裸巖河床深水基礎先堰后樁法鉆孔平臺設計與施工技術

王永鋒

（中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151）

1 工程概況

南龍鐵路閩江特大橋位于福建省南平市境內，橋梁跨越峰福鐵路、閩江和市政道路，全橋長度L=1066.41m，主橋結構為孔跨（118+216+138+83）m 雙線剛構連續梁，主跨216m 為目前鐵路同類型剛構連續梁世界最大跨度。17#、18# 主墩為剛壁墩，墩高64.5m，基礎采用24 根φ2.5m 鉆孔灌注樁，承臺尺寸為30.25m×19.75m×5m，混凝土體積2987.2m3。河床為裸巖河床，無覆蓋層，橋位處平均水深18m，承臺底位于裸巖河床面以下，采用雙壁鋼圍堰施工。江面寬度420m，設計流速為3.92m/s，橋梁區域為Ⅳ級航道，施工水位為62.5m，水中墩基礎雙壁鋼圍堰嵌入河床地層范圍為強風化～弱風化黃崗巖。

2 施工方案及關鍵技術

深水基礎樁基鉆孔平臺結構設計及施工是重要環節，根據水文、地質、通航和深水基礎承臺尺寸綜合確定鉆孔平臺方案。因承臺嵌入巖石河床內，雙壁鋼圍堰嵌入河床地層范圍為強風化～弱風化黃崗巖，無法正常采用振動錘插打鋼管樁，無法采用常規吸泥出水工藝下沉雙壁鋼圍堰。經過綜合方案比選，主墩深水基礎采用“先堰后樁”法施工，即先采用浮動鉆孔平臺與和浮動清碴平臺配長臂挖機進行水下基坑開挖，然后水中分節下沉雙壁鋼圍堰，在鋼圍堰頂搭設簡易平臺安裝鋼護筒，灌注鋼圍堰水下封底混凝土，最后將簡易平臺與鋼護連接加固形成水中鉆孔平臺，滿足鉆孔灌注樁和承臺施工要求。

2.1 雙壁鋼圍堰鉆孔平臺結構設計

總體結構：雙壁鋼圍堰一是為深水承臺施工的擋水結構，二是作為樁基鉆孔平臺的支撐結構，鉆孔平臺荷載由鋼圍堰雙壁和樁基鋼護筒組合共同支承。水中墩承臺尺寸為30.25m×19.75m×5m，承臺底標高位于河床面以下3m 左右，鋼圍堰設計考慮通航安全影響，同時最大限度減少基坑水下爆破方量，滿足樁基鉆孔平臺搭設要求，采用矩形雙壁鋼圍堰。鋼圍堰平面尺寸比承臺每邊大0.25m，內壁平面尺寸為30.75m×20.25m，外壁平面尺寸為33.75m×23.25m，壁厚1.5m，基坑底平面尺寸為35.75m×25.25m（比鋼圍堰外壁每邊大1.0m），按照5∶1 進行放坡開挖，基坑爆破開挖厚度5.5m，封底混凝土厚度2.5m，利用鋼圍堰內壁為承臺模板澆筑砼，在鋼圍堰頂安裝雙拼貝雷梁作為鉆孔平臺縱梁，貝雷梁共7 組，中間3 片/組，兩側2 片/組，采用90cm 型支架，每組長度24m。貝雷梁兩端頭支撐在鋼圍堰頂，然后在縱梁上鋪設I22b 工字鋼分配梁，在工字鋼上鋪設厚度δ=6mm 鋼板形成鋼護筒安裝平臺。鋼護筒安裝完成后，在鋼護筒上部（貝雷梁下弦桿底部）位置采用I40b工字鋼焊接連接成整體，貝雷梁中間支點支撐在I40b 工字鋼上，然后進行混凝土封底，補鋪空缺處平臺鋼板，最后形成雙壁鋼圍堰、鋼護筒、貝雷梁為組合體系結構的鉆孔平臺，平臺四周采用鋼管焊接扶手欄桿，做好臨邊防護。將鉆孔平臺寬24m，長33m，面積785m2，滿足樁基鉆孔要求。鉆孔平臺結構如圖1 所示。

