1、1新井口嘉陵江特大桥深水基础施工技术新井口嘉陵江特大桥 81、82墩深水基础施工1.工程概况1.1 工程地理位置、技术标准及规模新建铁路兰州至重庆线广元段新井口嘉陵江特大桥位于重庆市沙坪坝区嘉陵江井口河段，与其上游的既有渝怀铁路井口嘉陵江特大桥相距45m，桥址处 河道弯曲、狭窄、水深，是兰渝铁路的控制性工程。新井口嘉陵江特大桥是兰渝铁路客（双）线与渝利货车外绕双线合建的特大桥，主要技术标准为：客线列车设计速度为 200km/h，货车外绕线列车设计速度为 120km/h。本桥引桥部分客、货线桥分建，在跨江处合并为四线桥，其中客线双线桥长 2534m，货车（单）双线桥长 3865.5 m，四线桥部
2、分长 1301m，总投资约 8.69 亿元。1.2 主桥桥式布置及结构四线主桥跨江段桥跨布置及结构：（64+64）m T 构+（84+152+76 ）m 连续刚构+（64+64）mT 构。其中（84+152+76）m 连续刚构是世界上铁路四线桥第一座采用墩身下段及基础合修、墩身上段及梁部分修的四线大跨度预应力混凝土刚构桥。主桥桥跨布置示意图如下： 图 1-1 四线主桥桥跨布置示意图1.3 主墩下部结构主墩 81#、82#墩位于江中深水区，设计墩高均为 80.5m。81#墩基础设计钻孔桩 32 根，桩径 2.5m，桩长为 33m，按梅花形布置。承台为圆弧2端形，尺寸为 45204m，承台底标高为
3、 161.15m。82#墩基础为高桩承台，设计钻孔桩 32 根，桩径 2.5m，桩长为45m，按行列式布置。承台为圆端形，外端尺寸 为 56.5*21.2*6m。承台底标高分别为 161.97m。1.4 水文特征嘉陵江属于长江一级支流，水位受季节性降雨变化较大，雨季河水湍急。桥址处 主河槽底标高为 147m 左右，枯水季 节江面宽度约 300m，主河槽水深约 2030m，洪水期宽度可达约 500m，最大水深达约 47m 以上。考虑 20 年一遇洪水，桥址处最大流速为 V1/20=3.8m/s，最高水位为H1/20=192.69m。1.5 桥址地质嘉陵江自西北向东南流经井口，桥轴线位于黑羊石滩下
4、游微弯河道中，河槽断面呈宽谷形态。河岸基本无阶地，基岩大面积出露，岩层稳定坚硬，为厚中生界侏罗系上统蓬莱镇组长石、石英砂岩和砂质泥岩互层地层。岸上地面表层为层粉质粘土，其下为强风化泥岩夹砂岩和弱风化泥岩夹砂岩。河床大部分基岩裸露，表层局部有沉积砂卵石土层，厚 12m，其下为弱风化泥岩夹砂岩。1.6 航道及航运桥区枯水航道维护尺度为 1.5*40*400m（水深*航宽*弯曲半径），规划航道尺度为：2.02.4*60*480m，可通航 1000t 级船队，航道标准为国家级，最高通航水位为 200.63m，最低通航水位为 166.06m。桥梁通航净高 40.9m，主跨通航净宽 143m，边跨最小净宽
5、 68m。2. 主要工程特点及难点1、新井口嘉陵江特大桥位于重庆市主城区，采用四线连续刚构桥跨越嘉陵江，可有效地利用桥位资源，提高土地资源的利用效率，降低工程成本，它的成功实施可为高墩多线连续刚构在铁路桥梁建设中的应用提3供借鉴与支持。2、嘉陵江水流湍急，水位随季节及天气变化较大，每年 6 月至 9 月底为汛期，洪水频发，洪水涨幅最多可达到 24 米，日涨幅 10m 以上。枯水季节（施工期）约 8 个月。由于汛期水位变化较大，施工平台及围堰难以按最高洪水位设计，因此深水基础施工应尽量避开汛期，如进入汛期，如何确保施工期间安全度洪预防措施是本工程需要研究的课题。3、桥址处于嘉陵江河谷狭窄地段，水
