李 偉

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 前言

近年來(lái)我國(guó)橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，跨水域橋梁的修建尤為突出，因此深水承臺(tái)的施工案例也層出不窮。其中，長(zhǎng)江及沿海流域是橋梁水中基礎(chǔ)工程施工的集中區(qū)域，設(shè)計(jì)水中承臺(tái)形式也各有不同[1]。目前國(guó)內(nèi)深水低樁承臺(tái)多采用圍堰、沉井等方法進(jìn)行施工[2-3]，尤其以圍堰較為常見(jiàn)。圍堰施工受水流及地質(zhì)條件影響較大，施工時(shí)主要是通過(guò)插打鋼管樁或鋼板樁使承臺(tái)區(qū)域形成不透水空間，從而為承臺(tái)施工提供安全穩(wěn)定的作業(yè)區(qū)間，其中鋼管樁插打順序及插打深度應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求[4-6]。深水基礎(chǔ)施工常采用鎖扣鋼管樁[7-8]、雙壁鋼圍堰、低水位期填土筑島[9-12]等施工技術(shù)。傳統(tǒng)水中低樁承臺(tái)施工時(shí)，圍堰施工完成后即可進(jìn)行承臺(tái)施工相關(guān)工作，本項(xiàng)目由于河床底面為基巖，且承臺(tái)位于基巖面以下，圍堰施工后如果直接下挖，會(huì)對(duì)圍堰穩(wěn)定性和密閉性造成較大影響，因此本項(xiàng)目提出預(yù)封底反開(kāi)挖的方法進(jìn)行施工，很好地解決承臺(tái)嵌入巖面下層施工的難題。

2 工程概況及基坑防護(hù)方案

2.1 工程概況

昌贛客專(zhuān)泰和贛江特大橋位于吉安市泰和縣，橋梁全長(zhǎng)6.84 km，與既有京九鐵路泰和贛江橋相鄰，兩橋凈間距不足30 m。該主橋基礎(chǔ)施工具有以下難點(diǎn):(1)2＃墩河床為裸露基巖，承臺(tái)下臥裸露基巖約1.7 m；3＃墩河床覆蓋層厚約4.6 m，承臺(tái)下臥約4.38 m，鎖扣鋼管樁圍堰生根固結(jié)難度大、引孔工程量大，控制精度高。(2)根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算封底混凝土厚度達(dá)2 m，以2＃墩為例，開(kāi)挖深度約4.3 m，工程量(約2 200 m3)大，開(kāi)挖高度19.5 m，基巖硬度300 kPa，鄰近既有線(xiàn)無(wú)法采取水下爆破，基巖水下開(kāi)挖難度極大。(3)施工水位深度達(dá)14.8 m，流速快(v＝3.68 m/s)，圍堰支護(hù)、防水處理難度極大，工序、工況階段控制要求極其準(zhǔn)確；同時(shí)圍堰、河床等監(jiān)控測(cè)量精度和頻率要求高。(4)鄰近既有線(xiàn)平臺(tái)空間受限，確保工程工期，加大了交叉同步施工組織難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 水中深基坑防護(hù)方案

(1)總體施工方案

本橋部分橋墩位于贛江河道中間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和地質(zhì)情況，承臺(tái)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鎖扣式鋼管樁圍堰。因鄰近既有線(xiàn)禁止爆破，圍堰內(nèi)基坑開(kāi)挖采用預(yù)封底反開(kāi)挖作業(yè)法(機(jī)械干挖)，承臺(tái)采用水下預(yù)封底，形成強(qiáng)度后進(jìn)行抽水反開(kāi)挖施工。主橋承臺(tái)2＃、3＃同步施工，合理安排工期，在保證施工質(zhì)量的前提下按時(shí)完成。

