潜孔钻施工方案(新建福厦高铁乌龙江特大桥施工关键技术)

Posted 2023-06-01

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潜孔钻施工方案(新建福厦高铁乌龙江特大桥施工关键技术)

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1 工程概况

新建福厦高铁乌龙江特大桥跨越乌龙江，位于福平铁路乌龙江特大桥（上游95m）和G324国道乌龙江公路大桥（下游50m）之间（见图1），主桥设计为四线高低塔双索面混合梁斜拉桥，桥长725m，跨径布置为（72＋109＋432＋56＋56）m。

图1 乌龙江特大桥桥址平面

主梁采用中跨钢箱梁、边跨次边跨混凝土箱梁和部分钢箱梁的不对称的混合梁形式，梁宽29.2m，钢－混结合段分别设置在福州侧次边跨1号墩附近和漳州侧3号塔区附近。

桥塔为H形混凝土结构，高低塔布置，高塔塔高170.0m，低塔塔高128.5m；塔柱斜拉索锚固区采用耐候钢材质钢锚梁及环向预应力结构。斜拉索采用环氧涂层平行钢丝拉索，扇形布置。斜拉索在梁上标准索距为12.0m，边跨端部加密至5.0m。桥塔基础采用φ2.5m不等长嵌岩钻孔灌注桩。主桥立面布置如图2所示。

图2 福厦高铁乌龙江特大桥主桥立面布置

桥位处于乌龙江瓶颈处，桥址属强潮河口，水流复杂，最大流速2.5m/s，最大潮差4.5m。桥址主墩处地质层依次为块石、强风化凝灰岩、弱风化凝灰岩、花岗岩、辉绿岩，岩层倾斜严重，倾斜度达37.6°。

2 总体施工方案

主墩基础施工针对深水、高流速、无覆盖层大坡度河床面条件，采用基岩面管桩稳定锚固技术和整体框架式栈桥平台辅助基础施工；钻孔桩施工采用特制冲击气举反循环钻机、冲击钻机两种设备工艺成孔；同时为解决坚硬岩层及岩层倾斜、硬度不均等成孔难题，采用气动潜孔钻机进行预处理；主墩承台采用新型少支撑拆装式双壁钢吊箱围堰施工，方便水中围堰拆除和倒用。

桥塔采用6m节段液压爬模法施工；下横梁采用落地支架法与塔肢同步施工方案；上横梁采用整体大跨拱形托架施工；塔柱斜拉索锚固区钢锚梁采用塔吊整体吊装。

边跨及次边跨预应力混凝土梁同时作为锚跨压重梁，重量大，采用支架现浇；福州侧次边跨钢梁采用组拼式大型浮吊分段吊装并利用支架滑道拖拉滑移就位，中跨钢梁采用大吨位桥面吊机单悬臂分段安装。

3 施工特点及难点

（1）主桥跨越乌龙江瓶颈处，桥塔均位于河床陡坡面上，水深流急、潮差大。墩位范围河床高差达19m，且主墩处无覆盖层，为大块石或裸露基岩，基岩强度高、岩面坡度大，施工栈桥、平台等临时设施的施工及桥塔基础钻孔桩施工难度大。

（2）主桥为四线高低塔双索面不对称钢－混混合梁斜拉桥，半飘浮体系，结构复杂，桥梁线形控制难度大；混凝土梁和钢箱梁间钢－混结合段结构及受力复杂，结合段质量控制要求高。

（3）主桥处于多座并行邻近的既有桥梁之间，临近并跨越既有324国道，且临近福平、杭深铁路桥。受既有线路、航道限制，复杂水文环境影响造成钢箱梁节段安装及高塔施工难度大；超重锚跨混凝土箱梁支架法施工上跨繁忙国道，施工技术难度大、安全风险高。