圖1 雙壁鋼圍堰鉆孔平臺結構示意圖（單位：cm）

2.2 鉆孔平臺施工關鍵技術

（1）鋼圍堰下沉、安裝。鋼圍堰分成5 節下沉，第1 節（含刃腳）～第4 節4m，第5 節2m，內支撐兩道。每節平面分成20 塊，8 個相同轉角塊及12 個相同直塊，每塊重量控制在10t 內，以便鋼圍堰起吊拼組安裝。隔艙混凝土澆筑高度8m（隔倉混凝土頂高于承臺頂面50cm），艙室內其余部分注水，注水高度為10m。鋼圍堰首節在岸邊搭設拼裝平臺拼裝，首節下水后浮運至墩位處，安裝下沉導向架，導向架采用鋼管和浮箱組合而成，采用八字錨固定導向架，注水分節拼裝下沉鋼圍堰。第2 節～第5 鋼圍堰在墩位處分塊拼裝，分節下沉。鋼圍堰拼裝時，嚴格控制拼裝尺寸，先點焊，待全部節塊拼裝完成后方可全面焊接。焊接總體順序：先焊水平弦板，后焊內壁板，再焊外壁板，總體保持對稱施焊，焊接內外壁焊縫時，搭設吊籠扶梯及水平腳手板，方便焊接作業。依次分節拼裝、注水下沉雙壁鋼圍堰，鋼圍堰著床前，用GPS 定位系統進行精確測量定位，保持雙壁鋼圍堰水平，當鋼圍堰底部距離基坑面20～30cm 時，采取隔倉均衡注水使鋼圍堰迅速下沉至著床就位，最后進行測量驗收，確保鋼圍堰位置準確無誤后繼續注水加重，最后拆除導向架和糾偏錨繩。

鋼圍堰下沉糾偏措施：在雙壁鋼圍堰底節刃腳設糾偏纜繩，與浮運船上卷揚機連接，將兩側糾偏纜同時收、放或一側松、一側緊等方法達到糾偏目的。雙壁鋼圍堰下沉導向架結構如圖2 所示。

圖2 雙壁鋼圍堰下沉導向架結構

（2）鉆孔平臺承重主梁安裝。鋼圍堰下沉驗收合格后，在鋼圍堰頂安裝鉆孔平臺主梁，主梁貝雷梁縱橋向布置（短方向），共計7 組，中間3 片/組，兩側2 片/組，貝雷梁布置需預留鉆孔樁鋼護筒安裝位置，貝雷梁在岸上進行預拼裝，采用90cm 型支架，拼裝成組后采用浮動平臺運輸到墩位，采用20T 級浮吊安裝。貝雷梁安裝位置需精確測量定位，確保位置準確。在貝雷梁上部安裝I22b 工字鋼，間距35cm，然后鋪設木板形成簡易平臺，使其滿足鋼護筒安裝和灌注封底混凝土導管下放空間要求。鉆孔平臺貝雷梁安裝如圖3 所示。

圖3 鉆孔平臺貝雷梁安裝施工

（3）鋼護筒安裝。鋼護筒除滿足鉆孔樁定位、鉆孔導向、隔離穩定孔壁、保持泥漿水位等作用外，在雙壁鋼圍堰施工中還起鉆孔平臺承重作用，同時為防止大直徑鋼護筒吊裝變形，經結構檢算和施工經驗，鋼護筒內徑為φ2800mm，壁厚16mm，比樁基直徑大300mm，鋼護筒總高度為18m，分2 節安裝，每節高度為9m，單節重量為10t。鋼護筒在鋼圍堰加工場自行卷制，采用CO2保護焊進行焊接，采用平板車運輸至碼頭上船運輸至墩位。簡易平臺安全完成后，在平臺上部搭設鋼護筒導向架，確保鋼護筒的樁位精度和垂直度。鋼護護筒首節采用一臺20t 浮吊吊裝，從導向架內緩緩下放，在距離平臺面50～100cm 位置，采用預留焊接卡扣卡住懸吊在導向架上，然后吊裝第2 節鋼護筒，在浮吊和限位卡板的配合下精準對接，然后快速進行點焊固定鋼護筒，最后采用CO2保護焊對稱間隔跳焊至全部截面滿焊完成，第2 節對焊后下放采用2 臺20t 浮吊配合下放到基坑底。為防止封底過程中鋼護筒移位，在護筒內部拋擲沙袋。

（4）鉆孔平臺鋼護筒橫向連接。24 個鋼護筒全部安放完畢后，安裝兩層橫向連接桿。上層橫連在貝雷梁底部標高位置焊接I40b 的工字鋼聯結系，工字鋼頂面與貝雷梁底部密貼，工字鋼聯結系兼做貝雷梁的承重梁；下層橫連接采用φ200×8mm 鋼管縱橫向連接，設置在距離水面50cm 位置處。兩層橫向連接將24 個鋼護筒和鋼圍堰圍堰連接成一個整體，最終形成承重鉆孔平臺結構。