(2)主墩鋼圍堰構(gòu)造及布置

圍堰采用?820×10 mm鋼管樁，兩側(cè)分別焊接18型鋼及?159×7 mm鋼管，如圖1所示。工程中所用鋼管樁單根長(zhǎng)度為18.2 m，為保證圍堰的整體穩(wěn)定，要求管樁下部嵌入基巖面下3 m以上，且設(shè)置鋼筋混凝土錨固樁對(duì)每根鋼管樁均進(jìn)行錨固處理。錨固樁直徑0.7 m，一端伸入鋼管3.0 m以上，另一端嵌入基巖4 m以上。單個(gè)承臺(tái)圍堰平面尺寸28.72×21.03 m，經(jīng)計(jì)算圍堰從上至下設(shè)四層內(nèi)支撐:第一層內(nèi)支撐設(shè)置在高程59.3 m處，第二層內(nèi)支撐設(shè)置在高程56.3 m處，第三層內(nèi)支撐設(shè)置在高程53.3 m處，第四層內(nèi)支撐設(shè)置在高程50.8 m處。圍堰內(nèi)支撐腰梁全部由2HW400H型鋼制作而成，斜向及縱向撐桿均由?630×10 mm鋼管構(gòu)成，豎向支撐桿和加強(qiáng)連接桿均由?500×8 mm鋼管組成。為避免鋼管出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成局部受力過(guò)大，在鋼管與腰梁接觸位置焊接加勁板。整個(gè)鎖扣鋼管樁圍堰各構(gòu)件布置如圖2所示。

圖1 鎖扣鋼管樁截面

圖2 3＃墩圍堰橫斷面布置

3 承臺(tái)基坑水下混凝土預(yù)封底施工技術(shù)

3.1 水下吸砂施工

在進(jìn)行混凝土預(yù)封底施工前，首先應(yīng)保證第一道支撐安裝到位，且保持圍堰內(nèi)外水位一致，再對(duì)圍堰內(nèi)部砂(礫石)采用水下導(dǎo)管泵吸法進(jìn)行抽排處理。為實(shí)現(xiàn)圍堰內(nèi)外水位高度保持一致，在鋼管樁插打施工前，根據(jù)常水位的標(biāo)高選擇4根鋼管樁進(jìn)行開(kāi)孔，圍堰內(nèi)外水位高差可通過(guò)該孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證圍堰內(nèi)水位不受吸砂施工的影響。吸砂施工采用高壓氣泵吸砂機(jī)，主要用于清理圍堰內(nèi)基底表面覆蓋層。水下吸砂施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3。為了確保封底混凝土高度范圍內(nèi)鋼管樁及鋼護(hù)筒與封底混凝土形成有效連接，吸砂施工完成后，潛水員下潛至底部利用高壓水槍將鋼管樁及鋼護(hù)筒沖洗干凈。

圖3 水下吸砂施工現(xiàn)場(chǎng)

3.2 水下混凝土預(yù)封底

3.2.1 總體方案

在鄰近既有線(xiàn)和通航并存條件下，禁止水下爆破和大型浮吊船作業(yè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用預(yù)先封底再反開(kāi)挖的施工方案。采用預(yù)封底最主要作用是經(jīng)反開(kāi)挖留置的混凝土圈梁，在達(dá)到強(qiáng)度后對(duì)鋼管樁下部形成有效支撐，提升圍堰基底穩(wěn)定性和防水性；其次基巖滲水系數(shù)較小，通過(guò)混凝土壓力和增加滲透長(zhǎng)度抵抗壓力水頭差，便于基底干挖作業(yè)。封底采用梯形斷面推進(jìn)法，封底順序?yàn)閺牡椭粮?、從周邊至中間逐個(gè)進(jìn)行，直至封底全部完成。

