裸巖區深水基礎先堰后樁建造技術研究*

劉曉敏，張 強，李 飛，楊金勇

(中國建筑第六工程局有限公司，天津 300451)

1 工程概況

清溪口渠江特大橋是四川省廣安市岳池—華鎣干線公路跨越渠江的重點工程。主橋為高低塔斜拉橋，主跨280m，全長669.5m。主塔采用群樁承臺基礎，工程樁為20根樁徑2.2m的鉆孔灌注樁，承臺尺寸為28m×18.6m×6m。

根據工程水文資料，渠江為嘉陵江最大支流，屬長江水系，橋位處洪水位較高，據統計，洪水期較集中，7—9月占70%以上，各月水量相差很大，洪枯變幅大，枯水期間水位標高215.000m左右，主塔處河床標高205.000m左右，承臺頂標高為214.500m，圍堰需要的設防水位為220.000m。根據工程地質資料，橋位處河床覆蓋層薄，基巖裸露，基巖為粉砂質泥巖和砂巖，中等風化，棧橋施工困難。為滿足工程樁與承臺施工，考慮工程的地質與水文條件以及施工安排，采用先堰后樁施工工藝[1]，雙壁鋼套箱岸邊整體制作，氣囊下水，整體浮游，定位下沉拋錨，防護后圍堰上搭設作業平臺，進行工程樁施工，保證洪水期時首批工程樁施工完畢，確保圍堰順利度過洪水期。同時，針對工程特點，對圍堰各施工工況進行專項設計驗算。

2 雙壁鋼圍堰設計

2.1 設計概況

根據主墩處河床整平后的標高，確定圍堰底標高為205.000m，根據圍堰設防水位，確定頂標高為223.000m，雙壁鋼圍堰高度為18m。圍堰外尺寸為33m×24.5m、壁厚1.5m，圍堰封底混凝土厚度為3m。圍堰采用3層支撐體系，支撐體系采用φ800mm×10mm鋼管，鋼圍堰結構如圖1，2所示。

圖1 鋼圍堰結構立面

圖2 鋼圍堰結構平面

2.2 模型建立與荷載情況分析

利用有限元分析軟件Midas根據實際情況建立雙壁鋼圍堰套箱模型，加勁角鋼、斜撐角鋼、內支撐鋼管均為梁單元，上層壁板采用6mm厚板單元，下層壁板采用8mm厚板單元，隔艙板采用14mm厚板單元，鋼圍堰主要結構參數如表1所示。

表1 鋼圍堰結構模型參數

根據實際連接情況設置邊界條件，底部封底混凝土處設計為位移約束；根據上述條件，建立模型如圖3所示。

圖3 圍堰整體模型

施工荷載分為恒荷載與活荷載，其中，恒荷載包括結構自重和靜水壓力。活荷載主要為水流力，按倒三角形荷載施加于圍堰外側板迎水面[2]。

2.3 鋼圍堰結構設計計算

通過施工工況分析可知：圍堰結構受力設計計算控制工況為抽水工況，即圍堰下沉到位，完成錨定，澆筑封底混凝土，抽水到封底混凝土頂標高處。考慮標準組合和基本組合兩種荷載組合形式，鋼圍堰構件應力值和整體變形如表2所示。

表2 鋼圍堰構件應力和整體變形

2.4 封底混凝土厚度計算

根據施工工況，需驗算樁基施工完成后，圍堰內抽水施工承臺時圍堰的抗浮穩定性，假設封底混凝土厚度為h。根據文獻資料[3]，護筒與封底混凝土之間摩阻力取170 kPa，施工中在接觸面加焊角鋼增加摩阻力。根據圍堰設計材料表和有限元模型估算鋼圍堰自重F2、封底混凝土自重F3、隔艙板中加入h厚度混凝土的自重F4、隔艙中注滿水的自重F5、浮力F6。根據力平衡公式：

F1+F2+F3+F4+F5=F6

(1)

