跨海大桥预制墩身施工技术.doc

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1、杭州湾跨海大桥预制墩身施工技术曾平喜 唐衡 摘要：本文介绍了杭州湾跨海大桥水中低墩区中引桥和南引桥墩身的设计和施工。重点介绍了在杭州湾恶劣的风、浪、流条件下，海上墩身整体预制安装的施工技术。关键词：墩身，设计，预制，安装，起重船，防腐1、工程概述杭州湾跨海大桥是国道主干线同三线跨越杭州湾的通道，位于钱塘江入海的河口海湾，北起嘉兴海盐郑家埭，南至宁波市慈溪水路湾，全长36。大桥建成后将缩短宁波至上海间的陆路距离约120Km。大桥的海上低墩区引桥共15.78 Km，包括中引桥和南引桥，其上部结构均为70m跨径预制预应力混凝土箱梁，下部为钢筋混凝土桥墩，基础采用钢管桩。其中墩身共474个。本文介绍墩

2、身的施工情况。杭州湾是世界三大强潮海湾之一，潮差大，水流急，建设条件复杂。根据历史资料，桥位处最高潮位4.94m，最大潮差7.4m，平均潮差5.32m。年平均流速2.39m/s，施工期间实测到的最大流速：落潮4.18m/s，涨潮5.16m/s，流向紊乱,潮流场错综复杂。2004年8月实测最大波高：北岸站3.23m，南岸站4.72m。气象条件十分复杂，台风、龙卷风、雷暴及突发性小范围灾害性天气时有发生，年平均台风影响次数2.56次。由于风、浪、流、潮和雾的影响，全年施工作业日不足180天。中、南引桥区域河床高程一般为-10-12m，水深条件较好，适合于水上大型船舶作业，但南引桥南端浅滩前沿河床变

3、化较为剧烈，在2Km范围内由-10变为-3m，对墩身安装影响较大。河床面是一层68m的亚砂土，启动流速低，极易造成船舶走锚或埋锚。2、墩身设计情况根据海上施工环境恶劣和墩身数量较多的特点，中南引桥水中区墩身设计按工厂化和预制拼装，尽量减少海上作业，减少施工风险的原则。原设计曾考虑采用预制和现浇两种方案并行，重量小于350t的墩身采用整体预制方案，大于350t的墩身采用现浇方案。后由于承包商的建议，投入大型浮吊和460t龙门吊机，解决了大型预制构件运输安全等问题，墩身设计全部改成整体预制安装。预制墩身为矩形空心墩，分为墩身及墩帽两部分，墩身为截面相同高度变化的结构，墩帽为单向喇叭口形状的矩形结构

4、。本工程共有474个预制墩身，中引桥266个，C01C133每个承台上一个墩身，高度由7.372m至14.793m，横桥向宽6.250m，顺桥向墩底宽2.60m，墩顶宽4.0M,壁厚0.5m；南引桥208个，高度由7.548m至17.383m，其中70m梁标准段墩身同种引桥，E01E06、 E17E22加宽段采用在标准段外侧加设小墩身方式，小墩身横桥向宽4.40m，顺桥向墩底宽2.60m，墩顶宽4.0M,壁厚0.5m；50m梁E86E93墩身横桥向宽6.625m，顺桥向墩底宽2.60m，墩顶宽4.0M,壁厚0.5m。墩身最大吊重457.73t。墩身断面形式见图1，其主要分布情况见表1。图1 墩

5、身断面示意图墩身分布情况一览表 表1序号墩身规格单位数量位置备 注16.254.0m （6.252.6m）个436中引桥C01C133南引桥E01E85括号外为墩顶截面尺寸，括号内为墩帽以下截面尺寸24.44.0m（4.42.6m）个22南引桥E01E06 E17E2236.6254.0m（6.6252.6m）个16南引桥E86E93 墩身与承台连接采用现浇混凝土墩座的方式，即在承台与墩身之间设置现浇混凝土墩座，墩身钢筋锚固于墩座内，结构形式见图2。承台顶标高位+3.0m，处于浪溅区，较低潮位时，海水上不来，较高潮位时，可被淹没。图2 水中低墩区桥墩结构示意图3、工程特点和难点1）、构件数量多

