港珠澳跨海大桥非通航孔桥基础工程施工关键技术

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  [摘 要]港珠澳跨海大桥非通航孔桥基础工程中,针对海中大型钢管桩插打定位精度要求高,大型承台、墩身、墩帽预制、運输、安装困难,海洋环境结构耐久性要求高,预制构件间的连接混凝土质量易受风、浪、涌等影响等问题,结合施工装备的特点,研究采用“三次渐进式定位”插打钢管桩,自动化钢筋加工绑扎,大刚度自移式整体模板,梁场纵横移台车搬运系统,无内支撑钢套箱围堰,兼具平动及转动能力的多功能吊架等技术,保障了工程施工的安全、优质、快速推进。
  [关键词]港珠澳大桥;钢管复合桩;承台;墩身;墩帽;预制;安装;施工
  中图分类号:HT85 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)19-0260-03
  1 前言
  中国桥梁建设已从内陆向海洋延伸。针对海洋特殊环境,预制化安装的桥梁建造技术对工程质量、安全及工期控制具有显著优势。海洋给传统施工技术带来的挑战突出表现在以下几个方面:大型钢管桩的沉桩精度控制;大型墩(台)的预制、存放、运输、安装;预制构件间的连接质量控制;结构耐久性保障;海洋施工装备选型;海洋风、浪、涌等不利因素的克服等。以下结合港珠澳跨海大桥非通航孔桥的基础施工,阐述解决上述挑战的关键施工技术。
  2 工程概况
  2.1 桥梁结构
  港珠澳大桥跨越伶仃洋海域,连接粤港澳两岸三地。浅水区非通航孔桥采用85m跨连续组合箱梁桥,桥梁下部结构采用钢管复合桩基础及预制承台、墩身、墩帽。标段内共62个桥墩,墩高19.143~42.974m。基础采用6根钢管复合桩,有钢管段直径220cm,无钢管段直径200cm,钢管长度15~25m,桩长27~78m,桩基按行列式布置,钢管嵌入承台1.6m。承台平面形状为带圆倒角矩形,平面尺寸16.8×12.1m,圆倒角半径200cm,承台厚4.5m,顶面高程-4.5~-5.0m,底面高程为-9.0~-9.5m。墩身采用C50混凝土,承台预制部分采用C45混凝土,现浇部分采用C45微膨胀混凝土,承台预制单元最大重量为2650t。基础结构见图1。
  2.2 自然条件
  桥位伶仃洋水域高潮水深5.0~7.0m,低潮水深3.5~5.5m,海床较平坦,高程一般在-4.0~-6.2m,地基上部为海相沉积淤泥,下伏粉质粘土及粗砾砂,局部有暗礁;潮汐属不规则半日混合潮,20年一遇极高潮位+2.97m,极低潮位-1.35m;20年一遇设计极大流速1.23 m/s;20年一遇名义波高2.03m,周期9.3s,波长75m;属南亚热带海洋性季风气候区,温暖潮湿、气温年较差不大,降水量多且强度大;桥位受热带气旋的影响十分频繁。
  3 总体施工方案
  利用“小天鹅”号起重船携带整体式导向架,采用“三次渐进式定位”技术,用APE400振动打桩锤插打6根钢管桩,之后移走导向架,在钢管桩群上安装整体式钻孔平台,利用KPG3000型钻机钻孔,完成钢管复合桩的施工;在中山预制基地建设承台、墩身、墩帽的预制及存放台座,利用整体开合式模板完成基础结构的预制,转移至存放台座上存放养护;通过纵、横移台车将预制基础运输至下海码头,并用“小天鹅”号起重船吊运至桥位安装;在临时台位组拼钢套箱围堰,用“小天鹅”起重船整体提升至墩位下放,利用预先疏浚、堰内吸泥等措施将围堰下沉至设计高程,水下封底、堰内抽水;预制承台吊装就位后,利用调节装置精确调位,达到要求后浇筑桩与承台间连接混凝土;利用小天鹅起重船继续吊装墩身、墩帽,及时浇筑接缝混凝土,完成基础施工;基础施工完毕,整体拆除围堰,转移至下一墩位施工。
  4 钢管复合桩施工