計算得：h=2.50m，取h=3.00m，抗浮安全系數K=1.20，滿足規范要求。

3 雙壁鋼圍堰施工工藝

雙壁鋼圍堰施工工藝流程如圖4所示。針對氣囊下水、浮游控制、定位下沉及鉆孔平臺搭設等主要控制工序及關鍵點進行研究。

圖4 鋼圍堰施工工藝流程

3.1 鋼圍堰制作與拼裝

拼裝場地處理為1∶10的斜坡，平整后利用壓路機反復碾壓，經實測地基承載力達300kPa。拼裝胎架為角鋼和鋼板焊制成的鋼蹬，鋼蹬高0.5m，鋼蹬下方地基換填中粗砂并夯實。底托盤尺寸為34m×25.5m，底板厚8mm，骨架為└75和I56a。

分段最大質量不超過20t，分段位置便于加工制作、安裝以及更容易保證圍堰質量，圍堰各單元制作完成后，在拼裝場地進行對稱焊接拼裝施工；單元件組裝順序：胎架平臺制作→號料及切割→鋪設外圍壁板→安裝外圍壁縱骨→安裝水平環肋→安裝隔艙板→安裝內圍壁縱骨及結構→焊接內部構件。鋼圍堰分割如圖5所示。

圖5 鋼圍堰分割示意

鋼圍堰下水前需要將圍堰與底托板連接，對圍堰進行封底，為確保鋼圍堰下水后托板能正常工作，在鋼圍堰底即托板上焊接2層型鋼骨架，骨架采用I56及└75焊接而成，在鋼圍堰下水穩定后，對托板及骨架進行切割。打磨墊板焊縫，清理滑道區，避免尖銳物劃破氣囊；鋼圍堰拼裝采用50t履帶式起重機。由于高空作業，鋼圍堰拼接焊縫質量不易保證，故對所有拼接焊縫進行抗滲透試驗(煤油滲透法試驗)。

3.2 鋼圍堰下水

整平夯實下水滑道區域地基，并對夯實后的地基進行硬化處理，尤其控制滑道末端處理效果，以保證最后脫離鋼圍堰本體的氣囊不會因負壓過重，陷入河床底部[4-5]。

在鋼圍堰后方設置4組地龍鋼絲繩對鋼圍堰進行牽引，通過釋放4組卷揚機的鋼絲繩，實現鋼圍堰平穩、安全入水。地龍鋼絲主繩直徑56mm，最小破斷拉力173t，主鋼絲繩通過走滑輪組固定于地面卷揚機上，滑輪組鋼絲繩直徑24mm，最小破斷拉力31.7t，滿足圍堰最大下滑力要求。

采用直徑1.2m氣囊，單側兩個氣囊中心間距設置為3m(見圖6)，共均勻鋪設22個氣囊。對氣囊進行分級、對稱充氣，使鋼圍堰被均勻托起，當氣囊完全托起鋼圍堰后，抽出鋼圍堰下方鋼蹬，通過同步釋放4組卷揚機組的鋼絲繩，鋼圍堰實現平穩入水，鋼圍堰最大下滑速度為60cm/min。在圍堰四周布置測量監控點，實時監控圍堰姿態情況。

圖6 鋼圍堰下水現場實施情況

3.3 鋼圍堰浮運

1)底托盤割除

當鋼圍堰完全入水后，利用兩艘拖輪將鋼圍堰運至指定位置下沉進行底托盤的割除。打開圍堰內部的進水球閥，使圍堰下沉至河床底部，然后派潛水員進行水下切割，對底托盤進行割除。水下切割采用SGⅢ型水下割條，利用水下電弧產生的高溫和氧氣同被切割金屬元素產生的化學反應熱，加熱和熔化被切割金屬并借助氧氣流的沖力將切割縫中的熔融金屬及氧化熔渣吹除，從而形成割縫。

