济南黄河特大桥主桥水中基础施工技术

孙宇

摘要： 介绍了济南黄河特大桥主桥水中基础施工采用的水上栈桥、水中平台、气举反循环钻机钻孔、钢板桩围堰、大体积混凝土施工等关键技术。施工方案选择合理，针对性强，简便实用，易于操作，结构受力明确，降低了施工成本，很好的解决了该桥水中基础施工难题，对同类工程有很好的借鉴作用，可以推广应用。

Abstract： This paper introduces the key technologies of water bridge， water platform， air lift reverse drilling rig drilling， steel sheet pile cofferdam and mass concrete construction in the construction of water main foundation of Jinan Yellow River Long Span Bridge. The construction scheme is reasonable， targeted， simple and practical and easy to operate， and it has clear force structure， reduces the construction cost， and provides a good solution to the bridge water foundation construction and gives similar projects a good reference， so its application can be promoted.

关键词： 特大桥；水中基础；施工技术

Key words： long span bridge；foundation in water；construction technology

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章編号：1006-4311（2017）15-0123-03

1 工程概况

京沪高速铁路济南黄河特大桥起讫里程DK406+918.874～DK412+062.274，总长5143.4m。主桥采用（112+3×168+112）m下承式等高度连续性梁柔性拱钢桁梁桥，主桥墩为0-5号，0#承台位于北岸淤背区，1#、2#承台位于主河槽（常年有水），其它承台主要分布在南岸滩地。1号墩与2号墩均采用28根？准2.5钻孔灌注桩，钻孔桩长分别为90m、102m；承台厚度6.0m，平面尺寸为42.5×23.3m。

桥梁位于山东省济南市槐荫区，地层结构主要是第四系河相粉质土结构，其间多夹粉、细、中沙及粉土、薄层粘土或透镜体，其中覆盖层40m以下分布着姜石层。桥梁设计水位34.960m，最高通航水位34.460m，河流每秒平均流速为2.07m，在枯水期，黄河只有主河槽有水，设计施工洪水位30.500m，现场探测墩位水深约5m。其中1、2号承台位于黄河主河槽，承台底面标高21.0m，一般水位为25.0～30.5m。

2 方案确定

2.1 施工通道方案

由于黄河水流流速较高，冬季还存在流冰现象，加之黄河调水调沙40天左右以及夏季洪水期等影响因素，建造浮桥式施工通道既不安全，又要考虑诸多不确定性的因素。经过讨论之后决定施作以贝雷梁钢栈桥为主的施工栈桥作为施工通道。栈桥桥面底部标高按施工期间设计洪水位30.5m考虑，设计为32.3m。设计总长为总长321m的栈桥，采用2×18+5×18+5×18+5×18+1×15）m的结构设计，桥面宽8m。桥梁下游与桥梁中心平行布置栈桥通道（间距为28.5m），并将其连接钻孔平台。在施工过程中，在桥体钻孔桩、承台基础施工期间所需物料的运输，以及南北岸施工运输，均要通过该栈桥通道。栈桥桥面应该与钻孔桩平台持平，以便于物料运输更加便捷。该栈桥通道上部采用4榀单层双排8片贝雷纵梁。按2.45m的距离控制榀间距，按0.45m控制各榀双排贝雷梁间距，再通过10号槽钢加工支撑架按3m间距横向连成整体；分配横梁采用25a型工字钢按0.375m的间距的间距设计而成；桥面系铺8mm压花钢板[1]；钢管桩基础一律按？准630×10mm的结构设计进行控制。

另外，为了确保基础结构满足整体性设计要求，每排桥墩的钢管均用18号槽钢设置剪刀支撑连接成整体，每排墩采用4根钢管桩；墩顶横梁采用40b型工字钢。栈桥按固定间距布置一条5cm宽的温度缝，一方面提高栈桥对温度变化的适应能力，另一方面使钢构件及贝雷梁的阴阳头断开，不使用连接销轴即可将阳头套在阴头内[2]。（图1）

