深水基础施工技术,铁道建筑研究设计院,一、前言 二、国内深水桥梁发展概况 三、桥梁深水基础施工的关键技术 （一）水上施工运输方式 1、施工栈桥运输方式 2、船运方式 3、综合运输方式 4、水上施工运输方式总结 （二）钻孔平台 1、固定工作平台 2、浮动工作平台 3、钻孔平台总结 （三）钻孔桩施工 1、钻机选型 2、护筒 3、泥浆的配制 4、成孔工艺 5、灌注工艺,6、钻孔灌注桩施工工艺流程 7、深水钻孔桩施工控制措施 8、钻孔桩的质量检验 9、钻孔桩基础施工小结 （四）围堰施工 1、低桩承台的围堰施工 2、高桩承台的围堰施工 3、围堰施工总结 （五）封底及承台的大体积混凝土施工 1、水下大体积封底混凝土的施工 2、承台大体积混凝土的施工 四、深水基础施工所需要的主要机具设备 五、深水基础施工存在的问题 （一）我系统深水基础施工状况 （二）存在的问题,一、前言 在我国，随着经济的发展，大型深水桥梁建设逐渐增多，深水基础的施工技术水平亦有了突飞猛进的发展。深水基础的施工一直是深水桥梁施工中的重点和难点，是深水桥梁施工中制约工期的主要因素。发达国家，由于施工设备先进，深水基础的施工技术得到不断发展。随着我国基础建设投资的增加，跨越长江、海峡的铁路、公路桥梁会越来越多，进行深水基础施工技术的研究是非常必要的。,二、国内深水桥梁发展概况 我国深水桥梁大多数分布在长江中、下游及其支流，以及沿海海峡等流域。国内的深水桥梁的基础设计形式多数为桩基础，沉井基础已很少采用。根据桩基础形式按施工方法可分为钻孔桩基础和打入桩两种，桩基础按承台的位置又分为低桩承台桩基础和高桩承台桩基础。 进入90年代，由于长江经济带和沿海经济的发展，我国跨长江、海峡的大型桥梁建设逐渐增多，特别是由于长江中、下游的水文、地质特点，其桥梁的建设基本代表了我国的桥梁建设的最新水平和发展趋势，下表为近十几年来长江中、下游及跨海部分大桥建设及深水基础施工情况和发展趋势。,长江中、下游部分桥梁建设及深水基础施工概况,部分跨海桥梁建设及深水基础施工概况,从以上表中可以看出，深水桥梁的发展趋势是：由于通航要求、梁部技术以及桩工机械的进步，使得为减少深水基础施工的工程量和满足通航要求而设计的大跨度深水桥梁得以不断发展。 自90年代以来，随着桩工机械的不断研制，钻孔桩已朝着大直径、多样化、变截面、空心桩方向发展，目前，钻孔灌注桩的最大直径已达500cm。伴随着桩基的应用，为通航需要和抗冲刷而设计的低桩承台正在普遍应用。,三、桥梁深水基础施工的关键技术 随着我国大型桥梁建设的跨径增长，深水基础的施工技术已成为大型桥梁建设的关键技术。深水基础施工包括桩基础和承台的施工，分析深水基础的施工，其关键技术包括水上施工运输方式、水上施工平台的结构形式、水上钻孔桩的施工、围堰的施工以及封底及承台大体积混凝土的施工等方面。 （一）水上施工运输方式 水上施工的关键就是如何进行设备、材料的运输以及混凝土的施工，目前水上施工运输的方式主要有三种：施工栈桥运输方式、船运方式、综合运输方式。 1、施工栈桥运输方式 一般情况下，深水基础施工的环境多为大江大河，其风大浪大，自然条件对施工影响较大，施工多采用栈桥方式。搭设临时栈桥作为深水基础施工的便桥，利用栈桥进行钻孔灌注桩的施工的材料及机械设备的运输通道。另外，水中墩越多，跨度越小，水深越浅，落潮时大船难以进入的深水基础施工，采用栈桥作为陆上运输方式越合理。 栈桥的形式有如下几种：浮式栈桥和固定式栈桥，浮式栈桥和固定式栈桥均可分为单线或双线栈桥两种。,（1）浮式栈桥方式 在水位较深、流速较小、不受台风影响的深水基础施工中，可采用浮式栈桥作为交通运输便道。浮式栈桥施工避免了风险性较大船只运输，施工进度快，减少了临时工程的时间。但由于使用水上设备较多，一般较少采用。 浮式栈桥一般采用铁路六四式标准舟节组拼作为浮体，在浮体上架设铁路六四式军用梁作为桥跨结构承受上部运输荷载，利用锚碇锚固定位。 （2）固定式栈桥方式 在水深流急、河床覆盖层较厚、受台风及潮汐影响的深水基础施工时，可搭设固定式栈桥作为交通运输便道。