耿 冰， 張景偉， 郜新軍， 李銘遠(yuǎn)

（1.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300300； 2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001）

雙璧鋼圍堰加鉆孔灌注樁基礎(chǔ)是江河橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中較為常見的基礎(chǔ)形式［1-8］，其施工技術(shù)也比較成熟，已有眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究. 王殿偉［9］通過對(duì)蒙西華中鐵路洞庭湖大橋3#主墩基礎(chǔ)采用的雙壁鋼圍堰施工技術(shù)進(jìn)行敘述，為同類型橋梁提供了借鑒與指導(dǎo). 祝良紅等［10］針對(duì)宜昌香溪河大橋所處位置深水落差大、地質(zhì)復(fù)雜等問題，采用了“先平臺(tái)后圍堰”的施工順序，為深水大落差環(huán)境下的基礎(chǔ)施工提供了參考.肖世波［11］以平潭海峽公鐵兩用大橋深水區(qū)非通航鋼桁梁橋基礎(chǔ)施工為背景，說明了其鋼吊箱圍堰施工的過程，該圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)可以為類似復(fù)雜海域中圍堰施工提供借鑒和參考. 金紅巖［12］對(duì)武漢青山長(zhǎng)江公路大橋20 號(hào)橋塔墩基礎(chǔ)施工過程進(jìn)行論述，為處于易沖刷地層的雙壁鋼套箱圍堰平臺(tái)一體法施工提供了參考. 郭煜［13］以新白沙沱長(zhǎng)江特大橋3號(hào)主塔墩基礎(chǔ)采用雙壁鋼套箱圍堰施工為工程背景，對(duì)施工中采用鉆孔樁與圍堰同步施工技術(shù)進(jìn)行了論述，確保了雙壁鋼套箱圍堰的渡洪安全，為全橋的工期目標(biāo)打下了基礎(chǔ).然而擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的橋梁深水基礎(chǔ)施工與常見的雙璧鋼圍堰加鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工有較大不同，受制約因素多，且施工要求較高，目前鮮有報(bào)道. 本文結(jié)合張吉懷鐵路下壟舞水特大橋45#墩水中擴(kuò)大基礎(chǔ)施工中的難點(diǎn)、重點(diǎn)，研究了鉆爆設(shè)計(jì)與施工、雙壁鋼圍堰的拼裝與精確定位、鋼圍堰封底等重點(diǎn)工序施工方法，取得了較好的效果，以期為此類橋梁深水基礎(chǔ)的施工提供一定的參考與借鑒.

1 工程概況

張吉懷鐵路下壟舞水特大橋全長(zhǎng)2 525.69 m，橋址位于懷化市鶴城區(qū)鴨嘴鎮(zhèn)李公灣村，橋址范圍地勢(shì)平坦. 舞水橋最大跨連續(xù)梁（DK245+339—DK245+554）跨越舞水河，河流與線路大里程夾角為113°. 橋梁上部設(shè)計(jì)采用（94+168+94）m 連續(xù)剛構(gòu)，主墩為圓端雙肢薄壁墩，其中45#墩高為49.5 m，基礎(chǔ)為20 m×16 m×5 m擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)布置示意圖如圖1 所示. 基礎(chǔ)底面標(biāo)高197.96 m、頂面標(biāo)高202.96 m，河床標(biāo)高約204.80 m. 河床以下地質(zhì)特點(diǎn)為：覆蓋層厚度0.3～2.4 m，主要為卵石土，巖土施工等級(jí)為III，σ0=300 kPa；2.4 m以下為灰?guī)r，裂隙交發(fā)育，存在小型溶腔，巖土施工等級(jí)V類，σ0=800 kPa.

45#墩位于三角灘水電站庫(kù)區(qū)的回水區(qū)，正常蓄水時(shí)45#墩水深9～10 m. 舞水最高通航水位215.40 m，最低通航水位210.60 m，測(cè)時(shí)水位212.449 m（2018.1.20），原規(guī)劃VI級(jí)航道，500 t駁船通行，雙向通航最小凈寬90 m. 根據(jù)舞水懷化站近5年的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，舞水河豐水期在每年6—8月份，最高水位達(dá)219.00 m，其他時(shí)段最高水位在215.20 m.

