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沙漠深谷建设中的西拉沐沦特大桥

时间:2022-05-24     作者:常魁星 张铮 路国伟【原创】   阅读

—— 中交路桥华北工程有限公司西拉沐沦特大桥项目技术创新解难题 


       五月,正是草原春回大地万物复苏之时。行走在西拉沐沦特大桥施工沿线,放眼望去,彩旗飘飘,塔吊林立,工人们兢兢业业,运输车辆来往穿梭,一派繁忙的劳动景象。近日,中交路建承建的西拉沐沦特大桥无索段全部完成,标志着主桥全面进入斜拉索施工阶段。这座世界最高、跨径最大的混凝土结构多矮塔斜拉桥,随着工程的快速推进,也越来越多引人关注。  

        西拉沐沦特大桥,位于浑善达克沙地,是丹锡高速公路经乌段的重点控制性工程,是目前国内首座在风积沙峡谷 区建设的桥梁,施工难度大、技术要求高。中交路桥华北工程有限公司西拉沐沦特大桥项目团队选定主攻方向, 解难题,出对策,求实效,形成了一批在前瞻科技、核心领域具有自主知识产权的创新成果。从进场一片荒芜,到西拉沐沦特大桥栈桥贯通;从超长桩灌注,到超大体积围堰承台施工;从全封闭液压爬模推进,到宽幅挂篮推进。回忆过去一路汗水的日日夜夜,项目参建员工的心里无不感触万千。

       西拉沐沦特大桥为丹锡高速经乌段的控制性工程,全长2064米,跨越辽河源头西拉沐沦河,横亘在浑善达克沙地上。主桥为128+5×240+128米六塔七跨预应力混凝土矮塔斜拉桥,采用单索面双排斜拉索,主墩桥面高度170米,墩塔外观形似宝剑,与古老的红山文化交相辉映,串联起了克什克腾世界地质公园,彰显人与自然和谐共生的建筑理念。 

        在我国,沙漠的总面积约63.7万平方公里,占全国陆地的6.8%左右,主要分布在西部的新疆(40.4%),甘肃(6.6%),内蒙古(5.2%),宁夏(4.1%)及青海(3.5%)等省区。浑善达克沙地是中国十大沙漠沙地之一,位于内蒙古中部锡林郭勒草原南端。第四纪受东亚季风及其变迁影响,环境在温带荒漠草原至森林草原之间波动变化,沙漠扩展与沙丘固定,形成温带黄色季风型沙漠沉积。

       西拉沐沦河又名潢水,发源于浑善达克沙地边缘的克什克腾旗境内,全长1250公里。它是北方民族的摇篮和发祥地。中国考古学泰斗苏秉琦先生生前说,如果说黄河是中华民族的母亲河,那么西拉沐沦就是我们的祖母河。闻名遐迩的红山文化、蒙元文化就诞生于潢水之滨,曾有诗云:“日出红山后,龙兴潢水源”。经过亿万年的流水侵蚀,终于在浑善达克沙地形成了西拉沐沦大峡谷。

       风积沙是被风吹,积淀的沙层,多见于沙漠、戈壁。其粒径主要分布在0.074~0.250㎜之间,含量高达90%以上,大于0.25㎜的颗粒极少,仅为0.1%。而小于0.074㎜的颗粒也只有不足9%。不均匀系数约为1.35。风积沙一般具有结构松散、级配不良、孔隙率大、透水性强、保水性较差、水稳性好、粘聚力小甚至无粘聚力、抗剪强度低的特点.其矿物成分以石英、长石、云母为主,易溶盐含量很小,其化学性质呈微碱性,无腐蚀性。

       万丈高楼平地起,处于沙漠之中的特大桥来说,基础能否稳固成型决定了它的建设走向,西拉沐沦特大桥最长桩基深度102米,大部分桩基都处于70m以上的风积沙地层中,引桥4#~6#墩、15#~16#墩,主桥过渡墩7#墩、14#墩位于西拉沐沦河两岸风积沙山坡上,在此地区进行岸坡开挖和桩基施工,往往事故发生率高、速度慢。大桥施工的难点问题有: 

      (1)岸坡墩位基础施工安全问题

       ①滑坡风险极高,作业平台难以形成。 

       桩基施工前,必须搭设坚实牢固的作业平台,以满足设备和劳动力作业环境要求。而施工墩位处作业平台需要对承台周边山体进行切坡,墩位开挖防护难度极大,易造成岸坡面大面积滑塌。

