樁基和承臺水下施工方法分析

李世波

（朔黃鐵路發展有限責任公司 河北肅寧 062350）

1 概述

黃大線黃河特大橋位于山東省東北部，黃河下游魯北平原區，距離黃河入海口約100～120km，海拔高程9～26m（黃海高程，下同），地勢向東北微傾斜，總體較平緩。線路在山東省東營市西北的利津縣附近跨越黃河。該段黃河堤面高程19～22m，河灘洼地高程11～15m；河背槽狀洼地，沿大堤走向分布，地勢多呈帶狀洼地，海拔高程10m 左右。利津在大地構造單元上屬華北臺地內的遼冀向斜中的濟陽坳陷 ，南以齊河～廣饒大斷裂為界，北有臨邑～東營斷裂、陵縣～慶云～渤海農場等斷裂，斷裂主要構造先為北東至北北東，從濱州至黃河入海段，其次一級構造單元可分為：濱縣凸起，東營凹陷，陳家莊凸起。

黃河特大橋主橋橋長1183.34m，包括跨河主橋一聯（120+4×180+120）m 連續鋼桁梁，以及跨越黃河大堤引橋兩孔108m 鋼桁梁。主橋中有4 個主墩在主河道內（116#、117#、118#、119#）。114#、115#、120#、121#墩分別位于黃河左岸和右岸的漫灘中。引橋108m 鋼桁梁采用下承式明橋面簡支鋼桁梁。

根據橋梁選址與當地水文地質情況調查，該橋梁施工過程中水是一很大難題，大部分工程在水下施工。因此本文重點分析樁基和承臺在水中施工的施工工藝，以及施工中的一些問題。

2 橋梁水中樁基和承臺施工

2.1 橋址范圍內工程地質和水力條件

1、工程地質情況

根據鉆探測試及取樣試驗成果，橋址范圍內地層巖性較為復雜，鉆探深度內大致可以劃分為幾個工程地質層如下：

第一層：第四系全新統人工填筑層，以人工填筑粉質黏土為主，棕黃色～灰黃色，厚度約1～2m，為小溝渠堤壩、道路填料，土質以粉質黏土、粉土為主，土質較均一，可塑，II 級普通土，不宜作基礎。

第二層：第四系全新統沖積層，以粉質黏土、粉土為主，該層底高程范圍-2～+2m。

第三層，第四系全新統海陸交互沉積層：以粉質黏土（黏土）為主，其次為粉土，夾有粉砂，該層底高程范圍-16～-23.0m。

第四層，第四系上更新統海陸交互沉積層：以粉土為主，其次為粉質黏土（黏土）、粉砂，該層底高程范圍-99～101m。

第五層，第四系中更新統海陸交互沉積層：以粉質黏土（黏土）為主，其次為粉土、粉砂。

橋址范圍內地形平緩開闊，根據鉆探揭示地表以下80m 范圍內，地層以粉質黏土、粉土為主，沒有良好的天然基礎持力層，基礎類型采用鉆孔灌注樁比較適宜，樁尖持力層宜在第四層上更新統海陸交互沉積（Q3mc）或第五層中更新統海陸交互沉積（Q2mc）的粉質粘土、粉土、粉細砂層中。

2、水力條件

橋址處的地表水發育，為黃河河水，地下水為第四系潛水，主要賦存于第四系沖積、海陸交互沉積的粉質粘土、粉土中，地下水位埋深1～3m，主要受大氣降水補給，地下水水質較復雜，上部受黃河水影響為淡水，水質較好，對圬工無侵蝕性，約為10～15m 左右，下部以咸水為主，礦化度較高，深部取水樣較為困難，根據水質分析報告，綜合考慮地下水對圬工具有硫酸鹽弱侵蝕性，等級為H1。黃河每年有四汛，黃河下游汛期主要是伏秋大汛和凌汛。黃河凌汛期為每年12 月～次年2 月份。伏秋大汛期為6～8 月份進入雨季，匯入黃河水量增加形成汛期。因此本橋梁施工過程中水是一很大難題，大部分工程在水下施工。本文重點分析樁基和承臺在水中施工的施工工藝，以及施工中的一些問題。

