桥梁沉箱复合桩基础及其逆作建造方法.pdf

本发明公开了一种桥梁沉箱复合桩基础及其逆作建造方法。它是将桥梁沉箱下沉着床后，在沉箱内部进行桩施工，并将桩的上部与沉箱底部连接成整体形成沉箱复合桩基础。该发明通过在沉箱底板上布置钢管桩形成复合基础。陆地预制沉箱下水后，浮运下沉至挖泥后的海床上并调平定位，人员从沉箱顶部预留孔进入沉箱内部，通过沉箱底板上预留孔打入钢管桩，同时进行上部结构施工，待钢管桩打设完成后，沉箱底板与钢管桩浇筑砼连接，由沉箱底板和桩共同承担荷载。该基础建造技术适用于跨海深水、厚软土地基桥梁基础的施工。除沉箱的浮运下沉、挖泥作业受深水、风浪环境影响外，其余工序均在沉箱内部常压、无水的环境下逆作法实现，可缩短工期。

1.  一种桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，它是将桥梁沉箱下沉着床后，在沉箱内部进行桩施工，并将桩的上部与沉箱底部连接成整体形成沉箱复合桩基础。

2.  如权利要求1所述桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，其特征在于，沉箱底板上设预留孔，预留孔内设有“堵头”钢管桩，沉箱底部与桩之间设置密封防水装置。

3.  如权利要求1所述桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，其特征在于在沉箱内部进行桩施工时，沉箱上部同时进行桥塔上部结构施工。

4.  如权利要求1或3所述桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，其特征在于桥塔上部结构合拢前再将桩与沉箱底板二次浇筑砼连接。

5.  如权利要求1所述桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，其特征在于其建造过程为：(1)基础清淤；(2)沉箱下沉着床；(3)沉箱定位；(4)沉箱内进行打设桩施工；(5)沉箱内底板砼浇筑施工，将桩与沉箱底板连接成整体。

6.  如权利要求5所述桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，其特征在于所述沉箱内进行打设桩施工为：(1)在沉箱底板上的首节防水“堵头”钢管桩上焊接下一段钢管桩，振打使钢管桩下沉；(2)在本段钢管桩打入到沉箱底板以下后；振动锤脱离，焊接接长下一段钢管桩；再次振打钢管桩下沉；循环第(2)步直至一根桩打至设计标高。

7.  如权利要求6所述桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，其特征在于在振打下沉钢管桩时，同时补充压注密封油脂。

8.  如权利要求6所述桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，其特征在于开始几段钢管桩接长前，钢管桩与沉箱底板之间焊接止推牛腿。

9.  如权利要求5所述桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，其特征在于在沉箱定位后，对沉箱底板与地基之间的空隙进行填充。

10.  一种桥梁沉箱复合桩基础，它包括桩，其特征在于桩与沉箱底板连接；桩与沉箱底板之间设密封装置。

11.  如权利要求10所述桥梁沉箱复合桩基础，其特征在于沉箱底板设预留孔，预留孔壁设密封钢环，密封钢环纵向间隔设置密封刷。

12.  如权利要求11所述桥梁沉箱复合桩基础，其特征在于两相邻密封刷之间设有密封油脂。

13.  如权利要求12所述桥梁沉箱复合桩基础，其特征在于沉箱底板砼中设有密封油脂注入管道，密封油脂注入管道注入口设在沉箱内，密封油脂注入管道注出口设在相邻密封刷之间。