4 施工关键技术

4.1 深水斜面硬岩基础施工技术

4.1.1栈桥平台搭建技术

该桥2号、3号墩河床面倾斜且覆盖层浅，栈桥平台搭建困难且难以保证稳定性，施工中采用基岩面管桩稳定锚固技术和整体框架式结构，保证栈桥平台顺利搭建和使用。

施工中钢管桩振动无法继续下沉时，在钢管桩内采用取芯钻机或潜孔钻机套管辅助钻φ130mm小孔至较完整岩层，将3束钢筋锚杆插入小孔内并在小孔内注入压浆料锚固，最后钢管内清理后浇筑约3m高C30混凝土将钢筋锚杆上半段与钢管桩锚固，形成钢管桩与基础岩层的锚固效果。将栈桥平台钢管桩及分配梁、贝雷梁利用联结系形成整体框架式结构，保证施工平台稳定。

4.1.2钻孔桩成孔施工技术

主墩桩基采用φ2.5m大直径钻孔灌注桩，桩长约40m，由于墩位河床为岩层或大块石，钢护筒底口封闭需持续冲砸跟进并水下填充缝隙，钻孔桩成孔采用冲击钻机，利用钢制泥浆箱、泥浆船、泥浆分离器及泥浆管路形成泥浆循环系统。

在先期普通冲击钻机钻进成孔效率较低的情况下，针对具体地质情况，引入大冲击气举反循环钻机，采用20t以上冲击合金钢钻头高频低冲程钻进，冲击频率为普通冲击钻机的2倍以上；钻机钻头按四级分层，多个层次破碎面分级跟进，破岩效果好；采用气举反循环出渣效率高；采用双钢丝绳提升钻头，提高了成孔垂直度，减少了斜孔、梅花孔等成孔质量问题。大冲击气举反循环钻机整体工效大大优于普通冲击钻机，提升了钻进效率。

4.1.3高强度斜面岩钻孔辅助施工技术

桥址墩位地质岩石强度高，抗压强度达130MPa以上，岩层倾斜严重且岩体硬度不均。钻孔桩采用潜孔钻预钻出蜂窝状φ110mm小孔辅助大冲击钻钻进。利用导向管套笼作为潜孔钻导向设施，采用气动潜孔钻机作为预钻引孔设备，在斜岩面处按照岩面倾斜走向相应非对称地钻出蜂窝状小孔（见图3），降低了岩层整体强度，提高了后续冲击钻进效率，同时利用预钻蜂窝孔的密度差异起到在倾斜岩面及软硬不均岩层钻进纠偏的效果。

图3 导向管套笼辅助预钻孔

冲击钻机钻进至弱风化凝灰岩地质层附近位置，下放导向管套笼，调整位置并进行固定。以潜孔钻为动力对套笼外围的4个孔进行钻孔并判断岩层顶情况以及岩石斜面走势，然后根据情况调整预钻蜂窝孔布置及深度，完成辅助小孔后换冲击钻机继续钻进。

4.2 水中大体积承台施工技术

2号墩承台为矩形，结构尺寸为40.5m（横桥向）×25.5m（顺桥向）×5.0m（高），混凝土方量为5163m³。

主墩承台施工采用少支撑拆装式双壁钢吊箱围堰作为挡水结构。承台大体积混凝土施工中，为保证混凝土耐久性及防裂要求，采取了一系列措施：重点优化混凝土配合比设计，合理选择原材料；采用自动测温及内部循环冷却水控制的信息化技术进行温控，使承台内部温度实际峰值控制在60℃左右；承台表面采取内部循环系统的温水蓄水保温养护等，保证了内、表温差控制在20℃以下，承台混凝土未出现有害裂纹。

为方便围堰侧板完全拆除回收，且不影响承台防腐及防撞设施安装，主墩双壁钢吊箱围堰采用了少支撑的拆装式结构（见图4）。

图4 双壁钢吊箱围堰结构

双壁钢吊箱围堰平面尺寸为43.5m×28.5m，高11.5m，侧板厚1.5m。围堰工厂分块加工，现场分块组拼，侧板与底板及侧板间均采用方便水中拆除的连接装置。各侧板之间螺栓连接、拼接缝之间采用橡胶止水带加玻璃胶止水，防水效果良好。

