形成原因
在橋樑工程中,尤其是在一些跨越大江、大河、湖泊以及海洋的大型橋樑工程中,深水基礎施工是企業經常面對的一項較難的施工任務。在中國現代橋樑結構的設計施工中,深水基礎較多的採用
基樁(鑽孔灌注樁)與
承台共同組成的結構形式樁基礎,對此根據不同的地質、水文條件,施工中常採用鑽進成孔後灌注孔內混凝土的方法形成基樁,常採用鋼套箱、鋼圍堰和鋼吊箱等圍水結構物圍水,在其內抽水後施工承台,完成樁基礎的施工。
針對深水樁基礎的承台施工採用鋼套箱的施工方法,傳統的施工工藝流程是在基樁全部施工完成後進行鋼套箱的整體拼接下沉,到位後抽出鋼套箱內的水再施工承台的流水作業方式。在湖北省鄂黃長江公路大橋主5號墩深水基礎的施工中,四川公路橋樑建設集團有限公司對傳統的樁基礎施工工藝及流程進行了改進和創新,首次採用鑽孔灌注樁和鋼套箱拼接下沉平行作業施工工藝,有效地減短了施工承台的工期,在較短的時間(一個枯水期)內完成了該橋深水基礎施工,並取得了良好的社會效益和經濟效益,其施工工藝經總結形成《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》。
工法特點
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》的工法特點是:
1.工期短
平行施工作業的套用改變了傳統的施工橋樑水下樁基礎的
流水作業法,最大限度地在不同工序之間採用平行流水作業法,大大地縮短了基礎工程施工的工期,確保在一個枯水期內或短期內完成橋樑深水基礎施工。
2.成本低
利用樁基礎施工中在鑽孔時就已在使用的常規設備同時用於實施對鋼套箱的安裝,從而大大地節約了用傳統方法施工所必須使用的大噸位浮吊船及相應輔助設備的費用。
3.質量好
鋼套箱的現場拼接下沉,利用基樁鑽孔平台定位、導向,具有較好的施工可控性,很好地保證了其下沉的鉛直度,鋼套箱到位質量好。
操作原理
適用範圍
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》適用於大型橋樑工程中具有覆蓋層(覆蓋層厚度大於5米以上)的深水群樁基礎的施工。尤其是施工受洪水影響大、工期控制要求嚴、缺乏大型水上起吊設備的深水基礎工程項目。
工藝原理
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》的工藝原理敘述如下:
傳統鋼套箱施工深水樁基礎常採用的是流水作業法,即先搭設基樁施工的平台,在平台上進行基樁的鑽孔和成樁施工,待基樁全部施工完成後進行鋼套箱的現場分段拼接下沉施工,方法是將鋼套箱沿高度方向上分成若干節段,在工廠整段製做成型,運輸至現場由大噸位浮吊(250噸及以上)整段起吊就位接高下沉。而該工法採用了平行施工作業法,即先完成群樁周邊基樁的成樁施工,然後利用施工平台和周邊已完成的基樁及其鑽孔鋼護筒定位、導向,實施鋼套箱的分片組拼及接高下沉施工,方法是將鋼套箱劃分成若干片,工廠加工成型,運輸至現場利用基樁施工平台和基樁鑽孔施工現場已在使用的60噸及35噸的浮吊等水上起吊設備拼接下沉施工。在實施鋼套箱拼接下沉的同時,進行群樁內剩餘部分基樁的鑽孔和成樁作業,當基樁鑽孔成樁全部完成時,鋼套箱也下沉到位。
施工工藝
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》的工藝流程見圖1。
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》的操作要點如下:
一、施工準備
施工前的準備工作包括作業指導檔案準備和現場的施工作業準備兩部分內容,前者包括根據施工方案制訂詳細的施工實施細則及進行技術交底等內容;後者包括水上施工船隻、浮吊船、鑽機等主要施工機具設備組織進場,測量控制網的布設等。
二、基樁施工平台的搭建
根據群樁布置方式,搭建覆蓋整個基礎的水上施工平台。平台採用鋼樁桁架結構形式,即用打樁船在覆蓋層中打入鋼管樁(樁徑及數量根據施工荷載確定)作為支承體系;插打鋼管支承樁時應嚴格控制其平面位置和垂直度。在樁頂採用萬能桿件、軍用梁或貝雷架等制式器材拼裝成桁架平台。