14.  如权利要求10所述桥梁沉箱复合桩基础，其特征在于钢管桩与沉箱底板之间连接止推牛腿。

桥梁沉箱复合桩基础及其逆作建造方法
技术领域
本发明属于深水桥梁基础构造及建造，具体涉及一种桥梁沉箱复合桩基础及其逆作建造方法。
背景技术
目前的桥梁基础结构型式有高桩承台基础、低桩承台基础、沉井基础、沉井加桩基础、沉箱基础等。
由于桩基础具有将上部载荷直接传送到深部较好持力层的优点，在遇到深厚软基或覆盖层中赋存有软弱夹层时，可克服深厚软基的工后沉降问题，因此往往采用桩基承台基础。而根据地层条件和施工条件，桩基础又分为钻孔灌注桩和打入钢管桩。其中打入钢管桩在跨海桥梁中应用较多。而钻孔灌注桩基础加双壁钢围堰的复合桩基础型式在我国应用较多，这是由于一方面双壁钢围堰可以用于桩基施工用的临时围护结构，便于基础的施工；另一方面，该结构在基础施工完后可以用做永久防碰撞设施，起到保护桥梁基础的作用。
而水中沉井基础应用较少，屈指可数的有海口世纪大桥等为数不多的几座，沉箱基础则还未曾使用。
国外对于深水浅覆盖层桥梁基础多采用管柱基础或沉箱基础，如日本大鸣门大桥主塔墩基础采用了直径达Ф7.0m的大直径多柱式基础，而日本横滨港横断桥更是采用了直径达Ф10.0m的大直径多柱式基础，日本明石海峡大桥、丹麦的大带桥东桥、加拿大诺森伯兰海峡大桥等均采用了预制沉放沉箱基础。而对于深水深厚软基上的桥梁基础较多地采用沉井或沉箱复合基础，如日本名港中央大桥采用气压沉井，印度超人甘地桥(Mahatma Gandhi Bridge)采用沉井基础，而希腊里奥-安蒂里奥桥(Rion-Antirion)采用了在钢管桩和碎石加固后形成的复合地基上安放预制沉箱的复合基础，其基础水深达65m，首先进行基础位置的海底挖泥清淤作业，敷设90cm厚的反滤砂层，然后利用水上移动工作平台插打250根直径2m钢管桩至水下，最后再以1.6～2.3m厚的鹅卵石层以及50cm厚的碎石层覆盖，采用了水下机器人进行基础地基处理，最后将在干船坞和湿船坞预制的圆型沉箱基础整体浮运就位后压水下沉安置在用钢桩加固好的复合地基上。
针对跨海桥梁深水(水深大于50米)、厚覆盖软土层的建设条件，设计上需要克服两个技术难点：一是基础型式要适应巨大的波浪力、地震力和船舶撞击力等水平力，另一是深厚软土地层的工后沉降问题。高桩承台基础无法满足海洋深水条件下的巨大水平力设计要求；若采用低桩承台基础，按目前的桩基础设计理论，建立在满足承载力的基础上，即按上部结构荷载来确定桩数及桩长，显然这对于沉降过大而采用桩基的情况来说，采用这种传统的桩基过于保守了，造成了过高的基础工程费用，且深水条件下低桩承台基础施工难度巨大，因此对于深水软基的桥梁基础而言，低桩承台基础不能适应；若采用沉箱、沉井结构基础，虽然基础的竖向承载力和水平力适应性较好，但对厚覆盖软基层不进行任何处理则会造成较大的工后沉降，这对桥梁的上部结构不利，因此需要解决工后沉降变形这一主要技术难题；沉井加桩基础虽能有利于解决工后沉降变形，但沉井能否顺利下沉与地质条件关系密切；类似里奥-安蒂里奥桥的沉箱复合基础也有利于解决工后沉降变形，但复合基础施工需克服恶劣的海洋环境条件，且成本巨大。因此，当遇到深水(水深大于50米)、深厚软基覆盖层的建设条件时，以上现有的桥梁基础型式均存在局限性，难以适应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应深水厚软基的建设条件下的桥梁沉箱复合桩基础及其逆作建造方法，以解决上述问题。
