墩基础型式选择及其施工技术进行论述。关键词：钻孔桩、吊箱围堰、锚墩定位、重锚定位、方案比选一、工程概况天兴洲公铁两用长江大桥位于武汉长江二桥下游约9.5公里处，是武汉市城市总体规划三环路及武广客运专线跨长江的桥梁，其主桥为双塔三索面三主桁斜拉桥，主桥桥式布置为98+196+504+196+98米。主塔墩位于长江主河槽，规模庞大，是全桥的关键性工程。图1主桥布置图2#墩位于天兴洲南汊深槽北侧，河床高程一直处在变化中；第四系覆盖层主要由砂类土构成，总厚度25～30m；墩位处岩面高程在-24.70～-28.20m之间，岩面高差大；局部冲刷大，局部冲刷后高程-26.54m。天兴洲南汊百年一遇洪水位+28.61m，二十年一遇最高通航水位+25.68m。常年水位在+10m~+25m之间。2号墩基岩以白垩系~第三系砾岩为主，间夹泥质粉砂岩，因胶结程度不同，砾岩强度有较大差异。基岩顶部10～22米以中等胶结砾岩为主，夹弱胶结砾岩、强胶结砾岩及较多泥质粉砂岩，岩体不均匀性十分显著，不宜作主塔墩基础持力层，其下岩体以强胶结砾岩为主，可作为桩基持力层。基岩单轴极限抗压强度为25Mpa。3号墩位于南汊深槽南侧，河床高程一般为-3.22~-1.40米；第四系覆盖层主要由砂类土构成，总厚度31.2～32米。墩位处岩面高程在-33.40～-33.82米之间，基岩以白垩~第三系砾岩为主，间夹泥质粉砂岩；因胶结程度不同，砾岩强度有较大差异。基岩上部主要以弱胶结砾岩为主，夹中等胶结砾岩、泥质粉砂岩；下部以中等胶结砾岩为主，夹强胶结砾岩透镜体。二、主塔墩基础选型沉井基础刚度大，结构安全可靠，施工需要的机械设备少，承受水平荷载能力强，特别适用于基础承受水平力大，持力层埋深较浅的地质条件。本桥2＃主塔基础处虽岩面埋置较浅，但岩面高差大，最大高差达19m左右，最浅岩面处覆盖层几乎冲光，沉井侧面土的抗力难以满足要求，且需做高低刃角，不仅实施困难，而且难以满足受力要求。3＃主塔墩处覆盖层厚，持力层埋藏较深，冲刷较大。根据计算，沉井高度需65m左右，所需沉井平面尺寸较大，下沉有一定困难。沉井基础需在水上接高，需配备大吨位起吊设备。施工工期因地质条件不同有很大差异，下沉受不可预见因素影响较多。墩位处覆盖层为性质较差粉细砂层，吸泥下沉时易造成大量翻砂，致使沉井偏移，施工工期难以控制。大直径钻孔桩是目前国内外深水桥梁所普遍采用的一种基础形式。其设计、施工工艺均已较成熟，单桩承载力大，抵抗水平荷载的能力强，基础平面尺寸较小，有效承载能力高。钻孔桩的另一个突出特点是其适应性强，可用于各种复杂不良地质条件，且桩长适应范围广，施工质量较易控制。上部结构作用到墩底的反力巨大，所以宜采用大直径嵌岩柱桩,桩尖置于强胶结砾岩中。设计中在满足受力要求的情况下，拟定φ2.5，φ3.0，φ3.3，φ3.4m不同桩径方案进行比较。2#墩基础：方案一：桩径采用2.5m：基础采用70φ2.5钻孔灌注桩，承台横桥向宽50.25m，承台顺桥向宽34.5m，承台厚6.0m，桩长60m，封底砼厚2.0m。方案二：桩径采用3.0m：基础采用48φ3.0钻孔灌注桩，承台横桥向宽47m，承台顺桥向宽35m，承台厚6.0m，桩长60m，封底砼厚2.0m方案三：桩径采用3.3m：基础采用35φ3.3钻孔灌注桩，承台横桥向宽45.1m，承台顺桥向宽31.9m，承台厚6.0m，桩长60m，封底砼厚2.5m方案四：桩径采用3.4m：基础采用32φ3.4钻孔灌注桩，承台横桥向宽53.4m，承台顺桥向宽26.2m，承台厚6.0m，桩长60m，封底砼厚2.5m四个方案的结构工程数量见表1。