2.2 桩基施工方案

水中墩钻孔桩采用固定平台施工，钻孔桩相邻桩之间距离比较窄，钻机作业时容易出现平台管桩沉陷、孔壁坍塌等问题，因此主梁必须采用大跨贝雷梁结构设计，并在承台尺寸外3.6m的位置设置钢管桩（钢管桩长27m，入土深度控制在18m左右），中间部分采用护筒保护。[3]固定平台采用47m×33m的平面结构，平台基础采用63根？准630×10mm钢管桩施作而成，按30根桩×2排布置在承台两侧（用剪刀撑连接各钢管桩，以确保平台基础更加稳定），另外3根桩布置在平台和栈桥连接的部位进行基础加强。施作桩基础平台时，在顺桥轴线方向两根桩顶布置2I40b工字钢作小垫梁，再在15组小垫梁上（与桥轴线垂直的方向）设置通长的2I40b工字钢作为上垫梁，并焊接牢固。将长33m的贝雷梁按两片一组，用“U”型螺栓在上垫梁上安装15组，用标准花架连接各梁。

另外，为了对纵梁横向稳定性进行加强，用[10槽钢进行剪刀撑固定相邻的两组纵梁。12组2I40b工字钢用“U”型螺栓安装在与桥轴线垂直的贝雷梁上作为次梁。平台平面系采用I32a工字钢按0.4m的梁间距布置成分配梁，然后将δ8压花钢板铺设在分配梁上作为面板，最后将？准48钢管按1.2m的高度和1.5m的间距制作成栏杆。按照平台面标高控制栈桥面标高，在平台上选用ZSD250、DW300和GPS250气举反循环回转钻机，用刮刀钻头进行钻孔施工。同时备用2台冲击钻机，在钻孔桩施工中遇到孤石或片石时，采用冲击钻进行钻孔。[4]（图2）

2.3 承台施工方案

1#、2#水中承台施工采用钢板桩围堰。使用平台龙门吊、浮吊配合液压震动锤施作钢板桩围堰。所用的钢板桩为德国拉森Ⅳ型钢板桩，由单层钢板桩和两层由钢管和型钢组成的内撑梁组成，为了防止支撑杆件过长导致失稳，两层围囹之间采用型钢焊接为桁架体系，地层围囹可支撑在预先打设的钢管桩上，围堰平面为矩形，其内口尺寸为46.5×28.3m，钢板桩单根长22m，被打入后，其底端标高为8.5m，顶面标高为30.5m（承台顶面标高27m）。钢板桩内支撑圈梁为2I40，支撑为两端带调节的钢管或工字钢组合件。围堰封底混凝土为C25，厚度为2.0m。承台按照大体积混凝土施工要求，在施工完成的围堰内进行施工。（图3）

3 施工工艺

3.1 栈桥施工

栈桥通道施工所需的梁、管等材料均通过北岸河堤码头运到现场，栈桥从北岸延伸到南岸，再以浮吊的方式逐孔打桩时同步架梁。首先是钢管桩插打，墩柱施工。先把？准630×10毫米钢管下部割成锯齿状，根据每根的设计长度把联接钢板焊接成型，然后在浮吊使用DZ-90型振动锤夹持钢管逐根插打。在插打过程中，对桩身垂直度的控制是保证钢管桩具有合理承载力的关键节点。桩管补打到位后，使用定位船按每墩4根进行单根固定，然后使用型钢以纵横交叉的形式焊接成排架墩，最后安装纵横向分配梁。其次是纵梁架设，桥面系安装。首跨墩柱完成后，开始用汽车吊逐片架设贝雷梁，并两片交叉联结成组，然后成跨上下安装横向联结，以防面外失稳。最后安装桥面系横梁、纵梁和花纹钢板以及人行道、栏杆等，继而重复上述工作。最后进行栈桥在施工完成后，做设计荷载试验并经过安全鉴定，确认安全后方可投入使用。施工结束后，及时拆除钢栈桥，拔除河道内的钢管桩，恢复河道。

3.2 桩基施工

桩基钻孔在水上平台上设置泥浆箱，使用泵作为泥浆循环工具，配备一台小挖机配合汽车及时进行钻渣的清理，同时在钢护筒顶面以下1.5m的位置将钢护筒相互之间连通，相邻孔位作为先期施工钻孔桩的泥浆池。施工采用优质膨润土加水解聚丙烯酰胺泥浆，以防止钻孔穿越不同地层时发生扩孔、塌孔，保持孔壁稳定，泥浆配合比PAM：NaOH：水=10：1.15：70。

