李強(qiáng)

摘要 大跨徑橋梁技術(shù)的不斷發(fā)展為橫跨大江大河提供了有力保證，基礎(chǔ)建設(shè)的提速為新技術(shù)的研發(fā)提供了有利空間。筑島圍堰配合咬合樁施工技術(shù)，作為高落差深水位水中基礎(chǔ)施工的一項(xiàng)技術(shù)日益成熟，但是針對高落差河段橋梁深水基礎(chǔ)的快速施工卻鮮有研究。文章結(jié)合成金簡快速路金堂段二期沱江大橋的施工經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述有關(guān)高落差河段深水位水下基礎(chǔ)快速施工的關(guān)鍵技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞 圍堰構(gòu)造；同步施工工藝；基坑精準(zhǔn)開挖；水下承臺裝配式流水作業(yè)；墩柱掛模施工；基坑數(shù)據(jù)監(jiān)測分析

中圖分類號 U445.556文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0136-03

0 引言

高落差河段橋梁深水基礎(chǔ)快速施工技術(shù)，是針對圍堰構(gòu)造優(yōu)化、咬合樁和主橋樁基同步作業(yè)、基坑精準(zhǔn)開挖、水下承臺平行流水作業(yè)、墩柱掛模施工和數(shù)據(jù)監(jiān)測整理分析的綜合研究，在施工同類型高落差河道橋梁的深水基礎(chǔ)時(shí)具有比較高的參考價(jià)值[1]。傳統(tǒng)的橋梁深水基礎(chǔ)施工主要討論咬合樁的施工機(jī)械選擇、施工順序、施工精度的控制、施工事故的處理等方面，但是對高落差河段橋梁深水基礎(chǔ)的快速施工鮮有研究。項(xiàng)目從2021年3月8日進(jìn)場施工，如果選擇鋼圍堰施工，那么在6—9月間基本處于停工狀態(tài)，施工周期長是鋼圍堰的缺點(diǎn)之一。該文結(jié)合成金簡快速路金堂段二期沱江大橋的施工過程，具體探究高落差河段橋梁深水基礎(chǔ)快速施工的相關(guān)技術(shù)。

1 工程概況

成金簡快速路金堂段二期沱江大橋，橋位處的沱江實(shí)測水位為413.52 m，主橋4#主墩中心位于沱江河心距簡陽岸50 m，4號墩柱承臺上游側(cè)水深3～7 m，4號墩柱位于距成都岸110 m河床上。針對水深在5～7 m之間、流速在1.5～

2 m/s的水中基礎(chǔ)，施工的橋位上游450 m位置有電站一座，設(shè)計(jì)島體圍堰的平面尺寸為90 m×40 m。施工4#墩4個(gè)獨(dú)立式承臺的咬合樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為直徑1.2 m/1.5 m咬合樁配合I45b、I36b和Ф630 mm鋼管工字鋼形成的內(nèi)支撐基坑防護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑支護(hù)尺寸為64.92 m×12.8 m×12 m。

2 施工工藝流程

圍堰填筑—咬合樁、主橋樁基同步施工—基坑精準(zhǔn)開挖—裝配式平行流水作業(yè)承臺施工—墩柱掛模施工—基坑變形監(jiān)測和數(shù)據(jù)整理分析。

3 圍堰填筑

3.1 室內(nèi)液塑限檢測的黏土研究

黏土主要來源為場地內(nèi)清理的亞黏土。該黏土的主要特性為：塑性指數(shù)為10

3.2 夾心式亞黏土圍堰基于分層分部實(shí)施的圍堰填筑工藝施工的理論模擬和現(xiàn)場填筑過程研究

亞黏土的封水效果是幾種黏土中的較好者，其主要成分可起到堵水防水作用。墩袋主要裝填的是現(xiàn)場的中風(fēng)化頁巖。黏土的阻水層采用隨島體的填筑高度同步填筑。夾心式亞黏土圍堰截面如圖1所示。

