跨海大桥大型深水基础施工技术

跨海大桥大型深水基础施工技术介绍中交二航局李维洲2009年10月14日内容简介2.大型深基础施工技术信息1.绪论5.大体积承台基础施工3.大型深水基础施工平台设计4.钻孔桩基础施工技术6.结论与建议一、绪论1.前言2.国外桥梁大型深基础的发展3.国内桥梁大型深基础的发展4.跨海大桥大型深基础结构的发展趋势5.主要研究内容及意义1.前言随着国家经济发展和桥梁设计和施工方法的日趋成熟,本世纪初期开始修建的东海大桥和杭州湾跨海大桥正式拉开了我国跨海长桥建设的序幕，目前中国已建或在建的跨海大桥共有15座。正在建设的有上海崇明通道工程、山东青岛湾跨海大桥、广东南澳跨海大桥、浙江象山港跨海大桥、以及福建厦漳跨海大桥和平潭海峡大桥等。中国跨海长桥正处于蓬勃发展的阶段，大量的海湾、江河入海口、岛屿、海峡将需要架设“人间彩虹”，即将建设的特大型跨海通道如：渤海湾大桥、港珠澳大桥、琼州海峡大桥、跨台湾海峡大桥等。渤海湾大桥厦彰大桥珠港澳大桥杭州湾大桥台湾海峡大桥琼州海峡大桥东海大桥金塘大桥上海长江大桥1.前言跨海大桥的建设面临多变的气象环境、复杂的海底地质与水文条件的影响和混凝土设计基准期年限长等众多不利因素。跨海大桥的共同特点都要面临大型深水基础施工的难题，本人先后参与了荆州、安庆、润扬长江大桥和杭州湾、舟山金塘、平潭3座跨海大桥项目施工。下面重点结合在建的平潭海峡大桥对深水基础施工做简要介绍。从所处的自然环境以及基础施工的技术难度来讲，跨海大桥基础施工主要从以下几方面采取措施：1．最大程度的掌握大桥所处海域的气象、水文资料，详查工程地质情况。2．选择最恰当的技术方案，对施工方案要反复比对，不仅要考虑材料的造价，还要求综合考虑施工与将来运营的成本。3．选用合理施工工艺，要求其工艺尽量简单，选用先进的大型专业的施工设备。4．做好特殊的海工混凝土的研制和现场配比工作；对钢结构构件采取有效的防腐蚀措施，以达到年设计基准期的要求。5．做好施工组织设计，对施工材料和设备的协作和调配进行优化。2.国外桥梁大型深基础的发展早期国外跨海大桥的基础主要都是采用气压沉箱基础，到了二十世纪三十年代，沉井基础的应用，成为优先考虑的基础类型。二十世纪七十年代后，随着科学技术的发展，各国在修建跨海大桥时都有各自偏爱的基础类型，形成了独特的技术风格。美国纽约布鲁克林大桥国外桥梁大型深基础的发展基于沉箱基础固有的缺点，工程人员在其基础上加以改进，发明了沉井基础。1936年建成的著名的美国旧金山--奥克兰大桥在水深32m、覆盖层厚54.7的条件下，采用60m×28m浮运沉井，射水、吸泥下沉，入土深度达73.28m。国外桥梁大型深基础的发展二战之后，美国所建桥梁的基础形式日益多样：1955年，查蒙德•圣•莱弗尔在18m水深条件下先打H型钢桩，然后整体安装钟形套箱，最后灌注水下混凝上，首创钟形基础。1957年，美国新奥尔良的庞加川湖桥水中基础采用了φ1.37m的预应力管柱。1966年的美国班尼西亚马丁尼兹桥采用了钢筋混凝土沉井内继续施打钢管桩的组合基础。1994年切萨比克--特拉华运河大桥和休斯顿航道桥分别采用预制的预应力混凝土方桩和混凝土方桩做为桥梁基础。国外桥梁大型深基础的发展欧洲的桥梁大国丹麦，建桥历史悠久，很有代表性：1935年小海带桥在水深达30m的条件下采用43.5m×22m的钢筋混凝土沉箱，1998年建成的大海带桥主桥主塔基础采用了重32000t的设置基础。2000年建成的厄勒海峡大桥，全长16km，其51个引桥全部采用设置基础，其主塔墩设置基础长37m、宽35m、高22.5m，自重20000t。国外桥梁大型深基础的发展在1970年至2000年间，日本所建的众多桥梁中很大比例采用了沉箱基础，如浦户大桥、日本港大桥、神户的波特彼河大桥等。还有一部分采用了沉井基础，如广岛大桥、早漱大桥等。日本所建的世界第一大跨度的明石海峡大桥采用了圆形的设置沉井基础，其尺寸直径达φ80m，高79m，是前所未有的庞然大物。