首先采用十字交叉法进行钻孔定位，平面偏差应小于2cm，机架平台四角高差控制在5mm以内。开孔钻进时采用正循环轻压慢转，逐步加大钻压转速至正常值；孔深达到9m以后，改用气举反循环作业。

其次在钻进过程中应随时测定改善泥浆性能。由于土层中有粉砂和粉质粘土，在通过粉砂层时，需增加泥浆比重，减小钻进速度；通过粉质粘土时，则需要增加钻头上的配重，改用接触面更小的钻头，加快钻进速度。孔内出现较严重的漏浆、断钻杆等异常情况时，立即停钻，并及时分析情况处理。

最后终孔时采用电子探孔仪及时对孔径、孔深、垂直度探测。钻孔桩钢筋笼主筋采用滚轧直螺纹套筒连接，分节制作，短线匹配法，预先连接再拆解，以保证连接的准确性。钢筋笼采用水上平台的龙门安装，下沉就位。二次清孔先向孔内供优质泥浆，然后送风清孔。停止清孔时，应先关气后断水，以防水头损失而造成塌孔。平台上龙门配合进行水下混凝土导管灌注等各项工作。

3.3 承台施工

3.3.1 钢围堰施工

0#～5#承台采用钢板桩围堰施工。围堰平面为矩形，采用德国拉森Ⅳ型钢板桩，单层设置，利用型钢作为内撑梁，钢板桩采用套型锁口，锁口联结转角10°～15°，四个转角位置采用焊接的T形钢板桩。钢板桩采用汽车吊吊运就位，DZ-90型振动锤夹持钢板桩插打，垂直度偏差不大于0.5%，且要紧靠内导框，其間隙不得大于20mm。插打过程中，可采用千斤顶或滑车组纠偏等方式调整，在插桩过程中，做到“插桩正直、分散偏差、有偏即纠、调整合龙”，必要时，可制作异形钢板桩进行合龙。围囹的安装随着抽水逐层实施，安装过程中要密切注意河床水位的变化和工字钢与钢板桩的连接及工字钢与钢板桩之间的间隙。为防止围堰的变形，要求将工字钢与钢板桩之间的间隙全部用型钢焊接支撑连接，围堰的四个角进行加强。钢板桩围堰内清基工作采用吸泥机辅以潜水员人工射水法，吸泥后的局部高低允许偏差为±40cm。围堰内采用导管法水下混凝土封底。承台施工完毕以后，先拆型钢内支撑，然后拔除钢板桩。

3.3.2 承台大体积混凝土施工

施工中综合采用多种措施进行控制。首先优化砼配比设计，选用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥，掺入Ⅰ级粉煤灰和高效缓凝减水剂，对粉煤灰各类指标进行严格控制。其次采用分次、分层浇筑，分层厚度控制在30～40cm，第三采用冷却水管“内散”，第四采用覆盖帆布土工布洒水等材料“外蓄”，防止混凝土开裂。混凝土内部温度监控采用分辨率0.1℃的JMT-36C温度探头，[5]在承台竖向分三层设置，通过测定混凝土温升峰值及其达到所需的时间，定期记录冷却水管进、出水的温度，绘制混凝土内部温度变化曲线。根据观测结果确定冷却水管通水量、通水时间和蓄热养护时间等。

4 结语

本方案对高铁水中基础施工的平台栈桥搭设、超深钻孔桩施工机械设备选型、钻孔泥浆控制、进尺控制、大方量水下混凝土连续灌注、承台钢板桩围堰施工、大体积混凝土质量控制等关键技术进行了详细的阐述和分析，具有很强的代表性和指导意义，可以作为同类工程的借鉴。

参考文献：

[1]王国周，瞿履谦，钢结构原理与设计[M].北京：清华大学出版社，2003：71-89，200-266.

[2]中华人民共和国建设部.JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008：16-41.

[3]梅瑞泰.深水桩基钢管桩钻孔桩平台设计与施工.ISSN1671-7570交通科技[M].武汉：武汉理工大学，2013-2：42-44.

[4]中华人民共和国铁道部.TZ213-2005客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2005：15-37.

[5]中华人民共和国铁道部.TZ 210-2005铁路混凝土工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2005：57-61.