       ②缺乏行之有效的岸坡支护措施

       岸坡高差大,加之双向临空面影响,上坡面主动土压力远远超出常规项目,岸坡支护设计的系统性、复杂性、可控制超出预期。

       ③机械设备安全 

       机械设备没有稳固的作业面。特种机械作业需要有坚实稳固,保持一定水平位置的作业面,才能保证机械安全。目前修建钻孔平台、实施支护措施的施工机械在风积沙坡面没有稳定的作业面,自身安全稳定也无法保证。 

       ④现场人员安全 

       潜在滑坡安全威胁对现场人员极易造成坍塌、高处坠落、机械车辆伤害。 

      (2)桩基施工质量问题

       巨厚砂层中钻孔灌注桩施工可能出现的问题有:

       (1)易造成塌孔、埋钻事故,严重者易出现塌串孔; 

      (2)砂粒细度细,清孔难度大,浇筑过程中沉淀快, 易引起孔内沉渣厚、桩底有缺陷;

      (3)灌注砼时局部孔壁坍塌造成桩身“夹心”的缺陷。 

       发生这些情况不但造成施工进度慢,延误工期,而且给承建单位造成巨大的经济损失。如何因地制宜,确定可行、可靠的风积沙岸坡注浆加固方法和超长大直径桩成孔工艺,实现又好、又快、又安全地完成桥梁基础施工,一直是工程建设者的努力方向和追求的目标。 

       在大量工程背景下,风积沙的研究主要集中在风积沙化学和矿物成分、颗粒组成、基本的物理性质、施工工艺和质量检测方法等。未见对风积沙岸坡的加固效果和机理的研究。国内对于巨厚风积沙层大直径长桩的研究很少,只是就厚砂层钻孔灌注桩的施工质量控制病害防治有部分研究,尤其是对于风积沙层大直径桩,细沙层在40m以上的长桩、超长桩国内还没有相关研究先例。

       针对风积沙岸坡施工,中交路桥华北工程有限公司西拉沐沦特大桥项目研究团队首先开展了风积沙岸坡的安全稳定性分析。通过建立精细化的分析模型,考虑砂土层界面的力学特性、水位变化等因素,计算分析边坡的滑动面深度及安全系数,获得对边坡稳定性影响极大的潜在滑动面,为边坡的加固范围和加固方法提供依据。 

       综合考虑诸多规范规定及大桥施工期及长期安全运行的要求,选定西拉沐沦特大桥岸坡稳定性安全系数控制标准。考虑施工工序对岸坡稳定性的影响,我们从多墩同时施工、从上往下施工、从下往上施工、单墩施工等方面分别进行了分析,除单墩以自然边坡进行放坡开挖处于基本稳定外,按其余工序施工,岸坡均处于不稳定状态,安全系数均不能满足施工,但单墩施工削坡方量太大,最大达69625m3。通过对风积沙岸坡进行安全稳定性分析,我们得出以下结论:多墩施工,稳定性难以满足要求;单墩施工,削坡方量巨大;放坡开挖难以在本项目实施;岸坡施工前需进行支护加固。 

       接下来项目拟定两个初步加固施工方案(钢平台、注浆防护)进行比选。采用钢平台施工时,钢板桩、钢管桩振沉施工时的激振力对岸坡稳定的影响无法避免,且极易出现边护边塌的情形,对作业人员、机械安全隐患极大。施工工期长。岸坡面上各墩位需要等便道初步成型后依次自下而上进行施工,单个平台搭设处理时间在1个月左右,且需要待所有岸坡面钢平台搭设完毕,观测稳定后再进行桩基施工。平台搭设完成后仍然有可能受雨水冲刷和钻机作业时振动、施工引发山体应力状态变化,导致整体失稳,需要密切进行监控监测。桩基施工完毕,破除桩头需拆除平台、割除护筒后施工,而后续承台没有基底作业面,无法施工。 

       采用注浆防护施工时,注浆钻机振动小施工时对岸坡的影响较小,能有效避免出现岸坡滑塌的问题。施工工期短,因注浆钻机对岸坡扰动小,各墩位注浆加固可以同时进行。施工完成后,岸坡整体稳定性得到了改善,后续施工发生整体失稳的可能性较小。注浆完成后,桩基及承台施工作业面充足,不再需要二次防护。 