圖1 主橋45#墩基礎(chǔ)布置示意圖Fig.1 Layout of 45#pier foundation of main bridge

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)際，考慮安全和經(jīng)濟(jì)性，基礎(chǔ)施工的擋水結(jié)構(gòu)采用雙壁鋼圍堰，設(shè)防水位+215.500 m，頂面高程為+216.500 m，底面高程為+194.961. 該雙壁鋼圍堰高22.50 m，分3節(jié)共計(jì)24塊加工并就近拼裝而成，外直徑35 m，內(nèi)直徑31 m，壁厚2 m，總重量為620 t. 圍堰底設(shè)計(jì)為平底無刃腳，每個(gè)隔艙底設(shè)有一個(gè)支腿，高度60 cm，共計(jì)8個(gè). 圍堰內(nèi)壁距擴(kuò)大基礎(chǔ)邊緣最近處約4.175 m. 圍堰支腿在環(huán)形基坑槽內(nèi)通過混凝土與基巖嵌固. 圍堰總體布置見圖2.

3 工程難點(diǎn)及重點(diǎn)分析

本工程的施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)為：①近5年的水文資料顯示，每年6—8月份為豐水期，如何在豐水期到來之前完成鋼圍堰基槽的爆破開挖是控制工期的關(guān)鍵；②45#墩下部結(jié)構(gòu)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面標(biāo)高197.96 m，河床標(biāo)高約204.80 m，水深約10 m，水上鉆孔的深度約17 m，基巖爆破厚度達(dá)到7 m，對(duì)鉆機(jī)的定位和炮孔的裝藥量控制較高；③常規(guī)設(shè)備無法將基槽底徹底及巖壁清理干凈，易造成滲水通道，會(huì)出現(xiàn)大量透水的可能；④基礎(chǔ)開挖后，需同步下放鋼圍堰，下放水深達(dá)到17 m，定位措施要求很高.

圖2 圍堰總體布置Fig.2 General layout of cofferdam

4 重點(diǎn)工序

4.1 重點(diǎn)工序流程圖

重點(diǎn)工序流程圖如圖3所示.

4.2 鉆爆設(shè)計(jì)與施工

4.2.1 鉆爆孔布置與裝藥量設(shè)計(jì) 水下鉆孔爆破參數(shù)包括孔徑、單耗、孔排距、孔深及單孔裝藥量.

1）孔徑：鉆孔鉆機(jī)采用X-100型地質(zhì)鉆，在浮平臺(tái)上進(jìn)行垂直鉆孔，d=110 mm.

2）水下鉆孔爆破炸藥單耗計(jì)算，采用考慮比較全面，在實(shí)踐中運(yùn)用得較多瑞典的計(jì)算方法［14-15］：

圖3 重點(diǎn)工序流程圖Fig.3 Key process flow chart

式中：q1為基本裝藥量，是一般陸地梯段爆破單耗的2倍；對(duì)水下垂直孔，再增加10%，水下直孔約為1.1 kg/m3；q2=0.01h2，為爆區(qū)上方水壓增量；h2為覆蓋層以上的水深，m；q3=0.02 h3，為爆區(qū)上方覆蓋層增量；h3為覆蓋層厚度，m；q4=0.03h，為巖石膨脹增量，h為鉆孔爆破的臺(tái)階高度，m.

在實(shí)際施工中，影響單位炸藥消耗量的因素很多，主要有巖石的可爆性、炸藥種類、自由面條件、施工條件、起爆方式、水深和破碎塊度要求等. 應(yīng)將上述計(jì)算結(jié)果，與國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料分析結(jié)果（表1）比較，合理確定水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量q值. 經(jīng)計(jì)算比較本項(xiàng)目代表性點(diǎn)位的水下鉆孔爆破炸藥單耗1.41 kg/m3.

表1 國(guó)內(nèi)外水下鉆孔爆破常用單位炸藥消耗量q值Tab.1 The q value of explosive consumption per unit commonly used in underwater drilling and blasting at home and abroad

3）孔排距

深孔爆破的孔距及排距與最小抵抗線相關(guān)，對(duì)于平行排列炮孔最小抵抗線的確定可按式（2）確定.