国外桥梁大型深基础的发展日本明石海峡大桥3.国内桥梁大型深基础的发展我国真正开展桥梁建设直到解放后才开始，其整个桥梁基础形式大致经历了从管柱基础、沉井基础到大力发展钻孔灌注桩基础的过程。我国发展跨海大桥是从上世纪80年代开始的，1987年动工并于1991年5月建成通车的厦门大桥，它也是我国首次采用海上大直径嵌岩钻孔灌注桩。1997年的广东虎门大桥，其主通航跨的跨度达到了当时我国桥梁跨度最大的888m，所用的基础形式也是钻孔灌注桩基础。国内桥梁大型深基础的发展下面列举几个国内近几年施工的代表性桥梁工程大型深水基础运用情况：1)．浙江杭州湾跨海大桥通航孔南航道桥主塔基础采用38根直径2.8m钻孔灌注桩，桩长125m，创国内跨海大桥超长钻孔灌注桩桩基础施工新纪录（2005年中国企业新纪录）；基础承台为哑铃型结构，长81.4m，宽23.7m，厚6.0m，采用海工高性能混凝土，单个承台方量11000m3。引桥主要采用打入钢管桩基础。国内桥梁大型深基础的发展2)．浙江舟山金塘跨海大桥主塔基础采用42根Φ2.85m变径至Φ2.5m的变径钻孔灌注桩，桩长为115m，基础承台结构尺寸为56.78×34.02×6.5m，单个承台方量10960m3。国内桥梁大型深基础的发展3)．江苏泰州长江大桥(世界上最大的三塔两跨2X1080m悬索桥)中塔采用沉井基础，沉井长58m，宽44m，总高度为76m，相当于半个足球场大、25层楼高，其下部38m为双壁钢壳混凝土沉井，上部38m为钢筋混凝土沉井。沉井沉入19m深水和55m河床覆盖层，为世界上入土最深的水中沉井基础。国内桥梁大型深基础的发展4)．江苏苏通长江大桥：苏通大桥是世界最大跨径斜拉桥，主墩基础为世界最大规模桥梁超大型群桩基础，由131根长120m、直径2．8m变至2．5m的变径钻孔灌注桩组成，承台平面为哑铃形，长113.75m、宽48.10m厚6.0m，混凝土为C35，方量42271m3，钢筋总重达7020t。国内桥梁大型深基础的发展5)．江苏润扬长江大桥：悬索桥北锚碇基础为矩形箱式结构，长69m，宽50m，深50m，三纵四横隔墙将箱体结构分为20个隔舱，仓内充填砂和砼。穿过35m厚粉细砂，地连墙计42个槽段平均深度54m，最大深度57m，单幅6.0m宽槽段钢筋笼重量102t，创国内施工行业穿过粉细砂最厚、支护结构嵌岩地连墙最深、单榀钢筋笼重量最大新纪录。国内桥梁大型深基础的发展润扬长江大桥国内桥梁大型深基础的发展6)．江苏南京长江四桥：南京长江四桥为双塔三跨悬索桥，主跨1418米，世界排名第四，其中主塔基础采用48根D3.2m～D2.8m变直径钻孔灌注桩基础。主塔承台基础为哑铃形结构，平面尺寸80.5×35m，厚度9.0m，混凝土方量达17500m3。南京长江四桥钻孔灌注桩基础悬索桥南锚碇基础采用井筒式地连墙结构形式，平面形状为“∞”形，长82.00m，宽59.00m，由两个外径59m的圆和一道隔墙组成，壁厚为1.50m。地连墙嵌入中风化砂岩3.00m，总深度达50.0m。国内桥梁大型深基础的发展7)．平潭海峡大桥平潭海峡大桥引桥为50m跨等截面连续梁桥，主桥为100m+2×180m+100m的变截面预应力混凝土T型刚构桥。下部结构为带圆端的矩形承台，钻孔灌注桩基础，采用φ2.8m－2.5m变截面钻孔灌注桩。3个主墩各有钻孔桩22根，最长桩长约90m；承台尺寸为34.7×21.5m，为海工高性能混凝土。平潭海峡大桥因特殊地质条件和恶劣施工环境，主桥钻孔桩施工遇到了各种困难和前所未有的技术难题，例如：钢护筒变形、孤石、串孔、塌孔、深水无覆盖层的海槽区域钻孔桩施工。时间跨度达1年，目前已全部施工完成。405078012014026014012026104110平潭海峡大桥钻孔桩布置及承台图4.跨海大桥大型深基础发展趋势跨海大桥大型深基础发展趋势有：1．新的结构形式2．创新的施工技术3．不断加大的基础结构尺寸4．大型化、专业化的施工机械5.