秋浦河大桥根式锚碇基础施工关键技术

纪厚强，罗晓光，任伟新，卢 恋

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

1 工程概况

秋浦河大桥位于安徽省，处于秋浦河木闸—池口河段，距下游宁安铁路秋浦河桥约7.8km，大桥起点位于万宝圩，路线向南延伸至秋浦河北岸，跨越秋浦河后止于南岸山坡，全长1 215m，是池州长江公路大桥工程的重要组成部分。秋浦河大桥主桥采用(98+270)m双塔双跨结合梁悬索桥，北锚碇采用根式锚碇[1-2]，是根式锚碇在实体工程中的首次运用。

根式锚碇采用16根φ5.0m根式空心桩，设计桩长为26.0m，桩基底部3.0m和顶部6.0m为实心段，其余为空心段，空心段壁厚90cm。单根空心桩内设置6层根键，单层根键平面呈十字形分布，上、下根键层间距为2.0m，上、下2层根键以45°交错布置。根键长1.8m，端头设计为刃尖形，单根重约750kg。承台高5.5m，锚体包括锚块、鞍部及压重块。秋浦河大桥总体布置如图1所示，根式锚碇基础(北锚碇)结构形式如图2所示，锚碇中根式桩横截面布置如图3所示。

图1 秋浦河大桥总体布置(单位：m)

图2 秋浦河大桥北锚碇结构形式(单位：cm)

图3 根式桩基础横截面布置(单位：cm)

北锚碇位于秋浦河冲积平原上，锚碇处工程场地为常年积水水塘，水深2.5m左右，地面高程8.000～11.000m，局部存在高1m陡坎。桥区覆盖层主要为耕植土及河堤填筑土、陆地及河底表层新近沉积层、第四系全新统冲积层和第四系上更新统残积层，下伏基岩为白垩系下统杨湾组泥质粉砂岩、砾岩。北锚碇根式空心桩主要经历地层为种植土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、圆砾土及弱胶结砾岩；根键顶进所经历的地层主要有粉土(中密状态)、圆砾土(中密～密实状态)。

2 根式锚碇承载机理及施工方案

2.1 承载机理

根式锚碇由群桩根式基础及上部锚体组成[3]，其中根式基础采用顶进工艺将根键植入土体[4-5]。与传统的重力式锚碇依靠锚碇自身重力及锚体与周围土体的摩擦阻力抵抗主缆拉力不同[6-8]，根式锚碇通过群桩根式基础中的水平根键将应力扩散至周围土体，以充分调动根式锚碇范围及周边影响区域土体承载力来抵抗主缆力[9-11]。数值分析结果表明[12]：在施工及运营阶段，根式锚碇均可满足规范的稳定性及变位要求[13-15]。

2.2 总体施工方案

秋浦河大桥北锚碇总体施工方案流程为：场地回填与干振复合桩处理→埋设护筒→开钻→成孔→终孔、检查孔深、孔径、垂直度→第1次清孔→成孔检测→外层钢筋笼下放→根键顶进→第2次清孔→安装内模系统→内层钢筋笼下放→安放导管→第 3次清孔→桩身混凝土浇筑→拆除内模→桩头填芯→分层、分块浇筑承台→施工承台后浇段→分层、分块浇筑锚块、鞍部及压重块→施工锚体后浇段→施工锚室侧墙→施工锚室顶盖板→根式锚碇成型。

由根式锚碇总体施工方案可知，相较于重力式锚碇施工中有大型基坑开挖、支护等繁杂且危险的工序[16-18]，根式锚碇工序简单明确，具有显著优势。

2.3 根式锚碇施工重点

1)根键制作及顶进施工 根式锚碇主要由桩身及桩身根键提供水平及竖向拉拔抗力。根键预制质量、顶进施工质量及相应机械设备的性能参数等是决定根式锚碇施工成型并达到规范及设计要求的重点之一。

2)环形薄壁水下混凝土灌注 根式锚碇采用现浇根式空心桩基础，由于其环向薄壁构造需采用内、外模，内模及环向布置的根键与桩身固结区会阻碍混凝土流动。因此，环形薄壁水下混凝土浇筑工艺是施工的一个重点。

