19曹妃甸工业区1#桥七大施工技术难点综述李 凡黄天贵.docx

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19曹妃甸工业区1#桥七大施工技术难点综述李凡黄天贵

曹妃甸工业区1#桥七大施工技术难点综述

三公司曹妃甸项目李凡黄天贵

摘要：

曹妃甸工业区1#桥的主桥为138m+138m独塔单索面钢箱叠合梁斜拉桥，桥宽40m，塔梁分离体系，采用平行镀锌高强钢丝斜拉索，扇形布置，钻孔灌注桩基础；引桥中包括4×48m现浇连续箱梁，单幅桥宽17.5m。

叙述了海上桥梁施工技术难点及取得的经验与效果。

关键词：

海上施工；钢箱叠合梁斜拉桥；施工技术难点

1引言

海上桥梁建设，由于其所处地理位置的特殊性，不仅在设计上体现出不同于陆上桥梁的特点，而且在施工中也存在许多技术和工艺难点。

水的存在制约了常规施工方法的选择，但一些针对于此的特殊施工工艺也应运而生。

本文主要叙述针对曹妃甸工业区1#桥海上施工七大难点所采取的施工技术与施工工艺。

2工程概况及施工技术难点简述

2.1工程概况

曹妃甸工业区1#桥位于曹妃甸规划路网“三纵七横”路网骨架的三号路上，为跨纳潮河的特大桥，工程范围长约2.35km，其中桥梁工程范围长约2.02km。

设计荷载等级为城市A级；计算行车速度60Km/h；路面设计轴载BZZ-100；地震基本烈度Ⅶ度；双向六车道、行车道宽度2×3.75+3.5m（单向）；人行道及非机动车道双向布置，单向人行道宽1.5m，非机动车道2.5m；桥面宽度（包括中央分隔带宽度5m）40m。

主桥采用跨径为138m+138m的独塔单索面钢箱叠合梁斜拉桥，塔梁分离体系，扇形索布置，索塔两侧各16对索。

主桥区总体布置见图1。

本地区气候属于大陆性季风气候，具有明显的暖温带半湿润季风气候特征。

多年平均气温11.4℃，极端最高气温38.0℃，极端最低气温-18.2℃。

降水多集中在6～9月份，约占全年降水量的70%以上。

该区域大于等于6级风的日数每年约160.8天，春季出现大于等于6级风的日数最多，3～5月份之和平均为52.1天，其中4月份最多，平均为18.6天，11、12月份最少，分别为10.4天和10.2天。

台风仅发生在7、8月份，风速可达25m/s，并可引起近海岸较大幅度的增水。

纳潮河为人工开挖的潮汐河道，河宽约1km，河床底标高很不规则，平均水深8～12m，局部达17m。

潮位：

P=1%设计潮位为3.05m；P=98%设计低潮位为0.30m；10年、50年及100年一遇高潮位分别为3.99m、4.34m和4.47m。

平均潮位1.77m，最大潮差2.74m，平均潮差1.40m。

桥址处地层：

-1m～-14m为冲填土、淤泥质粉质粘土，主要由粉细砂及少量粘性土组成的混合物；-14m～-26.5m为粉细砂层，灰色，土质不均，局部为粉土，夹粘性土稍多；-26.5m～-42.5m为粉质粘土，灰～灰黄色，夹粉砂、局部较多。

