復雜地層樁基承臺PC工法樁圍堰設計與施工技術研究

陳宗國

(中鐵二十五局集團有限公司 廣東廣州 510000)

1 工程概況

新建昌景黃鐵路工程金溪湖特大橋位于江西省進賢縣境內，起訖里程DK277＋505.10～DK281＋524.70，全橋長4 019.6 m，于 DK286＋315.295處采用(83＋152＋83)m連續梁跨越金溪湖撫河干流，主墩82＃、83＃墩為水中墩。其設計樁基為16根樁徑2.5 m鉆孔灌注樁，承臺尺寸為22.75 m×22.75 m×5.5 m，墩身為22.5 m雙肢薄壁高墩。承臺基礎底標高2.564 m，實測湖床標高14.46 m，施工期湖水常水位17.0 m。

水文及工程地質自上而下依次為湖水17.0～14.46 m、粉砂14.46～13.76 m(σ0＝80 kPa)、淤泥質粉質黏土 13.76～8.46 m(σ0＝60 kPa)、粉砂8.46～7.46 m(σ0＝80 kPa)、粗砂 7.46～2.46 m(σ0＝220 kPa)、粉質黏土 2.46～-2.04 m(σ0＝220 kPa)、細砂 -2.04～-4.04 m(σ0＝220 kPa)、礫砂-4.04～-8.436 m(σ0＝220 kPa)、泥質砂巖-8.436～-14.036 m(σ0＝300 kPa)，地質柱狀示意圖，如圖1所示。

圖1 地質柱狀示意(單位:mm)

2 工程特點和施工重難點

(1)承臺基礎開挖尺寸大且開挖深度深，開挖施工安全風險極高，對基礎圍護結構的強度、剛度等要求高。

(2)承臺基礎開挖范圍內以透水性極強、自穩性極差的淤泥質粉質黏土、粉砂和粗砂地層為主，對圍護結構和封底結構的安全性和可靠性要求高。

(3)豐水期水流流速達到1.5 m/s、最大水深可達7 m，且橋址區地下水位高，對基礎圍護結構止水隔水效果要求高。

3 圍堰設計

3.1 圍堰設計選型

針對橋梁深基礎施工常見的幾種鋼圍堰支護形式，分別從適用地層、優缺點、材料用量等方面進行比選[1]分析，見表1。

表1 各類鋼圍堰的適用條件

結合金溪湖特大橋水中主墩承臺基礎開挖范圍內工程及水文地質條件、施組安排以及投入本工程施工機具設備等施工作業條件，承臺基礎開挖支護圍堰選擇鋼管樁＋鋼板樁組合形成的PC工法樁[2]作為支護結構，充分利用鋼管樁強度高、擋土效果好，鋼板樁止水效果好的優點，通過鎖扣連接在一起形成良好的擋土止水受力結構體系[3]。

3.2 PC工法樁圍堰結構設計

金溪湖特大橋主墩承臺基礎PC工法樁圍堰圍護樁采用拉森IV型鋼板樁(Q295bz)與φ820×14 mm鋼管樁(Q345B)，平面設計圖如圖2所示。鋼管樁樁長30 m，承臺基礎底面以上15.1 m，以下14.9 m，鋼板樁樁長24.5 m，承臺基礎底面以上15.1 m，以下9.4 m。內支撐結構第一層(樁頂下1 m處)、第三層(樁頂下8 m處)采用HN700×300 mm型鋼(Q345B)、撐桿釆用φ480×10 mm螺旋鋼管(Q235B)；第二層(樁頂下4.5 m處)釆用三拼HN700×300 mm型鋼(Q345B)、撐桿釆用φ800×16 mm螺旋鋼管(Q235B)。

圖2 PC工法樁圍堰結構平面圖(單位:mm)

3.3 PC工法樁圍堰結構檢算

根據《建筑基坑支護技術規程》[4](JGJ 120—2012)對圍堰結構，即PC工法樁、圈梁和內支撐等結構的穩定性、結構受力、結構變形等進行檢算驗證。

(1)PC工法樁穩定性

整體穩定性采用瑞典條分法進行計算，安全系數Ks計算值為1.705，大于1.35，滿足要求。

(2)基底隆起穩定性

本工程按安全等級一級進行控制，抗隆起穩定安全系數Kb:

滿足要求。上式中，γm1、γm2為圍堰內外鋼板樁底以上土的厚度加權平均重度(kN/m3)；c為鋼板樁底土層粘聚力(kPa)；ld為鋼板樁入土深度(m)；Nq、Nc為承載力系數，分別為 10.66、20.72；h為基礎深度(m)；q為地面均布荷載(kPa)。