4 橋梁樁基與咬合樁圍堰同步施工

不同樁徑的咬合樁和主橋樁基采用同步的施工工藝，通過邁達(dá)斯CIVIL和邁達(dá)斯FEA軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場受力的模擬分析驗(yàn)證，以對后期的不同咬合樁在保證結(jié)構(gòu)受力情況下圍堰內(nèi)的樁徑大小、嵌巖深度、內(nèi)支撐設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，保證最低成本、最大效益地進(jìn)行咬合樁圍堰施工。在2021年3月27日完成下游區(qū)域筑島圍堰時(shí)，3月28日開始在下游區(qū)域進(jìn)行咬合樁、主墩樁基的同步鉆進(jìn)工作。第一根咬合樁于3月20日上午9時(shí)開孔、19時(shí)成孔，孔深為16.2 m；第一根主橋樁基主墩4-12#樁基于3月28日上午8時(shí)開孔、23時(shí)成孔，孔深為18.1 m。160根咬合樁于4月14日全部澆筑完成，用時(shí)18 d；24根主墩樁基于4月10日全部澆筑完成，用時(shí)14 d。

在迎水面采用樁徑為1.5 m的咬合樁（80根），有利于圍堰穩(wěn)定性；背水面采用樁徑為1.2 m的咬合樁（80根），不僅能滿足圍堰穩(wěn)定性，而且降低成本。若全部采用樁徑為1.5 m的咬合樁，圍堰穩(wěn)定性好，但與該項(xiàng)目采用的1.2 m、1.5 m混合式咬合樁相比，約多花費(fèi)45萬元；若全部采用樁徑為1.2 m的咬合樁，雖然成本能降低，但圍堰穩(wěn)定性卻達(dá)不到技術(shù)要求。

5 基坑精準(zhǔn)開挖

施工現(xiàn)場基巖裸露，由于常年受沱江水流沖刷，基巖強(qiáng)度在50～90 MPa。在水面下3～7 m位置，由于4號墩周圍100 m范圍內(nèi)有當(dāng)?shù)鼐用瘢?dāng)?shù)卣徒鹛每h河道管理處不允許4號墩基坑采用爆破開挖；由于開挖的斷面尺寸大，長×寬×高為64.9 m×12.8 m×14 m；若采用旋挖取芯配合破錘開挖的方式，則施工時(shí)間長。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際采用大功率勾機(jī)配合破碎錘進(jìn)行基坑精準(zhǔn)定型開挖，現(xiàn)場配合基于GPS的精準(zhǔn)測繪數(shù)據(jù)收集和反饋系統(tǒng)，以及坑下作業(yè)的破碎錘和勾機(jī)同GPS組成的網(wǎng)狀動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)；在破碎錘或勾機(jī)上設(shè)置固定式的GPS測點(diǎn)和樁頂處固定式GPS測點(diǎn)組成網(wǎng)狀動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，通過機(jī)械上固定式GPS測點(diǎn)和樁頂處固定式GPS監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位差來確定基坑開挖的界限是否到位。破碎錘或勾機(jī)的開挖界限達(dá)到預(yù)先設(shè)定的基坑邊和深度時(shí)，設(shè)置在作業(yè)機(jī)械上的毫秒差分解預(yù)警系統(tǒng)自動報(bào)警即可停止開挖，減少了人員靜態(tài)和動態(tài)的坑下聯(lián)合測量。

5.1 圍堰開挖

第一層開挖完成后，基坑內(nèi)土體形成新的開挖面。當(dāng)?shù)谝粚訃鷻_施工完成后開始下一層開挖，從下游方向向上游進(jìn)行開挖，開挖高度為圍堰頂下8 m。此層先行施工咬合樁內(nèi)的圍檁，采用鋼管、型鋼和鋼筋及時(shí)做好圍檁施工，然后從上游向下游依次反向開挖，開挖的土石方通過挖掘機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至下游側(cè)，下游側(cè)的挖掘機(jī)配合基坑頂?shù)耐诰驒C(jī)進(jìn)行土石方的轉(zhuǎn)運(yùn)；當(dāng)開挖至下游側(cè)時(shí)，將開挖的土石方轉(zhuǎn)運(yùn)至上游側(cè)，采用基坑內(nèi)挖掘機(jī)和基坑頂挖掘機(jī)配合進(jìn)行土石方的轉(zhuǎn)運(yùn)[3]。