图1主桥区总体布置（单位：

m）

2.2施工技术难点简述

1）海上施工栈桥

海水较深，设计荷载大，使用时间长，海水腐蚀严重。

2）大直径深长、变截面钻孔灌注桩施工

孔径3.2/2.5m，桩长110m，钻孔深度达117m，长护筒埋设，抗震等级高。

3）索塔大体积承台施工

短内支撑围堰设计，基坑开挖深度大，一次浇筑承台混凝土5170m3。

4）深水承台施工

周转型预制混凝土底板单壁钢套箱，实现水上安装拆除作业。

5）风帆造型独柱索塔施工

独塔柱高120m，爬模系统配置，塔吊选型及布置，斜拉索锚固区钢锚箱安装；风帆构造复杂，单构件重量大，且在塔吊拆除状态下进行安装。

6）主桥钢箱叠合梁施工

钢箱梁与混凝土桥面板组合结构，叠合梁的加工、运输与安装与常规桥梁不同。

7）引桥4×48m现浇连续箱梁施工

现浇箱梁跨径较大，单跨重量罕见，钢筋及预应力布置比较复杂；采用MZ48/1580移动模架施工，移动模架自重大，安装和拆除难度大。

3七大施工技术难点综述

3.1海上施工栈桥

纳潮河宽1km，为解决施工便道通行问题，根据河床底标高情况，在桥梁右侧海水较深处设置两座栈桥，长度均为300m，桥宽7m，设计标准跨径12m。

每个墩位为3根φ630×8mm钢管桩基础，平均桩长27m，钢管桩在水面以上设型钢剪刀撑。

为保证桩基础整体稳定性，钢管桩进入粉细砂层不少于12m。

主纵梁采用单层6排321型钢桥用贝雷片，每2排为1组，顶面铺设纵横向型钢及钢板形成桥面，桥面顶标高+5.3m。

栈桥按挂车-100进行荷载验算，每轴重为250kN，考虑其它重型工程机械等因素取1.2安全系数。

栈桥施工中钢管桩的接长焊接工序为控制难点。

施工栈桥运营近1年时，通过对桥面标高及水中钢管桩壁厚进行观测，栈桥整体均匀沉降3～5cm，但海水对钢管的腐蚀破坏较为严重，钢管壁厚平均腐蚀近1mm。

为解决海水腐蚀问题，采用铝锌铟合金牺牲阳极保护方法，每块合金净重5.0kg，每根钢管桩安装1块，按与海水接触钢管桩面积计算，合金寿命1.3年。

作为整个桥梁施工的运输大动脉，栈桥发挥了巨大的作用，为工程顺利开展提供可靠的通行保障。

3.2大直径深长、变截面钻孔灌注桩施工

索塔基础为3.2/2.5m变截面钻孔灌注桩，共29根，分为A、B两类桩，A类桩钢筋骨架重83.26t，B两类桩钢筋骨架重75.24t，桩长110.15m，上节段φ3.2m桩长40.15m，下节段φ2.5m桩长70m,钻孔深度约117m，单桩C35水下混凝土675m3。

索塔桩基施工平台采取吹填筑岛方案，为桩基及承台施工提供有效作业面，降低了施工难度。

护筒采用Q235钢板卷制，壁厚20mm，直径3.6m；设计要求承台标高以下保留5m护筒，根据平台顶标高，护筒长度定为11.7m，单桩护筒自重20t。

护筒沉放困难情况下则将内外土体挖空3～5m以减小摩阻力。

通过试桩确定采用KP-3500气举反循环钻机，在钻孔深度达到14m前为正循环方式，平均单桩钻孔时间331.4小时；成孔方式为上节段3.2m直径成孔后转换为2.5m直径钻进。

选用海水泥浆钻孔施工。

采用JJC-1D型钻孔灌注桩成孔检测系统对成孔进行质量检测，能够快速检测孔径、孔形、垂直度以及沉淀层厚度，平均检测时间为45min～1h。

利用胎架进行钢筋骨架分节制作成型，特点为速度快且不变形，加工质量显著提高。

钢筋骨架截面主筋数量最多达180根，运用滚轧直螺纹套筒连接技术进行主筋机械连接，每根桩骨架安装时间平均20h，比焊接连接缩短至少12h。

以1台80t履带吊配合120t起重龙门的方式进行超重钢筋骨架的安装。

采用钢棒卡销孔口钢框架实现大吨位钢筋骨架吊挂。

采用集料斗与大体积罐车配合进行混凝土灌注，近700m3混凝土平均灌注时间13.1小时。

桩头超灌混凝土初凝前人工挖除，大大减少承台施工中凿除桩头时间。

通过试桩双荷载箱自平测试试验结果来看，桩端压浆后其桩端承载力提高2倍多，总承载力提高约22.7%，为桩端压浆工艺提供了可靠依据。

引桥48m跨径连续箱梁基础为2.2/1.8m变截面钻孔灌注桩，每个承台6根，共120根，钢筋骨架重47.97t，桩长85.15m，上节段φ2.2m桩长33.15m，下节段φ1.8m桩长52m,单桩C35水下混凝土264.5m3。