       通过以上比选发现:注浆防护更加安全可靠,可行性较高,且对岸坡稳定性影响较小,因此选择注浆防护继续开展研究。

       研究团队采取现场沙样,开展了室内物理力学性质测试、渗透性质测试等试验工作。室内基本物理力学参数测试表明,西拉沐沦特大桥风积沙天然密度为1.71~1.73g/cm3,天然含水率为0.73%~2.84%;常水头渗透试验表明,风积沙渗透系数为3.42×10-5~2.18×10-4cm/s;颗粒级配分析结果表明,风积沙颗粒级配不良,颗粒较均匀;不固结不排水试验结果表明,风积沙黏聚力较低,φ取值在30.9~37.2°。在进行可注性评价前研究人员比选普通水泥浆、超细水泥浆、改性水玻璃浆液、聚氨酯类等注浆材料,最终选定价格最低的普通水泥浆液和价格适中的改性水玻璃浆作为注浆材料,并进行了室内试验。

       通过室内试验发现:水泥浆液由于风积沙较为密实,孔隙率较小,水泥浆液颗粒较大,较难通过渗透的方式注浆,可注性弱于改性水玻璃,但其对风积沙进行加固后,加固体粘聚力能达到702kPa,摩擦角能达到57.8°,加固效果强于改性水玻璃,且水泥浆液造价仅为改性水玻璃的三分之一,考虑到可注性可在现场实施时选择合理的施工工艺来改善,因此选取水泥浆液作为最终的注浆材料。 

       根据确定的注浆材料进行了现场注浆试验:注浆的工艺选取了常见的袖阀管注浆和高压旋喷注浆,袖阀管注浆属于劈裂注浆的一种,基本原理是先通过钻机成孔,然后灌注由水泥和粘土构成的套壳料至孔内置换出泥浆并封闭注浆孔,再将前端封闭的袖阀管式注浆管下入孔内,待套壳料凝固一段时间后采用分段进行注浆的工艺,使水泥浆液在压力条件下冲破套壳料,较均匀地进入土层,达到增强土体稳定性,加固土体的目的。

       但由于本地层风积沙密实、孔隙率低,渗透系数小,使得水泥浆液在袖阀管附近聚集,随着浆液积累量的逐渐增加,袖阀管附近压力增大,注浆口附近出现了顶升的现象,实施效果较差,不适合本项目施工。

       高压旋喷注浆属于喷射注浆的一种,基本原理是钻机将前端带喷嘴的钻头和注浆管旋转钻进至土层下相应位置后,利用高压设备将浆液或水以20MPa~40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来,通过旋转切削、扰动、分离破坏土体,同时将钻杆以预先设定的速度缓慢提升,浆液与土粒强制搅拌混合,当浆液凝固后,在土中形成圆柱状较为规则的固结体,以达到加固地基的目的。现场实施后开挖发现其成桩较为规则,加固效果好,适合本项目施工,取得的了突破性成果。 

       一、旋喷注浆多台阶加固 在风积沙陡坡进行桥梁基础施工前,先对风积沙岸坡分级进行垂直注浆加固,当上一级加固桩达到设计强度后施工下一级加固桩,使得已施工的加固桩发挥稳固岸坡的作用。进而降低临空面高度,降低滑坡风险,确保施工平台的稳定,保证平台施工顺利完成。

       风积沙岸坡12-15m以下进入密实砂层,为保证旋喷桩的稳定,应深入密实砂层,故选取旋喷桩长度为15m。旋喷桩加固范围为承台向四周扩大3m。根据岸坡实际情况在不同的墩位靠山侧设置多级旋喷桩平台进行防护,旋喷桩按间距0.4m,梅花形紧密布置,施工平台内旋喷桩按间距1.5m,梅花形布置。 

       旋喷桩布置:卸载平台每级宽2m,高3米,根据不同墩位岸坡情况划分不等数量的台阶;每级平台设置两排旋喷桩,单根长度为12m,直径50cm,旋喷桩按梅花型进行布置,间距0.4m。平台内旋喷桩采用等边三角形(梅花型)布设,旋喷桩加固间距1.5m,旋喷桩长度15m,直径50cm,平台加固范围为承台向四周扩大3m。 

