深水橋梁大型基礎施工方案比選研究

王軍艦，劉均儒

（1.武漢建工集團股份有限公司，湖北 武漢 430056；2.華設設計集團股份有限公司，北京市 101312）

0 引言

隨著我國城市基礎設施發展需求的不斷提升，跨江河湖海橋梁不斷涌現。受泄洪和河床沖刷的制約，此類橋梁基礎更多設計于河床之下。當橋梁基礎處于深水條件下時，巨大的水流壓力將給深水圍堰施工帶來挑戰。為確保工程的順利實施，同時考慮工期、成本、質量、安全等因素，需對深水基礎施工方案展開深入研究并進行充分比選，以確定最優方案。

近年來，關于深水雙壁鋼圍堰的研究越來越多。黃修平等[1]對常用深水基礎施工圍堰形式進行分析,比較了雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、鋼板樁圍堰方案的優缺點及其適用特點；曾尼娜等[2]結合有限元軟件對雙壁鋼圍堰技術進行了研究分析；尹祿修[3]對復雜地質條件下大型雙壁鋼圍堰施工關鍵技術進行了研究；于藝林等[4]根據承臺設計標高、施工水位、荷載等條件進行了雙壁鋼圍堰的設計與驗算；周燕飛[5]對可拆裝式雙壁鎖口鋼圍堰施工技術進行了研究。然而，尚缺乏從工期、成本、安全風險、技術風險等方面對深水基礎方案進行綜合比選的研究。本文在前人研究的基礎上，以某橋梁深水基礎為例，對該深水基礎施工方案進行了比選分析。

1 工程概況

某水上橋梁工程采用3 跨1 聯（98 m+160 m+98 m）連續梁橋結構，全長356 m。其中3#墩、6#墩為邊墩，4#墩、5#墩為主墩，3#墩～6#墩均位于水中。4#墩、5#墩承臺尺寸為40 m×30 m×4.5 m，每個承臺有48 根直徑2.0 m 的樁基，覆蓋層（承臺頂至河床面）厚度約6 m，水深8 m。

1.1 地質概況

河床部分有厚2～3 m 淤泥層，圍堰范圍主要為黏土，局部存在硬塑性黏土；承臺以下6 m 開始出現粉砂層，且該層具有承壓水。

1.2 氣候概況

降水量主要集中在6～9月，占全年降水量的79.9%，最大年降水量為834.5 mm，最小年降水量為245.9 mm；多年平均風速為4.0 m/s，最大風速為29.0 m/s。

1.3 水文概況

該工程位于河道內，水位隨季節變化，枯水期平均水位+0.71 m，洪水期平均水位+3.14 m，年平均水位約2.0 m，100 a 一遇洪水位為+4.5 m。洪水期水流速度較快，考慮圍堰施工期阻水作用，橋位處水流變快，橋位處最大流速為3.2 m/s，局部沖刷最大沖刷深度為4.2 m。

2 深水基礎方案比選研究

2.1 方案一：雙壁鋼圍堰

2.1.1 雙壁鋼圍堰布置型式

主墩承臺采用圓形雙壁鋼圍堰，內徑為52.0 m，外徑為55.0 m，壁厚1.5 m。圍堰周長約173 m，平面分為24 塊，每個塊段長度7.2 m，如圖1 所示。

圖1 圍堰平面布置圖（單位：mm）

雙壁鋼圍堰頂標高為+5.5 m，底標高為-22.0 m，高度27.5 m，設計洪水位為+4.5 m。豎向分為3 節進行拼裝，第1 節高度為10.905 m，第2 節高度為6.010 m，第3 節高度為10.585 m，如圖2 所示。

圖2 圍堰豎向布置圖（單位：mm）

單個雙壁鋼圍堰質量約1 200 t，共72 個塊段，塊段最大質量約20 t，塊段平均質量約16.7 t。

封底厚度為5 m，單個圍堰封底工程量10 600 m3，采用底隔艙分4 塊封底。在承臺外側設置20 根輔助樁，用于抵抗浮力。

2.1.2 定位導向布置

洪水期水流速度較快，考慮圍堰施工期阻水作用，橋位處水流變快，橋位處最大流速為3.2 m/s，局部沖刷最大沖刷深度為4.2 m，圍堰承受水平水流力達400 t。

導向裝置采用圍堰壁體上的限位裝置作用在護筒群上進行導向定位；上游采用6 根鋼護筒組成整體，其他方向采用4 根鋼護筒組成整體，下放護筒入土15 m，其他護筒入土深度10 m，用以平衡圍堰渡洪時的水平水流力，如圖3 所示。

圖3 導向定位護筒布置

2.1.3 雙壁鋼圍堰施工工藝

雙壁鋼圍堰施工工藝為：搭設清基范圍內鋼棧橋→龍門吊安裝→打設鋼護筒→拼裝并下放首節雙壁鋼圍堰→接高并下放第2、第3 節雙壁鋼圍堰→樁基施工→封底施工→抽水施工→轉入承臺施工。基礎施工工期為299 d。