采用水上施工平台进行施工，平台由钢管桩、贝雷片及型钢焊接路基板组成。

护筒壁厚16mm，直径2.5m，护筒长度平均约29m，最长近40m，单桩护筒自重超过25t；护筒沉放采用定位导向架分节焊接下放。

以1台50t履带吊配合80t自制起重门架的方式进行钢筋骨架的安装，起重门架高度20m、自重11t并配有8t卷扬机，利用履带吊车转场。

HY-400型泵吸反循环钻机成孔。

经超声波成桩检测，29根3.2/2.5m及120根2.2/1.8m大直径变截面钻孔灌注桩基均为Ⅰ类桩，达到一次合格率及优良品率100％的预期质量目标。

3.3索塔大体积承台施工

索塔承台平面为六边形，最大轮廓尺寸44.2m×28m，厚度5m，设计有2m厚封底混凝土。

承台C35高性能混凝土体积为5170m3，C20封底混凝土体积为2068m3。

承台顶面标高+2.8m，底面标高-2.2m。

承台位于纳潮河水中吹填筑岛上，四面临水，原筑岛处河床标高在0.0m左右，筑岛后地面标高+4.0m。

承台混凝土采用一次浇筑。

根据工程特点及现场施工条件，本工程主桥索塔承台采用钢板桩围堰进行施工，索塔桩基施工筑岛顶标高约+4.0m，承台围堰采用钢板桩施工，钢板桩顶标高+4.5m，底标高-10.5m，共长15m。

从承台边缘外扩1.2m作为钢板桩的插打轴线，形成围堰的同时，兼起挡水的作用。

围堰共用拉森Ⅴ型钢板桩266根，共3990m，约420t。

由于桩基设计要求保留钢护筒，因此将内支撑设置在钢板桩与承台最外围桩基护筒间，长度3m，包括围囹在内内支撑材料总计仅22.4t。

利用封底混凝土作为基坑开挖后悬臂钢板桩支点，实现干开挖，开挖深度7m。

通过对封底混凝土强度及围堰整体抗浮验算，确定封底厚度0.8m。

国内桥梁工程中，超过2000m3大体积混凝土多为分次浇筑，采用一次浇筑工程实例是比较少见的。

查阅相关资料有东海大桥的C40承台，49.8m×27.4m×6m，8200m3；贵州虎跳河特大桥的C30承台，22.5m×22.5m×5m，2531.25m3，均为一次浇筑，说明一次浇筑承台大体积混凝土是可行的，但在混凝土配合比设计、温控措施及施工工艺方面要求较高。

混凝土选取大掺量矿物掺合料、低水胶比技术路线，选用性能优良的聚羧酸外加剂，降低胶凝材料和用水量，以提高混凝土耐久性，降低混凝土绝热温升，提高体积稳定性和抗开裂能力。

根据混凝土内部应力计算结果与分析，在满足混凝土设计强度的前提下，优化配合比，减少水泥用量，确保水化热绝热温升不超过规定的温控标准。

冷却水管采用导热性能好的薄金属管，管内径大于50mm，水管的空间间距小于1.0m，单根水管长度小于250m，水管内通水流量为16～20L/min。

混凝土初凝后采用从冷却水管流出的温水在上表面蓄水养护，蓄水深度不小于30cm，以减小内表温差。

承台的四周亦蓄水养护，水面以上部分应加挂保温材料，并使其始终保持湿润状态。

索塔承台混凝土浇筑2008年9月4日7：

28开始，9月6日19：

28完成，历时60小时，共浇筑混凝土5050m3，平均每小时84.2m3，承台大体积混凝土一次浇筑完成。

由15天的温控监测得出的温度特征值表明，承台内表温差最大为22.2℃，较温控标准25℃低2.8℃；最高温升为28.3℃，较温控标准34.7℃低6.4℃；承台混凝土的内表温差和最高温升均满足温控设计提出的温控标准。

3.4深水承台施工

深水区承台为23#～27#及29#～33#墩对应的承台，共20座，平面形状为带圆弧的六边形，最大轮廓尺寸17.342×8.35m，厚度3.5m，顶面标高为+2.80m，底标高为-0.7m,设计1.50m厚的封底（垫层）混凝土，基础为6根φ2.2m/1.8m变径桩。