(3)結構受力情況

圍堰樁施工過程中的最大彎矩M＝927.0 kN·m，最大剪力Q＝728.6 kN，均發生在圍堰內回填黃砂至河床以及拆除第一層支撐的階段。

單根圍堰樁最大正應力計算值δ＝1.29×132＝170.3 MPa＜240 MPa，滿足要求。

單根圍堰樁最大剪應力計算值τ＝1.29×41.1＝53.0 MPa＜120 MPa，滿足要求。

圍堰樁最大變形計算值為37.7 mm，發生在第二層內支撐拆除時。

(4)圈梁及內支撐受力情況

圈梁最大正應力計算值[δ]＝198.5 MPa小于許用應力240 MPa，圈梁最大剪應力計算值[τ]＝68.9 MPa小于許用剪應力120 MPa，圈梁最大變形值9.2 mm小于L/400，滿足要求。

第一層和第三層內支撐最大反力計算值一致，均為115.9 kN/m；第二層的內支撐最大反力計算值為634.9 kN/m，內支撐最大應力σ＝129.5 MPa小于170 MPa，滿足要求。

通過檢算驗證，本工程PC工法樁圍堰設計方案各結構受力均能滿足相關規范要求，可確保結構及施工安全。同時，在施工過程中，應結合圍堰結構受力檢算情況和受力特點等對其關鍵部位加強監測[5]。

4 PC工法樁圍堰施工技術

4.1 PC工法樁沉樁

本工程中，樁身沉入范圍內以砂質地層為主，其擠密性較強，對樁的貫入阻力較大，加之PC工法樁較長。在該地層條件下，若仍采用常規機械振動沉樁方法，PC工法樁沉樁將極為困難且周期長，也會造成PC工法樁發生不可避免的較大變形甚至損傷，從而影響到樁的完整性及其受力性能，故本工程PC工法樁沉樁采用高壓水刀引孔[6]輔助振動錘振動沉樁工藝。

(1)高壓水刀系統

由高壓水泵、φ50 mm無縫鋼管和刀頭噴嘴等組成水刀噴射系統，4把高壓水刀(含輸水管)均勻布設在PC工法樁外壁四周，如圖3所示。

圖3 高壓水刀系統

(2)高壓水刀通水試驗

水刀噴射系統組裝、調試，并進行現場通水試驗，通過試驗:

①判斷輸水管路連接是否完好，高壓水刀壓力是否可行，噴嘴噴水方向是否合理等。

②結合樁身地層情況，修正和調整水刀刀頭噴嘴數量和開口參數，本工程采用口徑2.5 mm的單刀頭噴嘴。

③確定供水水質含砂率，施工時須嚴格控制，過高易造成水刀管路堵塞。

(3)PC工法樁沉樁施工操作要點

①鋼板樁、鋼管樁接長

現場焊接接長。鋼板樁內外兩側均采用10 mm厚鋼板幫板滿焊焊接，鋼管樁外側采用10 mm厚鋼板滿焊焊接。

②高壓輸水管固定

采用“π”型HPB300φ20鋼筋將高壓輸水管固定在鋼管樁外壁上，“π”型固定鋼筋沿樁壁間距200 cm/道，并與鋼管樁牢固焊接，確保沉樁過程高壓輸水管與鋼管樁之間無相對移動。

③定位、起吊

安裝導梁、鎖扣行進控制架，插打定位樁，以控制后續PC工法樁樁位。根據現場情況，配置75 t履帶吊起吊PC工法樁。

④下沉

PC工法樁就位后，啟動高壓動力泵，利用水刀切土引孔，振動錘振動沉樁，如圖4所示。

圖4 水刀引孔、振動下沉

4.2 承臺基礎開挖

承臺基礎開挖范圍內以穩定性差、透水性強的砂質地層為主，故采用不抽水開挖。用高壓水循環反復沖刷所要開挖的巖土體，沖刷產生的泥水混合物經過沉淀后，表層清水循環使用，固體沉積物(主要為卵石及砂礫石)采用長臂挖機挖出，并將其集中堆放，作為回填土重新使用。

4.3 裝配式鋼管支撐安裝

本工程PC工法樁內支撐體系采用裝配式鋼管支撐[7]。

(1)支撐位置定位

基礎開挖或抽排水至設計支撐底標高以下50 cm時，根據設計位置測量定位支撐中心線、鋼牛腿頂標高線。

(2)鋼牛腿安裝

清除PC工法樁表面雜物及浮銹，焊接鋼牛腿。

(3)鋼圍檁安裝

鋼牛腿安裝完成后，將鋼圍檁焊接固定在鋼牛腿上，并采用高強螺栓機械連接相鄰鋼圍檁。

(4)鋼支撐安裝

鋼支撐標準節長2 m，調整節長1 m，場外預拼裝2～3節為一組，場內吊機吊入圍堰內安裝。結合圍堰寬度以及支撐活絡頭行程等確定支撐拼裝長度。

(5)預應力施工

作業前，對鋼圍檁、鋼支撐以及對抱箍加固裝置等的安裝質量進行嚴格驗收。

預應力施加按3～5級均勻對稱、分級施加，每一級預應力施加到該級設計值時保持穩定10 min后再進行下一級施加，直至額定壓力，預壓力穩定之后進行鎖定，并安裝由兩個斜鐵配對組成的塞鐵。