  钢管复合桩外部为钢管,内为钢筋混凝土桩,钢管直径2.0~2.2m,钢管在工厂内加工成形,外敷高性能防腐涂层,并采用牺牲阳极的阴极保护体系[1]。钢管桩插打精度要求:平面位置偏差±50mm、垂直度偏差1/250。为确保钢管插打精度,研制了自动多向调整导向架,以“小天鹅”号双体船为浮式平台,采用“三次渐进式定位”技术,用APE400打桩锤插打。具体定位方法是:小天鹅号携带导向架驶入墩位,抛锚,绞锚,进行初定位;利用导向架与小天鹅甲板间的滑移调整系统,进一步调整导向架空间位置,利用“雪浪号”浮吊辅助吊装并迅速插打导向架的四根定位桩,并将导向架锁定在定位桩上,实现“二次定位”;利用“雪浪号”浮吊起吊钢管桩,喂入导向架,调整导向架上、下两层导向环,将钢管桩垂直度控制在1/400以内,利用APE400液压打桩锤插打钢管桩至设计位置,实现钢管桩的“三次定位”。“三次渐进式定位”技术很好保证了海上钢管桩群插打的精度。钢管桩插打完成后,解除导向架与定位桩间临时锁定,利用“小天鹅”号移除导向架并安装整体式钻孔平台,次用两台KPG-3000A型钻机进行钻孔灌注桩施工[2]。为了保护钢管桩外部的涂层,导向环与钢管桩接触部分采用了特制尼龙辊轮。导向架结构见图2。
  5 承台(墩身、墩帽)预制、存放及运输
  5.1 承台(墩身、墩帽)预制及存放
  承台、墩身、墩帽均在中山梁场预制,预制场主要由钢筋加工车间、预制区、存放区、预制件纵横移滑道体系组成。预制件钢筋均在自动化钢筋加工车间制作,验收合格后运输至预制场内绑扎,绑扎完成后整体移运至预制台座上,安装模板,进行预制节段混凝土浇筑。
  预制件钢筋在钢筋绑扎台位上进行,底节墩身、承台钢筋分别绑扎成整体,再吊装插入、连接成整体,钢筋绑扎过程中采用特制的支架及卡槽定位,以确保钢筋位置准确。预制体钢筋绑扎成型后,整体移运至预制台座上,再安装预制体模板。预制体模板采用大刚度的全自动液压控制模板系统,该系统主要由底模、外侧模、外模空间桁架、内侧模、液压控制、自走行等六个体系构成,可实现模板全自动开合,大大提高了模板装拆的效率。预制体混凝土采用一次浇筑成型,浇筑过程中按照水化热计算结果严格监控混凝土内温度变化情况,做好混凝土养护工作,实现了大体积海工混凝土预制构件的优良品质。   承台、墩身、墩帽预制完成后,利用预制场内的纵横移滑道体系将其移运至存放台座上存放,继续养护。
  5.2 承台(墩身、墩帽)的运输
  承台、墩身、墩帽等预制构件的运输包括预制场内的运输及海上运输。预制场内的运输采用大型纵、横移台车在专用的轨道上平移,直至下海码头;海上运输采用“小天鹅”号起重船。承台节段吊装前,在存放台座上时既安装好挂桩扁担,作为承台节段起吊过程中主要承重构件,挂桩扁担安装于承台预留孔位置。承台挂桩扁担安装完成后,利用梁场纵、横移台车移运至出海码头,利用小天鹅号取件出海。承台节段海上吊运期间,利用承台限位装置对承台进行限位,确保承台在吊运过程中的稳定。承台(墩身、墩帽)预制、存放及运输布置见图3。
  6 承台(墩身、墩帽)的安装
  承台、墩身、墩帽的安装面临如下困难:预制构件重量大(最大达2530t);预制件安装的精度要求高,平面位置偏差不得大于10mm;预制构件的外形尺寸大,对起重船、吊具的要求高;海上风、浪、涌均等荷载均远远超出内河,对起重船的稳定及新浇混凝土的质量均构成威胁。
  6.1 承台的安装
  预制承台与钢管复合桩通过在承台预留孔中浇筑混凝土来连接成整体。该新浇混凝土位于海床面以下,预制承台受到海浪的冲击,会产生轻微的振动,进而影响新浇混凝土的质量[3]。为解决这一问题,研发了新型无内支撑装配式围堰,为承台安装提供无水环境。
  该围堰采用双壁结构[4],厚0.75m,平面上分为6块,竖向不分块,围堰结构见图4a。相邻壁板采用榫头式锁口连接,顶部3m范围内设有螺栓连接,围堰接缝结构见图4b。围堰在工厂分块制作并匹配安装,施工时可根据实际地质条件,选择逐块插打或吸泥下沉。港珠澳项目海域河床较为平坦,且孤石分布,鉴于此,研究采用了在墩位预先开挖河床,再整体下放钢围堰的施工方案。
  预先在墩位开挖河床至设计高程,待钢管复合桩施工完成后,在钢管桩顶安装围堰下放导向架,利用“小天鹅”号浮吊将拼装成型的围堰吊运至待安装墩位,精确定位后整体下放钢围堰。围堰下放到位后,填筑围堰锁口缝隙,围堰内吸泥清基;为防止堰内流塑状淤泥影响封底混凝土质量,堰内清基时超挖1.5m,再回填砂粒层,然后再浇筑封底混凝土的方案。封底混凝土达到强度后,围堰内抽水,处理钢管复合桩桩头,在复合桩桩顶安装承台三向调整装置,用以对承台的平面位置及高程进行调整[5]。围堰施工见图5。