表12＃主塔墩各方案工程数量比较表项目方案一方案二方案三方案四桩径(m)φ2.5φ3.0φ3.3φ3.4桩长(m)60606060根数70483532承台混凝土(m3)10402987086328651承台钢筋(t)633543475498桩身混凝土(m3)22299217371906618472桩身钢筋(t)2752250020972031砼合计/钢筋合计32703/338531607/304327698/257227123/2529根据表1中各方案的比较可以看出，2＃墩基础从工程数量的角度来说，采用φ3.4m钻孔灌注桩是较为经济的。3#墩基础：方案一：桩径采用2.5m：基础采用88φ2.5钻孔灌注桩，承台横桥向宽65.2m，承台顺桥向宽48.25m，承台厚6.0m，桩长72m，封底砼厚2.0m方案二：桩径采用3.0m：基础采用54φ3.0钻孔灌注桩，承台横桥向宽65.2m，承台顺桥向宽42.7m，承台厚6.0m，桩长79m，封底砼厚2.0m方案三：桩径采用3.3m：基础采用45φ3.3钻孔灌注桩，承台横桥向宽71.6m，承台顺桥向宽38.6m，承台厚6.0m，桩长80m，封底砼厚2.5m方案四：桩径采用3.4m：基础采用40φ3.4钻孔灌注桩，承台横桥向宽65.3m，承台顺桥向宽39.8m，承台厚6.0m，桩长82m，封底砼厚2.5m四个方案的结构工程数量见表2。表23＃主塔墩各方案工程数量比较表项目方案一方案二方案三方案四桩径(m)φ2.5φ3.0φ3.3φ3.4桩长(m)75798082根数88544540承台混凝土(m3)19397167041658215594承台钢筋(t)1807158714921403桩身混凝土(m3)35042321983268531558桩身钢筋(t)2867238422882031砼合计/钢筋合计54439/475448902/397149267/378047152/3434从表2的比较可以看出，3#主塔墩采用直径3.4m的钻孔桩工程数量最为节省。2#墩基础施工采用大型钢吊箱围堰整体浮运锚墩定位施工技术。双壁吊箱围堰呈矩形，长57.60m、宽31.20m，底节高14.5m；围堰双壁厚2.0米，内设底隔仓，底隔仓高4.5米；浮运总重2150t，自浮状态的吃水深度2.6m。围堰底节分两段在距桥位下游1km左右的武汉江南船厂制造,在江边水域组拼成型后，用拖轮将围堰整体牵引至桥墩墩位处。3#墩基础施工采用双壁钢吊箱围堰重锚定位施工技术。围堰平面为矩型，轮廓尺寸为：长69.5m，宽44.0m，高15.0m，壁厚2.0m，围堰内设底隔仓，底隔仓高5.0m，浮运总重约3100t，围堰自浮状态下吃水深度约2.3m（不含底龙骨）；围堰在桥位下游约5km的青山船厂制造，整体下河，浮运至墩位进行锚碇、定位。本文主要介绍2＃主墩锚墩定位施工技术。三、双壁吊箱围堰锚墩定位基础施工技术1、大型钢吊箱围堰的设计（1）双壁钢吊箱围堰基础施工方案2#墩主塔基础采用双壁钢吊箱围堰法施工。围堰于工厂制造成型、下河、水上接高、整体浮运至墩位。围堰初定位后，调整双壁钢吊箱围堰侧板隔舱内水头，使围堰顶面高程符合设计要求，重新调整锚墩上预应力钢绞线的锚固索力，实现围堰精确定位。围堰定位系统布置见图2。以围堰内支架作导向，利用APE400B型振动打桩机插打钢护筒之后将围堰挂于插打到位的钢护筒上，开始钻孔桩施工。钻孔桩施工完毕，恢复围堰的锚墩锚固系统，解除第一次挂桩牛腿，在围堰双壁侧板内灌水，使围堰下沉至设计高程，并完成围堰的第二次挂桩。随后浇筑围堰封底混凝土，待封底混凝土达到设计强度后在围堰内抽水。割除封底混凝土顶的钢护筒和部分吊杆，绑扎承台钢筋，采用大体积混凝土施工方法施工承台。图22#墩围堰定位布置（2）双壁钢吊箱围堰的设计特点钢吊箱围堰采用双壁侧板隔舱、底隔舱，利用双壁侧板隔舱和底隔舱共同提供的浮力，2150吨重的围堰吃水2.6米，为围堰的整体制造和浮运提供一个先决条件。