       开挖的过程中,开挖和高压旋喷桩加固同时进行,当开挖的部分土体能形成旋喷桩施工需要的平台且场地初平后,在平台内进行高压旋喷桩加固。最上级平台仅起到保证岸坡的稳定性的作用,只需在靠山侧和台阶分级处进行高压旋喷桩加固,平台加固按岸坡开挖的顺序从上往下进行施工,待上一级台阶旋喷桩施工完毕达到设计强度后,进行下一阶平台开挖和高压旋喷桩加固,待岸坡多台阶旋喷注浆施工完成后进行平台内旋喷桩施工。

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 旋喷桩台阶加固 

       二、创新旋喷桩帷幕式护筒。 

       西拉沐沦特大桥桩基处于巨厚风积沙地层,两岸岸坡较陡,在风积沙地层陡坡上进行钢护筒振设易发生滑坡、坍塌等。研究团队发明旋喷桩帷幕式护筒的施工方法,避免了常规钢护筒在风积沙丘地层施工的弊端。 

       旋喷桩护筒施工采用高压旋喷桩连续施工,旋喷桩直径为50cm,相邻旋喷桩之间咬合10cm,相互紧密结合,最终形成密闭的环形空间,需保证相邻旋喷桩之间部分重合,形成的护筒密闭且内径比桩基直径大30cm;根据风积沙稍密、中密层厚度12-15m,旋喷桩帷幕护筒需起到稳固平台的作用,选取旋喷桩护筒的埋置深度为15m。 

       为保证连续施工顺利进行,避免前一根旋喷桩在强度不足时因后一根旋喷桩施工而被破坏,桩位采用间隔方式分批次进行施工,每次顺时针间隔施工4根旋喷桩,下一次从前面未施工的孔位处再次间隔施工4根,如此循环至形成密闭的环状空间。旋喷桩围合成的环形空间的设置等同于常规的钢护筒的具体位置的布局。 

       具体的旋喷桩施工,可先进行标号为1-4的旋喷桩的设置,等成型后,再在所述编号为1-4的旋喷桩的间隔位置中设置标号为5-8的旋喷桩,同理先设置编号为9-13的旋喷桩,再在所述编号为9-13的旋喷桩的间隔位置中设置标号为14-17的旋喷桩。直至设置的旋喷桩收尾连接拼合成密闭的环形空间。  

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旋喷桩护筒实景图

       针对巨厚风积沙地层大直径长桩施工。项目研究团队通过孔壁稳定性理论、抗管涌稳定性计算方法及泥浆组正交试验,首次推导出钢护筒埋深、开孔安全距离计算公式和给出最佳泥浆配比及控制参数,提出了适用于巨厚风积沙复合地层大直径长桩施工技术及成孔可行性综合评价方法,切实提高了各墩位桩基成孔效率及成孔质量。(1)提出了巨厚风积沙复合地层钢护筒埋深计算公式和开孔安全距离计算公式;(2)研发了一种适宜于巨厚风积沙复合地层钻孔的最佳泥浆配比及控制参数(3)研发了一种巨厚风积沙复合地层大直径长桩施工技术。为了确保二次扩孔孔身的垂直度,避免因二次扩孔偏位受力不均而导致钻杆断裂,项目自行研发了一种旋挖钻分级成孔的导向钻头,保证了桩基垂直度,提高了钻进效率,解决了在扩孔时筒钻的轴线容易与小孔的轴线产生偏移孔深垂直度偏差较大及二次扩孔偏位后易因受力不均导致钻杆断裂的问题。 

       2021年6月份,全桥352根桩基全部完成,桩检报告结果表明均为I类桩,I类桩占全桥桩基比例为100%。说明西拉沐沦特大桥风积沙地层基础关键施工技术切实可行。技术研究已取得授权发明专利1项、实用新型专利13项,形成省部级工法,4项、发表核心期刊论文4篇,取得了良好的经济、社会效益。2022年3月,研究核心成果被中国公路学会评价为“国际先进”水平,一定程度上填补了国内在沙漠深谷桥梁基础施工方面的空白,推动了交通强国的步伐。该项目结合产业需求开展技术交流、成果转化和技术服务,建立产学研合作机制,引导技术人员把技术创新成果应用在产业一线,取得了良好成果。     (常魁星  张铮 路国伟)   责编:张彪


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