我国新建设平潭海峡公铁两用跨海大桥是用于连通福州—平潭岛以及长乐—平潭岛的枢纽工程, 其中, 该桥梁FPZQ-3标段的起点在福建省长乐市松下镇, 经过人屿岛、元洪航道、鼓屿门水道、长屿岛、小练岛以及大小练岛水道, 终点位于大练岛, 在该标段的桥梁标段全长11.15km, 其立面如图1所示。

本桥梁的FPZQ-3标段有3座钢桁混合梁斜拉桥, 即桥跨布置为 (133.1+196+532+196+133.25) m元洪航道桥, 桥跨布置为 (129.1+154+364+154+129.2) m鼓屿门水道桥以及桥跨布置为 (81.1+140+336+140+81.15) m大小练岛水道桥。3座通航孔桥的主墩承台采用结构大小和尺寸均相似, 用防撞吊箱围堰作为承台的施工模板进行承台施工。以其中的元洪航道桥的主塔墩承台为例, 该桥的主塔墩采用的是24根直径为4m钻孔桩, 承台设计为圆端哑铃形的高桩承台, 尺寸为81m×33m×9m, 如图2所示。承台施工采用的混凝土强度等级为C50, 共需浇筑18 103.8m³混凝土, 为大体积混凝土施工。

元洪航道桥主塔桥敦承台的围堰总质量达3 094t, 结构尺寸为96.8m (长) ×37.32m (宽) ×16.6m (高) 。该围堰结构包括侧板、底龙骨、底侧板连接、内支撑、单壁接高侧板、系梁桁架、封底吊挂、单壁隔仓、抗沉牛腿、吊装及下放系统、上中下3层导向和封底混凝土12部分, 围堰结构如图3所示。

施工流程为:围堰整体制作→围堰滑移出海→海上运输至墩位→围堰挂桩→围堰对接→围堰下放→围堰封底施工→承台施工。

1) 围堰制造制造围堰的地点选择在离施工海域较近的船厂内进行, 方便后续的围堰运输。

2) 围堰拼装及滑移在船厂内的滑道上完成围堰的拼装和滑移。首先在滑道上分别安装拼装围堰用的支架以及辅助围堰用的滑移系统, 然后, 拼装好围堰, 最后, 利用滑道具有的坡度和滑移系统, 使围堰滑移至设计位置。

3) 围堰运输围堰滑移到位后, 分解为左、右两部分, 接着, 采用大型浮吊分别吊装到运输船上, 最后船运至施工现场。

4) 围堰挂桩及对接围堰船运到施工墩位处时, 准备围堰的挂桩及对接, 天气条件较好, 风浪较小时进行。用大型浮吊将围堰的左单元吊装至钢护筒上方, 然后将围堰底龙骨对准护筒口上方的导向, 开始下放围堰左单元, 围堰左单元下放到钢护筒的设计位置后, 停止下放, 最后, 用调整装置横向偏移10cm, 以方便围堰右单元挂桩, 围堰的右单元采用相同的方式进行挂桩, 围堰挂桩如图4所示。

围堰的挂桩施工完成后, 需进行围堰受力体系转换。即首先在钢护筒上方安装下放用的千斤顶, 接着穿钢绞线过千斤顶、围堰和钢护筒, 再启动千斤顶, 拉钢绞线, 这样完成整个围堰受力体系的转换。受力体系转换完成后, 调整围堰位置, 固定左、右单元围堰位置, 并安装螺栓, 完成左、右单元围堰对接。

5) 围堰下放围堰下放工作受天气影响很大, 所以要选择2～3d较好的天气, 波浪高度<2.5m, 风力<7级的条件下进行下放围堰工作。

运用计算机同步控制千斤顶进行围堰下放施工, 在下放时要保证围堰各点位同步, 同时, 也要同步建成围堰各点荷载, 保证荷载控制在允许范围内。

围堰下放到位后, 需采取措施将围堰的各层导向和钢护筒之间的缝隙堵死, 其中下层导向采用封堵环和螺栓形式, 即让潜水员下水将封堵环通过拧紧螺栓堵死缝隙;上、中层导向采用可调丝杆和铸铁滚轮形式, 即围堰就位后, 调节可调丝杆, 使铸铁滚轮和钢护筒顶紧来堵紧缝隙。