導(dǎo)管分布計(jì)算:單根導(dǎo)管作用有效半徑為2.5 m，要求所有導(dǎo)管作用有效面積必須全部覆蓋圍堰底部。每個(gè)導(dǎo)管作用面積:π×R2＝3.14×2.52＝19.625 m2。鋼管樁圍堰底面積:19.4×25.9＝502.46 m2，則至少需要導(dǎo)管根數(shù):502.46/19.625≈26根。導(dǎo)管下放時(shí)與鋼護(hù)筒外側(cè)保持一定距離，以便混凝土均勻擴(kuò)散。根據(jù)作業(yè)平臺(tái)及布置原則，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置28根導(dǎo)管，同時(shí)備用一套導(dǎo)管。施工時(shí)導(dǎo)管位置根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，避開(kāi)鋼護(hù)筒及內(nèi)支撐。導(dǎo)管布置見(jiàn)圖4。

圖4 導(dǎo)管平面布置

3.2.2 封底混凝土澆筑施工布置

(1)利用鋼護(hù)筒、鉆孔平臺(tái)定位樁搭設(shè)封底混凝土平臺(tái)，作為封底混凝土施工過(guò)程中人員操作、小型機(jī)具的堆放平臺(tái)。

(2)為保證混凝土順利灌注，避免導(dǎo)管堵管現(xiàn)象的發(fā)生，所選用的導(dǎo)管內(nèi)徑為300 mm，并進(jìn)行相應(yīng)水密性及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。所有導(dǎo)管的內(nèi)徑要確保一致，保證誤差在±2 mm之內(nèi)，導(dǎo)管內(nèi)壁要光滑無(wú)阻，管體不漏漿且無(wú)裂痕。

3.2.3 封底混凝土施工

將泵車(chē)停在2＃、3＃墩南北兩側(cè)，澆筑過(guò)程中實(shí)行從圍堰兩邊向中間對(duì)稱(chēng)澆筑，且從上游向下游對(duì)稱(chēng)推進(jìn)的澆筑順序。分兩層進(jìn)行澆筑，每層澆筑1 m，待第一層澆筑完成后重復(fù)第一層澆筑順序完成第二層澆筑。

(1)在設(shè)計(jì)下料點(diǎn)垂直下放內(nèi)徑300 mm的鋼制導(dǎo)管，準(zhǔn)備12個(gè)1.5 m3漏斗，導(dǎo)管底口距離基底面30 cm。

圖5 封底混凝土澆筑順序

(2)在 2＃、3＃墩南北兩側(cè)1號(hào)導(dǎo)管安裝1.5 m3漏斗。待澆筑完成后將第一排漏斗拆除安裝至2號(hào)導(dǎo)管位置，最后進(jìn)行 3、4號(hào)導(dǎo)管澆筑(澆筑順序見(jiàn)圖5)。待第一層澆筑完成后，依次對(duì)稱(chēng)進(jìn)行第二層澆筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高(封底混凝土成型見(jiàn)圖6)。

圖6 預(yù)封底施工完成

4 承臺(tái)基坑反開(kāi)挖技術(shù)

4.1 封底混凝土反開(kāi)挖總體方案

橋址處設(shè)計(jì)施工水位標(biāo)高為58.8 m，圍堰內(nèi)外水位差深達(dá)14.8 m，水下巖石開(kāi)挖難度極大，開(kāi)挖方式是決定開(kāi)挖成敗的第一要素。結(jié)合運(yùn)砂船通航、既有京九鐵路運(yùn)營(yíng)安全、圍堰底部穩(wěn)定等多種因素，取消原水下爆破方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鄰近既有線(xiàn)、開(kāi)挖深度及基底地質(zhì)等多方面條件考慮，選擇小型挖掘機(jī)(自帶炮頭)干挖作業(yè)的方式開(kāi)挖。3＃墩設(shè)計(jì)承臺(tái)底標(biāo)高為44.019 m，河床標(biāo)高為48.4 m(砂石覆蓋層4.6 m)，巖層頂標(biāo)高約43.8 m，封底混凝土底標(biāo)高與巖層頂標(biāo)高一致(厚2 m)；2＃墩設(shè)計(jì)承臺(tái)底標(biāo)高為44.579 m，河床為裸露泥質(zhì)粉砂巖層(300 kPa)，基面標(biāo)高約46.3 m，承臺(tái)下臥基巖約1.72 m，基坑封底混凝土底標(biāo)高與裸露基巖面標(biāo)高一致(厚2 m)。