（5）灌注水下封底混凝土及隔艙混凝土。鋼護筒橫向連接施工完成后，灌注鋼圍堰封底混凝土和隔艙混凝土。灌注封底混凝土前，仔細測量堰內基坑底高程，特別是在護筒周圍進行加密量測，確保封底混凝土厚度及鋼護筒底部基底的平整度滿足要求，必要時進行局部爆破處理，一般宜按低于設計高程10cm 控制測量標高。砼澆注順序：從上游角點開始，順序往下游方向進行；封底混凝土灌注過程中，需進行圍堰內抽水，控制圍堰內水位高于圍堰外水位約1m。待封底混凝土齡期3d 后灌注隔艙混凝土，采用樁基混凝土灌注工藝施工，灌注時分艙對稱灌注，保證鋼圍堰豎向受力平衡。

（6）鋪設平臺鋼板。鋼圍堰封底完成后，將簡易平臺完善形成鉆孔平臺，再次檢查貝雷梁與上道橫向連接工字鋼的接觸情況，若有間歇采用鋼板支墊密實，并設置限位鋼板，防止貝雷梁在鉆孔振動荷載作用下橫向移動，確保支撐點牢固密貼。然后在I22b 工字鋼分配梁上鋪設厚度為δ=6mm 鋼板形成鉆孔平臺，平臺四周采用鋼管焊接扶手欄桿，做好臨邊防護。雙壁鋼圍堰鉆孔平臺安裝效果如圖4 所示。

3 施工技術控制關鍵點

（1）鉆孔平臺鋼圍堰、鋼護筒、貝雷梁、支撐橫梁等結構荷載檢算除了考慮鉆孔機械設備、貝雷梁及平臺自重荷載受力外，還應考慮鉆孔振動荷載、風荷載、水流沖擊荷載因素和重型錘頭集中荷載受力對平臺的影響。

圖4 雙壁鋼圍堰鉆孔平臺結構效果圖

（2）嚴格控制水下鉆孔爆破開挖質量，避免超欠挖，確保基底平整。基坑驗收采用硬式定深掃海或多波速掃海檢測驗收，保證鋼圍堰及鋼護筒與基坑接觸面平整，確保封底混凝土質量和鉆孔平臺的基礎穩定可靠。

（3）圍堰接高下沉時，保持浮力與鋼圍堰自重力匹配，采用艙內灌水對稱加載，嚴防不均衡加載導致鋼圍堰傾斜。

（4）鉆孔平臺貝雷梁安裝后，嚴格檢查貝雷梁與鋼圍堰及中間支撐橫梁的接觸情況，保證接觸密貼；鋼護筒之間的支撐橫梁應對稱設置，防止鋼護筒偏心受壓；橫梁與鋼護筒之間焊接連接，應在兩側設置加勁板加強焊接。

（5）為防止和減小大直徑鋼護筒在吊裝、對口焊接過程中變形，應考慮在鋼護筒內腔設置角鋼“十字撐”，待鋼護筒下放到位后切除。

（6）鋼圍堰水下混凝土封底時，混凝土導管底部宜高出基底面20～30cm，導管封底布置間距為5m（導管封底作用半徑為2.5m），灌注厚度測量點位宜控制在導管附近3m 范圍內，特別注意混凝土搭接點位處的厚度，避免封底混凝土厚度超高或欠封。

4 結束語

（1）深水基礎鉆孔平臺施工設計是大體積深水基礎施工技術控制的關鍵環節，鉆孔平臺的設計方案要結合承臺結構尺寸、水文、地質及施工條件，同時考慮氣象、通航安全等影響因素，既要確保施工安全、操作方便，又要考慮施工成本及工期要求。

（2）矩形承臺采用矩形雙壁鋼圍堰施工，鋼圍堰內壁尺寸比承臺尺寸每邊大25cm，圍堰內壁作為承臺模板，減少鋼圍堰重量，節約基坑開挖量及承臺模板，加快施工進度，節約了施工成本，安全質量可靠，取得了良好經濟效益。

（3）利用雙壁鋼圍堰與鋼護筒組合作為樁基鉆孔平臺承重結構，避免了在堅硬巖石河床中插打鋼管樁的施工難題，施工方便、安全可靠，技術經濟合理。