三、鑽孔灌注樁成樁施工
包括鋼護筒埋設、鑽進成孔、基樁鋼筋籠製做安裝以及樁身混凝土澆築等相關內容。基樁施工分批進行,首先完成周邊各樁,而後進行群樁內剩餘各樁的施工。
1.鋼護筒埋設。根據基樁直徑和實際地質條件以及插打深度設計鋼護筒。鋼護筒一般採用Q235鋼板卷制,其直徑(內徑)D=Φ+(30~40厘米)(Φ為基樁直徑)。鋼護筒的現場埋設包括對接、定位、插打等主要工序。選用ZD-150型或ZD-250型震動打樁錘震動插打鋼護筒至根據地質情況計算確定的設計深度位置。鋼護筒埋設應嚴格控制其平面位置和垂直度,此兩項指標直接關係到成孔質量的好壞和鑽孔施工能否正常進行。
2.鑽進成孔施工。對於大直徑(Φ300厘米及以上)鑽孔施工,宜選用ZSD-3000或KP-3500等機械性能好、自動化程度高的鑽機,同時採用優質膨潤土並參入適量的外加劑(如Na2CO3等)配製鑽孔護壁泥漿,嚴格控制泥漿的相對密度、黏度(s)、靜切力(帕斯卡)、含砂率(%)、膠體率(%)、失水率(毫升/30分鐘)、酸鹼度(pH)等技術指標;在覆蓋層中裸眼(無鋼護筒)鑽進時,護壁泥漿質量的好壞直接關係到成孔質量及孔壁的安全性。鑽進施工採用氣舉反循環工藝,鑽進覆蓋層宜選用刮刀鑽頭;在基岩中鑽進選用滾刀鑽頭或球齒鑽頭,同時在滿足鑽機提升能力的前提下適當地對鑽頭配重,以起到重鑽頭導向的作用,避免斜孔現象出現,確保成孔質量。
3.基樁鋼筋籠製做及安裝。根據設計圖紙將鋼筋籠分節段製做,主筋的接長採用機械接頭(如鐓粗直螺紋連線或擠壓套筒連線),現場施工快捷且質量能夠得到保證。製做場一般選擇在離墩位較近的平整場地上或在一艘400噸級以上的平板駁船上布置胎座進行製做。根據設計圖紙的要求在鋼筋籠上安置超音波檢測管,檢測管宜選用無縫鋼管,確保在鋼筋籠安裝和混凝土澆築時不漏漿堵管。製做完成的鋼筋籠節段,編號掛牌運輸至安裝現場,由浮吊船起吊入孔、對接下放安裝,其間須在鋼筋籠外側安裝混凝土保護層墊塊,適時向檢測鋼管中注入清水。
4.樁身混凝土澆築。採用拔球法澆築水下樁身混凝土工藝。其施工現場作業分“前場”和“後場”兩個工作面。“前場”作業包括二次清孔、安裝和拆出混凝土導管、送混凝土入孔、適時監測孔內混凝土面的上升情況等內容。其中二次清孔利用水下混凝土澆築導管採用懸掛式風包氣舉清孔工藝;澆築時在孔口位置布置一個集料斗,其容量應滿足首批混凝土入孔後規範要求的導管最小埋置深度,即:W=h×πd/4+Q,式中W為骨料斗最小容量;h為規範要求的導管最小埋置深度,一般為1.0米;d為樁孔孔徑;Q為導管記憶體混凝土量。“後場”主要是混凝土的生產和供給,採用水上拌合站生產混凝土,由輸送泵直接泵送混凝土至孔口集料斗內。
四、鋼套箱工廠分片製做及運輸
選擇專業的鋼結構加工廠商製做鋼套箱。根據設計圖紙,制定相應的加工工藝和質量保證措施。鋼套箱分片加工製做完成經檢驗合格後,通過水上運輸至墩位現場待組拼。
五、鋼套箱現場拼接下沉施工
此項施工內容是該工法的關鍵所在,其先進性和經濟性亦體現於此。
1.施工平台改造及定位、導向系統的建立。因周邊基樁已經完成,拆除施平台周邊對鋼套箱下沉有干擾的部分並在剩餘平台的邊緣採用型鋼布置鋼套箱組拼懸吊梁;將周邊相鄰的鋼護筒用型鋼連線成整體,並在其上設定定位、導向裝置。
2.鋼套箱分片組拼。鋼套箱組拼分為首節段(刃腳段)組拼和後續段組拼兩個過程。
首節段組拼時將運輸至現場的該節段的分片鋼套箱(重量一般控制在40噸以內)按照編號用60噸浮吊起吊依次就位,每片鋼套箱採用平面已精確定位的4個10噸的手動葫蘆懸吊於平台上的懸吊樑上,通過手動葫蘆調節相鄰鋼套箱塊的豎向高度,使其拼接縫良好地吻合,然後實施現場拼縫、焊接。完成焊接後採用超音波探傷儀檢測焊縫質量,達到要求後實施下沉。下沉是通過全部手動葫蘆統一、協調的收放操作進行的。當首段鋼套箱下沉到一定位置時,在水中處於自浮狀態。
