閩江特大橋主墩防沖刷處理方案

石井兵

摘 要：為減緩河床沖刷下切速度，提高橋梁結構的安全性角度而言，對閩江特大橋主墩基礎進行沖刷防護工程設計。施工過程和主橋基礎施工重疊，施工難度大的特點，沖刷防護工程宜采用施工臨時結構預防護與橋梁永久防護互相結合的方案，既有安全防護作用，又降低橋基礎施工難度。本文就施工的閩江特大橋主墩防沖刷處理方案進行論證。

關鍵詞：樁基礎沖刷；安全防護；結構安全；施工方案

中圖分類號： U445 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）12-73-2

0 引言

福州繞城高速是福州市干線公路網重要路段。閩江特大橋跨越閩江航道，是福州繞城公路的重要樞紐工程，上部結構引橋采用4×35m+5×35m+4×35m PC連續T梁+3×40m+3×40m+3×40m+4×40m PC連續T梁，主橋采用（70m+4×110m+70m）變截面連續-剛構箱梁，下部結構主橋采用箱墩，鉆孔灌注樁基礎，主橋27#和31#墩處設GPZ盆式支座，28#～30#主墩與主梁固結剛構；引橋采用柱式墩，鉆孔群樁或單排樁基礎。

閩江特大橋主橋27#～30#號主墩處于閩江之中，距離上游水口水電站50km，水口水電站在汛期頻繁泄洪和平時水流造成的主墩基礎處河床局部沖刷十分嚴重，在2010年5月23日最大泄洪量達到17500m3/s時候，正在鉆孔施工中的29#墩鉆孔平臺的鋼管樁被沖走，嚴重影響鉆孔平臺的結構穩定性，為了摸清鉆孔平臺鋼管樁基礎處實際沖刷情況，項目部請福州陸海工程咨詢有限公司（第三方）對河床標高進行專業測深。福州陸海工程咨詢有限公司于2010年5月27日對橋位處河床進行聲納測深，此次測深結果對比該公司2009年8月25日的測深結果顯示，9個月時間27#～30#主墩處河床沖刷下切嚴重，第三方兩次河床標高測深結果對比與實際情況基本相符合，如果不及時采取沖刷防護措施，橋梁施工階段和成橋后的運營階段結構的安全性將大大降低。

為減緩河床沖刷下切速度，提高橋梁結構的安全性角度而言，對閩江特大橋主墩基礎進行沖刷防護工程設計。施工過程和主橋基礎施工重疊，施工難度大的特點，沖刷防護工程宜采用施工臨時結構預防護與橋梁永久防護互相結合的方案，既有安全防護作用，又降低橋基礎施工難度。

1 防沖刷設計可采用的類型

經查閱類似橋梁水中基礎沖刷防護、加固工程的相關資料，以下幾種防沖刷設計類型比較常見：

1.1 拋石進行防護

拋石防護是主要的一種橋墩樁基防護工程措施，一是拋石對床沙保護，增加床沙起動所需的流速；二是拋石增大橋墩位附近局部糙率，對減小橋墩附近流速起到積極作用。

1.2 擴大橋墩基礎防護

擴大橋墩基礎防護是在施工階段將鋼圍堰埋入河床面以下一定位置，然后進行樁基施工，樁基施工完后在河床面以上預留一定距離封頂，然后在封頂上放橋墩的防護措施。該防護方法主要原理是用擴大橋墩基礎頂面減弱樁基前的下降水流淘刷力。

1.3 混凝土塊防護

混凝土塊最早用于海岸的沖刷防護。1994年，專家對混凝土塊進行局部沖刷防護的研究。發現橋墩本身的勾連性使與拋石石塊尺寸和質量相當的混凝土塊的穩定性更好，效果更佳。

1.4 河床注漿防護

注漿作為一種成熟的地基處理工藝在工程實踐中得以廣泛應用，其工作原理為通過在軟土或松散碎石中注入高強度膠漿凝結，使局部地基土加固，形成復合地基。河床注漿是將陸上注漿工藝引入水下施工環境進行施工，通過固結橋墩樁基周圍土壤，達到防止河床沖刷，保證橋梁穩固性的目的。

2 防沖刷設計方案比選

針對閩江特大橋主墩基礎處河床沖刷特點，在選定主墩基礎沖刷防護設計時應遵循下列原則：

①沖刷防護結構安全，簡單耐用；

②沖刷防護結構考慮施工期預防護和永久防護；

③設計方案應滿足工藝簡單、施工難度低的要求；

④盡可能壓縮沖刷防護工程的施工成本；

2.1 拋石防護

拋石防護優點原材料方便，施工容易，是使用較早、頻率較高的防護措施。缺點是維護費用較高，周期較短。單純的拋石防護效果不佳。

2.2 擴大橋墩基礎防護

擴大橋墩基礎防護方法是傳統的橋墩局部沖刷防護方法，石泉漢江大橋墩基沖刷防護使用該法，取得很好的效果。但由于閩江特大橋橋下閩江航道等級為內河IV級，若采用擴大橋墩樁基基礎方式進行沖刷防護，阻水面積擴大，航道凈寬減小，會對航道運行產生影響；其次由于受采砂河床下切和汛期閩江上游水口電站泄洪時，該處水位落差較大的影響，非但不能有效的防止沖刷，反而可能加快沖刷速度。所以沖刷防護設計不宜采用此法。