每个承台C35高性能混凝土449m3，封底（垫层）C20混凝土192m3。

目前桥梁施工中深水承台常采用的施工用钢套箱，其钢底板或一次性投入，或耗费较大施工成本完成水下安装和拆除，施工难度大且经济性不佳。

如能解决这两个主要技术难点必将是钢套箱应用中的一次重大革新。

根据施工工况条件，本工程采用周转型预制混凝土底板单壁钢套箱进行深水区承台施工。

钢套箱由底梁、底板、侧壁、挑梁及吊杆五部分组成，底梁、底板、侧壁通过挑梁及吊杆组装成型，形成施工作业空间。

底梁为大型工字钢，作为20cm预制混凝土底板支撑框架，可由承台侧面拆除。

底板设置平衡钢套箱内外海水压力通水孔，保证水下封底混凝土施工不受海水影响破坏。

钢套箱侧壁兼作承台施工模板，侧壁间设置2cm橡胶板防水，在水下模板法兰连接处没有使用螺栓连接而增设特殊法兰压板，完全避免水下作业，提高了施工效率。

挑梁起到竖向承重及水平支撑双重作用。

吊杆为φ32精轧螺纹钢，将组成钢套箱的五大部分联接为一体，为钢套箱整体下放提供保障。

钢套箱的总体下放时间在48h内即可完成。

桩基护筒与预制混凝土底板间缝隙采用环形钢板封堵，封底混凝土厚度0.8m。

根据总体工期要求共制作4套钢套箱，用于每个承台的平均施工周期为32天。

周转型预制混凝土单壁钢套箱的成功应用，20个水中承台不仅节约施工成本近400万元，并且大大降低了深水承台的施工难度，加快了工程施工进度，取得了可观的经济和社会效益。

3.5风帆造型独柱索塔施工

图2索塔横桥向构造（单位：

cm）

索塔总高120.403m，按结构形式不同分为塔座、下塔柱、横梁、中塔柱、斜拉索锚固区及塔顶区共六个部分，塔座C40高性能混凝土691m3，塔身C50高性能混凝土2504m3。

中塔柱和斜拉索锚固区横桥向宽度5m，顺桥向宽度6.25～7.5m连续变化。

斜拉索锚固区为分离式实心双柱截面，中部设有钢锚箱，钢锚箱与混凝土塔柱之间通过剪力钉连接为整体，钢锚箱节段之间连接采用摩擦型高强螺栓。

钢锚箱总高36.4m，顺桥向长5.41～6.033m，横桥向宽2m，共分16个节段，每个节段分别锚固一对斜拉索，钢锚箱材质为Q345qD，单节段最重15.26t，共281.3t。

索塔具有非常新颖的风帆造型设计，在索塔横桥向设置4对横撑，截面为φ1.5m钢管，壁厚12～15mm，其中横撑4的单侧长度为22.2m，重11.6t；装饰缆2种，采用139φ7低松弛预应力镀锌钢丝，张拉力144.4t。

索塔横桥向构造见图2。

塔座、下塔柱及塔顶区由于其结构形式的特殊性，采用满配模板进行混凝土施工；横梁为落地支架施工。

从中塔柱开始使用液压爬模系统，由液压爬架及钢模板组成滑模施工形式，模板高度4.65m，每次浇筑混凝土4.5m。

考虑到模板周转次数及混凝土外观质量等因素，没有选用目前流行的木模板。

塔吊的选型和布置也是塔柱施工中遇到的较大难题，风帆造型横撑钢管及斜拉索平面组成“十”字型，如将塔吊布置在“十”字内角部位，则塔吊无法拆除；如布置在桥梁外侧，则需400t·m以上型号的塔吊，施工成本会成倍增加。