4.2 反開(kāi)挖施工

第一步:抽水至封底混凝土頂，采用大型吊車(chē)吊放4臺(tái)PC-60型小型炮機(jī)及1臺(tái)120型挖掘機(jī)至基坑內(nèi)，測(cè)放承臺(tái)邊線(xiàn)，每邊外擴(kuò)40 cm，作為開(kāi)挖邊線(xiàn)；每側(cè)預(yù)留0.8 m寬混凝土作為圈梁，加強(qiáng)圍堰根部穩(wěn)定性和防水性。

第二步:由中間向兩邊分段、分層對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，保證開(kāi)挖期間基底和圍堰根部穩(wěn)定，每層由中間開(kāi)挖至圍堰邊80 cm后再進(jìn)行下一層開(kāi)挖，最終開(kāi)挖至承臺(tái)底標(biāo)高下50 cm處。2＃墩開(kāi)挖基坑底標(biāo)高為44 m，開(kāi)挖深度4.3 m；3＃墩開(kāi)挖基坑底標(biāo)高為43.5 m，開(kāi)挖深度2.3 m(見(jiàn)圖7)。

圖7 開(kāi)挖至承臺(tái)底50 cm后留置混凝土圈梁

第三步:分別澆筑50 cm厚調(diào)平墊層(見(jiàn)圖8)，保證承臺(tái)底平整度。同時(shí)封閉圍堰底局部裂隙水，在裂隙水處四周設(shè)置暗管，引流至集水井，利用抽水機(jī)強(qiáng)排至圍堰外。

圖8 澆筑50 cm厚混凝土調(diào)平墊層

5 水下封底混凝土灌注要求及注意事項(xiàng)

(1)由于承臺(tái)體積大，在澆筑封底混凝土?xí)r無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次同時(shí)“沖灌”灌注，應(yīng)采取從低至高、從周邊至中間順序進(jìn)行灌注的方式。該方式一方面避免高處混凝土向低處擴(kuò)散；另一方面避免基底浮泥及封底混凝土頂面的浮漿集中在基礎(chǔ)邊緣。

(2)混凝土澆筑前應(yīng)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，可增加適量水泥或粉煤灰確?；炷恋牧鲃?dòng)性，使其具有良好的和易性，避免在灌注過(guò)程中產(chǎn)生離析。由于封底混凝土體積大，應(yīng)在混凝土中加入適量緩凝劑，確保初凝時(shí)間在10 h以上。

(3)首批混凝土的數(shù)量必須進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式:v＝π×R2×h/3＝5 m3，其中h為導(dǎo)管底口處混凝土埋高，h＝0.3 m；R為擴(kuò)散半徑，測(cè)得最大為4 m。

(4)施工中安排專(zhuān)人精確探明基坑底標(biāo)高、混凝土表面標(biāo)高，同時(shí)嚴(yán)格控制導(dǎo)管埋深。

6 結(jié)論

本文以昌贛客專(zhuān)泰和贛江特大橋?yàn)槔榻B了如何在鄰近既有線(xiàn)和通航并存條件下進(jìn)行裸露基巖深水大體積承臺(tái)施工。針對(duì)鄰近既有線(xiàn)禁止爆破及施工水域渦流沖擊等不利條件，利用預(yù)封底反開(kāi)挖作業(yè)法，對(duì)鋼管樁下部形成有效支撐，提升圍堰基底穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)混凝土壓力和增加滲透長(zhǎng)度來(lái)抵抗水頭壓力差，便于基底干挖作業(yè)，成功解決了深水域基巖開(kāi)挖及圍堰穩(wěn)定控制等難題。該施工技術(shù)可為今后類(lèi)似工程提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有一定的參考價(jià)值。