陡峭山岭地形条件下双向桩基分离式拱座施工技术

2022-04-28王海峰

施工技术(中英文) 2022年7期

王海峰

(中铁上海工程局集团建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

拱桥作为一种重要的桥梁结构类型，近年来得到不断发展应用，尤其在山区峭壁峡谷地貌的特殊地理条件下，大跨拱桥结构无疑是一种较适宜的线路连接方式。而随着我国经济的快速发展，人们对拱桥跨越能力提出越来越高的要求，拱座作为其主要承力结构，其结构设计及施工技术亟待发展完善，双向桩基分离式拱座结构在此背景下应运而生。

1 工程概况

1.1 工程简介

郑万铁路重庆段奉节梅溪河双线特大桥全长687.8m，设计速度350km/h。其主桥为劲性骨架钢筋混凝土上承式提篮拱桥，拱跨340m，矢高74m，一孔跨越梅溪河，无铰拱结构，拱圈设计劲性骨架，弦管内压注C60混凝土，拱圈外包C55混凝土。主桥拱座采用水平桩+竖直桩分离式嵌固基础，水平桩为小倾角结构，桩长15～30m，水平向下倾斜10°，断面宽6m、高7～8m；竖直桩为大直径变截面结构，桩顶上部9m部分桩径3.2m，以下部分桩径2.8m，桩长在17～25.5m；异形拱座承台的外轮廓尺寸为宽11.7m、长18.2m、高14.2m。全桥共计拱座承台4个、水平桩4根、竖直桩24根。

1.2 地形条件

桥址位于山区，梅溪河为U字形河谷地貌，地形起伏大，河岸边坡陡峭，高差50～60m，自然坡度25°～60°，河面宽约280m。J1，J2号拱座位于两岸陡坡上，地形地质复杂，施工场地狭小，修建便道困难。桩身处于强、弱风化泥质灰岩层，考虑附近结构物安全，设计要求非爆破开挖，开挖难度大。施工区域处于三峡库区，环保要求高(见图1，2)。

图1 J1号侧拱座三维模型

图2 J2号侧拱座二维立面(单位：cm)

2 施工部署

2.1 场地规划

开工前通过航拍采集现场地形信息，利用倾斜摄影技术生成三维地形图，结合桥梁设计图纸和既有地形条件，合理规划施工部署，从既有公路上分支延伸修建施工便道至两岸拱座施工区域，充分利用地形条件有效开辟施工场地。

2.2 边坡支护

通过地质勘察获取地质参数，采用有限元方法分析拱座边坡分级刷坡、拱座基坑分层开挖的分区组合支护体系，针对不同区域采用不同支护方式，综合各类支护方式的优点，做到支护结构安全、经济、实用。根据施工组织，合理确定拱座基坑开挖高度，以便竖直桩与水平桩施工。

2.3 施工顺序

综合考虑施工现场地形条件及设计特点，按先防护后施工要求，首先分级开挖拱座边坡。然后根据两岸便道距基底高差，以及竖直桩及水平桩的施工要求，确定分3次开挖拱座基坑：第1次开挖至竖直桩作业高度，保证尽快进行竖直桩施工，以实现工期目标；第2次开挖至水平桩洞口底标高，以便水平桩施工；第3次开挖至基底，进行承台施工。

2.4 施工方法

竖直桩采取人机结合多孔套钻工艺成孔，大型桩基钢筋笼主筋径向双肢并置，采用内外分解安装成型，最终采用水下灌注工艺成桩。水平桩参照隧道采用上下台阶法开挖成洞，设计操作平台用于钢筋安装及混凝土浇筑，预设压浆管在浇筑后压浆填充保证桩身混凝土密实。合理确定拱座承台的施工分层，优化设计拱脚预埋支架，精确定位安装预埋段。

3 主要施工技术

3.1 大直径变截面竖直桩施工

1)人机结合多孔套钻成孔考虑复杂地形环境不满足大型钻机进场条件，结合旋挖钻孔、人工挖孔等工艺优点，创造性地提出人机结合多孔套钻成孔工艺。根据桩基变截面以下2.8m桩径尺寸，先在设计桩孔范围内采用直径1m钻头干作业套钻4个小孔，回填小孔后采用人工开挖成孔。该工艺融合了机械作业效率高及人工开挖修孔可保证桩孔尺寸精度的特点，套钻后岩体出现临空面，便于人工凿挖，大大降低了成孔施工难度(见图3)。

图3 多孔套钻施工照片及模型

2)大型钢筋笼分解安装竖直桩钢筋笼主筋采用φ32钢筋双肢并置，共108根，钢筋笼总长在19.5～28m，单根钢筋笼最重达22t。由于地形复杂、场地狭小，大型汽车式起重机无法进场进行回转吊装作业，采用外主筋组笼吊装安放+内主筋孔内散装的方式进行安装。

根据70t汽车式起重机起重性能，将双肢并置的外侧54根主筋与加强箍、螺旋箍筋整体加工，分2节采用2台汽车式起重机抬吊安装，钢筋笼在孔口采用螺纹套筒连接；待外侧钢筋笼安装完成后，将事先通长连接完成的内侧54根主筋逐根吊入孔内，并与已安装钢筋笼的外侧主筋逐一对应绑扎固定，然后安装声测管等附属设施(见图4)。