3)承台及锚体大体积混凝土施工 根式锚碇承台及锚体属于大体积混凝土结构，控制其施工质量是保证锚碇结构耐久性的关键之一。

3 施工关键技术

3.1 根键制作及顶进施工

3.1.1根键制作

预制模板采用专业加工厂制作的钢模，底模固定在混凝土底座上，底模预留根键吊装位置；侧模板在钢筋骨架吊放到位后安装，与底模通过螺栓连接固定；根键尾部包裹钢套；根键内钢套保证各拼缝顺直，并采取相应措施防止变形。加工时采用同一套模架，做到加工尺寸统一。外钢套加工完成后进行止水橡胶安装，安装时必须将外钢套固定在专用固定架上，确保止水橡胶安装前后钢套保持原状不变形；根键钢筋骨架在胎架上预绑扎成型，并与底部钢板和顶部钢刃刀连接固定；最后进行根键混凝土一次浇筑成型，经养护后集中存放。

3.1.2钢筋笼根键预留孔精度控制措施

根式空心桩钢筋笼采用钢胎架长线匹配法预制，需保证根键预留孔处主筋沿桩长顺直度，并在笼内设置定位板。

在根键预留孔平面位置，钢胎架边缘按主筋位置设置支托主筋的凹槽，并在钢筋笼制作过程中使用根据钢筋间距制作的梳齿板校准与复核主筋间距，并在每节钢筋笼顶部以不同颜色标识单、双层根键对应位置的两侧主筋，防止混淆；在根键预留孔竖向位置，主筋通长连接后，精确量测根键设计位置，将其标识在主筋上，然后再焊接根键预留孔两侧箍筋。

3.1.3根式空心桩钻孔施工

φ5.0m根式空心桩采用ZJD4000回旋钻成孔。因桩长较短，使用特制钻头一次成孔至设计桩径。为控制超大直径孔精度，在钻进过程中使用全站仪复测钻杆垂直度≥3次。钻进过程类型分为护筒内钻进、覆盖层内钻进、弱岩层内钻进，在不同地质类型中钻进施工方法及注意事项如表1所示。

表1 成孔工艺

3.1.4根键顶进施工装备

根键顶进采用特别研发的φ5.0m根式空心桩专用顶进设备。该设备主体为经过改造后的125t履带式起重机与专用顶进装置，整个设备由125t履带式起重机、旋挖钻机动力头、钻杆、深度显示系统、顶进装置与过油体等组成。其中，根键顶进装置主要由框架体、滑动体、根键导向、可伸缩根键托盘、竖直油缸、电控系统、液压控制系统等组成。滑动体中包含三级水平油缸，通过三级顶进完成一次根键顶进施工。

其工作原理为：125t履带式起重机特殊加工1节臂杆，其上固定旋挖钻的动力头与旋挖钻杆，作为根键顶进的提升与下放设备，通过履带式起重机抬臂杆和趴臂杆、卷扬系统提升和下放钻杆、回转和动力头转动等操作实现平面和竖向定位。钻杆上套装过油体，钻杆底端通过销轴连接专用顶进装置，通过过油体将履带式起重机液压系统的油压通过油管传送至顶进装置千斤顶，从而实现根键水下顶进的机械化施工，大大提高施工效率及施工安全性。

3.1.5根键顶进施工工艺

1)顶进装置就位与对中 125t履带式起重机携带专用顶进装置行走至孔边后，通过转动履带式起重机和调整臂杆角度，使顶进装置与钢筋笼中心重合。对中方法为：下放顶进装置至孔口，量测3根声测管至顶进装置外侧的距离，前后、左右调整旋挖钻钻杆，使其偏差控制在1cm以内，完成对中，如图4所示。

图4 顶进装置对中示意

2)根键安装 利用研发的辅助根键安装匹配平台进行根键安装。安装时，将匹配平台放置在履带式起重机回转范围内并调平固定，根键底面涂抹黄油后利用起重机吊放至滑台上，对准顶进装置滑槽入口，然后机械推入顶进装置滑槽。

3)根键顶进位置精度控制措施 根键平面位置定位采用在根键预留孔两侧设置固定的钢管作为导向进行控制(钢管设置时，底部无根键区采用套环固定、根键区通长设置、顶部临时焊接固定，以方便回收利用)。平面定位时，动力头旋转钻杆进行微调，使顶进装置上的滑槽套入声测管。竖向定位时，先设置深度零点：以护筒顶面为参照设置水平标高控制线作为竖向深度零点，通过各层根键与护筒顶面的位置关系和水平标高控制线与护筒的位置关系，计算出各层根键相对于水平标高控制线的深度。然后复核钻杆下放深度：钻杆自身有测深功能，操作室设置有钻杆下放深度感应装置，在仪表盘上直接显示钻杆下放深度，同时钢筋笼根键预留口位置安装有磁铁，根键顶进装置上设置有磁感应器，装置下至对应位置后，感应装置指示灯亮，确保钻杆下放至精确位置、保证根键顺利顶进。