围堰侧板与底板间连接采用方便水下拆除的侧向挡块限位＋竖向拉杆拉结的方式。围堰装拆方便，满足了大潮差地区承台防腐的要求。由于受桥位空间限制大型浮吊无法进场，主墩双壁钢吊箱围堰采用墩位拼装、集群千斤顶系统整体下放。

双壁钢吊箱围堰侧板采用大刚度的双壁结构，承台范围不设置内支撑，并充分利用四角角撑减少与塔座预埋结构的冲突，保证了承台侧面质量和防腐耐久性。

4.3 桥塔施工技术

4.3.1塔柱及下横梁施工技术

桥塔塔肢采用液压自爬模施工，塔座与桥塔底节（起始1m段）一次性浇筑，塔柱采用标准节段6m的多卡SKE100plus液压自爬模，爬模上配置自动喷淋养护系统及爬升监控系统。在下塔柱大倾角塔肢段采用加强型架体支撑梁；并将仰模与劲性骨架连接，利用劲性骨架刚度控制侧模顶部变形。

桥塔下横梁采用落地支架法与塔肢同步施工方案，下横梁高度方向分2层浇筑。

桥塔采用C55高强混凝土，掺加了新型TK－MP粘度改性材料改善混凝土性能，显著降低新拌混凝土的塑性粘度，提高混凝土的流动性、保水性，改善混凝土的可泵性，延缓水泥水化放热速率，降低混凝土的绝热温升，提高混凝土抗裂性能。

通过试配对比优化，确定采用配合比为水泥∶粉煤灰∶粘度改性材料∶细集料∶粗集料∶水∶外加剂＝345∶69∶46∶735∶1067∶142∶5.5。通过混凝土配合比优化、自动喷淋养护等措施保证了混凝土施工质量，大大减少了开裂风险。

上塔柱斜拉索锚固区采用钢锚梁＋U形环向预应力结构。钢锚梁与两端钢牛腿利用480t·m塔式起重机采用专用吊具进行整体吊装，最大吊重15.2t。

钢锚梁采用免涂装的Q345qDNH耐候钢材料，连接高强螺栓采用35VB材质，摩擦面预先进行机加工处理以使其在形成氧化锈膜后满足摩擦系数要求。

钢锚梁及钢牛腿通过工厂水平试拼及现场立式组拼，在塔柱上直接匹配定位安装，减少高空调整，保证安装精度。U形环向预应力束安装利用2组分片劲性骨架在地面定位临时固定，整体安装就位并调整，大大提高了安装效率。

4.3.2上横梁施工技术

高塔上横梁底面采用R＝9.75m圆弧面，顶面采用椭圆弧面，中心最小高度为5m，高程为＋110.0m，上横梁造型美观，结构较复杂，最大高度超过20m。低塔上横梁造型与高塔基本一致。桥塔上横梁施工采用整体拱形托架法（见图5），塔梁同步施工，高度方向分为3或4次分层浇筑施工，浇筑高度4.5～6.0m。

图5 桥塔上横梁施工

上横梁拱形托架采用钢牛腿＋弧形拱架结构，跨度超过20m。钢牛腿预埋爬锥固定于塔壁，弧形拱架支撑于钢牛腿并在拱架底部设置横拉杆，其充分利用弧形拱架承力的优点，并结合上横梁混凝土分层浇筑等对拱架结构进行优化。

上横梁第一次浇筑（分肢段）时拱架主要承受混凝土浇筑侧压力；第二次浇筑（拱顶段）时拱架承受荷载考虑到下层分肢段的支承及约束作用，拱架结构受力小、安全度更高；第三、四次浇筑时则可考虑直接利用下层上横梁结构承受荷载。拱架结构采用型钢焊接，分片制作，塔下2片组拼成组，满足了轻型化及方便装拆的要求，节省了投入，实现了塔吊整跨分组安装。