後續段組拼是在完成首節段鋼套箱下沉後,拆去其上的全部手動葫蘆,改吊在該段鋼套箱的內壁板上部設定的吊點上,通過向該鋼套箱隔倉內注水及調整吊點使鋼套箱頂面高度距水面1.0~1.5米,並使其處於同一水平面上,然後起吊後續段的各分片置於相應鋼套箱位置的頂面並臨時固定在平台上的懸吊樑上(圖2),待此節段的各分片全部安裝到位後調整相對位置實施拼縫、焊接完成(圖3),再通過注水或澆築填壁混凝土的方式配重整體下沉鋼套箱。如此往復進行直至全部節段的鋼套箱組拼焊接完成。
3.鋼套箱著床入土及吸泥下沉。當鋼套箱刃腳著床時,檢測其平面位置和垂直度,通過下拉纜的收放、在相應隔倉內注水配重等方式調整其平面位置和垂直度,達到設計要求後著床。鋼套箱著床後,在鋼套箱內布置空氣吸泥機等吸泥設施,吸出鋼套箱內的覆蓋土層以減小下沉阻力,鋼套箱在自重、填壁混凝土重力以及隔倉內注水重力的作用下施沉到設計標高處。
六、鋼套箱內封底混凝土澆築施工
當鋼套箱下沉到位後,與此同時作業的基樁施工已全部完成,採用砂卵石或碎石回填整平鋼套箱內的河床面,使其頂面達到封底混凝土設計底面標高。在平台上布置一個中心骨料斗,根據鋼套箱內圍面積以及基樁的布置情況在鋼套箱內均勻布置數根水下混凝土澆築導管,實施封底混凝土的澆築。
七、承台施工
封底混凝土澆築完成達到設計要求的強度後,採用數台抽水機抽乾鋼套箱內的水,並清除浮漿等雜物,割除樁頂以上的鋼護筒和相應位置的平台支承鋼管樁,鑿除頂的多餘混凝土,在鋼套箱內實施承台鋼筋的綁紮、埋設預埋筋並澆築承台混凝土,完成承台施工。
材料設備
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》所用的主要材料和設備詳見表1和表2。
質量控制
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》的質量控制要求如下:
一、建立工程質量保證體系
1.思想保證:通過全質教育宣傳、總結、反饋、分析原因,制定措施,樹立全員全過程質量意識,明確質量是企業生命的觀點。
2.組織保證:經理部、工程處、生產班組分級管理,層層建立質量責任制,並由一名副總工程師專門負責質檢工作。
3.技術保證:進行施工組織設計時,精心擬定好各主要工程項目的施工工藝和技術標準。層層進行技術交底,組織業務學習,進行上崗前的技術培訓,建立健全測試手段,建立工地試驗室,嚴格計量,做好標準化工作。
4.創優保證:制定優質工程計畫、措施、項目落實到人,進行工序控制,開展QC活動,執行三檢制(自檢、互檢、專檢)。
5.工程施工全過程嚴格執行交通部《公路工程施工監理辦法》,主動接受監理工程師的監督與管理,任何與實施施工承包契約有關的施工活動,經監理工程師批准後再進行。
6.經濟責任保證:在執行分項工程經濟承包中,優質優價,獎罰分明。各分項工程均制定工程質量獎懲辦法,班組承包,質量擁有否決權。
二、建立質量檢查程式
為確保該工程達到全優工程,認真貫徹“質量第一”的方針,堅持預防為主,執行“管生產必須管質量,誰施工誰負責質量,誰操作誰保證質量的原則”,實行“三級檢驗”制度(自檢、互檢、專檢)。
1.分項工程質量檢驗評定:分項工程質量檢驗評定在班組或工序自檢、互檢合格的基礎上,由該分項技術負責人組織有關人員進行,並填寫分項工程質量檢驗評定表,專職質量員核定,驗收後,由質檢部門填寫“報監理通知單”,請監理工程師驗收。
2.分部工程質量評定:分部工程質量評定在分項質量評定的基礎上,由工程項目技術負責人(項目總工程師)組織有關人員進行,並填寫分部工程質量評定表,專職質量員核定。其中基礎、主體部分工程質量由上級質量管理部門組織評定。
3.單位工程質量評定:單位工程質量評定,在分部工程質量評定的基礎上,由公司總工程師組織有關部門進行。並將有關的質量檢驗評定資料送監理工程師,審查認可後交政府質量監督站。
三、鑽孔成樁於鋼套箱施工平行作業質量保證措施
1.工程過程的每道工序,事先擬定好質量檢查標準和控制辦法,認真實施。
