西堠门公铁两用大桥是甬舟铁路及甬舟高速公路复线跨越西堠门水道的公铁合建桥梁（公铁平层布置），桥梁全长3104m，其中公铁合建段长2664m，位于既有西堠门公路大桥以北2.8km处。主桥采用主跨1488m斜拉-悬索协作体系，孔跨布置为（70＋112＋406＋1488＋406＋112＋70）m。纯悬吊段长452m，吊跨比为0.3，垂跨比为1/10；斜拉索与吊杆交叉索共9对，吊索区吊跨比为0.45。主梁采用流线型三箱分离式钢箱梁结构，中间箱通行铁路、2个边箱通行公路。主梁全宽68m（含风嘴），中心线处梁高5m。桥塔为A形钢筋混凝土结构(C60混凝土)，高294m，索塔锚固区采用钢锚梁锚固构造。斜拉索采用锌铝合金镀层Φ7mm高强平行钢丝束，索面呈扇形布置。横向布置2根空间主缆，主缆中跨垂跨比为1/6.5，塔顶处横向中心间距6m、跨中处横向中心间距26.5m。主缆采用平行钢丝预制索股法（PPWS）制作、架设。吊索采用高强平行钢丝束。

图1 西缑门公铁两用大桥主桥立面布置图

复杂海洋环境下的施工挑战

气象、水文、地质条件

桥址处100年一遇设计基本风速44.8m/s；20年一遇设计基本风速39.5m/s；每年大于6级风的天数为99d，最大风速主要受台风影响。

桥址处20年一遇高潮位＋3.13m；20年一遇最大流速：册子岛侧（5号主墩）3.18m/s；5号主墩处20年一遇累计频率5%的波高达5.95m；桥址区域处20年一遇平均波高为3.48m。

桥址区覆盖层主要分布在距岸边300～400m范围，水道中间基本无覆盖层。覆盖层以淤泥质土、黏性土为主，厚度差异大，最厚达30m。基岩主要为英安岩和流纹岩，局部地段夹有花岗斑岩、辉绿岩岩脉。英安岩主要分布在金塘侧引桥及1～4号墩，流纹岩主要分布在6～8号墩及册子岛侧锚碇、引桥，花岗斑岩岩脉主要分布在5、6号墩，其中5号主墩处基岩较为破碎。

图2 西缑门公铁两用大桥地质断面图（单位：m）

基础施工方案与施工难点

大桥施工环境复杂，具有水深、流急、风大、浪高、裸岩等特点，结合桥位处复杂海洋环境和主体结构特点，大桥5号主墩基础采用导管架式深水栈桥＋自浮式钢桁架钻孔平台方案施工，设置导管架式深水栈桥将基础施工由水上作业转换为陆上作业。同步在船坞整体制造自浮式钢桁架钻孔平台，浮运到桥位后，钻孔桩采用旋挖钻机分级成孔，全回转钻机全断面一次成孔。

5号主墩位处水下海床面地形起伏较大、无覆盖层、流急浪高，最大水深57.4m（潮位＋3.13m），而且Φ6.3m超大直径钻孔桩平均入岩约38m，基岩单轴抗压强度达60MPa；Φ6.8m钢护筒平均长度约70.3m、平均重量约510t，整体制造、运输、下放和插打定位施工技术难度大；Φ6.3m钻孔桩成孔工艺复杂，钻孔施工控制要求高。

基础施工关键技术

深水栈桥施工

5号至6号墩间距离406m，最大水深60m左右，在靠近6号墩85m范围内有覆盖层，其余均为光板岩。栈桥竖向设计荷载考虑150t履带吊通行，水平荷载考虑20年一遇波流荷载。为在深水裸岩条件下快速建立栈桥钢管桩基础，并保证基础的整体承载力及刚度，以抵抗较大水流力及波浪力，光板岩范围内栈桥基础采用整体式导管架法建设，上部结构采用大桥1号梁。5号至6号墩深水栈桥施工立面布置见图3。

图3 5号至6号墩间深水栈桥施工立面布置（单位：m）

深水区栈桥设置于桥梁线路左侧，栈桥顶标高＋8.0～＋16.0m，全长419m，共3联，长度为115m＋263m＋41m。第1、2联采用大桥1号梁，最大跨度40m；第3联采用贝雷梁，最大跨度15m。栈桥标准宽度8.0m，导管架顶部平台加宽至20m。6号墩附近处覆盖层区域较厚（厚约14m），采用φ1.2m(厚12mm)打入式钢管桩基础；靠近5号主墩位置处覆盖层较浅（厚约5m），采用φ1.5m(厚16mm)打入式钢管桩基础；底部设置φ1.2m钢筋混凝土锚桩，锚桩入岩4.0m。深水区设置3组导管架临时墩，导管架采用4根Φ2.0m管桩＋4根Φ1.5m管桩，在Φ2.0m管桩底部设置Φ1.5m混凝土锚桩，锚桩入岩6.0m。