第二層圍檁以下部分采用從下游分承臺開挖。一次開挖至承臺底下30 cm位置，確保承臺墊層高程。下游側(cè)開挖的中風(fēng)化巖層依次采用長臂挖掘機(jī)進(jìn)行挖除并裝運(yùn)至棄土場，上游側(cè)開挖的巖層土塊通過基坑內(nèi)的兩臺挖掘機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至下游側(cè)，在基坑內(nèi)形成上基坑的斜坡。

5.2 動態(tài)監(jiān)測的平面偏位波動圖

基坑開挖過程中，動態(tài)監(jiān)測的平面偏位波動圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)分析表明，這種基于GPS的精準(zhǔn)測繪數(shù)據(jù)收集和反饋系統(tǒng)在深水基坑開挖過程中的控制預(yù)警應(yīng)用，對于提高基坑開挖的尺寸準(zhǔn)確度有著明顯的技術(shù)質(zhì)量控制優(yōu)勢。

基坑第一層圍檁采用I36b工字鋼，作業(yè)平臺采用?48×3 mm鋼管、L125角鋼、L75角鋼和直徑14 mm的鋼筋焊接而成的作業(yè)平臺。第二層采用I45b工字鋼、I36b工字鋼、?630×10 mm鋼管形成組合支撐構(gòu)件與咬合樁共同受力。共使用I45b工字鋼65 t、I36b工字鋼190 t，約160萬元。對比傳統(tǒng)工藝全部使用的I45b工字鋼（195萬元），約節(jié)約成本35萬元。

6 水下承臺和墩柱施工

6.1 裝配式承臺鋼筋的快速施工研究

4#墩共計(jì)4個(gè)承臺。1#承臺采用傳統(tǒng)施工方式進(jìn)行作業(yè)，2#、3#、4#承臺采用后場完成鋼材加工與骨架拼裝、前場焊接安裝定位的方式進(jìn)行作業(yè)，累計(jì)節(jié)省工期12 d，節(jié)省管理成本約30萬元。

相較于傳統(tǒng)施工方式，該項(xiàng)目采用的后場完成鋼材加工與骨架拼裝、前場焊接安裝定位的施工方式，節(jié)約的人工、工時(shí)、機(jī)械費(fèi)用約一半[4]。不僅在經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于傳統(tǒng)施工方式，完成同一部位的施工任務(wù)用時(shí)也同樣優(yōu)于傳統(tǒng)施工方式，為在汛期前完成水中墩柱的施工任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

6.2 掛模施工研究

懸掛式爬模施工，充分借鑒了水利工程的施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合了翻模施工的優(yōu)點(diǎn)。由于4號墩的承臺在河床下，為了迅速將墩柱提高到水面以上的位置，墩柱施工采用掛模施工。

6.3 采用傳統(tǒng)施工方式施工

傳統(tǒng)的墩柱施工采用翻模施工，需要2.25 m的基礎(chǔ)模板箍在下層已澆筑的混凝土上，澆筑4.5 m一模的墩柱，每根墩柱需要6.75 m墩柱模板（共計(jì)三層模板）。2021年5月11日開始施工，現(xiàn)場1臺25 t吊車配合，于5月22日完成兩模（0～9 m）的墩柱施工，用時(shí)12 d，機(jī)械費(fèi)用為1.2萬元（12個(gè)臺班）。