6、流速度大，河床覆盖层较薄，大部分基岩裸露。81墩河床岩面倾斜（高差约 5m），必须先完成基础水下爆破开挖，再进行围堰施工。82墩位于主河槽内，汛期水深近 50m，枯水期最大水深约 30m，施工技术难度及安全 风险均较高。4、根据嘉陵江的通航条件，枯水期浅滩地段较多，虽然在三峡水库蓄水后有所改善，但三峡水库经常根据下游需求调控下放水量，对嘉陵江的通航条件影响较大，大型水上运输设备通行不便。3.任务来源 中铁十局集团有限公司于 2009 年 7 月中标兰渝铁路广元至重庆段LYS-14 标段，其中新井口嘉陵江特大桥由中 铁十局子公司济南铁路工程公司负责施工。新井口嘉陵江特大桥工期紧、任务重、施工难度
7、大、安全风险高，是LYS-14 标段重要的控制工程。为此中铁十局 济南铁路工程公司成立了深水基础施工技术研究攻关小组，将兰渝铁路新井口嘉陵江特大桥深水基础施工技术研究列入科技课题攻关项目。经过概略的比选和论证，初步拟定了施工方案，为进一步深入的研究明确了目标和方向。4.研究的主要内容4.1 合理安排工期，满足总体工期要求新井口嘉陵江特大桥跨江主桥部分设计初步完成后，受国家长江水利委员会委对本桥行洪和通航情况进行论证和审批的影响，施工图于42010 年 2 月正式出图。施工图到位滞后对确定施工方案产生较大的影响。根据总体施工组织安排，81墩 2010 年 6 月底完成围堰施工，钻孔桩在汛期过后进
8、行施工，计划 2011 年元月底完成，3 月底前完成承台。82墩 2010 汛期前完成施工准备工作，汛后 10 月份开始围堰施工，2011年 6 月底完成承台。保证工期目标是确定深水基础施工方案的重要依据。4.2 采用可行的施工方案，满足度洪要求嘉陵江流域面积大、落差大，汛期洪水涨幅大，流速高。两个主墩深水基础施工周期长，不可预见的因素多，如何满足度洪安全要求，是两个主墩基础施工方案必须研究的问题。81墩钢围堰施工距汛期仅有 4 个月时间，施工方案必须保证在汛期前完成底节围堰拼装下水、上层围堰拼装、围堰定位着床、安装钻孔桩施工平台、下放钢护筒及围堰砼封底。围堰施工完成后即进入汛期，其结构体系及
9、措施必须保证钢围堰安全度汛。 拟定采用钢浮筒施工平台拼装围堰的方法，能够以最快的速度组织施工，在汛期到来前完成围堰封底施工。钢围堰封底后与河床岩石形成较强的附着力，施工平台、钢护筒、上下 导向架 连接成整体，形成钢围堰壁板上部支撑，从而保证钢围堰安全度汛。82为高桩承台采用吊箱围堰施工，必须在一个枯水期内完成钢围堰、钻孔桩 、承台施工。由于 钢围堰制做、拼装、下水、浮运、定位、钻孔桩施工等施工过程存在着不可预见的因素较多，因此采用的施工方案必须考虑度汛的要求，结构设计必须保证度洪安全。拟定采用双壁钢吊箱围堰与定位桩构建施工平台的方案进行施工，按最不利情况考虑，即汛期到来前未按期完成承台施工，桩
10、基完成 60，已完桩基与吊箱围堰组成的联合结构能够保证安全度洪。4.3 技术研究的主要内容5新井口嘉陵江特大桥主墩大型深水基础施工在拟定施工技术方案的基础上，对钢围堰制做、拼装、下水、浮运、定位、施工平台建立、钻孔桩施工、围堰抽水、承台施工等施工方法及相关工艺进行全面的研究，对于一般性施工技术工艺进行了简略叙述，其重点技术研究主要内容有以下几个方面：(1) 深水基础施工方案的比 选。通 过对常见的深水基础施工方法与本项目拟采用的施工技术方案进行技术经济分析对比，确定研究需要解决的问题和目标。(2) 双壁钢套(吊) 箱围堰结构设计。根据拟 定的施工技术方案，研究与之相适应的围堰结构设计。(3)
