第19卷 第5期 中 国 水 运 Vol.19 No.5 2019年 5月 China Water Transport May 2019
收稿日期：2018-12-14
作者简介：尚 龙（1985-），男，陕西咸阳人，中交第二航务工程局第四工程有限公司工程师。
尚 龙，孙立军，章 欣
（中交第二航务工程局第四工程有限公司，安徽 芜湖 241009）
摘 要：在长江水域浅覆盖层裸岩或水深超过40m 的条件下，且主墩采用桩基承台复合基础形式的大跨度桥梁，基础施工一般先采用锚锭系统施工钢围堰，形成钢围堰平台，然后再进行桩基施工，而芜湖长江公路二桥南主墩基础施工破除了以往这种固有思维，结合主墩位置的地形、水文、地质等情况，提出一种切实可行的高桩钢管桩平台方案，为南主墩安全度汛及后期施工创造了有利局面，也为类似工程施工提供借鉴。 关键词：基础施工；锚定系统；钢管桩平台；方案；比选 中图分类号：U445.55 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）05-0202-03
一、工程概述
芜湖长江公路二桥主桥为100+308+806+308+100m 五跨分肢柱式塔分离钢箱梁四索面斜拉桥。南主墩基础（Z4#墩）采用直径39.0m、厚8.0m 圆形承台，承台下设30根钻孔灌注桩，采用变直径桩基设计，承台底面至局部冲刷线以下10m 范围采用3.4m 桩径，余下桩基采用3.0m。3.4m 桩径桩身外侧设计有永久钢护筒外壁，钢护筒壁厚25.4mm。
图1 芜湖长江公路二桥立面布置
Z4#主墩基础处于长江深泓区，桥位处河槽宽约1,700m，最大水深约40m，桥轴线处水流表面最大流速为2.17m/s。自上往下地层为：粉砂层、卵砾石层、强风化泥质粉砂岩层、中风化泥质粉砂岩层，覆盖层厚8-12m（包括卵砾石层）。
二、南主墩深水桥梁基础施工总体方案比选研究 南主塔基础最初制定出了锚碇与钢套箱组合刚构平台方案，攻克了南主塔基础的施工难题。但经过必选分析和研究，针对其实际边界条件，钢管桩平台相对锚碇与钢套箱组合刚构平台方案来讲，有一定的优势。如采用钢管桩平台方案需解决单桩打入以及稳定关键问题。经过详细调查分析以及实际打桩试验，单桩打入以及稳定可以满足要求。
1．锚碇系统与钢套箱组合刚构平台方案 （1）总体设计与布置
根据南主墩处地质特点以及施工期水位等条件，对锚碇系统与组合刚构平台进行设计。
1）锚碇系统设计
锚碇系统是由定位船、导向船和锚、锚缆以及卷扬机、滑车等系统组成，能够精确调整和控制钢套箱的空间位置[1]。
图2 锚碇系统总体布置
2）组合刚构平台设计
钢护筒与钢套箱组合刚构平台采用钢护筒、钢套箱、导向定位锚碇系统（包括导向船、定位船、锚碇系统等）、钢横梁、型钢等进行搭设；利用锚碇系统对钢套箱进行精确定位，再插打若干定位桩（定位钢护筒）至河床内稳定深度，并与钢套箱固结形成稳定的刚构平台体系。
（2）总体施工方案
钢套箱在工厂拼成整体，浮运至墩位，通过调节锚碇系统精确定位，插打钢护筒，钢套箱挂桩，钢套箱平台与护筒固结，形成稳定挡水结构及建立钻孔施工平台，钻孔桩完成后进行钢套箱清基封底，施工承台。 图3 组合刚构平台结构布置示意
2．固定式钢管桩平台方案 （1）总体设计与布置
根据南主墩地质特点及水位等条件，南主墩平台设计平面尺寸为48×81m，栈桥设计长度为179m、宽8m。
cpich第5期 尚 龙等：芜湖长江公路二桥南主墩基础施工方案比选分析 203
万花茶
图4 南主墩钢平台与材料码头平面布置
钻孔平台桩基采用Ф1200×14的钢管，桩间平联采用
HN900×300，桩顶横梁采用
2HM588×300。
图5 南主墩钢平台平面布置
（2）总体施工方案及流程