本发明的桥梁沉箱复合桩基础逆作建造方法，它是将桥梁沉箱下沉着床后，在沉箱内部进行打桩施工，并将桩的上部与沉箱底部连接成整体形成沉箱复合桩基础。
在沉箱内部进行桩施工时，沉箱上部同时进行桥塔上部结构施工。
桥梁沉箱复合桩基础逆作建造其建造过程为：(1)基础清淤；(2)沉箱下沉着床；(3)沉箱定位；(4)沉箱内进行打桩施工；(5)沉箱内底板砼浇筑施工，将桩与沉箱底板连接成整体。
本发明的桥梁沉箱复合桩基础，包括桩，桩与沉箱底板连接；桩与沉箱底板之间设密封装置。
本发明沉箱复合桩基础桥梁结构型式：在沉箱底板上布置钢管群桩，并与沉箱底板固结，形成一种沉箱复合桩基础型式，即：沉箱基础底板承担部分外荷载，桩基础承担部分外荷载并控制工后沉降。由于沉箱本身具有较好的抵抗深水条件下巨大水平力的特性，而桩基础可将荷载传递至地层深处，适应厚软土层地基工后沉降变形的特点。因此，二者结合起来的沉箱复合桩基础是深水、厚软基桥梁基础的理想型式。
沉箱复合桩基础逆作法建造工艺的实现：预制沉箱基础先沉放于挖泥清淤后基本平整的海床面上，通过调平定位技术调平水下沉箱，然后从沉箱内部预留的孔洞内打设钢管群桩，最后钢管桩与沉箱底板现浇一层钢筋砼固结，形成整体受力的沉箱复合桩基础。即与传统的先施工桩基础、后施工承台的工艺相反，形成先施工沉箱后施工桩基础的逆作建造方法。
本发明具有以下特点：
1、除沉箱的浮运下沉、基槽挖泥作业受海洋深水、风浪环境影响外，其余的基础施工均在沉箱内部常压、无水的环境下作业，基本不受外海深水、风浪等恶劣海洋环境的影响，基础施工作业时间可控，并大大降低施工措施成本；
2、利用可靠的钢管桩与沉箱预留孔之间的密封防水技术，从沉箱内部穿过沉箱底板打设钢管桩变为可能，实现了在超50米深的水面以下常压、无水且安全的作业施工条件，变海上施工为陆地施工；
3、利用压载水箱控制浮力技术、沉箱定位桩调平技术和沉箱底板压砂技术，能方便地将巨型沉箱在50米深的水面下调整水平定位，从而使沉箱着床的基床面不需要很高的平整度(2米以内的高差均可接受)，挖泥结束后可省去水下整平作业，因为超过50米水深的水下整平作业本身就十分困难；
4、采用逆作法施工工艺，即：沉箱下沉着床后，从沉箱内部打设钢管桩可与桥塔等上部结构同时进行，不同于常规的必须等基础施工完成后方可进行上部结构施工，可缩短工期；
5、在桥塔等上部结构施工过程中，仅由沉箱底板承受基础自重和大部分上部荷载，上部结构合拢前再将钢管桩与沉箱底板现浇钢筋砼连接，钢管桩才参与受力。因此可在上部结构合拢前的施工期完成恒载作用下的大部分沉降，最大限度发挥沉箱底板范围内海床的地基承载能力，运营期由钢管桩和沉箱底板共同受力。
附图说明
图1-1至图1-10为沉箱复合桩基础具体的施工步骤流程图。
图2-1至图2-4为沉箱内钢管桩打设流程示意图。
图3-1至图3-3为沉箱复合桩基础的沉箱结构示意图。
图4钢管桩与沉箱预留孔之间的防水密封结构示意图。
具体实施方式
本实施例用于对本发明技术方案的解释，本发明要求保护的范围不限于下例描述的施工步骤及相应的结构。
桥梁沉箱复合桩基础的逆作施工：
基础清淤：
挖泥船12进行基础清淤开挖，开挖出沉箱沉放的基槽13，床面基本平整即可(2米以内的高差均可接受)(附图1-1)；
沉箱下沉着床：
沉箱14陆上整体预制后入水，浮运至现场，利用锚碇系统15将沉箱锚碇定位，沉箱内部净空高度不小于5米，顶部预留的供人员、材料和设备进入的洞口5，沉箱内部结构分离的各格舱，格舱壁4上设有相通的门洞，供人员往来和材料运输，以满足内部打桩作业，沉箱底板预留钢管桩孔洞3(附图1-2)
沉箱内布置有压载水箱，通过往压载水箱内注水，控制沉箱下沉着床，必要时也可抽水起浮，控制沉箱的浮力大小。着床后沉箱顶部露出水面；(附图1-3)