2.3 混凝土塊防護

用混凝土塊防護代替拋石防護還有難度，因為混凝土塊的造價要高得多；另一方面，混凝土塊要準確布置在橋墩周圍，施工的難度大。所以沖刷防護設計不宜采用此法。

2.4 注漿防護防護

注漿防護加固法，加固基礎質量可靠，加固效果明顯，且施工簡單，目前逐漸成為常用的對橋梁墩臺基礎加固處理方法。宜采用此法進行沖刷防護設計。

3 防沖刷方案設計

根據目前橋位處閩江的水文資料、施工現場鉆孔平臺實際沖刷受損情況和上述幾種防沖刷方案的可行性分析。閩江特大橋主橋基礎防沖刷設計采用拋石結合注漿防護做永久防護方案，同時考慮主橋基礎防護工程施工和主橋基礎施工同時進行。為了防止塊石拋填過程對現有主橋樁基鋼護筒和棧橋、平臺等臨時結構造成危害，在主橋基礎鉆孔平臺周圍的沖刷防護核心區投放袋裝砂對進行施工期間的局部沖刷預防護，待主橋基礎施工完，鉆孔平臺拆除后再進行級配碎石和塊石拋填，同外圍區永久防護形成永久沖刷防護體系。

3.1 防護的設計條件

防護結構層表層材料（塊石）的穩定重量按永久防護標準確定，特征水動力條件采用100期，同時采用2.2m/s的水動力條件對塊石的穩定校核。下層材料的穩定重量按施工期防護標準確定，特征水動力條件采用15年一遇。

3.2 防護的平面設計

根據防護工程的功能要求，在平面上將整個防護區分為核心區和外圍防護區，見圖1。

核心區按照樁基礎鉆孔平臺施工期間預防護的需要，取主墩樁基礎施工平臺外8m，范圍為24.2m×46.3m。外圍防護區為核心區外圍適應河床沖刷變形的平面尺度，取核心區外8m寬的范圍，保護核心區防護區外圍床面，進而確保核心防護區的穩定。

3.3 防護的立面設計

防護立面采用反濾層和護面層結合型式。反濾層是由袋裝砂和級配碎石構成，護面層采用塊石，詳見圖2。

砂袋袋體采用針刺復合編織布，尺寸1.6×1.6×0.6m。采用橋位附近的江砂，用船運到指定位置，用高壓水槍和泥漿泵，沖砂成水砂漿狀灌到袋內。充灌時邊拉伸袋子，邊擠壓排水，扎緊袖口，砂袋充灌完成。袋體不能充填太滿，要留變形余地，利于袋體間的咬合。根據蘇通大橋主墩基礎沖刷工程施工總結，推薦按80%±4%控制充填。

級配石料粒徑4～24cm，其中粒徑4～12cm和粒徑12～24cm各占50%左右。核心區的護面塊石單塊重量150～280kg，外圍區護面塊石單塊重240～440kg。

3.4 防護工程施工

首先進行試驗性施工，初步掌握了拋投成型的規律，然后開展大面積施工。

整個沖刷防護體系分兩次施工完成：第一次是核心區的袋裝砂、外圍區的袋裝砂，級配碎石、護面塊石拋填和外圍區護面塊石注漿施工，此次施工時間同主橋基礎施工同步進行。第二次是核心區的級配碎石、護面塊石拋填和核心區護念塊石注漿施工，此次施工時間為主橋基礎施工完畢，鉆孔平臺拆除后。經過兩次施工后形成整個永久沖刷防護體系。

3.5 注漿防護工程施工

水下不離析砂漿配合比設計：為保證漿液能注入并填充在拋石間的質量，必須具備足夠的流動性、黏稠性，所以水下砂漿配比時主要考慮砂漿強度、流動性和黏稠度要求。根據廈門港海滄港區7#碼頭水下拋石壓力注漿基床加固工程施工總結數據，推薦按C30水下不發生離析砂漿配比：1：2.02：1.97：0.08，每立方米砂漿含水、P.O 42.5R水泥、細砂、絮凝劑（UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土絮凝劑）的重量分別為400kg、844kg、760kg、29kg進行試配調整。在施工中，要嚴格遵守此規定，以保證施工質量。

陸上模擬注漿試驗：為檢驗初步施工方案的可實施性和注漿效果，確定注漿比率、注漿數量和注漿的壓力等參數，保證水下注漿順利，在施工前進行陸上注漿試驗。注漿試驗在陸上開挖的基坑中進行，基坑長6米、寬3.5米、深2.5米，用單個重量在150～450kg的塊石填滿后注水，為真實模擬水下拋石基床環境，拋填石料時混合一定量的泥砂。然后在預埋孔里進行注漿，確定施工工藝參數。