南主墩基础采用先在主墩墩位处搭设钻孔平台及连接材
料码头栈桥，形成钢护筒施振平台，精确定位并沉放钢护筒，
形成钻孔桩施工平台，然后进行钻孔灌注桩施工。同时钢吊
箱底在工厂加工制作后浮运。采用大型浮吊吊装并安装钢吊
箱悬吊系统；封堵护筒四周洞口，搭设封底施工平台，浇筑
封底混凝土，形成可靠的围水结构，进行承台施工[2]。
3．两种方案比选分析
对于两种方案分别从施工安全、施工质量、施工组织管
理难易程度、对天气及航道要求及施工工期五个方面进行对
比分析[3]。
表1 组合钢构平台和钢管桩平台比选分析
项目 组合刚构平台方案 钢管桩平台方案
施工安全性对比 1、占用水域大，对过往船只干扰多； 人员
上下、进出安全隐患大； 施工船舶等设备交
叉作业多，安全隐患大；
2、柔性结构，钢护筒采用二次跟进，首节钢
护筒底口内外贯通的风险大，进而导致护筒
移位及平台倾覆的可能性大。
1、占用水域相对较小，对过往船只干扰少；
人员上下、进出相对安全；施工船舶等设备
交叉作业少，安全隐患小；
2、刚性结构，钢护筒采用二次跟进，首节
钢护筒底口内外贯通的风险小，护筒移位及
平台倾覆的可能性小。
除垢器
施工质量对比 1、钢护筒及钢套箱定位平面位置及垂直度难
以保证，二次施沉钢护筒不易到设计标高；
2、钢套箱在钻孔桩施工前安装，时间跨度大，
锈蚀的可能性大，淤积物多，清淤质量难以
保证，封底抽水后形成漏水通达的风险大。
1、钢护筒及钢套箱定位平面位置及垂直度
易保证，二次施沉钢护筒易达到设计标高；
2、钢套箱在钻孔桩施工后安装，时间跨度
小，锈蚀的可能性小，淤积物少，清淤质量
易保证，封底后形成漏水通道的风险小。
施工管理难度及便捷度对比 1、系统复杂，构件较多，程序繁琐。施工时
平台始终处于动态状态，管理难度较大。
2、船舶需靠近南主塔，锚缆需抛设在锚锭系
统范围内，易造成锚缆相互缠绕，不便施工。
1、工艺程序简单，技术成熟，工人对施工
工艺熟悉，管理难度低；
2、船舶使用数量相对较少，船舶动静相对
自如很多。
亚克力纸巾盒对天气及航道的要求对比 定位时需要无风（三级以下风力）且无浪的
天气情况下进行定位施工。为避免过往船舶
激起波浪，需要海事部门封航配合。
施工时一般在6级风力以下即可。对波浪的
要求也较低，在长江上多数情况下均可满足
施工要求，且不受过往船舶的影响。
施工工期对比 1、工期较钢管桩平台方案延迟40～50天。
清淤施工占用时间多。如果套箱清理不到位，
一旦发生封底漏水，工期延误不可估量。
2、施工期紧，该方案对南塔造成很大的工期
压力，关键节点工期难以保证。
1、工期较锚碇系统方案工期提前40～50
天。清淤施工工序占用时间少。
2、该方案对南塔造成的工期压力相对较小，
关键节点工期容易保证。
三、南主墩深水高桩平台实施可行性分析
南主墩位于长江河槽深泓区，水深流急，设计最大水深40m，最大流速2.17m/s。主墩处初始泥面标高为-28m。
1．平台结构的大自由高度及稳定性问题
平台钢管桩施工时，河床冲刷后标高按-36.0m计算，则计算水深为40.5m。此时平台及钢管桩自由悬臂长度大，在水流力、风荷载及汽车制动力作用下存在稳定性问题[4]。针对结构的大自由度及稳定性问题，从以下三个方面考虑： （1）平台与钢护筒、钢吊箱及时可靠连接
钢护筒设计为永久钢护筒，设计底标高-54.5m，具有很大的竖向承载力和水平承载力，钢护筒施打完成并互相连接成整体结构后，再与平台可靠连接，可以提高平台结构整体稳定性，确保结构在钻孔桩施工期间的安全。钢吊箱沉放完成后，平台与钢吊箱连接，确保结构在后续施工期的安全。
（2）关键部位设置双层平联
设置双层平联，并将平联标高尽量向下调整，可以有效
减小钢管桩自由悬臂长度，提高结构整体水平抗推刚度。