6、，外形尺寸大，重量较大，需建设大型预制场并需配备大型起重船机设备；2）、构件需立式预制，对台座、模板、支架要求较高；3）、墩身安装工况条件恶劣，精度要求高，海上测量控制和安装施工难度大； 4）、墩身和墩座处于浪溅区，防腐技术要求较高。4、墩身预制及安装施工4.1墩身施工流程见工艺流程图（图3）。转入下个墩座施工转入下个墩身安装墩座钢筋模板施工墩座混凝土浇筑养护预制墩身安装验收位置调整、固定浮吊抛锚定位浮吊吊运墩身至现场浮吊起吊墩身墩身对位安装测量控制点复测承台上施工放样承台上预制支座安装墩身移至搁置墩施工缝处理钢筋除锈墩身钢筋绑扎托架安装墩身外模安装墩身混凝土浇筑脱模养护墩身内模安装墩身吊运储

7、存转入下个墩身预制预制场建设图3 墩身施工流程图4.2 预制场建设预制场生产区建设包括墩身预制区和出运码头两大部分，见图4。其中码头主要功能是将预制墩身由预制区出运到运输船舶上，并兼顾砂、石料的进口作业。经过对桥址附近岸线进行比选，墩身预制场建在海盐县秦山核电站大件码头北侧，距离杭大桥10Km左右，该处陆域有80m左右的海漫滩人工回填陆地，水深条件及其它水文条件满足墩身出运要求。考虑龙门吊出运墩身需要，码头设置为双栈桥凸堤式码头，与岸线垂直。双栈桥轴线宽为30m,栈桥前沿设预制墩身搁置墩，码头前沿下游侧设靠船墩。预制墩身出运工艺流程为:台座预制 储存养护 龙门吊出运 搁置墩 浮吊装船或浮吊直接

8、吊运。墩身制作区设计有效宽度为26.5m，长82m，分为两条生产线及一条堆存线，设预制和存放台座24个，配备有460t龙门吊机一台，1250KN.m塔吊两台，75m3/h及50m3/h搅拌站各一座，生产能力大于20个/月，满足施工总体进度计划要求。 图4 预制场平面布置图4.3预制托架及模板施工墩身预制为立式施工，由于墩底主筋外露1.2m，为了保护预留钢筋，下设钢托架，高度为1.2m，钢托架采用钢板及型钢精制，托架顶板即为预制墩身底模，底模上按设计钢筋位置留孔，孔径50。为保证墩身钢筋准确就位及墩身在海上安装时钢托架拆除方便，在底模上设置有对拼翻板定位卡（压制塑料制品，内开口半圆），定位卡可堵

9、塞底模孔洞，有兼顾止浆功能。由于墩身上部人孔太小，内模从人孔中拆除困难，考虑在钢托架下设置一层混凝土托架，以便内模从墩身底部脱出。托架结构见图5及图8。图5 预制墩身模板组合示意图墩身内模设计为分节伞形收缩整体内模，见图6，分节高度为90cm，面模采用组合钢模板，横竖向围囹用钢管和槽钢制做，内撑为伞状骨架，可伸缩，底部设置螺旋撑杆，用来调节内模高度和垂直度。外模采用大片式钢模，由面板、竖向槽钢、横向钢板和支撑桁架组成。由于墩身不允许设置内部穿锚拉杆，为确保墩身外形尺寸，外模支撑桁架设置较大，具备足够强度和刚度。图6 墩身内模结构示意图图7 墩身外模结构示意图内模利用塔吊由下而上的顺序逐层安装。

10、安装前把内模在平地上撑开，达到设计的尺寸。拆除时按自下而上的顺序进行，分节从混凝土托架中拉出。外模待墩身钢筋绑扎完成后进行拼装，采用“帮包底”形式，以适应不同高度墩身。分节伞形内模具有操作便捷、工效快的优点，支立一个墩身的内模只需要半天；外模采用刚性支撑桁架，刚度较大，构件整体尺寸符合设计要求。4.4墩身钢筋混凝土施工墩身钢筋采用现场绑扎，分两部分进行，首先支立内模并绑扎墩帽以下部分钢筋，然后支立墩帽以下部分外侧模，绑扎墩帽部分的钢筋，安装墩帽部分的外侧模。由于墩身最高有18米，钢筋绑扎难度较大，采用工具式脚手架，可分成几大片用塔吊安装。墩身采用为C40海工高性能混凝土，其氯离子（12W龄期）