经过仔细研究选择了1台160t·m塔吊，横撑钢管后安装的施工方法，这样塔吊中心与塔柱中心的直线距离为9.65m。

由此必须解决横撑钢管在塔吊拆除后安装的问题，首先在塔吊拆除前将横撑钢管竖向贴紧塔柱，与塔柱预埋钢板铰接，塔吊拆除后横撑钢管“转体”为水平状态，再与预埋件焊接。

索塔及钢锚箱空间定位测量控制都是索塔施工的重点和难点。

随着塔的不断升高，塔柱截面的平面位置受日照、气温和塔吊施工状态的影响较大，故需掌握塔柱在某一高度下的温度及外力变化规律，消除测量数据中的偶然误差。

钢锚箱定位平面位置采用相对基准极坐标法或相对时间法原理，以尽量消除索塔因日照及温度变化的变形影响；定位高程采用差分三角高程法。

索塔施工2008年9月29日开始，2009年7月15日封顶，历时240天，平均0.5m/d。

节段施工最短周期为6天。

塔柱成品表面平整、外观质量良好，钢锚箱定位准确，取得非常满意的效果。

3.6主桥钢箱叠合梁施工

主桥叠合梁钢结构共41个梁段，分为7种类型，其中标准节段长7m。

主梁采用单箱三室截面，梁高4.0m。

全桥主梁钢结构重约4400t，节段最大重量约125t。

梁段间连接全部为焊接。

钢梁顶板宽32.8m，底板宽28.0m，梁高3.218～3.55m，桥面板采用C50高性能混凝土，标准节段桥面板90m3，总宽39.8m，与钢梁上的抗剪栓钉形成整体，组成叠合梁体系。

桥面板采用纵、横向预应力体系。

钢箱叠合梁标准节段横断面见图3。

图3钢箱叠合梁标准节段横断面（单位：

cm）

叠合梁施工的传统工艺为悬臂拼装，但其受气候、工程环境和前后工序衔接的制约极大，其难点主要集中在加工、运输和安装这三个方面。

按总体工期安排首先确定的是钢梁的支架安装施工方案，支架拼装施工比悬臂施工减少了船舶定位、钢梁节段起吊、悬臂吊机前移等工序，并可大大提高对不良天气状况的抵御能力，并实现塔、梁同步作业；其次是由于施工现场周围条件的变化，原来的梁段水运通道封闭，由此带来运输方式及梁段加工方式的改变，钢梁由工厂内加工板单元，陆路运输至现场，直接吊装至安装支架上焊接、组拼及涂装。

叠合梁拼装支架在276m主跨范围内全跨布置，采用钢管群桩基础、钢管立柱、型钢支架斜撑及型钢滑移轨道组成，钢管立柱及基础顺桥向按钢梁标准节段长度7m布置。

钢梁节段分为板单元加工后，一般重量皆小于10t，个别板单元重量在12t，每个标准梁段划分成36块板单元，组焊成钢梁节段后由大吨位移位器移动，就位后转换为临时支座支撑，临时支座具备水平、竖向调整功能。

加工平台南北侧靠近主桥边墩各设置一个，顺桥向总长度67m，总宽39m，隔离出钢梁加工区域制作板单元拼装胎架，加工区域长度40m，可同时加工5个标准梁段；涂装区域配置大棚，供2个节段同时涂装使用，涂装区长度17m，涂装大棚跨径36m，净高6.5m，防止风雨及日晒对打砂涂装质量造成影响；另设置10m长度加工焊接机械设备存放区域。

平台上设置20t龙门，跨径39m，高度12m，作为板单元移位对接起重设备。

钢箱叠合梁成桥的过程也与常规斜拉桥不同。

首先将就位的成品钢梁环焊连接，挂索并第一次张拉5%索力，现场浇筑桥面板混凝土并达到强度后，第二次张拉对应梁段斜拉索至80%索力，待施工支架拆除及桥面铺装完成后形成成桥线性。

其中环焊连接完成的梁段编号始终大于等于正在施工的梁段编号+2，即在N#梁段拉索及桥面板施工前，（N+2）#钢梁已环焊连接完成。

从主桥叠合梁实施横道图上可以看出，同一时间段内各工序均可交叉进行，平均可缩短每个梁段施工周期3天，叠合梁施工总工期提前60天。

并且未浇筑桥面板前连接钢梁具有重量轻、刚度小的特点，减小了梁段间环焊连接难度，提高了叠合梁连接精度。

钢箱叠合梁现场加工及支架安装技术在国内外同类型桥梁施工中比较少见。

经过三次重大方案的调整，最终形成了符合施工条件的、特殊的钢箱叠合梁施工总体方案。

使运输成本大大减少，大幅降低钢梁起重运输重量，并减少了运输过程中钢梁节段变形破坏的可能性。

从2009年7月15日索塔封顶开始算起，至2009年11月6日斜拉索第二次张拉结束，共计114天，平均每个梁段5.7天，成桥索力及线性均与监控数值一致，保证了后续的桥面系施工及总工期要求。