6) 围堰封底围堰下放完成后开始围堰的封底施工, 封底混凝土在2个单圆依次进行灌注, 围堰中间的系梁桁架为密封结构, 无须浇筑封底混凝土, 只需浇筑10cm厚垫层即可。

该承台结构尺寸为81m×33m×9m, 分为2层浇筑, 两层浇筑混凝土的高度分别为4.0m和5.0m, 浇筑首层混凝土时, 先浇筑哑铃形承台的2个单圆, 单圆浇筑混凝土方量为3 425m³, 再浇筑其中间的系梁部分, 浇筑混凝土方量为1 195m³;而第2层混凝土采用整体浇筑方式一次性浇筑完成, 浇筑方量达11 438m³。承台混凝土由混凝土搅拌站及搅拌船供应, 采用混凝土罐车将生产好的混凝土运送至施工现场, 采用1台汽车泵、2台车载泵配2台布料机和2艘搅拌船布料浇筑。混凝土依次分层浇筑, 每层浇筑厚度控制在30～50cm范围, 混凝土下料的高度应<2m, 布料点间距控制在4m左右, 避免赶料造成砂浆富集。

该承台混凝土单次浇筑的混凝土方量很大, 浇筑时间长, 浇筑过程会产生大量水化热, 引起混凝土内部急剧升温, 从而影响混凝土质量, 故需采取一系列温度控制措施保证施工质量。

1) 在选择水泥时, 尽量采用含碱量偏低、水化热低的水泥, 以保证混凝土的抗裂性能, 同时, 对于C3A含量高的水泥、磨细水泥和早强型水泥应避免使用, 另外, 采用粉煤灰或矿渣粉作为水泥中的混合材料且其品种和含量应稳定。

2) 对于矿物掺合料应保证组分均匀、各项性能指标稳定。本项目选用的Ⅰ级粉煤灰应注重需水量比、细度和烧失量等关键指标。

3) 选用混凝土砂石骨料时, 保证其粒形和级配良好、质地均匀坚固、表面洁净、空隙率小、线膨胀系数较小、表吸水率低。河砂应着重控制含泥量、泥块含量、细度模数等关键控制指标, 选用的碎石应着重控制其级配、含泥量、压碎值、针片状颗粒含量、泥块含量等关键指标。

4) 混凝土的减水剂应采用高减水率的减水剂, 用以降低混凝土单方混凝土用水量和水胶比, 改善混凝土施工和易性和强度、耐久性, 使混凝土终凝时间推迟, 以推迟和削减水化热温峰, 减少分层施工冷缝。

采用合理的混凝土配合比, 尽量降低水泥使用量, 适当加大混凝土复合掺合料可改善混凝土特性。经过试验确定该承台混凝土配合比为: (水泥+粉煤灰+矿粉) ∶砂子∶碎石∶减水剂∶引气剂∶水= (0.5+0.3+0.2) ∶1.56∶2.34∶0.01∶0.005∶0.30, 符合TB10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》、TB10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》等的要求, 故该配合比可用于施工。

混凝土劈裂抗拉强度根据混凝土抗压强度及工程经验进行选取, 结果为:3d, 2.5MPa;7d, 3.0MPa;28d, 3.4MPa;60d, 3.8MPa。

混凝土的物理和热学参数: (1) 弹性模量为3.6×10⁴MPa; (2) 热膨胀系数为1.0×10^-6 (1/℃) (3) 比热容为0.94kJ/ (kg·℃) ; (4) 混凝土绝热温升为52.0℃。

1) 骨料采取增加储存量、搭建遮阳棚、通风、喷淋等普通措施冷却。

2) 对于水泥、矿粉及粉煤灰应采取厂家提前生产、加长存储时间转运和倒仓等措施进行冷却, 保证水泥和矿粉的温度≤60℃, 粉煤灰温度≤40℃。

3) 采用地下水作为拌合水, 如不进行特别控制其温度约比气温低5℃。

本工程选用规格为42×2.5, 同时导热性好、强度高的铁皮管作为冷却水管, 其弯管部分采用90°两通连接, 冷却水管之间采用钳压式管套进行连接, 走向纵横交错布置。承台首层共需安置5层冷却水管, 1, 3, 5层水路流向为顺桥向, 2, 4层水路流向为横桥向;第2层需安置6层冷却水管, 1, 3, 5层水路流向为横桥向, 2, 4, 6层水路流向为顺桥向。每层冷却水管间距0.7m, 同一层的冷却水管水平间距为1m。冷却水管的进、出水口均高于承台面50cm。