搭设临时施工栈桥所用的时间虽然较长，但可为后续工程的施工提供一劳永逸的交通运输便道，较安全经济。 固定式栈桥一般采用钢管桩打入覆盖层一定深度作为临时支墩，在临时支墩上安装横梁和上部桥跨结构，上部桥跨一般采用六四式铁路军用梁等制式器材。（固定栈桥结构图示见附图一） 无论浮式栈桥还是固定式栈桥，均要根据工程量的大小和工期的长短以及运输时的大小选择采用单线或双线栈桥。具体采用何种方式的栈桥还要根据具体的自然条件、河床地质条件和工程情况确定。,（3）栈桥施工方法 浮式栈桥施工与铁路浮桥的施工相似，需专业的水上施工队伍进行。 固定式栈桥施工时，先利用打桩船将钢管桩按设计的桩位打入河床覆盖层足够承载的深度，根据桥跨的不同可以采用浮吊架设和悬臂法架设桥跨结构。根据河床地质情况布置钢管桩的长度、根数和桥跨的跨径。根据施工能力确定栈桥的桥跨结构和施工方法。 2、船运方式 在深水基础施工中，船运方案主要采用大型水上设备，如浮吊、混凝土拌和船、运输船、方驳等，使水上施工更加机动灵活，此方式需要的水上设备昂贵，需要一套技术完整和设备齐全的专业化施工队伍。 3、综合运输方式 深水基础工程中，在通常情况下，不仅有深水区基础还有浅水区基础，在施工中，单独采用一种水上施工运输方式难以满足施工要求。一般情况下，在浅水区采用施工栈桥运输方式，在深水区采用船运方案，采用两种运输方式的相互配合是深水基础桥梁建设的最佳方案。但要根据设备的配备情况酌情处理。,4、水上施工运输方式总结 从我国长江流域及跨海桥梁建设情况看，一座大桥的深水桥梁建设，都会涉及到深水区与浅水区桥梁施工运输方式组织问题，一般情况下采用综合运输方案。在浅水区由于水深较浅，大型水上设备容易搁浅，难以进入，通常在浅水区采用施工栈桥运输方案进行浅水区基础施工。利用栈桥延伸至深水区，作为船运码头，在深水区采用大型水上设备进行基础施工。 （二）钻孔平台 在深水基础钻孔施工时，必须在桩位设置为钻机设置工作平台。深水基础钻孔桩施工工作平台的形式可分为固定工作平台和浮动工作平台两种。 1、固定工作平台 固定工作平台即工作平台支撑于河床的覆盖层或基岩之上，平台的稳定性及刚度较大，抗潮水和台风的能力较强。在受潮水及台风影响的深水基础施工中，河床的覆盖层较厚的情况下，一般采用固定平台。 固定工作平台多种多样，从支撑形式可分为支架工作平台和围堰工作平台两种。支架工作平台形式多种，大多是在打入的临时桩上部架设梁体作为工作平台，包括木桩工作平台、钢筋混凝土桩工作平台或型钢、钢管桩等工作平台。围堰工作平台包括钢套箱围堰工作平台、钢板桩围堰工作平台、浮运薄壳沉井工作平台。,（1）支架工作平台 常见的支架工作平台是利用已下的钢护筒加少量临时钢管桩作为支撑的钻孔平台。 在受潮水及台风影响的深水基础施工中，河床的覆盖层较厚的情况下，在水中墩、台位置处，用锤击或振动法沉入若干根露出水面的木桩、钢筋混凝土桩或型钢、钢管桩等作为支架桩。将各桩连接起来，并在桩顶设置纵、横梁，铺上木板或薄钢板，在水面上造成一个工作平台。工作平台的高度应高出施工最高水位50cm以上。工作平台的平面尺寸根据桥墩的桩孔数量和排列进行规划按施工需要确定。支架桩的入土深度应根据土层的支承能力和对钻孔操作时的稳定要求决定，一般不小于3m。 按组成平台的构造可分为型钢平台、桁架平台和型钢与桁架组合平台。常用的桁架有万能杆件、贝雷梁或六四式军用梁，根据钻机设备大小和已有设备情况选用。桁架与型钢组合形式以桁架做纵梁，型钢做横梁，应用较广。 按流水方向、钻机布置可分为：横置形式，其钻机布置方向与水流方向垂直；直置形式，其钻机布置方向与水流方向平行。钻机直置形式防船碰撞的能力和平台稳定性较好，一般采用平台上钻机直置形式为宜。 钢管桩直径一般为60120cm，常用610mm厚的钢板卷制，管的最大长度可达30m，钢管桩一般打入河床深度815m。如承载力不够，一般用增加根数来满足。（钢管桩支架工作平台结构图示见附图二） 工艺流程： 测量定位插打支架桩安装支架桩的联接系安装钢护筒导向架安装支架上钻机工作平台插打钢护筒安装钻机及配套设施钻孔。,（2）利用围堰设置工作平台 钢套箱围堰工作平台 在深水基础施工中，因流速较大（3m/s以上），如不先设围堰，则下沉钢护筒十分困难。