11、钢浮筒施工平台拼装大型 钢围堰施工技 术方案。主要研究利用钻孔桩钢护筒及施工平台所用材料、构件制做钢浮筒施工平台，以及在钢浮筒施工平台拼装大型钢围堰和围堰下水的施工方法及工艺。(4) 双壁钢吊箱围堰底 节岸上拼装、下水及双壁 钢吊箱围堰与定位钢护筒构建施工平台的技术方案和相关的施工方法，及满足度洪安全要求的相关措施。6第一部分 钢筒浮平台拼装大型双壁钢围堰技术研究报告兰渝铁路新井口嘉陵江特大桥 81墩双壁钢围堰施工1. 技术方案论证深水钻孔桩承台基础施工方法主要有“先桩后堰” 和“先堰后桩”两大类。本桥 81墩位处基岩裸露，岩面高低错落变化较大，设计承台底位于基岩面以下 24m 左右，因此两种
12、施工方法均必须先将岩层爆破开挖至基底（封底砼底）。为缩短工期， “先堰后桩”施工方法优势明显，因为钢围堰拼装下水与水下爆破开挖可平行作业，爆破开挖完成后，钢围堰就位并在其顶部安装钻孔桩施工平台，经济上较合理。钢筒组装浮平台拼装双壁钢围堰方案可满足此要求。底节钢围堰拼装下水常采用码头拼装并拖拉下水和驳船组装平台拼装然后起吊下水两种方法。采用第一种方法，本桥与上下游既有码头相距较远，且码头 租用、 围 堰下水及封航浮运成本较高，若修建围堰拼装临时码头， 桥址附近两岸较陡条件不具备，临时码头选址、审批、租地、修建及解决施工用电等成本较高，时间上影响工期的不确定因素较多。如采用驳船作为浮平台拼装底节，
13、然后用龙门吊起吊下水，需租用 60m 长（800t ）的平板驳 4 条，其中两条驳船拼装围堰，两条拼装龙门吊，另加 1 台浮吊进行配合， 费用仍超支较大，且在长江上游租船难度较大，影响工期。钢护筒组装浮平台拼装双壁钢围堰是“先堰后桩” 的一种施工方法，是利用钢护筒制成密闭的钢筒作为浮体，拼装成大型浮动施工平台，在浮平台上拼装底节钢围堰后，向钢浮筒内注水使平台下沉，底节围堰自浮后移至墩位处进行上层围堰拼装、注水下沉及着床等作业，同时对沉入水中的部分钢浮筒平台进行充气排水浮升至水面。 钢护筒浮平台利用钻孔桩钢护筒和钻孔施工平台所需构件、材料拼装而成，浮平台用完拆除修整后再用于钻孔桩施工，把钢材及周
14、转性材料的消耗量降至较低点，施工成本降低额较大，能取得了较好的经济效益。7用钢护筒拼装浮动施工平台，工序少、施工组织快，在底节围堰加工完成前即可完成，不占用工期。由于拼装下水位置不在墩位处，因此墩位处水下爆破与钢围堰拼装可平行作业，工期大大缩短。本方案采用简易的注水下沉系统进行底节围堰下水，用简易的充气排水系统对部分沉入水中的部分平台进行浮升打捞，施工方法中均采用常用的水泵、空压机等小型机具设备，具有设备简单、操作简易、下水速度均匀可控、安全可靠等特点。钢浮筒平台拼装双壁钢围堰在桥址现场进行施工，对施工环境要求不高，不需要施工码头，只要水深满足钢围堰下水自浮即可。钢围堰施工均在浅水区域进行，避
15、开了主航道，且不需封航进行长距离浮运，减少了对水上交通运输的影响。2. 施工工艺原理钢筒浮平台拼装双壁钢围堰施工主要设施由钢筒组装浮平台、拼装垫梁、注水下沉系统及充气排水打捞系统四部分组成。施工工艺原理如下：采用直径 2.8m 钻孔桩钢护筒两端封堵后形成密闭钢浮筒，用若干个密闭钢浮筒作为浮体，拼成 4 个组块，其中 A 组两块分别位于两侧直线段围堰壁板下，B 组两 块分别位于两端的圆 弧壁板下，用贝雷梁将 4 个浮筒组块拼联成大型浮平台，并用锚碇系统进行固定。在浮平台上铺设拼装垫梁，使拼装垫梁顶面在同一平面上。拼装钢围堰底节时，按照先直线段后圆弧的顺序进行，合拢块设在两端圆弧段的中部，拼装过程