2.2 方案二：放坡開挖雙壁鋼圍堰

2.2.1 放坡開挖雙壁鋼圍堰布置型式

考慮雙壁鋼圍堰下沉困難，本方案僅將雙壁鋼圍堰下沉至黏土層頂部，在圍堰外側打設高壓旋噴樁加固止水，在圍堰內側放坡開挖至基底。

主墩承臺采用圓形雙壁鋼圍堰，內徑為52.0 m，外徑為55.0 m，壁厚1.5 m，平面分為12 塊，如圖4所示。

圖4 圍堰平面布置圖（單位：mm）

雙壁鋼圍堰頂標高為+5.5 m，底標高為-12.0 m，高度17.5 m，豎向分成2 節進行拼裝，第1 節高度為7.0 m，第2 節高度為10.5 m，如圖5 所示。

圖5 放坡開挖圍堰豎向布置圖（單位：mm）

單個雙壁鋼圍堰質量約800 t，共48 個塊段，塊段最大質量約18 t，塊段平均質量約16.7 t。

與原圍堰相比，方案二少了底節圍堰、底隔艙、5 m 封底混凝土（現為30 cm 墊層）、壓艙混凝土（現僅吸泥、注水下沉，后期可拆除回收）等。

2.2.2 定位導向布置

洪水期水流速度較快，考慮圍堰施工期阻水作用，橋位處水流變快，橋位處最大流速為3.2 m/s，局部沖刷最大沖刷深度為4.2 m，圍堰承受水平水流力達400 t。

導向裝置采用圍堰壁體上的限位裝置作用在護筒群上進行導向定位；由于圍堰四周已施工4 排高壓旋噴樁，可起到一定的定位作用，故定位導向裝置的安全系統可考慮適當優化。上游采用2 組4 根鋼護筒群，入土10 m；下游采用2 組單根鋼護筒，入土15 m，用以平衡圍堰渡洪時的水平水流力，如圖6 所示。

圖6 導向定位護筒布置

2.2.3 放坡開挖雙壁鋼圍堰施工工藝

先下放雙壁鋼圍堰，圍堰下放至黏土層-12.0 m標高，施工圍堰外側高壓旋噴樁止水，放坡開挖至墊層底、墊層、承臺。

放坡開挖雙壁鋼圍堰施工工藝為：鋼棧橋施工→樁基施工→搭設拼裝高壓旋噴樁平臺→打設下放鋼護筒→拼裝首節圍堰→注水下沉、接高圍堰→繼續注水、吸泥下沉到位→圍堰外施工高壓旋噴樁→圍堰內抽水、清基至-11.0 m →繼續放坡開挖至承臺墊層底→澆筑墊層→破除樁頭→承臺施工。基礎施工工期為321 d。

2.3 方案三：鎖扣鋼管樁圍堰

2.3.1 鎖扣鋼管樁圍堰布置型式

主墩承臺采用圓形鎖扣鋼管樁圍堰，半徑為28.5 m。鋼管樁采用φ820 mm×16 mm（外徑×壁厚），C 口采用φ152 mm ×8 mm，O 口采用φ133 mm ×4.5 mm，樁長46 m。由于鎖扣鋼管樁入土深度大，直接打設到位施工困難，故采取引孔措施。擬采用帶引孔功能的靜壓植樁機進行鋼管樁打設，如圖7、圖8所示。

圖7 鎖扣鋼管樁圍堰平面布置（單位：mm）

圖8 圓形鎖扣鋼管鎖扣詳圖

第1 道圍檁采用2H M 588，標高為+2.5 m；第2道腰梁采用2 000 mm×1 500 mm 的C 30 鋼筋混凝土，標高為-5.5 m；第3 道腰梁采用1 000 mm ×1 000 mm 的C 30 鋼筋混凝土，標高為-11.5 m，如圖9 所示。

圖9 鎖扣鋼管樁圍堰布置剖面圖（單位：mm）

鎖扣鋼管樁圍堰依靠入土部分、自身強度、圍檁內撐即可滿足抗洪要求，無需設置定位裝置。

2.3.2 鎖扣鋼管樁圍堰施工工藝

鎖扣鋼管樁施工工藝為：鋼棧橋搭設→樁基施工→鎖扣鋼管樁圍堰施工→抽水、開挖至基底→護筒打設→墊層施工→轉入承臺施工。基礎施工工期為264 d。

鎖扣鋼管樁擬采用靜壓植樁機施工，先采用履帶吊和振動錘打設始發段鋼管樁，再以始發段鋼管樁作為靜壓植樁機基礎，要求靜壓植樁機自帶引孔裝置。

2.4 方案優缺點分析

3 種方案優缺點分析見表1。

表1 方案優缺點分析

2.5 方案綜合對比

3 種方案綜合對比見表2。

由表2 可知，從經濟和可行性考慮，放坡開挖雙壁鋼圍堰較為可行。

表2 方案綜合對比

3 結語

（1）放坡開挖雙壁鋼圍堰方案耗時最長，雙壁鋼圍堰次之，鎖扣鋼管樁圍堰耗時最短。

（2）放坡開挖雙壁鋼圍堰方案成本最低，雙壁鋼圍堰最高，鎖扣鋼管樁圍堰成本居中。

（3）放坡開挖雙壁鋼圍堰方案水下止水帷幕不確定因素多，止水效果難以保證；雙壁鋼圍堰存在圍堰下沉困難、易受地下障礙物影響、難以下沉到位，渡洪措施工程量大等風險；鎖扣鋼管樁圍堰入土深度大，施工精度難以保證，存在整體穩定性差，設備要求高的缺點。

（4）綜合考量，推薦采用放坡開挖雙壁鋼圍堰方案。