  “小天鹅”吊运承台节段至待架墩位附近后,绞锚进入墩位,使承台平面位置偏差不超过20cm,“小天鹅”抛锚定位。通过多功能吊装扁担,调整承台结构平面位置,调整到位后,下放承台,将承台挂桩扁担支撑于复合桩顶的三向调整装置上,利用三向调整装置继续精调承台的平面位置及竖向高程,确保承台满足以下精度要求:平面位置偏差不大于10mm,高程偏差不大于10mm,垂直度不大于1/3000;承台调整到位后,进行承台预留孔内混凝土的浇筑。该部分混凝土分两次浇筑,第一次浇筑三向调整装置以下部分混凝土,该混凝土达到设计强度后,拆除承台三向调整装置及挂桩扁担,将承台自重转移到第一层预留孔混凝土上,完成受力体系转换;调整装置拆除后,绑扎承台预留孔钢筋,进行预留孔第二层混凝土浇筑。承台预留孔混凝土全部浇筑完成并达到设计强度后,利用小天鹅整体移除围堰。承台吊装施工见图6。
  6.2 墩身的安装
  墩身的吊装利用“小天鹅”号完成。在承台底节墩身顶面设置有1.3m高,150mm厚混凝土裙板,作为接缝混凝土施工外模,同时在底节墩身顶面设置四组钢混立柱及三向调整千斤顶,作为墩身下放后临时支撑及微调装置。为确保墩身节段下放过程中不与底节墩身碰撞发生破坏,裙板顶部安装有2cm厚橡胶条。墩身节段下放后,利用三向调整千斤顶,调整墩身节段平面位置及高程,调整到位后,抄紧钢混立柱与墩身节段底间隙,拆除三向千斤顶,绑扎接缝位置钢筋,浇筑接缝位置混凝土,完成墩身节段安装。
  6.3 墩帽的安装
  墩帽节段吊装工艺与墩身节段吊装工艺基本相同,受墩位空间及墩帽节段横向尺寸限制,“小天鹅”在吊装墩帽节段时,船体须与桥位轴线成30度左右夹角进入墩位,然后利用多功能吊装扁担转动调整墩帽与底部墩身平面夹角。墩帽安装施工见图7。
  为确保承台、墩身、墩帽节段顺利吊装,满足精度要求,专门新研制了一套多功能吊装扁担,该扁担分为上层平移梁,中层旋转梁以及下层承重梁三个部分。上层平移梁在液压设备作用下,可在中层梁上平面内±200mm范围内平移,以对吊装节段平面位置进行调整;中层旋转梁可在下层梁顶平面内±30°范围内旋转,以满足墩帽吊装的需求。
  7 结论
  港珠澳大橋非通航孔桥基础工程施工,其关键技术及创新点如下:
  (1)海洋环境下钢管桩“三次渐进式”精确定位技术。该技术通过起重船、整体式导向架、导向架双层导向环等多手段调节,克服了海上风浪大、水流急的影响,达到了海上钢管桩插打的高精度要求,实现了海上平均1.5d完成6根钢管桩的高效率施工。
  (2)墩台整体预制技术。该技术实现了钢筋自动化下料及整体绑扎,采用大刚度无拉杆式自动化模板系统,大大节约了模板拆装的时间,实现了墩台大体积混凝土的一次性浇筑,减少了施工缝,保障了承台与墩身连接处的整体性。该技术开创了我国最大体积承台与墩身底节整体一次性浇筑成型的先例。
  (3)无内支撑锁口双壁钢套箱围堰施工技术。该围堰结构采用了无内支撑设计,降低了墩台安装的施工风险,避免了潮汐作用对预留孔施工的影响,确保了钢管复合桩与承台之间的有效连接,提高了主体结构的施工质量,降低了河床开挖量。围堰特有的锁口连接形式可实现围堰的整体安装、拆除,提高了施工效率。
  (4)多功能吊装扁担。该扁担实现平动了加转动的三项调整功能,确保承台、墩身顺利吊装下放,该吊装体系可广泛适用于各预制节段及围堰吊装工作。
  (5)预制构件安装位置精确调整技术。通过设置专用三项调节装置,可精确调整预制构件的平面位置、高程及倾斜度,确保了承台、墩身、墩帽的安装精度,提高了主体结构施工质量。
  (6)墩身节段湿接缝施工技术。底部墩身节段预制时,在其顶端外围预浇1.3m高裙板结构,作为节段拼接时接缝位置混凝土浇筑外模,接缝施工作业直接在墩身裙板内完成,避免了施工人员在墩身外进行作业,降低了墩身接缝施工风险,提高了接缝施工定质量和效率。
  参考文献
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