图4 大型钢筋笼分解安装示意

3)水下灌注成桩为保证大直径竖直桩的桩身实体质量，采用水下灌注工艺施工，对于混凝土运输车无法驶入的桩位，利用地泵配合灌注成桩。采用直径350mm导管，提前通过闭水试验保证导管气密性良好，然后根据计算确定的首灌封底混凝土方量，采用大小2个料斗配合灌注。

3.2 小倾角水平桩施工

1)水平桩隧洞开挖第2次开挖拱座基坑至水平桩洞口底标高，做好拱座边坡及基坑支护，同时施作水平桩洞门。水平桩断面尺寸小，普通挖掘机在洞内回转困难，参照隧道施工采用上下台阶法开挖，同步推进开挖并及时完成初期支护，包括初喷、安装系统锚杆、挂钢筋网、安装钢拱架、复喷混凝土至设计厚度，进入下一循环。施工前进行超前地质预报探测，施工过程中做好沉降及收敛等变形监测，开挖完成后及时进行隐伏岩溶探测。

2)洞内钢筋安装在洞内搭设型钢支架，作为钢筋绑扎及混凝土浇筑施工的操作平台。对于大体积混凝土施工，提前采用软件模拟分析水化热影响，钢筋安装过程中合理布置冷却水管(见图5，6)。

图5 操作平台示意(单位：cm)

图6 水平桩端模开孔施工照片

3)水平桩混凝土浇筑在洞内顶部通过吊筋挂设泵管，水平桩外端口设置端模封闭，端模上部设小孔供泵管通过及人员进出，桩身混凝土一次性浇筑成型，从桩底向洞口逐步推进浇筑、跟进振捣。对于大体积混凝土施工，根据计算按要求在冷却水管中通水降温；在顶部预设高压注浆管注浆填充，以保证桩身混凝土密实，最后采用钻芯法验证桩身质量全部合格。

3.3 拱座异形承台分层施工

1)合理分层拱座承台总高度14.2m，单个承台混凝土量2 616m3，采用分层法施工。根据承台与拱脚预埋段的尺寸大小及相对位置关系，考虑混凝土量、预埋支架设计及安装精度等因素，将承台划分为4层浇筑施工。为减小预埋支架高度、提高预埋段安装精度，考虑在第1层承台混凝土浇筑后安装拱脚预埋段定位支架，为保证预埋段结构的最低点高出第1层混凝土面30～50cm以便安装，确定承台第1层浇筑高度为2.5m；其余各层浇筑高度可依据单次浇筑方量及施工组织等因素确定，第2～4层高度分别为4，3，4.7m，每次浇筑方量均控制在500～800m3。承台分层及拱脚预埋段支架立面如图7所示。

图7 承台分层及拱脚预埋段支架立面

2)承台施工控制竖直桩和水平桩施工完成后，第3次开挖拱座基坑至基底标高，及时做好基坑侧壁支护措施，按要求凿除桩头、调整桩头钢筋。根据有限的场地条件，合理组织现场施工，配置混凝土运输车数量并规划其行驶路线，保证混凝土供应满足现场浇筑需求。第1层承台施工时设置钢板预埋件，用于拱脚预埋支架的安装固定。

针对拱座大体积混凝土施工，通过有限元软件模拟分析计算，采用φ50mm×3.5mm冷却水管按间距1.0m布置，并合理设置测温元件。混凝土浇筑后及时通水冷却，并定期监测温度变化，根据实际情况合理调整进水温度和流速，以控制水化热的不利影响。

3.4 拱脚预埋段安装

拱脚作为拱肋与拱座承台的连接结构，拱脚预埋段的安装精度直接影响拱桥整体线形，其受力复杂、安装精度要求高，设计专用的定位支架进行预埋精调。

1)支架设计单个承台的拱脚预埋段主要由4根φ750×24主弦钢管及组合角钢连接杆件组成，每根主弦钢管长约6m，重约3.7t，埋入承台3m，埋入端管内设加强钢筋与承台连接。由于本桥为无铰拱结构，且受运输及吊装场地条件限制，拱脚预埋段只能采用汽车式起重机散件安装，故需专门设计预埋支架以保证预埋段安装精度。根据预埋段结构尺寸及施工特点，上、下弦管的预埋支架分开独立设计。以承台底以上2.500m作为标高基准设计拱脚预埋支架，支架立柱及主要连接杆采用I18，柱脚与第1层承台预埋件焊接，柱顶设置双拼I25a横梁用于安装定位拱脚预埋段，采用角钢作为次要连接杆增加支架整体稳定性，杆件间均采用焊接连接。经建模计算，上弦预埋支架的最大竖向变形发生在横梁上，最大数值≤2mm，其精度满足施工要求。

2)预埋段安装及精调预埋支架分单元加工，现场逐排安装后采用连接杆件形成整体。根据定位标高，在支架横梁上采用钢板垫高，粗调支架定位标高略低于目标值，根据主弦管设计定位位置沿竖向、横向、斜纵向布置好调节千斤顶，然后逐根吊装预埋段主弦管，并及时进行精调定位。通过精确的三维坐标放样及现场测量控制，采用倒链及千斤顶等设备配合精调，保证拱脚预埋段安装精度。

注意混凝土浇筑时避免振捣器碰触支架及拱脚，防止施工干扰导致拱脚变形移位。通过优化支架设计及现场精调控制，施工完毕后最终实测拱脚安装精度在3mm以内，满足后续安装上部拱肋节段的精度要求，为拱桥施工创造了良好基础。