6.4 采用掛模施工研究經(jīng)濟(jì)效益分析

直接在第一層混凝土頂預(yù)埋胎型螺栓，第二層模板直接安裝在胎型螺栓上進(jìn)行作業(yè)。澆筑4.5 m一模的墩柱，每根墩柱只需4.5 m墩柱模板（共計(jì)兩層模板）。掛模施工通過直接掛設(shè)在同層底部、安裝在孔內(nèi)的胎型螺栓承擔(dān)模板的重量，澆筑4.5 m一模的墩柱只需在每節(jié)墩柱底增加0.1 m的高度以預(yù)留爬錐的安裝孔，減少了墩柱模板用量和傳統(tǒng)翻模施工的翻模安裝和拆除工序。2021年5月11日開始施工，現(xiàn)場1臺25 t吊車配合，于5月20日完成兩模（0～9 m）的墩柱施工，用時(shí)10 d，機(jī)械費(fèi)用為1萬元（10個(gè)臺班）。

7 基坑變形監(jiān)測和數(shù)據(jù)整理分析

咬合樁圍堰和內(nèi)支撐在枯水位、洪水位、洪水退水后位移變形量的比對研究，為研究期末提出的咬合樁圍堰和內(nèi)支撐經(jīng)濟(jì)性方案的創(chuàng)新，提供了數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)[5]。

7.1 咬合樁

在咬合樁四角和長邊的中間設(shè)置了位移監(jiān)測點(diǎn)，其監(jiān)測結(jié)果為：靜態(tài)偏差為5～10 mm之間，動態(tài)偏差在5～15 mm之間；符合水中深基坑的安全控制要求。在洪水期的咬合樁樁頂在洪水前后的位移變化顯示在10～30 mm之間，在洪水退后又恢復(fù)到平常狀態(tài)。

咬合樁圍堰在20年一遇的洪水沖擊下，咬合樁整體結(jié)構(gòu)能承受住變形；變形在洪水退后逐漸恢復(fù)，滿足結(jié)構(gòu)受力要求；證明在高落差深水位應(yīng)用的這種復(fù)合式咬合樁，具有研究推廣意義。

7.2 圍檁

在開挖、承臺施工水下墩柱施工過程中監(jiān)測的結(jié)果顯示，鋼支撐的蠕變變形基本控制在3～5 mm之間，滿足鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)的安全要求?；釉诙罩斐鏊婧蟪掷m(xù)對咬合樁圍堰在汛期、基坑內(nèi)滿水后的監(jiān)測表明，咬合樁和鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性滿足要求。在枯水期，對基坑內(nèi)的水進(jìn)行抽除后對咬合樁和圍檁進(jìn)行同頻率監(jiān)測，監(jiān)測咬合樁和鋼支撐組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)在汛期后的變形情況；經(jīng)過10～12月的連續(xù)監(jiān)測，咬合樁和鋼支撐在迎水面的動態(tài)變形在15～35 mm之間，在背水面的動態(tài)變形在10～20 mm之間，鋼結(jié)構(gòu)的焊接焊縫無開裂現(xiàn)象，基坑的整體性完整。圍檁在全過程周期中的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

監(jiān)測總結(jié)：后期的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，咬合樁和圍檁的整體穩(wěn)定性好，具有保證安全的要求，經(jīng)受住了洪水的考驗(yàn)。該研究項(xiàng)目的目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，證明高落差深水位應(yīng)用的此種支護(hù)型式的監(jiān)測方法，具有推廣應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

8 結(jié)語

綜上所述，成金簡快速路金堂段二期沱江大橋立足于實(shí)際情況，對高落差河段橋梁深水基礎(chǔ)的圍堰結(jié)構(gòu)、主橋樁基和咬合樁同步施工、基坑精準(zhǔn)開挖、裝配式平行流水作業(yè)承臺施工、墩柱掛模施工、基坑變形監(jiān)測和數(shù)據(jù)整理分析等工藝進(jìn)行了深入研究，不僅縮短了工期，減少了支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼材用量和咬合樁的混凝土用量，還提高了工效，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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