11、扩散系数要求不大于1.510-12m2/s。经多次试配比选，选用配合比为：水胶比为0.33，胶凝材料450Kg，其中水泥选用海螺P42.5，矿粉选用朱家桥优质矿粉，粉煤灰选用谏壁电厂级灰；粗集料1026Kg，选用宁波青峙525级配良好的碎石；细集料774Kg，选用福建闽江优质中砂；外加剂5.4Kg，选用南京友西UC-IA；同时加入山西凯翕克阻锈剂。混凝土坍落度为140180mm。施工初期，矿粉曾经采用了上海宝田海工型，由于适应性不是很好，易造成混凝土外观缺陷，后及时进行了调整。 墩身混凝土浇筑采用75 m3/h的混凝土拌和站集中拌料，混凝土搅拌车运送，混凝土泵车布料入仓。见图8。混凝土采用喷涂

12、养护液养护。前期施工的墩身存在局部错牙、色差、砂线、气泡等外观通病，后经采取修整模板、控制坍落度、优化配合比、调整原材料并优化操作流程等措施，有效改善了墩身外观质量，现在施工墩身各项质量指标均满足设计和规范要求。4.5 支座垫石施工支座垫石原设计是待墩身安装就位后现浇，考虑减少海上作业环节，后改为在预制墩身时一并施工，其顶标高预留3cm，以便支座安装后进行压浆。由于垫石位置精度要求较高：轴线平面位置20mm，顶标高10mm，垫石施工须用测量仪器进行放样。支座垫石采用和墩身一起预制工艺，是一个较好的尝试，从目前施工情况看，其质量能满足规范要求。图8 墩身预制过程图4.6 墩身运输及安装墩身安装分

13、两种方式：重量300t以下墩身，采用350t全回转浮吊自行运输安装或驳船运输和500t浮吊吊装；300t以上墩身，采用500t固定式扒杆浮吊直接吊运安装。1）浮吊选型、吊高Hh1+h2+h3+h4+h5-h6，式中：h1墩身高，取最大值18.383m(包括底部1.0m锚筋)h2吊具高，取5mh3吊钩高，取2mh4低潮位时水面至承台顶距离6.58mh5富裕高, 取2mh6干舷高，取2m 则H应不小于32.0m、吊幅Ll1+l2+l3 式中：l1墩身中线距承台边缘距离，取最大值23ml2船艏距承台最小距离，按低潮位时扒杆倾角50不碰承台考虑，取5.5ml3安全距离，取1m则L应不小于29.5m图9

14、 墩身吊安示意图根据吊高、吊幅和墩身自重要求，并考虑杭州湾海况条件，选用350t/500t浮吊，其性能参数满足要求，见表2。 浮吊性能表 表2项 目350t500t起重量（主钩）350t1=350t250t2=500t船舶尺寸58.86274.867244.2有效伸距15-4520-40起升高度40m53m备注全回转扒杆固定扒杆2）吊具预制墩身的起吊采用专门设计的吊具进行，考虑同时适应固定扒杆和全回转扒杆两种浮吊的安装需要，吊具设置成十字形，具体结构如图10所示，墩身预制时按要求预留吊具安装孔。吊具组成见表3。专用吊具组成 表3序号设备组成规格型号数量备注1专用吊架2.8x1.6x0.8m1个

15、2专用吊索857mm平行钢索2组配冷铸锚具，可水平滑动图10 吊具3）墩身出运由龙门吊吊起墩身，运至码头前沿，放于转运平台上，用浮吊装船或直接吊运，浮吊驻位见示意图。装船时须使墩身落在预定的位置，并加固牢靠，防止风浪对船的影响。因墩身底部有伸出的钢筋，墩身预制时设置了专用钢台座，装船时须与墩身一并吊运，安装时起吊墩身，拆除底座，运回预制场重复使用。图11 墩身出运图图12 500t浮吊装船及直接吊运示意图4)墩身运输墩身的运输应在风力小于6级，流速小于2m/s，波高小于1.5m时进行。当采用350t全回转浮吊时，墩身可直接放在浮吊上运输，每次可装2个；采用专门运输船时，根据墩身重量，每次运24