因此，在墩位处设置围堰，使围堰内的水成为静水。围堰的种类很多，其中钢套箱围堰坚固，整体性好，刚度较大，抗冲刷、抗撞击的能力很强，对于抗台风和潮水有利。一般在河床覆盖层较厚、低桩承台的深水基础施工中，利用钢套箱围堰作为承台施工的防水设施的同时，利用钢套箱围堰和钢护筒作为支承，上面安装钻机钻孔的工作平台进行钻孔桩的施工。 钢套箱围堰的构造形式一般根据承台的形式确定，可分为矩形、圆形及圆端形等。钢围堰构造形式的确定受多种因素的制约，如水文、地质、起重设备等。平面形状的确定主要受承台平面尺寸的影响以及水深的影响。当承台的平面尺寸长宽比小于1.5时，采用圆形围堰更为合理，但水深大于15m的情况下，若采用矩形围堰，需加设多层内支撑，施工空间难以保证，同时也大大增加了钢材的用量，此时采用圆形围堰更为合理。钢套箱围堰的结构形式按大龙骨的形式可分为桁架式和型钢组焊形式。围堰上的平台形式与支架平台的形式相同。（钢套箱围堰工作平台结构图示见附图三）,工艺流程： 测量定位钻孔桩下沉钢套箱围堰安装钢护筒导向架插打钢护筒浇注钢套箱围堰封底混凝土安装钢套箱围堰上钻机工作平台安装钻机及配套设施钻孔。浮运薄壳钢筋混凝土沉井工作平台 若河床基岩裸露，钢套箱及钢板桩围堰无法使用，可采用钢筋混凝土薄壳沉井，将几个桩孔一起围在沉井内，井顶设工作平台逐个钻孔，代替单个安设护筒的做法。沉井可重复利用，进行多个桥墩基础钻孔施工。由于沉井体积大，所以比较稳定，适合在水深流急、河床无覆盖层的深水上基础钻孔施工。浮运薄壳钢筋混凝土沉井工作平台需用的材料较多，技术也较复杂，在一般情况下，深水桥墩基础较少时采用此法很不经济，很少采用。（浮运薄壳钢筋混凝土沉井工作平台结构图示见附图六） 工艺流程： 沉井河边岸滩预制滑道及临时码头修建沉井浮运就位沉井韧脚下堵漏沉井抛锚定位沉井上铺设工作平台钻机及配备设施安装钻孔。,2、浮动工作平台 浮动工作平台是利用船体、六四式标准舟节以及浮箱等浮体拼装而成的平台，利用锚碇进行定位，在平台上安装钻机进行钻孔桩的施工。浮体的大小根据水流和荷载的情况而定。它主要适用于风浪、流速小，水位变化不剧烈的深水基础施工中。 浮动工作平台形式：浮船、六四式标准舟节、浮箱等工作平台。（浮动工作平台结构图示见附图四） 工艺流程： 拼装浮动工作平台平台就位锚碇插打钢护筒安装钻机及配套设施钻孔。 3、钻孔平台总结 水上工作平台主要是为钻孔施工创造平台，从长江流域深水桥梁建设的情况来看，其深水基础施工平台都采用固定工作平台形式，目前，由于深水基础的低桩承台基础施工基本都采用钢套箱围堰，因此，对于基础、桩径较小，钻机荷载较小的基础可以直接在围堰上搭设钻孔平台；对于基础、桩径较大，钻机荷载较大基础可利用围堰和下沉钢护筒共同作为支承搭设钻孔平台。,（三）钻孔桩施工 随着深水基础大直径钻孔桩越来越多的采用，由于大直径钻孔桩断桩后补桩相当困难，使得深水钻孔桩施工的难度越来越大。施工中的难点就是钻机的选型和钻孔桩的施工中的关键技术控制，其中施工关键技术包括钻机的选型、护筒的埋置深度、泥浆配制、成孔工艺、成桩工艺、质量监控技术等。 1、钻机选型 根据不同的河床地质情况、钻孔直径及深度选择合适的钻机型式是钻孔桩施工成败的关键。深水基础钻孔桩施工通常所选用的钻机型式有：正循环钻机、反循环钻机、潜水钻机、冲击钻机，不同型式的钻机有其不同的特点和适用范围。 正循环钻机： 钻进和排渣同时连续进行，成孔速度较快，最大钻孔深度100m；但需设置泥浆槽、沉淀池、储浆池等，施工场地占地面积较大，需要大量的水和泥浆原料；所需泥浆较稠，孔壁泥浆护壁层厚度常达5cm7cm，桩周摩擦力较低。 反循环钻机： 排渣连续性好，速度较正循环钻机快，功效较高；钻进岩层的岩石强度可达180MPa左右，排渣不需泥浆，在孔壁十分稳定的地层中甚至可用清水；在孔壁不稳定的地层中，必须调制相对密度小于1.10的优质泥浆，泥浆用料远远小于正循环钻机；最大特点是孔壁保护膜较薄，不减弱桩的摩擦力；其缺点是：扩孔率大于正循环，钻机结构复杂，造价偏高。反循环钻机被广泛应用。,