2)浮游穩定性計算

綜合考慮采用鋼板(龍骨)結構對鋼套箱整體封底時和入水后拆除鋼板(龍骨)結構對鋼套箱整體封底兩種工況下的浮游穩定性計算。

鋼圍堰施工過程中，在下沉到設計位置之前，采用鋼板(龍骨)結構對鋼套箱整體封底時，鋼圍堰重心yc=9.32m，浮心yw=0.5m，重心到浮心的距離α=9.32-0.5=8.82m，定傾半徑ρ=50.55m，定傾高度m=ρ-α=50.55-8.82=41.73m>0.2m，該浮箱穩定。

因定傾中心較高，此處不再驗算入水時的穩定性，即浮箱傾斜15°時，可計算重心不越過浮心即安全。

入水后拆除鋼板(龍骨)結構對鋼套箱整體封底時，鋼圍堰重心yc=10.37m，浮心yw=2.18m，重心到浮心的距離α=10.37-2.18=8.19m，定傾半徑ρ=21.87m，定傾高度m=ρ-α=21.87-8.19=13.68m>0.2m，該浮箱穩定。

圍堰拖帶采用頂推為主、幫拖輔助的方式進行，共設主頂推拖輪1艘、幫拖2艘。

3.4 鋼圍堰定位與下沉

鋼圍堰浮運至設計位置，前后定位船進行拋錨，分別設置4個主錨和4個邊錨，圍堰與前后定位船通過拉纜調整姿態，經錨碇系統定位調整完成，開始向圍堰井壁灌水下沉；在向井壁內灌水時，應遵循對稱加載的原則，對稱的隔艙同時灌水，控制下沉速度及偏位，以防圍堰傾斜。

鋼圍堰在圍堰底距河床表面1.0m時，對圍堰進行精確定位后即可實施著床。圍堰下沉過程中，應有專人不斷調整前、后拉纜，使圍堰穩定下沉，下沉完成后對稱設置4個邊錨，具體拋錨設置及定位如圖7所示。

圖7 拋錨定位布置

當圍堰下放到河床面后，需要對鋼圍堰的著床情況進行測量，對圍堰底與河床間的空隙采用砂袋堵塞，確保圍堰底與河床面之間密貼，同時，在鋼圍堰底部四周用卵石護砌。

3.5 鉆孔平臺搭設與鉆孔施工

鋼圍堰下沉到底后，利用1臺400t駁船運載50t汽車式起重機提升120型液壓振動捶打鋼護筒至巖面，在鉆孔平臺設置4～6m的導向架，對鋼護筒進行精確定位。將圍堰與已經插打完成的鋼護筒進行連接,使圍堰形成一個穩定的鉆孔平臺。鉆機移位和鋼筋籠吊裝下放采用駁船運載汽車式起重機進行。

通過在鋼圍堰壁上搭設貝雷梁作為鉆孔平臺作業基礎。鉆孔平臺需滿足10臺打樁機的施工場地需求；鉆孔施工共2輪，每輪同時進行10根樁基施工。貝雷梁通過U形卡扣與鋼圍堰固定在一起，貝雷梁上鋪設I25分配梁，間距為30cm。鉆孔平臺布置如圖8所示。

圖8 鉆孔平臺布置

將沖擊鉆直接固定在工字鋼分配梁上，由于鉆孔平臺坐落于鋼圍堰上，因此要對鉆孔機械位置均衡布置，防止發生偏壓。鉆頭中心要與樁中心重合，再進行鉆進施工。為保證工人通行安全，在打樁機中間鋪設防滑鋼板作為人行過道。

4 結語

本文對裸巖區深水基礎先堰后樁建造技術進行了較系統的研究，其中氣囊下水、浮運、定位、下沉和鉆孔平臺搭設與鉆孔等工序的順利實施是項目成功的關鍵。該研究克服了不利水文和地質的影響，為項目深水基礎的安全施工提供了保障，也為類似的工程施工提供了借鑒。