4)根键顶进 每次对称自平衡顶进2根根键，每对根键顶进分3级进行。①第1级 根键装置到达位置深度后，一级水平油缸开始向外顶出，一级油缸行程全部伸出时行程指示灯点亮，将根键顶入孔壁19mm；②第2级 竖直油缸带动水平油缸组件向下运动，控制系统将二级油缸精确定位于与根键中心同一水平位置，驾驶室内位置指示灯点亮，二级水平油缸开始向外伸出，行程伸出完成后，油缸行程指示灯点亮，将根键顶入孔壁400mm；③第3级 竖直油缸带动水平油缸组件继续向下运动，控制系统将三级水平油缸精确定位于与根键中心同一水平位置，这时三级水平油缸位置指示灯点亮，此时开始向外伸出，行程走完后，油缸行程指示灯点亮，将根键顶入孔壁1 250mm。

5)顶进到位控制措施 在顶进装置上设置感应装置，在根键顶进到位后，触发感应装置，表示根键顶进到位。

3.2 环形薄壁水下混凝土浇筑

环形薄壁水下混凝土浇筑工艺采取以下措施保证浇筑质量。

1)浇筑措施 ①根据根键分区情况，均匀布设8根导管，相邻导管间距为1.6m，缩短混凝土流动距离，减小混凝土面高差；②导管尽量对称布设，使环形区域四周混凝土流动距离大致均等，保证混凝土流动的一致性，降低混凝土顶面高差；③8根导管同步封底；④设置1个大集料斗，大集料斗通过溜槽向8根导管对应设置的8个小料斗同步供料，且每个溜槽上设有开关，可控制混凝土流量，保证8根导管同步浇筑，使混凝土面抬升速度一致。

2)混凝土性能控制 选用优质外加剂，保证水下混凝土工作性能；选用5～20mm连续级配碎石，增强混凝土流动性；混凝土坍落度严格控制在200～220mm；2h混凝土坍落度损失控制在20mm。

3)导管安装 由于薄壁工作空间的限制，导管过大易卡导管，导管过小不利于混凝土浇筑，因此下料选择φ273×8导管，安装时避开根键位置。

3.3 承台及锚体大体积混凝土施工工艺

3.3.1承台大体积混凝土施工

北锚碇承台为45.5m×45.5m矩形承台，厚度为5.5m，单个承台混凝土可达11 386.4m3，根据设计要求，并结合大体积混凝土施工经验，经承台混凝土温控计算，承台竖向分3层浇筑，浇筑厚度分别为1.5，2.0，2.0m。第1层一次性连续浇筑1.5m；后2层采用分块浇筑的方式，在承台中间位置分别预留1道宽度为2m的微膨胀混凝土后浇段。每层根据温控计算结果布设冷却水管。

3.3.2锚体大体积混凝土施工

锚体混凝土采用悬臂提升模板分层、分块浇筑施工。锚块与压重块间设置后浇段。锚碇后浇段均为微膨胀C30混凝土，其他结构均为普通C30混凝土。混凝土配合比优选水泥、骨料及外加剂等掺料。浇筑时选择气温较低时间，并采取措施降低混凝土入模温度。根据温控计算结果布设冷却水管，同时进行温度监控。控制每层混凝土分层浇筑间歇期，并在每层浇筑完毕后注意保温养护。

4 结语

根式锚碇基础适用于软土地区，为一种新型锚碇基础。秋浦河大桥北锚碇采用了根式锚碇基础，为该类型锚碇基础的首次工程应用。在根式锚碇基础施工过程中，采用干振复合桩软基处理、成套根键制作及顶进施工工艺。环形薄壁水下混凝土灌注工艺及承台、锚体大体积混凝土施工工艺成功解决了根式锚碇基础施工的关键工艺问题。

该桥北锚碇于2018年8月29日施工完成，并于2019年7月10日完成秋浦河大桥的成桥荷载试验。经监测，相对于北锚碇原始位置，在成桥荷载试验中的最大主缆力工况下，锚碇最大竖向位移仅为2mm，最大水平位移仅为8mm，达到了设计及规范要求，可供今后悬索桥根式群桩锚碇基础施工借鉴和参考。