2.2 轉孔灌注樁水下施工

116#、117#、118#墩樁基為大直徑、超長樁施工（直徑1.8m），采用直徑2.1m 鋼護筒，壁厚14mm，護筒長度設計為20m，要求插入河床下黏土層不少于3m，保證定位、導向準確，同時鉆進中保證不穿孔。鉆機采用對土體擾動比較小的正循環鉆機。成孔澆筑之前做好準備工作，要對導管進行水密、承壓和接頭抗拉試驗；水下混凝土摻入高效緩凝減水劑，保證混凝土初凝時間大于6 小時，確保混凝土施工質量。

2.2.1、水中鉆孔樁施工工藝如圖1 所示

2.2.2、水中鉆孔樁施工方法

水中鉆孔平臺搭設完成后，進行水中鉆孔樁施工。

護筒埋設：鋼護筒分節制作，現場接長，護筒焊接采用坡口雙面焊，所有焊縫密實、連續，以保證不漏水。鋼護筒頂面標高低于鉆機平臺1.0m，護筒頂面高程按照14.5m 進行控制，比最高施工水位高出1.0m 以上。鋼護筒的搭設利用鉆機平臺先打設鋼管樁架設導向架，導向架高度為4m，垂直度控制在0.5%范圍以內。

鉆機就位：要求鉆機頂部起吊滑輪輪緣、轉盤中心和樁孔中心三者應在同一鉛垂線上，其偏差不大于10mm，同時為確保鉆機鉆進的穩定，水上平臺應牢固、平穩。

泥漿護壁：鉆進過程中采用泥漿護壁，以保持孔壁不坍塌。泥漿采用膨潤土造漿,鉆孔過程中隨時檢測泥漿的指標，以確保孔壁的穩定。護筒內泥漿應始終高出孔外水位1～1.5m。

鉆孔。開鉆前對護筒中心位置及傾斜度進行復核，確保護筒位置偏差和傾斜度在驗收標準和設計允許范圍內（設計要求：中心偏差≤5cm，傾斜度≤1%）。鉆機就位后，再復核鉆桿中心位置和豎直度。所有檢查都符合要求并經現場工程師和監理工程師同意后，方可開鉆。

采用正循環鉆機成孔，選取優質泥漿護壁。鉆機就位后，對鉆頭位置進行復測，底座和頂端應平穩，在鉆進施工中不應產生位移或沉陷。泥漿經過循環池及沉淀池后，流回孔中，注入孔口泥漿比重根據不同地質條件進行即時調整，確保孔壁穩定，隨時注意記錄地層變化情況。在鉆進時，要適當降低成孔鉆速，成孔過快易坍孔。鉆孔過程中要做好鉆孔記錄，對各土層資料與設計資料進行對比，對不同地質類型的樁基應留置足夠鉆渣樣放置于鉆渣盒中,在鉆渣盒中標記出鉆進深度，并在鉆孔記錄中如實記錄鉆渣類型和鉆進深度,若發現實際地質情況與設計情況不符時，應及時報告監理工程師,以供設計單位確認地質情況。

檢孔及清孔。當鉆到設計孔底標高后，即可開始清孔，沉渣厚度不大于設計要求，清孔后，對泥漿各項性能指標及孔內沉淀物進行檢測，使用檢孔器檢查孔徑、垂直度。清孔時，保持孔內泥漿面高度在地下水位或河流水位以上1.0～1.5m，防止坍孔。籠式檢孔器應有足夠的剛度，外徑應與設計樁徑相同，檢孔器長度易為4-5 倍樁徑，且不小于1.5m，籠式檢孔器底部宜制作成錐形，錐形高度不小于檢孔器半徑。在鋼筋籠、導管安放完畢后，用導管進行二次清孔。清孔時，保持孔內泥漿面高度在地下水位或河流水位以上1.0～1.5m，防止坍孔。