16、个；采用500t固定扒杆浮吊时，直接吊运，每次1个。在流速大的水域采用全回转浮吊安装墩身，工效较固定扒杆浮吊显著。5）墩身安装及临时固定墩身安装一般选择潮位低于2m , 流速小于2m/s，波高小于1.5m, 风力小于6级时施工。因预制墩身底部有锚筋，不能直接安装，经反复研究，通过设置预制钢筋混凝土定位支座予以解决。定位支座由六个起支承墩身及限位导向作用的钢筋混凝土短柱构成，其间设联系撑形成整体结构。定位支座安装于墩座中，通过锚筋固定在承台上，其导向面下口尺寸比墩身外每边大1.0cm ，确保墩身安装平面偏位小于规范规定的20。其顶面平整（所有支座短柱的顶面高差在5mm 以内）、支座短柱顶面标高与

17、设计标高相差在+0-10mm以内。当墩身就位后，将墩身与承台的预留钢筋用特制的卡环连接，然后将吊具解除。必要时，还可将墩身钢筋与承台预留筋焊接起来。经验算，墩身安装后，在未采取任何加固措施前，在风速达30.7m/s (30年一遇), 水流速度3.5m/s 、 波高h=4.75m条件下，最大倾覆力矩为1917 KNm，远远小于抗倾覆力矩为4401KNm，故墩身安装后是稳定的。墩身安装定位支座，原设计为6个独立的钢筋混凝土支撑短柱，整体稳定性较差，现场需设置联系杆件，导向装置直接利用短柱顶部倒角且为外导向，需截断墩身主筋，且安装精度控制是个难题。后采用整体支座内导向定位方法，有效解决上述问题。首先

18、整体支座稳定性较好，现场无需另行设置联系撑，且便于吊装，提高了工效，其次导向装置改为焊于短柱顶的钢件，可在支座就位好后现场二次安装，控制精度大大提高，改为内导向后，无需截断墩身主筋，有利于保证工程质量图13 卡环示意及安装效果图 图14 预制墩身定位支座示意图6）墩身安装测量墩身安装精度要求较高，轴线偏位：20mm，顶面高程：10mm，垂直度：0.3%H且不大于20mm（H为墩身高度）。由于墩身安装施工时，海中优先墩观测墩已施工完成，平面和高程首级加密工作已由大桥测量控制中心完成，测量采用常规电子或光学仪器进行。根据安装进度，提前在承台上做出加密点或临时转点，以缩短前视视距来减小误差，防止误差

19、积累，保证安装精度。墩身安装测控内容主要包括支座安装放样和墩身安装就位控制两大部分，每个墩身的安装按照：坐标系统的转换 支座安装放样测量 支座短柱顶标高 限位板边线放样测量 墩身吊装定位测量 安装竣工测量的步骤进行。安装支座的定位测量采用和水准仪结合的方法，墩身吊装定位测量主要是全站仪三维坐标法，墩身顶面位置控制是在相邻墩的加密控制点或临时转点上架设TCA1800全站仪（如图16所示）。 平面位置放样：在加密点上架设全站仪，并尽可能后视较远的优先墩控制点，用极坐标法分别在上下游承台顶面对称承台轴线放样出1234和5678两个58米的矩形临时控制网，见图15。高程放样：优先墩和有加密高程点的承台

20、可以用水准仪直接放样，无加密高程点的承台是将加密点的高程用全站仪以三角高程单向测量四测回取平均值的方法传递到要放样的承台上，然后用水准仪放样。要求是绝对标高允许偏差-10mm0mm，6个支撑点的相对高差不超过2mm。 图15 墩身安装临时控制网示意图图16 墩身顶面位置控制示意图4.6 墩座混凝土施工现浇墩座采用为C40海工高性能混凝土，其氯离子（12W龄期）扩散系数要求不大于1.510-12m2/s。由于墩座的位于腐蚀环境最恶劣的浪溅区，加之施工缝较多， 其施工质量将直接影响到结构的使用安全，是确保混凝土耐久性的关键部位。因此在施工中选配了制抗裂性好、水化热低的混凝土。配合比为：水胶比为0.