2.工程的關鍵部位以及施工質量不穩定的工序設定質量點,強化管理。加強質量意識教育,層層建立質量責任制,精心擬定施工組織設計中各工程項目施工技術標準;組織QC攻關小組,對技術難關實行攻關。
3.基樁施工質量應滿足《公路橋涵施工技術規範》JTJ 041-2000和2005年前已執行的《公路工程質量檢驗評定標準》及設計檔案的相關要求。
基樁的平面位置偏差:△S≤50毫米;成孔深度:L≥設計值;成孔直徑:Φ≥設計值;傾斜度:f≤1%樁長,且不大於300毫米;孔底沉澱厚度:△L<20毫米;鋼筋骨架底面高程容許偏差:△H<±50毫米。
4.鋼套箱施工質量控制包括結構件的加工質量和現場下沉質量控制兩部分,其中鋼套箱鋼結構加工製做嚴格執行《鋼結構工程施工及驗收規範》GB 50205及《建築鋼結構焊接規程》JGJ 81。鋼套箱現場下沉施工質量嚴格執行《公路橋涵施工技術規範》JTJ 041-2000和設計檔案的相關規定。鋼套箱質量檢驗報告單見表3及表4。
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結論: 監理工程師:日期: 高級駐地監理工程師:日期: |
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結論: 監理工程師: 日期: 高級駐地監理工程師: 日期: |
安全措施
採用《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》施工時,除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外,尚應遵守注意下列事項:
一、組織措施
1.建立健全水上施工安全保障體系。
2.工程施工的項目部成立水上施工作業安全領導小組,全面負責水上基礎施工的安全管理、組織工作。
3.在項目經理部安全領導小組的指導下按照施工部位成立安全檢查和安全施工監督小組。
4.由項目經理部安全領導小組組織施工作業人員培訓、學習國家2005年前已執行的相關安全法規和操作規程,工作中認真執行。
二、鑽孔成樁於鋼套箱施工平行作業安全保證措施
1.針對各施工作業班組進行崗前安全教育培訓,施工前進行相關施工操作規程的講解和安全技術交底,同時操作人員務必持證上崗。
2.在工程施工水域內設定安全航標,同時配置一艘水上安全巡邏艇,對施工水域及上、下游過往船隻進行巡視,引導其順利通過施工水域。配備一艘400HP的專用拖輪,用於應急拖移施工水域內失去動力的船隻和水上大體積漂流物,防止其撞擊施工平台和施工船隻。
3.施工平台上布置安全警示標語,安裝安全警示燈,保證夜間船隻航行安全;水上施工作業人員務必穿救生衣,戴安全帽;水上交通船嚴禁超載超員。
4.起吊重物施工務必在專業人員的統一指揮下進行,嚴禁超負荷或違規起吊,鋼套箱分片吊裝時不得在夜間進行。
5.鋼套箱現場組拼和下沉與基樁施工平行作業階段,嚴格劃分作業區域,相關指揮、作業人員不得隨意進入與之無關的施工作業區。
環保措施
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》的環保措施如下:
一、水上生產區
1.在施工作業船上設定“環保廁所”(乾廁),糞便定期收集運至岸上生活區化糞池,統一處理。在水上施工平台設定若干個垃圾桶,集中貯放生活垃圾,定期由駁船運至岸上垃圾場深埋。
2.禁止使用一次性塑膠餐具,防止白色污染。交通船舶、施工機械產生的廢油料及潤滑油等,必須集中收集運至岸上業主指定的棄土場深埋。
3.生產用油料必須嚴格保管,防止泄漏,污染江水。
4.所有50噸以上的施工作業和運輸船舶,設定油水分離器,船舶艙底水含油量≤15毫克/升時,方可排放。
5.水上施工人員的生活污水,用固定容器收集,定期由駁船運至岸上,採用“地埋式生活污水處理設備”處理。
二、生產及生活區
1.施工機械運轉中產生的油污水,採取隔油池等措施處理,不得超標排放。生產生活區,亦須設定一定數量垃圾桶,貯放生活垃圾,由垃圾車運至業主指定的垃圾場深埋。