当混凝土浇筑过各层冷却水管时, 开始通水降温, 初期采用直取海水降温, 后期根据测温情况采用循环水作为冷却水。在通水过程中, 严格控制冷却管的进水温度, 保证其和承台混凝土芯部最高温度的温差<10℃。施工时, 分别设置提供冷却用水和收回冷却用水的水箱, 保证2个蓄水箱体积≥20m³。混凝土升温期可定期向进水箱补充海水以降低进水温度, 提高降温效果;当遇到混凝土内部最高温度与冷却管的进水温度的温差>25℃时及时停止补充冷水, 必要时可补充热水以满足温度要求。

浇筑时混凝土温度过高, 会导致混凝土温度上升的幅度变大, 故混凝土浇筑前, 估算出浇筑时的混凝土温度, 当温度过高时, 需采取措施降低混凝土温度: (1) 使用水泥前, 应充分冷却水泥, 保证在使用水泥时其温度≤50℃; (2) 对于混凝土中的骨料, 在使用前将其堆放在阴凉处, 同时对骨料进行洒水处理; (3) 尽量在夜间进行混凝土施工, 浇筑混凝土时, 监控混凝土温度, 保证其≤28℃; (4) 适当提高混凝土的运输和入仓速度, 以减小混凝土的温度回升, 同时, 对于混凝土输送管, 要盖土工布遮阳, 并对其洒水降温; (5) 在浇筑混凝土时, 混凝土温度会持续上升, 应当采取像洒水降温等措施对模板表面降温。

根据该承台的施工方案制定混凝土养护措施, 如表1所示。

参考TB10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》相关规定, 同时, 结合本桥梁承台的相关情况, 制定适合本承台的温控标准, 如表2所示。

在现场进行温度监控时, 如果出现温度超标情况, 采取下列措施: (1) 尽量加大冷却水管的通水量; (2) 尽可能降低冷却水管的进水温度; (3) 对于混凝土表面采取保温措施, 防止其散热过快。

由于该桥梁承台是双轴对称, 所以在布置测温点时, 只需布置承台的1/4即可, 承台测温元件的具体布置如图5所示。

承台开始浇筑混凝土时, 即开始记录温度数据, 开始浇筑混凝土到混凝土升温结束前这段时间内2h 1次记录各点温度;温度开始下降的第1周, 4h 1次记录各点温度;1周后每天记录2～4次即可。

经过温度数据整理, 本桥梁的承台温度变化如图6所示。

从图6中数据可看出, 第1层承台混凝土浇筑完20h左右温度开始持续上升, 45～50h达到温峰, 内部最高温度71℃, 未超出≤75℃的温控标准。温峰后降温速率为0.5～1.6℃/d, 符合温控标准≤2.0℃/d的要求;最大内表温差出现在降温后期, 满足温控标准≤20℃的要求。第2层混凝土于浇筑后15～17h开始升温, 于55～65h相继到达温峰, 内部最高温度为74.0℃, 未超过≤75℃的温控标准;温峰后承台降温较快达到4.0℃/d, 通过关停冷却水等措施控制后期降温速率为0.8～1.2℃/d, 符合温控标准≤2.0℃/d的要求;最大内表温差出现在内部混凝土水化而表面混凝土未水化的浇筑初期, 混凝土全面水化后内表温差降低, 满足温控标准≤20℃的要求。

从实际的施工效果和测温结果看, 整个承台施工顺利, 温度控制情况理想, 符合温度控制标准。

在跨海桥梁施工中, 承台施工是桥梁施工中最关键步骤之一。本文以平潭公铁两用跨海大桥元洪航道桥为例, 介绍了主塔桥墩承台钢吊箱围堰施工流程和要点, 同时, 重点介绍了承台大体积混凝土施工包括混凝土原材料选择、混凝土配合比设计、混凝土浇筑温度控制以及冷却水管降温、混凝土养护和混凝土温度监测, 整个承台施工混凝土过程顺利, 经相关建设单位检验, 符合设计和规范的相关要求, 未发现任何有危害的裂缝, 对以后跨海桥梁的承台混凝土施工具有重要的借鉴意义。