21、33，胶凝材料405Kg，其中水泥选用海螺P42.5，矿粉选用朱家桥优质矿粉，粉煤灰选用谏壁电厂级灰；粗集料1032Kg，选用宁波青峙525级配良好的碎石；细集料779Kg，选用福建闽江优质中砂；外加剂选用上海麦斯特SP-8CR；同时加入山西凯翕克阻锈剂。混凝土坍落度为120160mm。墩座钢筋在作业船上进行加工，吊机吊入现场绑扎。模板用吊机人工配合安装，采用隔水模板，用膨胀螺栓固定在承台上,见图17。混凝土浇筑采用搅拌船供料，吊罐布料工艺。前期施工曾尝试泵送工艺，由于混凝土坍落度控制难以达到1216目标，为确保混凝土外观质量，及时进行了工艺调整。墩座施工中须控制的关键操作环节：防止海水进入模

22、板内，模板拼缝及模板与承台之间垫与模板同宽的35mm厚的PEF板进行堵漏，模板上口预留一定高度（80cm）以做挡浪之用，1m加高模板视潮位高低采用；对新老混凝土接合面承台槽口进行凿毛处理并能露出粗骨料，清除杂物并用淡水清洗干净；现场加强管理，确保混凝土振捣质量，严格杜绝漏振、振捣不足及过振现象，及时进行养护，养护时间不少于10天，并且宜尽量推迟与海水的接触时间。由于承台施工与墩座施工有一定的时间间隔，有的甚至超过半年，墩座预埋在承台顶部的钢筋在海水中反复浸泡，极易腐蚀，很难保证其设计性能，必须采取防腐措施。初期采用涂刷水泥浆包裹的方法防腐，由于水泥浆易开裂、脱落，效果不理想，并且因掺加了建筑胶

23、水，给后期墩座施工时清理钢筋造成困难。后经多次研究试验，选取了锌加防腐工艺。锌加是一种由高纯度锌粉和有机树脂配置的单组分涂料，兼有阴极保护与屏障式保护双重作用，可直接涂刷在预埋钢筋表面，经半年多的应用，效果较好，操作也较简便。图17 墩座隔水模板4.7墩座混凝土防腐墩座处在腐蚀条件最恶劣的浪溅区，由于受海水长期侵蚀，结构被严重损坏的风险极大。从某种意义上说，墩座防腐蚀是本工程一个至关重要的环节。从构造分析，墩座与承台联接为盆腔结构，预制墩为空心墩，现浇混凝土与空心墩的接触面及现浇混凝土与承台盆腔的接触面，极易因新浇混凝土收缩产生裂缝，形成海水腐蚀通道。同时由于墩座混凝土上、下都受到约束，新浇混

24、凝土本身也极易开裂。前期施工的部分墩座侧面就出现了不同程度的表面裂缝，后从优化砼配合比、调整配筋和增加聚丙纤维等方面着手解决，经过大量的试验和改进，基本得到了有效控制。为确保墩座的耐腐蚀性，其外表尚应进行特殊防腐处理。目前比较有效处理措施是在混凝土表面浸渍硅烷，这也是杭州湾大桥专用技术规范推荐的一种方案。通过前期的硅烷喷涂试验结果看，能满足防腐需要。试验结果见表2。硅烷喷涂试验结果 表2序号检测项目检测结果1芯样的吸水率(mm/min1/2)小于0.0052浸渍深度（mm）3.46 3.17 3.5 2.9 3.08 3.243氯化物吸收量降低效果(%)90.5根据本工程的特点，硅烷喷涂施工应