3.7引桥4×48m现浇连续箱梁施工

引桥4×48m预应力混凝土连续梁，按单幅计算共8联32孔，南北侧各4联。

施工范围为北侧19#～27#墩，南侧29#～37#墩。

采用单箱双室斜腹板截面，顶板宽17.3m，底板宽6.74m，设置单向2%横坡。

箱梁中心线处梁高2.8m，翼缘悬臂长度3.93m，悬臂端部厚度20cm，悬臂根部厚度55cm。

C50高性能混凝土共19140m3，预应力钢绞线994.4t，普通钢筋2925.7t，平均每孔分别为598m3，31.1t，91.4t。

箱梁采用MZ48/1580移动模架逐孔现浇施工工艺，南北侧各1套，单套自重约870t，最大承载浇筑重量为1900t。

此模架经过改造后用于甬江大桥镇海侧引桥，改造后称之为MZ50/2055移动模架，由于甬江大桥的箱梁跨径及浇筑承载重量均大于本桥，所以模架的各部件所受的载荷全部是按甬江大桥箱梁载荷设计计算，方便了后续模架施工的改造工作。

移动模架主梁为对称的两组钢箱梁，材质Q345B。

主梁全长共有62.5m，分为五个节段，节段见采用高强螺栓连接，每节段长为12.5m，单侧主梁重155.7t，节段重量在29.7～33.4t之间。

主梁横断面尺寸为4.26m×2.20m，为便于运输分为上下两层，高度分别为1.2m和3.06m。

导梁为直角三角形截面，前后导梁对称设计，导梁长度25.0m，分为12.5m长度2个节段。

为保证连续现浇箱梁的施工安全及质量，移动模架正式投入使用前需对进行荷载试验，以消除模架承重时的非弹性变形，并验证移动模架主梁框架及其附属结构的弹性变形与设计计算值的偏差，得出相应的规律来指导移动模架施工中模板的预拱度。

单幅单跨混凝土箱梁设计重量为1580t，再加上10m悬臂则首次浇筑混凝土总重约为1900t，因此荷载试验也应按此重量加载。

荷载试验中荷载由预制混凝土块、砂袋及水组成，预制混凝土块将模架底模按顺桥向5m间距分隔，分隔仓内铺设厚塑料布并灌满水，砂袋预压在翼缘模板顶面。

MZ48/1580移动模架对于本工程其主结构的弹性变形约为60mm，非弹性变形约为20mm，通过试验实测，总变形为75mm，比设计值略小，所以正式施工时按75mm控制。

目前国内最大的移动模架在2006年应用于广州珠江黄埔大桥，该桥箱梁最大跨径62.5m，该移动模架整机重量近1400t，最大浇筑长度为75m，最大承受混凝土荷载达2650t。

而曹妃甸工业区1#桥所使用的可改造为MZ50/2055的移动模架，虽然在跨径及浇筑长度方面有差距，但首次浇筑混凝土的最大重量却与之相当，可见本工程移动模架施工的难度也是非常大的。

本桥单幅48m连续箱梁施工作业只有8孔，经统计，单孔施工周期最快为22天，最慢为45天，平均30天，平均每孔施工周期比常规桥梁超出近1倍，其中箱梁钢筋及预应力布置的复杂性是最主要的影响因素。

4结语

经过2年多艰苦奋战，曹妃甸工业区1#桥于2007年8月8日开工建设，2009年11月完成主体工程施工，通过全体施工管理及技术人员的共同努力，过程中克服了气候、海潮、地质等施工环境方面的重重困难，解决了施工技术方面的诸多难点，圆满完成了各项施工任务。

由于篇幅有限，虽未能将施工技术难点详尽叙述，但足以得出这样一个结论：

本桥具有独特的施工技术特点，在国内同类桥梁建设中处于先进之列，尤其在施工技术难度方面与其它跨江河大型桥梁工程相比亦毫不逊色。

参考文献

1田克平，韩大章《灌河大桥建设文集》北京：

人民交通出版社，2008.04

2交通部《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）北京：

人民交通出版社，2000