图6 双层平联和斜桩结构位移情况
由上面分析结果可知，双层平联结构的水平抗推刚度为1/2.377e-3=427.9kN/m，则双层平联水平刚度较单层平联提高427.9/331.9-1=29%。
（3）设置斜桩
对于深水中的高桩结构，水平荷载起主导作用，所以在不影响结构整体布置及施工工艺的情况下，可在结构中设置斜桩，即减小稍许竖向承载力，可有效提高水平抗推刚度。
由计算分析结果可知，双层平联斜桩结构的水平抗推刚度为1/5.266e-4=1913.5kN/m，较双层平联直桩结构的水平抗推刚度提高1931.5/427.9-1=351%。
2．平台结构的冲刷问题
在设计钢平台时，冲刷后泥面标高为-36m，此标高位于中砂层与卵石土层交界处。另外根据相关设计说明中提到卵石土层难以冲动，而且是在最大洪水流量的情况下对主墩基础考虑冲刷试验和计算的。钢平台作为临时结构，并在低水位时段进行施工，水流速相对较小，所以在钢平台设计时，最大按8m冲刷考虑是合理的。
3．单桩大悬臂状态稳定性问题
单根钢管桩在施沉至设计标高后，未进行夹桩之前，在水流的冲击下桩侧土层受到管桩的挤压较大，容易产生破环和失稳，因此，应对钢管桩“踢脚”稳定性进行验算。
（下转第213页）
第5期 张八二：兴泉铁路于都一号隧道主要工程地质问题研究 213
470m，占全隧长度的7.5%，F3断层为大型逆冲断层，构造挤压应力垂直于山体走向，断层间山体受构造扰动岩体破碎，F2、F5、F6断层为F3主断层的北东向次生断层，F1、F4为近垂直于主断层的平移断层，切割主构造带，造成构造带附近岩体呈碎块状，断层带处岩层组合主要为灰岩、砂岩、页岩、粉砂岩夹煤线、变质砂岩、千枚岩，岩性混杂，软硬不一，受构造挤压作用后，因千枚岩、页岩、煤线等软质岩受构造破坏的程度相对灰岩、变质砂岩等硬质岩更加严重，且构造破碎带富水，水对软质岩的软化和泥化，岩石强度降低，在地下水的渗流作用下，施工中极易发生坍塌、滑移、坠落等围岩失稳破坏现象[4]。
3．有害气体
隧道穿越石炭系下统梓山组（C 1z）炭质页岩、粉砂岩夹煤线地层，地层位于马安向斜西翼的倒转背斜位置处，具有较好的存储空间，瓦斯的封闭条件相对较好，煤层瓦斯赋存条件可能较好，在局部地
安全门卡段可能会产生瓦斯聚集，对该地层进行钻探和有害气体检测，根据测试结果，该地层内含有瓦斯，主要成份为甲烷（CH 4，含量约0.01%）及其同系物（H 2，含量约0.02%）、二氧化碳（CO 2，含量约0.02%~0.13%），其来源主要为煤层或炭质页岩。测试结果中N 2含量基本为91.15 %~96.57%，隧道位于瓦斯风化带之氮气带内，瓦斯压力0.28MPa，在瓦斯风化带内的隧道为低瓦斯隧道。宜采用通风措施。
五、结论
（1）于都一号隧道洞身穿越新华夏系（北北东向）构造主体樟木逆冲推覆构造断裂带、桥头向斜西侧北西翼以及桥头向斜北西翼的倒转背斜，穿越石炭系下统梓山组（C 1z）炭质页岩、页岩、粉砂岩夹煤线地层和石炭系中上统胡天组（C 2H）白云质灰岩等地层，区域构造发育，围岩岩体破碎、岩溶发育，存在有害气体，工程地质条件十分复杂。
（2）于都一号隧道主要工程地质问题为围岩失稳、有害气体、突水、突泥。针对岩溶及突水（泥）问题，加强超前地质预报工作，做好水量监测和抽排水工作；对围岩失稳问题，施工中加强超前钻探，做好超前支护和超前预注浆工作；对有害气体，施工中应加强通风，及时监测，同时做好紧急撤离工作。
（3）通过对隧道工程地质问题的分析提出了相应的措施，为隧道设计施工提供参考。
参考文献
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宁化段项目可行性研究报告[R]．成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2016．