鋼筋籠加工及水下砼灌注同陸上樁基施工，這里就不再贅述。

2.3 水中承臺工施

主橋116#-119#主墩承臺采用雙壁鋼圍堰維護施工，雙壁鋼圍堰通過內外雙層型鋼焊接成骨架,利用型鋼骨架承受圍堰水土壓力,面層鋼板封擋水土的一種圍堰設計。雙壁鋼圍堰具有施工操作空間大，圓形雙壁鋼圍堰無需內支撐等先天性的優點，具有其他圍堰形式不可比擬的優勢。

圖1 轉孔灌注樁施工工藝流程圖

2.3.1、雙壁鋼圍堰設計

雙壁鋼圍堰設計厚度為120cm，外徑為37.2m，內徑為34.8m，圍堰內保證承臺施工尺寸，117#承臺平面尺寸為26.75m×17.25m，臨時支墩承臺平面尺寸為25m×18m，確保承臺外圍有1.5m 以上的施工空間。主墩圍堰長度18m，各節組合情況由下到上分別為4m、4m、5m、5m，臨時墩圍堰長度15m，各節組合情況由下到上分別為4m、3m、3m、5m。

雙壁鋼圍堰內外壁鋼板均采用8mm 鋼板，支撐采用∠100×80×8mm 不等邊角鋼，環向按照0.5m設置支撐一道，豎向按照約1.5m 一道支撐。雙壁鋼圍堰采用在岸上加工，然后運至鉆孔平臺上,環向分成8 塊，每塊分別設置隔艙，節間采用螺栓連接，頂節以下8m 需要灌注C25 混凝土，以增加雙壁鋼圍堰的剛度。

圖2 雙壁鋼圍堰

2.3.2、雙壁鋼圍堰加工制作及運輸

雙壁鋼圍堰在岸上加工廠分塊加工，加工完成并經試拼檢驗合格后，分塊裝車運至鉆孔平臺，然后利用吊車在鉆孔平臺上進行拼裝。

利用鋼圍堰作為承臺施工開挖的圍水結構，根據水上50t 汽車吊的起重能力，將圍堰高分成三節：底節高4m，第二節4m，第三節5m 及第四節5m，每節平面按隔艙劃分成8 塊，每塊最大重量限制在20t 以內，塊的大小是根據現場制造設備、運輸和墩平臺上組拼時的起吊能力確定。

在圍堰鋼塊件加工場組裝工作平臺，桿件集中下料，在平臺上放樣后焊接塊件骨架，安裝隔艙板、焊接內外壁板檢查節間、塊間接縫及艙板是否滲水、漏水并及時處理滲水部位，確保鋼圍堰的嚴密性。

組拼工序為：外壁板豎向加勁角鋼、水平桁架弦板、水平撐、隔艙板、內壁加勁角鋼、內壁板、脫胎模翻身、焊接成件。

拼裝時要求：上下隔艙板對齊，各相鄰水平桁架弦板對齊，上、下豎向加勁角鋼允許不對準，但必須和水平桁架弦板焊牢。內外壁鋼板拼縫不能對接焊時，允許采用搭接焊或貼板焊接，但必須滿焊，并保證全焊水密結構的可靠性。

2.3.3、墩位平臺上鋼圍堰的組拼及下放水

鋼套箱在鉆孔平臺上組拼，在鉆孔平臺上畫出鋼套箱底層的安裝位置，做好組拼前的準備工作。先要進行水中墩平臺的部分拆除，底層圍堰高4m，圍堰刃角底標高采用水準儀抄平。所有連接均可正常進行，鋼圍堰節間連接采用螺栓栓接，接口位置墊設5mm 橡膠條。