导管架架体由多根导管及联结系组成，在工厂加工为整体后运输至栈桥基础设计位置，采用浮吊吊装，翻身后，下放着床。在导管内插打支承桩，将导管架重量转换至支承桩承受。在部分支承桩与海床岩面固结后进行栈桥上部结构施工。导管架栈桥基础抗波浪能力强，采用模块化、工厂化的作业方式，能在恶劣海洋环境条件下自稳，快速建立起基础结构，提高了施工速度，降低了施工风险。

图4 导管架整体下放施工

自浮式钢桁架钻孔平台施工

5号主墩基础最大水深57.4m，针对深水、裸岩、浪高、流急的恶劣海况条件，创新采用自浮式钢桁架钻孔平台（以下简称平台）。平台由钢桁架及钢锚桩组成，在8根φ4.8m钢锚桩内施工φ4.0m混凝土锚桩，完成与海床岩面的固结。平台平面尺寸100.4m×77.2m，桁高10.9m。

图5 自浮式钢桁架钻孔平台结构布置（单位：mm）

为便于将船厂制造好的平台运输到墩位，在平台非钻孔区引入浮船理念。即在平台下部四周设置浮箱，代替海上运输船。平台分块件在船厂制造完成后，分块转运至大型船坞里进行总装。总装完成后，打开坞门，将水灌满船坞，使平台在下部四周自身浮箱的作用下成自浮状态，通过大型拖轮从海上拖到桥位，再抛锚精确定位，插打支承桩。将平台提升脱离海面，继续分批次在支承桩内施工钢筋混凝土锚桩，使平台支承桩根部形成固结，平台和钢管桩顶部同样形成固结。插打主体钢护筒，安装平台上龙门吊机、钻孔设备，开始钻孔桩施工。由于钢锚桩为主要承重结构，且册子岛侧5号主墩基础平面范围内覆盖层基本缺失，为保证平台顺利建立采取以下关键技术：

浮箱结构与桁架构件焊接为整体，以实现平台的自浮功能、增加钢桁架平台的整体刚度。浮箱结构均匀分布于平台四周，以提高平台浮式状态的稳定性，有效控制其在波流力作用下的起伏幅度，为锚桩插打提供有利条件。

平台定位前进行浮式状态敏感性分析。分析潮位变化、波浪力、水流力作用下平台的位移及索力变化量，作为平台精确定位调索的依据。

平台定位系统采用12组1000t混凝土重力锚及φ115mm钢丝绳，设计拉缆力3000kN。平台通过混凝土重力锚定位时，锚碇下放范围距平台315～390m，水深42.0～91.5m。考虑海上施工环境恶劣、水流力与波浪力较大、作业水深深度大、锚碇回收难度大、大吨位锚碇下放吊索脱钩难度大等因素，研发深水抛锚自动脱钩装置。该装置通过电气系统驱动、液压系统控制使锚碇下放到位，然后通过油缸自动收回，实现自动脱钩并回收吊索。该装置可实现多方位转动，自动脱钩，自动化水平高，解决了恶劣环境下人工操作的难度，满足起吊大吨位锚碇下放工况的要求。

图6 深水抛锚自动脱钩装置

针对在无覆盖层的裸岩区域插打钢锚桩，建立采用冲击锤插打锚桩入岩的入岩控制标准和计算方法。设计并安装锚桩活动导向装置，以保证锚桩下放及插打时的垂直度小于1/400。

在φ4.8m钢锚桩内，采用“挂六冲二”的方式施工φ4.0m混凝土锚桩。在φ4.8m钢锚桩下沉过程中，钢锚桩牛腿与平台脱空，需重新抄垫钢锚桩牛腿与平台之间的空隙。为使平台8根钢锚桩受力均匀，改善钢锚桩及钢桁架结构内力分布，在4根角桩安装提升装置，主动提升并抄垫。

5号平台采用自主研发的智能监测系统。现场安装GPS、倾角仪、锚索计、应变计等传感器，采用云平台和云服务器对采集数据进行计算处理；对定位、提升等过程中的三维空间位置信息、受力进行实时监测及预警，实现5号平台的云监测、云预警和云控制。