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文地质工程地质，2007，（6）：79-82．
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2007，（9）：35-36+39．
[4] 李立民．引汉济渭工程秦岭隧洞主要工程地质问题分析研
究[J]．铁道建筑，2013，（4）：68-70．
（上接第203页）
从验算分析结果可知，桩顶最大位移为142mm，最大应力为22MPa，最大桩侧土反力为13.78kPa （
换算为均匀压力），靠近1/3桩入土深度处，可作为验算桩侧土强度和稳定性的条件。对桩侧土体应力作用下的强度和稳定性计算以及单桩涡振稳定性计算，均满足要求。
四、深水高桩平台整体稳定性分析
针对高桩平台整体稳定性，选择了五种可能工况进行了建模分析，从最不利的工况五即套箱下放，平台与钢护筒分离。计算分析，可以看出高桩平台结构的位移、应力及稳定性均能满足要求。
在不影响主墩基础施工工艺的情况下，为进一步提高钢平台的水平抗推刚度以及整体稳定性，在钢平台两侧设置辅助桩，且均为斜桩，并用双层平联与附近钢管桩进行可靠焊接。同时在平台上游迎水侧设置锚桩，即在指定钢管中，进行钻机扫孔并灌注砼，提高钢管桩刚度，满足其嵌岩要求[5]。
表2 平台主要内力结果汇总表
构件 规格型号 弯矩 kN m 剪力 kN 轴应力 MPa 弯应力 MPa 剪应力 MPa 组合应力 MPa 备注 钢管桩 φ1200×14 42.3 112.3 132 主横梁 2HM588×300 24.2 147.4 塔吊梁 2HN900×300 39.3 81.7 平联 HN900×300 22.6 101.0 130 龙门吊轨道
2500×1000 8.5 67.6 贝雷 3000×1500
203
92
钢管桩位移 横桥向215mm 纵桥向39mm 竖向21mm 空间216mm
通过MIDAS/Civil 计算分析桩端反力：最大桩力为2,186kN，最大拔力为1,101kN。
各构件强度和位移满足要求。 五、结论
从两种方案对比以及深水高桩平台可行性和稳定分析情况看，在芜湖二桥南主墩基础施工采用固定式钢管桩平台方案有其自己的优势和可操作性，从现场施工情况看，2013年11月开始钢管桩平台搭设至2014年5月实现36根钻孔桩施工，为平台安全度汛创造有利条件，工期提前约两个月，钻孔桩及钢护筒沉放精度（倾斜度）均满足设计要求的1/200，因而结合芜湖二桥南主墩基础的水文、地质及地形等情况采用钢管桩平台进行基础施工是合理且高效的，也为国内类似基础工程实施提供了一种可能和思路，具有一定的借鉴意义。
参考文献
轻触开关电路
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设计与施工[J].桥梁建设，2011，（6）：1-5.
[2] 张自荣.桥梁深水基础施工方案研究[J].世界桥梁，2008
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[3] 李文.桥梁深水基础施工方案的探讨[J].公路，2011，（4）：
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桩平台稳定性分析[J].桥梁建设，2006，增刊1：105-108. [5] 伊凯.深水急流裸岩钢栈桥施工技术研究[J].铁道建筑技
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