4.4混凝土现浇梁及钢－混结合段施工技术

主梁为钢－混混合梁，钢梁与混凝土梁间设置钢－混结合段。福州侧混凝土梁长度为95.9m，分3段浇筑；漳州侧混凝土梁长度为134.9m，分4段浇筑。

混凝土梁自重大，采用梁柱式支架纵向分段现浇施工。支架基础采用挖孔桩或扩大基础，立柱采用φ1000×10mm钢管柱，纵梁采用贝雷梁和焊接1500mm×600mm工字梁（见图6）；桥塔区支架结构采用墩旁托架，顶部利用纵向预应力筋对拉锚固于塔柱下横梁上（见图7）。

图6 福州侧混凝土梁支架布置

图7 漳州侧混凝土梁支架布置

由于混凝土梁自重大，支架现浇完成后待所有斜拉索挂设张拉完成才能脱架，且斜拉索梁端安装区域底模需先行拆除（斜拉索梁端锚固齿块设于梁底两侧），同时考虑到宽幅梁横向预应力张拉后的支架受力重分配情况，现浇梁支架采用了横向分离式设计。

两侧分离式的支架满足横向预应力张拉后的支撑力重分配作用，且能满足斜拉索安装时锚固齿块区域局部拆模后的受力要求，并能满足斜拉索安装梁底牵引空间需求。

混凝土梁采用分段浇筑施工，侧模排架系统采用整体可滑移结构，前一段混凝土梁浇筑完成后，利用可调丝杆脱侧模并下降侧模排架，纵向横移至下一段混凝土梁位置并调整模板就位，减少对跨既有国道施工的影响。

待所有梁体浇筑及预应力张拉完成，在梁端斜拉索挂设作业前，拆除混凝土梁梁下斜拉索锚固块区域内的局部底模排架及模板，设置操作平台进行斜拉索安装和梁下压锚工序。

钢－混结合段结构复杂，重量约400t，是梁体结构受力关键部位。结合段钢梁节段水上起吊并纵向滑移至设计位置后，精确调整并利用支架临时固定，然后进行结合段混凝土填充浇筑。填充混凝土采用补偿收缩防裂高性能混凝土，施工中合理布置灌注孔、振捣孔、出浆孔，采用附着式插入式振捣相结合等工艺，并通过无损检测技术验证等一系列措施确保钢－混结合段关键部位施工质量。

4.5 钢箱梁安装施工技术

12m标准节段钢箱梁重约300t。福州侧次边跨及桥塔区钢梁采用组拼式大型水上浮吊分段吊装并利用支架滑道拖拉滑移就位的安装方案；中跨钢梁采用大吨位桥面吊机单悬臂分段安装方案。

4.5.1福州侧次边跨及桥塔区钢梁安装技术

福州侧次边跨及桥塔区钢梁位于岸侧或临近江岸，无法原位吊装。同时由于桥位处于多座既有桥梁中间，航道狭窄，水文条件复杂，并受既有桥梁净空限制，次边跨及桥塔区钢梁安装采用500t拼装式浮吊吊装并利用支架纵向滑移就位的安装方案，钢梁纵移采用钢轨轨道及夹轨器顶推系统（见图8）。

图8 福州侧次边跨及桥塔区钢梁施工布置

针对桥位空间、航道等限制及深水急流大潮差的条件，对浮吊水上锚缆系统进行了专门的研究和设计，利用大吨位混凝土蛙锚系统、限制空间的锚缆布置及灵活的锚缆转换调整系统，充分利用高平潮时间窗口，保障了复杂水况浮吊横水流方向吊装的安全及工效，节约了设备投入。