图7 信息化平台助力自浮式钢桁架施工平台建设

超大直径钻孔桩钻孔施工

5号主墩基础钻孔桩设计桩径为6.3m，钢护筒直径6.8m，桩中心设φ1m的内钢管。墩位处海床表层为流纹斑岩、花岗斑岩，岩层较为破碎但基岩单轴抗压强度高，下层为碎裂岩。针对φ6.3m超大直径钻孔桩的钻孔难题，采用1台1280型旋挖钻机、1台1600型旋挖钻机和2台ZJD7000型动力头回转钻机施工（旋挖钻机分级成孔，全回转钻机全断面一次成孔）。1280型旋挖钻机最大钻孔直径7m，最大钻孔深度162m，动力头最大扭矩1280kN.m，转速6～18rpm，加压系统最大加压力700kN、最大提升力900kN、行程12.7m，主卷扬机钢丝绳直径66mm、最大单绳速度60m/min、最大提升力1400kN，整机重450t。1600型旋挖钻机最大钻孔直径7.5m，最大钻孔深度190m，动力头最大扭矩1600kN.m，转速5～20rpm，卷扬加压700kN、提升力950kN，行程9（15）m，主卷扬机钢丝绳直径68mm、最大单绳速度60m/min、提升力1500kN，整机重520t。ZJD7000型动力头回转钻机最大钻孔直径7m，最大钻孔深度200m，动力头最大扭矩1200kN.m，动力头提升能力8000kN，封口盘承载力6000kN，钻架倾斜角度0～40°，钻机最大使用功率662kW，主机重量(不含钻具)240t。ZJD7000型动力头回转钻机结构系统采用模块化设计，主要模块有下底盘、钻架、动力头及其提升机构、机械臂、钻杆总成、液压电气系统及操作系统；配置最大布刀直径6.3m的复合式截锥底、固定中心多瓣式组合结构钻头；同时合理布置刀具、气室、吸渣口，设置工字卡双保险，在钻头基础上增加伸缩变径装置。该钻机具有大扭矩、大直径全断面钻岩成孔能力，可适应岩石抗压强度200MPa地质层作业要求。

图8 ZJD7000型动力头回转钻机

图9 ZJD7000型动力头回转钻机钻头结构

钢护筒采用引孔跟进法埋设，通过“先分级钻孔、钢护筒随后跟进”的方式将钢护筒跟进至设计标高。因此，在5号主墩基础钢护筒埋设时，先采用YC-80液压锤插打钢护筒，再采用大型旋挖钻机分级成孔（分级顺序φ2.0m→φ3.5m→φ4.5m→φ5.5m→φ6.3m→φ6.6m）。最大一级φ6.6m后采用冲击锤插打钢护筒，每次跟进深度约2m，分4次完成，钢护筒埋设深度约8m。钢护筒至埋设深度后采用旋挖钻分级成孔，直至设计标高。

钻孔桩施工时，钻孔泥浆采用海水造浆。为及时排除孔内钻渣，提高钻孔效率，泥浆循环系统中采用先进的泥浆处理器排渣。每台钻机各配置1台ZX-250型泥浆处理器。

钻孔桩水下封底采用C45混凝土，采用双导管法灌注。施工前，通过陆地试桩和水上试桩试验，验证了双导管灌注水封混凝土施工工艺的可行性。为保证双导管灌注水封混凝土施工质量，2根导管应同步施工（同步拔球，同步灌注、同步拆除导管）。双导管法灌注桩基混凝土工艺示意见图10。

图10 双导管灌注桩基混凝土工艺示意（单位：cm）

甬舟铁路西堠门公铁两用大桥主桥为主跨1488m的斜拉-悬索协作体系桥，5号主墩采用18根φ6.3m超大直径钻孔桩基础。该桥基础设计创新多、施工难度大。5号主墩采用自浮式钢桁架钻孔平台以及大型旋挖钻机（SWDM1280型与XR1600E型）和ZJD7000型动力头回转钻机施工超大直径钻孔桩基础，解决了深水、浪涌及硬质裸岩地质下超大直径桩施工难题。大桥于2022年11月正式开工，2023年1月完成超大直径钻孔灌注桩水上试桩，2月自浮式钢桁架钻孔平台成功浮运至墩位，5月拉通5号至6号墩间深水栈桥，2024年1月7日成功完成5号主墩18根超大直径钻孔桩基础施工，经第三方检测均为Ⅰ类桩，目前正有序进行5号主墩承台施工。

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2024年 第2期 总第118期

作者 / 张来健

作者单位 / 中铁大桥局甬舟铁路项目工程部