2.3.4、底節圍堰組拼完成后下放入水作業，做法如下：

（1）在雙壁圍堰側壁上焊牢帶有豎直孔眼的牛腿，牛腿與堰壁的連接抗剪能力達到30t。全圍堰共有吊點16 處，內吊點8 處、外吊點8 處，以防止圍堰偏載承力。底層圍堰重134.5t，每個吊平均為8.4t，不均勻時最大吊點的受力不超過20t，采用φ32 直徑的精軋螺紋粗鋼筋作吊桿，吊桿上有三個特制螺帽及扁擔梁。

（2）內側在鋼護筒上，外側在鋼管樁上或鋼管樁組成橫擔梁上，安設帶有懸出的扁擔梁（由兩根工36-a 工鋼組成）

（3）每處用兩臺32t 機械螺旋千斤頂，共32 臺，上述工具設備安裝到位后，通過千斤頂與φ32直徑的精軋螺紋粗鋼筋上兩個特制螺帽的相互交替作用把底節鋼套箱下放入水。

2.3.5、鋼圍堰的接高

在首節鋼圍堰鎖定后，向其隔倉內灌注混凝土和向夾壁內加抽水等措施以調平圍堰，并予留一定的干舷高度，使其處于待拼次節圍堰的狀態。以后每一節段運到便橋，利用吊車吊至鋼平臺，由汽車吊起吊與首節或上一節進行栓接，每接高一節既均勻下沉，并予留相應的干舷高度，以便接高下一節時施焊作業。

2.3.6、鋼圍堰的下沉和著床穩定

雙壁鋼圍堰在水中是以隔艙內灌水下沉，圍堰隔艙灌水時需要注意間隔進行，控制水量，對稱注水。

圍堰下沉至河床不能依靠自重自然下沉時，需要采用水下吸泥設備進行水下吸泥，水下吸泥時需要注意對稱、四周均衡進行，防止圍堰傾斜。如遇到刃角下沉至河床面以下，不能順利下沉時，開始在隔艙內灌注水下混凝土4m。

2.3.7、鋼圍堰的豎向定向：

在圍堰的內壁面上對應承臺的四只角鋼護筒的位置，上下各安放用型鋼制作鋼套箱下沉時豎向定位系統。即橫縱向的水平限位系統豎向起著導向作用。如果圍堰偏時在用50t 油壓千斤頂進行調控，同時在對應的位置進行抽水或注水，調節圍堰重心，達到糾偏目的。

鋼圍堰著床是鋼圍堰施工中的一道重要關鍵工序，鋼圍堰著床后的位置和傾斜率對鋼圍堰以后的下沉，乃至鋼圍堰落到設計高程時的質量都有重要影響。不過本橋可選擇在沒有多大流速的條件下著床。通過在鋼圍堰的隔艙內灌水以調平圍堰這樣可以反復幾次。

當圍堰接高下沉至刃尖距河床0.5 米左右即停灌水下沉，通過反復糾偏以實現圍堰的精確定位。然后均勻灌水，快速實現圍堰刃腳的著床，繼之以均勻吸泥下沉使圍堰下沉到位。

若圍堰著床后發現偏位較大，可排除隔倉內的水使圍堰上浮再進行第二次準確著床，直到精度符合設計要求。

2.3.8、雙壁鋼圍堰施工完畢之后，承臺具體施工工藝同陸地施工，這里也不再贅述。

3 總結

樁基和承臺水中工程主要存在的三個問題：一是黃河水流含泥量高，基礎施工處于洪水汛期，深水基礎及圍堰施工風險極高；二是水中大直徑超長鉆孔樁施工，地層為粉砂、粉土，穩定性差且軟硬不均，易出現串孔、塌孔、偏孔等問題，質量控制難度大；三是橋址處在黃河最下游，河床為新沉積粉細沙，汛期局部沖刷23 米左右,對鋼便橋、施工平臺等臨建施工影響很大。因此施工時這三個方面是重點也是難點。根據上述分析，對于本工程而言，首先采用深水大直徑鉆孔灌注樁，嚴格控制泥漿質量和抗腐蝕性強的水下混凝土；其次整體式承臺施工采用雙壁鋼圍堰，有效解決了樁基和承臺在水中施工所遇到的這些問題。