4.4 水下封底混凝土施工

基底封底混凝土強度等級采用C30，最小厚度3.2 m。

(1)配合比設計

配合比設計時，其粘聚性、流動性、工作性等性能按水下澆筑混凝土的要求確定其基準配比[8]。

(2)導管布設

結合本工程封底混凝土設計厚度和現場施工條件，澆筑方式采用全高度方向斜面推進方法，導管布料方式按雙導管移動首封推進法[9]。

(3)澆筑順序

全高度方向斜面推進澆筑方式澆筑順序:綜合地形因素從地形較低一端向另一端推進；由四周向中央推進。

(4)澆筑點布置

結合內支撐、鉆孔樁基礎鋼護筒位置和現場情況等，澆筑導管位置布設按封底混凝土擴散半徑5 m考慮，如圖5所示。

圖5 導管平面布置(單位:mm)

(5)混凝土澆筑

①首盤封底混凝土澆筑

通過試拌、試驗獲取混凝土工作性能，并結合澆筑點的布設位置，計算首封混凝土數量[10]。

首封混凝土澆筑之后，立即將低壓燈放入導管內，查看導管是否存在漏水情況。若導管內無水，則表示首封成功；若有水，則表示首封失敗，需要馬上采取措施進行二次拔球，再次進行封底。

②混凝土澆筑

混凝土澆筑時，技術員不定時測量混凝土澆筑標高及其擴散情況，以及導管埋深等情況。在即將完成混凝土澆筑作業時，重點監測導管中心處、樁基鋼護筒周圍以及PC工法樁壁等關鍵結合部位的高程，確保封底混凝土頂面標高符合要求。

(6)水下封底混凝土高程測控

在封底施工前提前布設好高程監測點。為準確控制封底混凝土高程，每間隔0.5 h測量一次，對導管作用半徑相交處、承臺四周等部位進行重點監測，及時掌握各個區域的澆筑情況，確保混凝土頂面平整。停止澆筑前，全面復測各控制點高程，若存在高程不符合設計要求，則需要對該測點及其周圍增加澆筑量。

5 PC工法樁圍堰施工主要風險及對策

5.1 施工主要風險

(1)PC工法樁接口滲漏水

①樁間錯動導致鎖扣漏水

由于鋼管樁＋鋼板樁組合形成的PC工法樁的連接方式、內部支撐裝配連接方式及其布置等原因，相鄰的圍護樁可能會產生不同程度的樁身變形[11]。且角樁的受力變形不同于鄰樁的受力變形，因此鄰樁相接處的鎖扣就可能產生錯動，從而形成縫隙，導致漏水。

②沉樁偏差導致鎖扣間縫隙漏水

沉樁過程不可避免存在偏差，從而導致鄰樁鎖扣在沉樁過程中就已形成較大的縫隙，加之本工程樁長較長，更易發生此類問題，導致漏水。

(2)封底混凝土滲漏水

PC工法樁圍堰支護結構主要通過封底混凝土及其下部土體自重維持PC工法樁底部內外壓力之間的平衡，若封底混凝土出現滲漏水勢必危及結構和施工安全。

①厚度不滿足設計要求。封底混凝土的厚度低于設計要求導致其強度不夠，易造成漏水。

②導管布置不合理。根據混凝土工作性能，混凝土流動半徑不大于5 m，在導管布置時，若規劃不合理，或布設數量不足，均易導致基底出現混凝土真空地帶，尤其邊緣混凝土厚度不足時，極易引發漏水。

5.2 風險對策

(1)PC工法樁接口滲漏水

①輕微漏水時，在PC工法樁外側沿鎖扣方向倒入黏土、木屑，或其混合物等堵漏材料，依靠樁內外壓差使其封堵鎖扣縫隙；內側則在鎖扣漏水部位嵌塞棉絮、棉筋等嵌塞物，內外結合進行堵漏。

②漏水嚴重時，則需潛水員在圍護樁外側鎖扣漏水部位涂抹防水材料進行堵漏。

(2)封底混凝土滲漏水

樁基鋼護筒、PC工法樁與封底混凝土結合處出現滲漏水[12]，漏水較小時，采用水泵及時抽排即可；漏水較大時，可填塞棉絮、棉筋等嵌塞物；若出現嚴重滲漏時，則需在圍堰外側填置沙袋進行封堵。

6 結束語

金溪湖特大橋主墩承臺基礎現已順利實施完畢，實踐表明:

(1)高壓水刀引孔輔助振動錘沉樁工藝很好地解決了PC工法樁在復雜地層條件下貫入阻力大和插打困難等技術難題，沉樁速度快，沉樁質量高。

(2)采用PC工法樁圍堰施工，進度快、支護強度高、變形小、止水封水效果好，為承臺施工提供無水作業條件，既保證了復雜地層橋梁樁基承臺深基礎的施工安全，又確保其施工質量。