式中：w 為最小抵抗線，m；d 為炮孔直徑，m；Δ裝藥密度，kg/m3，一般取850～900；τ 為炮孔裝藥系數(shù)，一般取0.7～0.85；m為炮孔鄰近系數(shù)，取值為0.8～1.0；q為單位耗藥量，kg/m3.

對(duì)于水下鉆孔爆破炸，最小抵抗線的選取應(yīng)比在陸地上鉆孔淺眼爆破減少15%左右，本項(xiàng)目取1.82 m.

孔間距一般取a=mw（m＞1），并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)及清碴設(shè)備情況，本項(xiàng)目孔距a取3 m；排距b取2 m.

4）孔深

為了保證設(shè)計(jì)深度內(nèi)巖體均勻破碎，不留根底，鉆孔應(yīng)有一定的超深，以克服底盤巖石的夾制作用. 根據(jù)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)［16-17］，超鉆Δh等于炮孔最小抵抗線，至少不能小于0.8 m. 孔深計(jì)算公式：

5）單孔裝藥量

考慮水深的影響，單孔裝藥量可按式（3）計(jì)算［18］：

式中：K為阻力系數(shù)，一般取1.1～1.2.

綜合上述得主要點(diǎn)位爆破參數(shù)，見表2.

4.2.2 分區(qū)爆破及順序 為了減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，環(huán)形基坑爆破，分五次爆破，接近270 個(gè)孔，單次爆破最大用藥總量為3 t.第一次爆破60 個(gè)孔，鉆孔平均深度為11 m，每個(gè)孔內(nèi)裝兩段炸藥，兩段炸藥之間采用砂袋分隔，單孔炸藥量57～73 kg，單孔內(nèi)兩段炸藥之間設(shè)置50 ms間隔. 孔與孔之間設(shè)置50 ms間隔，每排最后一個(gè)孔和下排第一個(gè)孔的間隔為110 ms. 炮眼爆破順序成S型布置，如圖4所示. 現(xiàn)場(chǎng)爆破效果見圖5.

表2 主要點(diǎn)位爆破參數(shù)Tab.2 Blasting parameters of main points

圖4 炮眼設(shè)置及爆破順序Fig.4 Blasthole setting and blasting sequence

圖5 現(xiàn)場(chǎng)爆破效果Fig.5 Field blasting effect

4.2.3 基槽開挖及復(fù)測(cè) 巖石爆破完畢后，進(jìn)行清除巖渣. 清渣用長(zhǎng)臂挖機(jī)開挖，巖渣挖到泥駁中運(yùn)到指定位置堆放，可以作為機(jī)制砂的母料. 現(xiàn)場(chǎng)清渣及基槽開挖見圖6. 在清渣工作初步完成以后，利用GPS配合超聲波測(cè)深儀逐個(gè)炮孔位置測(cè)量基槽深度，測(cè)深儀器每5 s反射一次深度. 根據(jù)反復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，利用繪圖軟件繪制基槽立體形象圖及各個(gè)位置的斷面圖，待基槽尺寸滿足設(shè)計(jì)要求后，方可進(jìn)行圍堰吸泥下放等后一步工序. 基槽立體圖見圖7.

圖6 基槽開挖及現(xiàn)場(chǎng)清渣Fig.6 Foundation trench excavation and site slag removal

4.3 鋼圍堰拼裝及精確定位

雙壁鋼圍堰高22.50 m，外直徑35 m，內(nèi)直徑31 m，壁厚2 m，共分3 節(jié)共計(jì)24 塊加工并就近拼裝而成，底節(jié)（7.2 m）、中節(jié)（9 m）、頂節(jié)（6.3 m），重量分別為176、258、186 t，總重量為620 t. 圍堰底設(shè)計(jì)為平底無刃腳，每個(gè)隔艙底設(shè)有一個(gè)支腿，高度60 cm，共計(jì)8 個(gè). 大型鋼圍堰拼裝、精確定位及下放安置是施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，主要包括拼裝平臺(tái)搭設(shè)、底節(jié)鋼圍堰拼裝、底節(jié)鋼圍堰下放、中節(jié)及頂節(jié)鋼圍堰拼裝、鋼圍堰浮運(yùn)著床等環(huán)節(jié). 圖8為鋼圍堰分塊加工現(xiàn)場(chǎng).