同时充分利用航道条件及浮拖技术，将钢吊箱围堰、钻孔平台、钢护筒定位导向架等大量钢结构由水上散拼改为岸上工厂化制作，减少了墩位处的现场作业量，节约施工工期，同时提高了制作的精度，为钢护筒插打精度提供了有力的保证。钢吊箱围堰采用双壁侧板隔舱，利用双壁侧板隔舱内外水头差提供的浮力，无需加高围堰就能满足不同施工水位的钻孔施工，同时承台施工时只需将围堰双壁侧板隔舱内灌水或填混凝土即可将其整体下放10米，对深水高桩承台基础施工大大减少围堰的高度，节约了大量钢料；钢吊箱围堰采用底隔舱，使围堰分成很多小室，有利于围堰封底混凝土的灌注施工。2、锚墩定位系统（1）锚墩结构设计锚墩结构由主体和辅助结构两部分组成，主体结构包括钢管桩基础和钢筋混凝土承台，辅助结构包括承台上的张拉系统。为有效的缩短锚墩的施工时间和减小投入，锚墩基础选用了钢管桩基础，为了保证钢管桩基础能很好地共同受力且有较大的刚度，钢管桩基础上采用钢筋混凝土承台，承台顶面标高+23.0m。（2）锚墩系统设计参数的选定①吊箱围堰尺寸：L=57.6m，B=31.2m，H=14.5m，壁厚δ=2m。②锚墩系统设计流速：v=1.5m/s。③风力计算：施工期间桥位风力基本风压值取400Pa。④天然河床面按+3.5m高程考虑。⑤钢吊箱顺水流方向所受水流冲击力及风载由上游锚墩承受；钢吊箱横向受力按上游锚墩受力的60%和5°的水流偏角产生水流阻力同时考虑横向风力，由上、下游锚墩共同承受；钢吊箱下游锚墩按上游锚墩受力的50%设计。3、围堰浮运及初定位围堰到达墩位之前，先将两根Φ43mm的主拉缆分别与上游两锚墩上的系缆桩连接好，盘放在上游锚墩附近的工作船上。用拖轮牵引围堰至2#墩，当围堰行至墩位上游30米时，用拖轮将围堰大致稳定在此位置。用两艘机驳分别将围堰上游两台卷扬机上Φ21.5mm的钢丝绳从围堰过到上游侧的两锚墩处的工作船上,各自牵引Φ43mm主拉缆同时从锚墩处至围堰顶面。如图3所示。图32#墩围堰初定位两根主拉缆分别与围堰和锚墩连接好,经检查无误后,拖轮组减小动力、让围堰顺流下滑,逐渐将两根主拉缆绷紧。拖轮应控制围堰的下滑速不能过大,尽量减小对主拉缆和锚墩的冲击。主拉缆绷紧后检查主拉缆的连接点的受力及变形状况,确保安全的情况下,解除6000马力主拖轮与围堰的连接。主拉缆安装完成后，两机驳分别移到围堰下游侧，分别牵引Φ28mm后拉缆至锚墩处，把钢丝绳与锚墩上布置的系缆桩连接，主拉缆和后拉缆安装完成并预收紧后，围堰的锚固体系形成，解除2640马力拖轮与围堰的连接。测量围堰的位置，根据测量结果，利用围堰顶面的卷扬机及滑车组调整主拉约30墩中线马力拖轮拖轮6000马力机驳机驳工作船工作船φ43钢丝绳φ43钢丝绳锚墩锚墩锚墩水流锚墩卷扬机卷扬机卷扬机滑车组卷扬机滑车组发电机锚墩锚墩锚墩水流锚墩围堰钢绞线拉缆（）钢绞线拉缆（）钢绞线拉缆（）钢绞线拉缆（）缆、后拉缆,将围堰偏差控制在50cm以内。4、围堰精确定位围堰的调整分三个步骤：步骤一：利用初定位钢丝绳对围堰作初步调整测量围堰的标高，根据测量结果确定调整方向，通过向底隔仓注水将围堰顶的标高偏差控制在30mm以内，利用初定位卷扬机滑车组牵引临时拉缆，控制围堰平面位置偏差不大于30cm。步骤二：利用钢绞线对围堰作精确定位同时对称张拉上拉缆L1、L2、L3、L4，张拉缓慢、均匀进行，张拉完成后放松临时拉缆,将围堰的定位由卷扬机滑轮组控制转由张拉钢绞线拉缆控制。调整四根上拉缆使围堰平面位置满足设计要求，通过四根下拉缆调整围堰的垂直度，必要时可采取向围堰隔仓注水的办法来辅助调平。图42#墩围堰精确定位步骤三：定位钢护筒插打时利用钢绞线对围堰作再次精确定位a、定位钢护筒施工期间，因施工荷载、长江水位等因素变化影响，围堰的标高和平面位置也会随之变化,在变化超过允许的规定值时,要对拉