16、采用注排水进行平衡或局部配重的方式保持浮平台整体平稳。底节钢围堰下水时，先对直线壁板下 A 组钢 浮筒平台分两批对称注水下沉，在钢浮筒顶没入水中前抽离，然后再对两端 B 组钢浮筒平台分批注水下沉，底节围堰自浮后，B 组钢浮筒平台沉至水底。注水下沉系统8由进水管、出气管、水泵、 阀门、控制柜组成。注水采用小型水泵，保持平台缓慢下沉。钢浮筒注水过程通过中加强观测，通过对围堰顶面 4 个角点标高的测量，不水平时，及时用阀门及水泵开关进行注水量控制和调整，使底节钢围堰下水过程基本保持平稳。底节钢围堰移至墩位处即可进行打捞作业。钢浮筒打捞系统由充气管、排水管、空压机、 阀门 、气压表、控制柜 组成。打
17、捞时用空压机向 B 组钢浮筒充气排水，当排水量大于 B 组钢浮筒平台自重时，使其浮出水面，然后拖至岸边拆解上岸。底节钢围堰下水自浮后，用拖轮将其浮运至墩位处，由锚碇系统初步就位后，逐节拼装上层围堰并注水下沉。围堰拼装总高度超过水深 1.0m以上时，及 时进行下沉着床作业。下沉至围堰底距河底 0.5m 左右，进行精确定位后下沉着床。围堰拼装完成后，在围堰上安装钻孔桩施工平台，下放钢护筒，然后进行封底混凝土施工。3. 施工工艺流程9浮筒分批注水下沉底节围堰自浮底节围堰移至墩位拼接上层围堰围堰拼装垫梁铺设钢围堰底节拼装安装钻孔平台及钢护筒施工准备钢浮筒平台拼装围堰下沉精确定位着床钢围堰灌注水下砼封底
18、底节围堰块件制做 承台水下爆破开挖岩石围堰处河床整平钢浮筒制做上层围堰块件制做平台充气排水上浮浮筒复原整修钢浮筒平台拼装钢围堰施工工艺流程4.主要工艺要点4.1 双壁钢围堰结构设计及制造4.1.1 双壁钢围堰结构81墩承台尺寸为 45204m，承台底标高为 161.15m，施工水位为175m。考虑钢围堰下沉就位精度，拟定围堰平面净尺寸为 45.420.4m,根据水深拟定封底砼厚 2.5m，围堰顶高出施工水位 1.0m，围堰总高度按17.5m 设计。10钢围堰由壁板结构及内支撑结构两部分组成。壁板采用竖向箱柱、水平桁架和内外带肋面板构成的空间箱体结构。双壁部分高度为 15.0m，厚度为 1.5m
19、，单壁部分高度为 2.5m。内支撑采用钢管结构。根据方案墩位处河床基岩水下爆破开挖至围堰底标高，因此壁板不设置刃脚， 为保证底节围堰下水后自浮，在距底部 1.0 处设置一道水平底板，并对下部开口段进行加强。在箱柱底部腹板处开孔与开口段连通，用于开口段灌注水下砼封底。4.1.2 钢围堰结构验算4.1.2.1 荷载计算钢围堰抽水安排在枯水期施工，按抽水完成后进行验算。主要荷载为：静水压力、流水压力和风载，传力方式为面板竖肋水平桁架竖向箱柱内支撑。计算根据设计及重庆西南水运工程科学研究所编写的兰渝铁路新井口嘉陵江四线特大桥通航净空尺度和技术要求论证研究报告提供的相关参数。(1)静水 压力静水压力按设
20、计施工水位标高 175m 取值，最大深度按封底砼顶标高 161.15m 计算。P 静 =H=10*13.85=138.5 kPa(2)流水 压力计算时流速按 20 年一遇标准取值 v3.8m/s，与基础横桥向轴线夹角为 10。由于流水 压力值较小，为简化 计算，流水压力按均布考虑（忽略水深的影响），圆弧端按水流与迎水面正交进行计算。侧壁计算考虑水流夹角。圆弧端：P 静 =Kv 2/2g=0.63.8210/(210)=4.33 kPa侧壁：P 静 =Kv 2sin10/2g=1.473.82sin10/2=1.843 kPa其中 K桥墩形状系数，根据铁路桥涵设计 基本规范TB10002.1-2005 相关规定，圆弧端取 0.6，侧壁取 1.43。