4.3.1 拼裝平臺(tái)搭設(shè) 在兩側(cè)棧橋之間插打24根鋼管樁，鋼管樁規(guī)格為A 800 mm×10 mm，鋼管樁按照圍堰中心直徑等分布置8 組鋼管樁，每組鋼管樁之間的樁間距為5.1 m，在每組的鋼管樁之間距離水面50 cm 位置焊接橫梁，橫梁采用雙拼工40型鋼. 拼裝平臺(tái)設(shè)計(jì)圖如圖9所示.

4.3.2 底節(jié)鋼圍堰拼裝 底節(jié)圍堰共分8 塊，每塊重量平均為22 t，采用75 t履帶吊分節(jié)吊裝到圍堰拼裝平臺(tái)上進(jìn)行拼接. 1#、2#、3#塊在A平臺(tái)上拼裝，4#、5#塊在兩側(cè)棧橋上拼裝，6#、7#在A平臺(tái)拼裝，拼裝8#時(shí)需先拆除A平臺(tái)，然后在B平臺(tái)上拼裝8#塊.

4.3.3 底節(jié)鋼圍堰下放 圍堰底節(jié)拼裝完，對(duì)底節(jié)圍堰各焊縫進(jìn)行煤油滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可進(jìn)行圍堰下放. 圍堰下放采用接高鋼護(hù)筒，在護(hù)筒頂設(shè)置橫梁，利用千斤頂和精軋螺紋鋼將底節(jié)圍堰下放到水里.底節(jié)鋼圍堰下放現(xiàn)場(chǎng)圖如圖10所示.

圖7 基地清渣效果探測(cè)合成Fig.7 Detection and synthesis of base slag cleaning effect

圖8 鋼圍堰分塊加工現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Steel cofferdam block processing site

圖9 拼裝平臺(tái)設(shè)計(jì)圖Fig.9 Design drawing of assembling platform

圖10 底節(jié)鋼圍堰下放現(xiàn)場(chǎng)Fig.10 Site of lowering bottom section steel cofferdam

4.3.4 拼裝中節(jié)及頂節(jié)鋼圍堰 底節(jié)圍堰入水后，先將圍堰內(nèi)鋼管樁拔除，然后繼續(xù)拼裝圍堰中節(jié)，圍堰中節(jié)共8塊，每塊重量為32.25 t，采用150 t的汽車吊拼裝. 汽車吊站位在B平臺(tái)上，將圍堰中節(jié)一塊一塊的吊裝在圍堰底節(jié)上，拼裝完一節(jié)將圍堰順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，然后拼裝第二塊，依次將中節(jié)全部拼裝完成，同步工序完成頂節(jié)鋼圍堰的拼裝.

4.3.5 鋼圍堰浮運(yùn)著床 采用圍堰兩側(cè)棧橋?yàn)閷?dǎo)向，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)將圍堰浮運(yùn)到墩位處，然后往圍堰內(nèi)注水下沉. 當(dāng)圍堰底距環(huán)形槽底50 cm 時(shí)，停止往圍堰內(nèi)注水，測(cè)量人員對(duì)圍堰的平面位置做最后一次復(fù)核，圍堰平面位置滿足要求后，繼續(xù)往圍堰內(nèi)加水，此時(shí)潛水員下水觀察圍堰著床情況. 當(dāng)圍堰底部支腿與環(huán)形槽的最高點(diǎn)接觸緊密后，停止圍堰內(nèi)注水，潛水員在水下將圍堰支腿懸空部分采用石塊支墊，保證圍堰平整.

4.4 鋼圍堰封底

鋼圍堰封底混凝土應(yīng)滿足受力安全和防滲效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件、各抗力條件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，項(xiàng)目采用環(huán)形不等厚封底，其示意圖如圖2（a）及圖11 所示.鋼圍堰封底主要包括封底混凝土厚度計(jì)算、封底混凝土指標(biāo)控制、封底混凝土澆筑等環(huán)節(jié)［19-20］.