25、尽可能选择在天气晴朗、低潮位时间比较长、水流风浪比较小的情况下进行施工，以保证施工效果。适当的施工条件是5-38（40-100）下，不能在下雨前4小时内、风大、强烈阳光直射时及其他不适宜的情况下喷涂施工。5、施工效果5.1 进度方面墩身预制从2004年8月18日开始第一个墩身混凝土施工，至2005年6月25日已完成180个，平均18个/月，最高为2005年3月份，达26个/月；墩身安装从2004年10月10日开始第一个墩身就位，至2005年9月底已完成210个，平均18个/月，最高为2005年4月份，达25个/月，满足总体工期要求。5.2质量方面1）预制墩身对已完成评定的170个墩身的质量情况

26、进行统计，结果如下：砼强度：平均值58.5mpa，最大值63.6mpa，最小值53.7mpa；断面尺寸偏差：平均值4.3mm，最大偏差14mm；高度偏差：平均值4.5mm，最大偏差9mm；平整度：平整度最大值5mm；预埋件偏差值：最大值7mm。质量符合设计要求和杭州湾跨海大桥专用技术规范规定。2）墩身安装 经对已安装的100多个墩身经过复测,其轴线偏位、高程、垂直度等基本满足规范要求，结果如下表所列。项目轴 线 偏 位高程偏差（mm）垂直度顶面轴线偏位（mm）底面轴线偏位（mm）区间010102020300101020203001010以上合格超限个数624625748573371082百分比

27、56.4%41.8%1.8%51.8%43.6%4.6%66.4%33.6%98.2%1.8%备注轴线偏位按墩身顶、底口纵横向偏位中较大的偏位统计3）墩座墩座外形尺寸及混凝土强度均符合设计及规范要求，无孔洞、蜂窝、夹渣、麻面等混凝土质量通病，但前期施工的部分墩座侧面就出现了不同程度的表面裂缝，宽度范围亦在0.050.10mm之间。后经过大量的试验和改进，得到了有效控制。对于已经出现的裂纹，正在按照杭州湾跨海大桥混凝土裂缝及缺陷修补技术规程进行修补。 6、结语：目前，杭州湾跨海大桥墩身施工进展顺利，已预制完成180个，安装170个，墩座浇筑164个，施工进度、质量、安全均实现了预期目标，应该说，

28、本工程的墩身设计及施工取得了成功，为以后类似工程提供了成功范例。通过本工程的施工，笔者有以下几点体会：1、在杭州湾恶劣的工况条件下，施工如此多的墩身，采用整体预制安装设计，变海上施工为陆上施工，大大减少了海上作业时间，降低了安全风险，同时加快了施工进度，提高了墩身质量。2、海上施工对船机的性能要求较高，由于工况条件恶劣，船机选用宜偏大考虑，特别是锚泊系统的配置，要有一定的安全储备，防止船舶走锚。3、由于墩身远离陆地并且呈线形排列，测量控制点必须依托工程结构物布置,在复杂外力作用下的结构物的稳定性直接影响到测量仪器的精度从而影响加密控制网和放样点的精度，因此必须正确分析外界因素的影响，选择最佳观

29、测时间和合理的测量方案进行控制网逐级加密工作，选择合理放样方法来保证施工放样的测量精度。4、采用整体支座内导向定位墩身方法，整体性好，便于吊装，提高了工效，控制精度大大提高，无需截断墩身主筋，有利于保证工程质量。5、为控制墩座裂纹，混凝土掺加了佳路得聚丙烯纤维，其具有有良好的抗化学物质性能，且施工性能好，纤维易于在混凝土内分散。就抗裂性能而言，虽然目前为止还没有纤维加强混凝土专用于海上桥梁防裂的成功先例，但其可推迟裂缝的出现时期、降低已发生裂缝宽度的作用在以往工程应用中早有验证，我们在墩座混凝土掺加聚丙烯纤维用于防裂是一个积极地尝试，从目前效果来看，基本达到了预期目标。下一步，我们拟在墩座保护层范围内增设不锈钢网片进行防裂试验，效果如何需假以时日。6、墩座混凝土裂纹问题经研究并通过大量工艺试验，找到了相应的对策，目前裂缝逐步得到有效控制。但由于产生裂缝的原因较多，随着外界条件的改变，裂纹控制效果易出现波动，是否能采取一种改变墩座混凝土表面受力的方法，彻底控制墩座裂纹的开展，还有待进一步研究。- 16 -