采用信息化施工技术本文论述的主要重点在对国内外桥梁大型基础施工技术调研与分析的基础上，结合平潭海峡大桥以及国内的其他大型海上桥梁的建设工程特点，对其大型深水基础施工进行以下几个部分的总结归纳：1．跨海大桥大型深水基础施工平台的设计与施工；2．海上大直径超长钻孔桩基础施工；3．海上大型深水基础结构的防腐技术；4．跨海大桥大型套箱制作、安装和大体积承台基础的施工技术。一、平潭大桥基础施工技术信息福州平潭岛为全国第五大岛，岛上常住人口40万，平潭是距台湾最近的县，平潭岛在规划中的京台线对台通道中占据桥头堡的关键角色。平潭海峡大桥全长3510m，是进入平潭岛唯一的直接通道，该桥对于地方经济乃至海西经济发展有着至关重要的作用。1、气象信息平潭海峡大桥地处我国东南部沿海地区的海坛海峡，属典型的亚热带季风湿润气候区，桥区季风显著，多台风，气候特征温和、湿润、多雨。冬季的10月至次年的2月为季风的多发期，风速大，时间长，海浪高，多年平均风速为9.0米/秒。08年经历影响施工的台风7次，09年已经历8次。08年统计全年7级以上大风天数占75%，实际年有效作业时间不到200天。2.水文条件1）．潮汐特征平潭大桥海湾潮汐类型为正规半日潮，据附近平潭海洋站统计近期实测资料潮汐特征值如下(潮位基准面采用1956黄海平均海平面)：实测最高潮位+4.23m实测最低潮位-3.67m平均高潮位+2.27m平均低潮位-1.97m最大潮差+6.69m平均潮差+4.24m设计高潮位+5.18m设计低潮位-4.16m水文条件2）．波浪平潭大桥施工设计波浪取值参照如下表：主桥采用D点设计波要素，西浅水区引桥采用A点设计波要素，西深水区引桥采用B点设计波要素，西平台区引桥采用C点设计波要素。20年重现期波要素如下表位置方向H1%（m）T（s）AN3.535.5BSE4.245.5CN3.855.7DN3.995.8EN3.685.63.地质条件东、西两侧桥台处的基岩强风化层直接裸露，岩性为凝灰熔岩。多数桥墩覆盖层较薄（或没有覆盖层），基岩岩性为凝灰熔岩；其余各墩的覆盖层为粉砂、含砂淤泥、含淤泥砂、粉砂、中粗砂、亚粘土和粘土等，但中间夹杂较多孤石，给护筒沉放、钻进成孔造成较大的困难，基岩岩性为凝灰熔岩，岩石强度极高（达200MPa)，桩基设计嵌岩深度深，对钻机性能要求高。不良地质及其对钻孔桩施工的影响工程不良地质主要表现为：覆盖层不稳定不利于钻孔，易出现塌孔、串孔等问题。孤石存在易出现钢护筒不能沉放到位以及钢护筒底口变形的问题。基岩强度高达200MPa，钻进速度缓慢成孔周期长，而覆盖层又不稳定，更加容易出现塌孔事故。无覆盖层的深槽区对钻孔平台以及钢护筒沉放带来了极大困难。施工测量1.施工测量坐标系统根据工程的特点，施工测量运用的坐标系统如下：1）WGS-84坐标系统：主要应用于GPS测量。2）平面坐标系统：建立了大桥独立坐标系，独立坐标系的椭球定位、定向。3）高程系统：1985年国家高程系统。施工测量2.施工测量控制网1）施工测量平面控制网根据大桥工程的特点、特殊要求及施工方法，控制网分为首级网、首级加密网、一级加密网和二级加密网四个等级。次一级网由高一级网点作起算数据。2）高程施工控制网与平面控制网类似，高程控制网分为首级网、海中首级加密网、一级加密网三个等级。次一级网由高一级网点作起算数据。施工测量3.桥墩基础施工测量1）基础施工测量控制技术、控制方法2）GPS全球卫星定位3）施工平台施工测量技术4）钻孔桩施工测量5）承台施工测量6）基础沉降观测小结1．详细如实的收集大量基础信息对大型基础工程结构设计、施工具有重要的指导意义。2．GPS测量技术随着海上大型工程的建设，尤其是桥梁工程建设，目前运用已经成熟，精度能达到设计的要求，具有选点灵活，作业方便，工作量小等传统方法无法与之比拟的优点，成果可靠。GPS短基线测量能够代替传统导线测量方法进行加密点的测设工作。三、跨海大桥深水基础施工平台设计1.概述2.施工平台设计思路3.钢平