4.5.2中跨钢梁安装技术

中跨钢梁吊装采用350t桥面架梁吊机单悬臂拼装，运梁船临时占用航道抛锚定位。350t桥面架梁吊机根据该桥钢梁的结构采用了微调短吊距，并具备单双吊点转换功能。

中跨钢梁悬臂架设时，漳州侧锚跨全部为混凝土梁，中跨钢箱梁悬臂拼装时3号塔处设塔梁临时纵向锁定。塔梁临时纵向锁定采用型钢构件，利用3号塔原有的纵向阻尼器座销接安装。

福州侧锚跨包括95.9m混凝土梁及86m钢箱梁，考虑到如采用常规桥塔处塔梁临时纵向锁定，在斜拉索拉力及温度应力作用下，锚跨混凝土梁及钢梁需要以桥塔墩锁定点为固定点进行纵向伸缩，而混凝土梁无法完全脱架，纵向约束难以解除，会对梁体自身产生大的纵向应力，可能对梁体特别是钢－混结合段造成损害，因此福州侧中跨钢梁悬臂拼装时临时纵向锁定设置于1号辅助墩阻尼器处。

由于该桥体系不对称及2号桥塔侧钢梁悬臂拼装阶段临时纵向锁定设置在1号辅助墩处，对于悬臂施工阶段主桥应力线形的控制要求更高。通过施工全过程精确模拟分析计算，系统监测分析温度、约束条件、加载偏差等影响因素并总结修正，主梁实现精准合龙并顺利转换了约束条件，应力线形控制效果良好。

4.5.3中跨钢梁被动合龙施工技术

由于钢梁中跨合龙时，锚跨混凝土梁仍不满足脱架条件，难以采用梁体主动纵移调整进行合龙方案。结合桥位的环境条件，通过精确测量及合龙敏感性分析，确定利用温差效应进行中跨被动合龙的方案。

合龙前实时持续测量温度等条件对钢梁变形的影响，并采用三维激光断面扫描仪精确测量合龙前合龙口状态，为合龙段配切提供数据参数指导。

在合龙段设计安装快速锁定装置，保证合龙段吊进后通过临时锁定来阻止合龙间隙的进一步变化，以便于合龙段的焊接。临时锁定装置需满足温度等条件变化引起的荷载，并能快速完成体系转换。合龙口临时锁定装置利用钢梁拼装临时匹配件进行了改制，在钢梁顶板及竖腹板各设置4组合龙锁定装置（见图9），使其满足临时锁定状态纵向拉压及剪切受力要求。

图9 合龙段快速锁定装置

5 结语

新建福厦高铁乌龙江特大桥为主跨432m的四线铁路高低塔双索面混合梁斜拉桥，主梁为非对称布置的混合梁。针对乌龙江瓶颈处深水急流、浅覆盖层陡坡河床面条件以及大跨不对称混合梁斜拉桥结构体系，采用一系列关键施工技术，有效保障了工程的安全顺利推进及繁忙复杂航道、既有线路安全通行。

大冲击气举反循环钻机桩基施工成桩效率较初期冲击钻机常规工艺提升近50％，桩基质量全部为Ⅰ类桩；

大体积承台及高塔、混凝土梁防裂技术效果良好，钢－混结合段结合质量检测优良；

边跨及次边跨混凝土梁支架系统很好地满足了梁部多次受力体系转换的要求，支架结构的优化及标准化也大大节约了成本；

大吨位拼装式浮吊及其锚缆系统较好地适应了桥位复杂条件，钢箱梁节段采用浮吊集中时段吊装并在支架上各自滑移就位的方案，节省了浮吊使用时间，仅用1个月左右时间完成了次边跨及桥塔区钢梁吊装，同时保证了航道安全；

不对称混合梁结构桥梁的施工控制及主梁快速合龙等技术保证了不对称跨复杂体系大跨桥梁的施工控制质量。作为福厦高铁全线最大跨度特殊桥梁，乌龙江特大桥2021年6月17日顺利合龙。

本文转自《世界桥梁》——新建福厦高铁乌龙江特大桥施工关键技术，作者黄中华；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！