2.清洗骨料及其他生產污水,進行過濾沉澱後排放。施工過程中的廢棄物、邊角料、包裝袋等及時收集、清理,運至垃圾場掩埋。
3.鑽孔灌注樁施工中需要排放的鑽渣和泥漿配備兩艘專用泥漿運輸船,將排渣和泥漿運輸到指定的地點集中處理。
效益分析
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》的效益分析如下:
一、技術效益
橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行作業施工法打破了傳統的鋼套箱施工深水基礎方案的流水作業方式,成功地實現了鑽孔灌注樁與鋼套箱同時施工作業,避免了在鋼套箱施工中使用大噸位浮吊設備,創出了一個枯水期完成大型深水基礎施的先例,為大型橋樑水下群樁基礎施工創造了一種縮短工期的有效方法,為推動橋樑施工技術進步起到了積極的作用。採用該工藝與傳統得流水作業工藝在工期上的對比見圖4。
二、經濟效益
該施工作業方法改變了傳統的施工橋樑水下樁基礎的流水作業法,創造性地在橋樑水下樁基礎施工不同工序之間採用平行流水作業法,從而縮短了樁基礎工程施工的工期,降低了成本;利用橋樑水下樁基礎施工在鑽孔時就已在使用的常規設備同時用於實施對鋼套箱的安裝(並不影響鑽孔進度),節約了用傳統方法施工所必須用的250噸以上的大型浮吊船及相應輔助設備等的費用。
套用實例
《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》的套用實例如下:
一、湖北省鄂黃長江公路大橋
(一)工程實例概況
湖北省鄂黃長江公路大橋主橋為460米的PC斜拉橋,該橋主5號墩基礎施工時水深達23米,覆蓋層平均厚度達26米,鑽孔岩石強度高達125兆帕,岩面傾斜最大達45°,且一進入岩面即為弱風化層,施工難度大。基礎設計為深水樁基礎,總計19根Φ300厘米基樁,呈梅花型布置,承台直徑為30.0米,厚度為7.0米。四川公路橋樑建設集團有限公司中標承建湖北省鄂黃長江公路大橋B標,其中的主5號墩基礎施工按該工法實施。
(二)實施效果
1.湖北省鄂黃長江公路大橋5號主墩基礎施工質量好。該基礎基樁孔傾斜度均小1/100,樁徑符合設計要求,基樁混凝土質量經超音波及鑽芯檢測均為優良,基樁及承台平面位置準確,承台混凝土經溫控養護無裂紋,強度大於設計要求,其基礎質量檢驗評定分達98.84分,各項技術指標均滿足或高於2005年前已執行的《公路工程質量檢驗評定標準》及該橋專用技術標準的要求。
2.節約大型浮吊船及其他船機設備。傳統方案需拼裝雙體船做平台,用另外的浮吊配合在平台上拼成整節鋼套箱,再另外進場起吊250噸以上的浮吊將鋼套箱吊裝就位。實施該工法僅利用鑽孔時的已有設備(60噸及35噸浮吊)就完成了對鋼套箱的拼接下沉作業,並且不影響鑽孔進度。
3.縮短施工工期原計畫該橋基礎施工採用傳統方法,1999年11月1日開始鑽孔,2000年5月31日完成該樁基礎承台的施工,但1999年洪水退去較晚,至同年11月20日才開始鑽孔,即推遲鑽孔19天。實施該工法後,儘管在實際鑽孔時的岩石較預計的更堅硬、岩面傾斜最大達45鑽孔難度更大的情況下,仍於2000年5月6日亦即提前25天完成該基礎工程的施工,以推遲19天鑽孔並提前25天完成該基礎施工任務來計算,縮短施工工期19天+25天=44天。
湖北省鄂黃長江公路大橋B標主5號墩基礎施工按該工法實施後,達到了有效保證工程質量縮短工期節省設備資源的目的,共節約資金725萬元。
註:施工費用以2005-2006年施工材料價格計算
二、其他工程實例
套用該工法施工完成的其他工程有:
(一)南京長江三橋北主塔墩深水樁基礎工程。
(二)湖北荊岳長江公路大橋北主塔墩深水樁基礎工程。
榮譽表彰
2008年1月31日,中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》,《橋樑深水樁基礎基樁與鋼套箱平行施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。