4.4.1 封底混凝土厚度計(jì)算 為保證封底混凝土的有效厚度，實(shí)際澆筑厚度應(yīng)為從鋼圍堰底平面到計(jì)算位置再加上浮漿厚度. 封底混凝土的最小厚度可按式（4）計(jì)算：

圖11 鋼圍堰環(huán)形不等厚封底示意圖Fig.11 Schematic diagram of ring unequal thickness bottom sealing of steel cofferdam

式中：γw為水的重度，kN/m3；A為封底混凝土面積，m2；h水為抽水深度，m；γc混凝土重度，kN/m3；u為封底混凝土周長(zhǎng)，m；τc為水下混凝土與周圍鋼圍堰間的單位黏結(jié)力（一般按實(shí)際情況根據(jù)試驗(yàn)確定），MPa.

根據(jù)式4本項(xiàng)目的x=2.8 m，考慮浮漿影響，內(nèi)側(cè)混凝土封底厚度取3.3 m. 因圍堰外側(cè)封底的不可控因素較多，封底厚度定位4.8 m，標(biāo)高與河床基巖基本等高.

4.4.2 封底混凝土指標(biāo)控制 結(jié)合封底混凝土澆筑時(shí)間，抽水時(shí)強(qiáng)度等要求，確定封底混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為水下C30，坍落度為180～220 mm，初凝時(shí)間為10 h以上；混凝土擴(kuò)散半徑為8 m.

4.4.3 封底混凝土澆筑循序 總的澆筑順序?yàn)橄葍?nèi)側(cè)后外側(cè)，內(nèi)側(cè)澆筑由上游側(cè)同一點(diǎn)出發(fā)，沿圍堰向兩側(cè)澆筑，在下游側(cè)合龍；外側(cè)澆筑時(shí)，因圍堰下游側(cè)貼近主棧橋位置淤泥回流速度較快，選擇該位置首先澆筑（封底前需要再次清基），澆筑方式與內(nèi)側(cè)封底相同.

5 結(jié)論

擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的橋梁深水基礎(chǔ)施工，受制約因素多，且施工要求較高，張吉懷鐵路下壟舞水特大橋45#墩水中擴(kuò)大基礎(chǔ)施工，在前期水文地質(zhì)資料的調(diào)查，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，臨時(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，擬進(jìn)場(chǎng)設(shè)備的市場(chǎng)調(diào)查及性能比較，多方案的研究比選的基礎(chǔ)上，對(duì)重點(diǎn)工序進(jìn)行了精細(xì)化施工，取得了預(yù)期效果，主要表現(xiàn)為：

1）合理優(yōu)化鋼圍堰尺寸，減少圍堰基槽的開挖量：在有限的時(shí)間內(nèi)完成爆破及基槽開挖，主要從基槽開挖的尺寸、標(biāo)高來控制開挖量，同時(shí)選用開挖效率高的設(shè)備及數(shù)量來保證開挖時(shí)間可控.

2）精確定位爆破孔位，根據(jù)地質(zhì)條件合理控制裝藥量：通過對(duì)地質(zhì)特性分析及河床實(shí)測(cè)地形核查，通過計(jì)算及利用精確的定位設(shè)備，精確控制炮孔間距及裝藥量，達(dá)到基槽成型效果.

3）合理利用現(xiàn)有臨時(shí)結(jié)構(gòu)及設(shè)備保證鋼圍堰的浮運(yùn)及下放：利用現(xiàn)有雙側(cè)棧橋及水中施工平臺(tái)及岸邊臨時(shí)錨固樁為固定點(diǎn)，輔助動(dòng)力船、履帶吊及卷?yè)P(yáng)機(jī)為動(dòng)力設(shè)備保證鋼圍堰的浮運(yùn)安全及鋼圍堰定位下放的準(zhǔn)確.

4）采用環(huán)形不等厚封底減少滲水通道的形成：封底前利用吸泥機(jī)及高壓射水對(duì)基槽清淤，保證封底混凝土與基槽巖面及鋼圍堰更好的黏結(jié). 通過計(jì)算在鋼圍堰內(nèi)側(cè)封底就能滿足要求的情況下，對(duì)鋼圍堰外側(cè)進(jìn)行了二次封底，降低了滲水通道的形成概率，保證圍堰抽水可控，一次封底可控.