沉箱定位：
材料、设备通过沉箱顶部预留洞口5输送入沉箱内部空腔，人员进入沉箱内部作业，先在沉箱内部四角打设四根钢管桩2，作为调平定位桩，钢管桩与沉箱底板之间安放千斤顶，同时通过往压载水箱内注水或排水，控制沉箱的浮力大小，当沉箱的负浮力只有数十吨时，只需要较小的千斤顶顶力，就可将沉箱调整至基本水平。然后四根定位桩与沉箱底板临时固定，保持沉箱水平(附图1-4)；
沉箱外围四周基槽回填块石16，起冲刷防护及锁定回填作用(附图1-5)；
通过预制沉箱时预埋在底板砼11中的压砂管7，利用高压压砂泵，从水面船舶或沉箱内部往沉箱底部压注粗砂17，填充因基槽开挖不平整，沉箱底板与地基之间的空隙20(类似沉管隧道的压砂基础)。(附图1-6)；
沉箱内进行打设桩施工：
沉箱内部继续打设其余的钢管桩2，每根钢管桩打设到设计深度后，桩顶部露出沉箱底板一定的锚固高度，且与沉箱底板之间不作连接，允许在同时进行桥梁上部塔柱结构1施工时，沉箱与钢管桩之间发生相对位移，这样施工期恒载作用下沉箱可继续完成沉降，最大限度发挥沉箱底板范围海床地基承载能力(附图1-7)；
沉箱基础以上桥梁结构1与内部钢管桩2打设同步施工，待全部钢管桩打设完成后，沉箱内灌满水压重，加速地基沉降(附图1-8)；
沉箱内底板砼浇筑施工，将桩与沉箱底板连接成整体：
上部塔柱结构1施工完成后，抽空沉箱内水，沉箱内底板上绑扎钢筋，浇筑砼18，使钢管桩与沉箱永久固结，钢管桩与沉箱共同受力(附图1-9)；
沉箱内底板砼浇筑完成后，上部结构19继续施工直至合拢。(附图1-10)
其中沉箱内打设钢管桩作业流程为：
沉箱下水前，所有的钢管桩位预留孔洞利用首节闭口的短钢管桩2封堵，作为“堵头”，钢管桩与沉箱底板之间焊接水压止推牛腿21，防止沉箱下水后“堵头”在水压作用下被推出；(附图2-1)；
采用高压油泵通过管道6往钢管桩与沉箱预留孔洞之间的环形缝9内压注密封油脂，密封所有的“桩-箱”空隙，形成三道“钢丝刷-油脂”密封圈。并随同沉箱下水；(附图2-2)；
于首节“堵头”钢管桩上焊接下一段钢管桩2(长约2～3米/节)，采用起重设备(如叉车)起吊液压振动锤，振动下沉钢管桩2，同时补充压注密封油脂；(附图2-3)；
本段钢管桩2打入到沉箱底板以下后(仅需露出20cm左右以方便焊接下一段钢管桩)，振动锤脱离，焊接接长下一段钢管桩；再次起吊液压振动锤振动钢管桩下沉。(附图2-4)；
循环第4步直至一根桩打至设计标高。
开始几段钢管桩接长前均应焊接止推牛腿21，以防止水压将钢管2顶回，钢管桩入土一定深度后摩阻力可以抵抗水压力则可取消止推牛腿21。
桥梁沉箱复合桩基础的结构：
如图3-1，图3-2所示，沉箱14沉箱内部净空高度不小于5米，顶部预留的供人员、材料和设备进入的洞口5；沉箱内部结构分离的各格舱，格舱壁4上设有相通的门洞，供人员往来和材料运输，以满足内部打桩作业；沉箱底板上连接桩2；沉箱底板预留钢管桩孔洞3(所示图3-3)；
沉箱底板与桩连接结构如图4所示：沉箱底板11设预留孔3，预留孔3壁设密封钢环10，密封钢环10纵向间隔设置密封刷8，两相邻密封刷之间环形缝9设有密封油脂。沉箱底板11砼中设有密封油脂注入管道6，密封油脂注入管道注入口设在沉箱内，密封油脂注入管道注出口设在相邻密封刷之间的环形缝9。钢管桩2在沉箱建造时为“堵头”，用于将沉箱底板密封。
开始几段钢管桩接长前，钢管桩与沉箱底板之间连接止推牛腿均应焊接止推牛腿21，以防止水压将钢管2顶回，钢管桩入土一定深度后摩阻力可以抵抗水压力则可取消止推牛腿21。