山區深水厚卵石層橋梁基礎施工技術

唐 誠

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

隨著我國經濟社會的持續發展和“一帶一路”偉大戰略的不斷實施，工程建設領域的深水基礎工程數量越來越多。淺細砂覆蓋層、較厚卵石層、傾斜河床面等山區性河流地形地貌特點的深水基礎施工，主要關鍵技術包括水上作業平臺、大直徑樁基、承臺防水圍堰、承臺大體積混凝土防裂等。其施工方法應結合橋梁基礎形式[1]，橋址江河水域情況，墩位離岸遠近，墩位河床地形、覆蓋層厚度和地質狀況，水深及水位變幅、流速和流態，施工期通航要求等選擇確定。

2 工程概況

重慶潼南區東升大橋建設項目主橋采用(59＋258＋59)m的中承式系桿拱橋橫跨涪江，由兩主墩(P2＃、P3＃)的斜腿“Y”型剛構框架體系及中間系桿拱三部分組成。主墩基礎由截面尺寸為橫橋向×縱橋向×高＝37 m×19.5 m×5 m、混凝土強度等級C35的八邊形結構承臺，下接22根樁徑為2.5 m、樁長34 m、混凝土強度等級水下C35、梅花形布置的嵌巖(基底持力層承載力5.8 MPa)鉆孔樁組成。樁基及承臺平面、立面布置如圖1所示。

圖1 樁基及承臺布置示意(單位:mm)

P3＃主墩距涪江河岸約50 m，承臺頂標高位于常水位下約1 m，底標高靠岸側嵌入卵石層下約1.3～1.8 m、靠江側高出河床面約0.5～1 m；墩位地層巖性分布為:少量沖積細砂層(厚約0.5～1.5 m)、較厚卵石土(粒徑5～15 cm、厚約2～6 m)，下伏強風化泥巖、中等風化泥巖、中等風化砂巖；橋址處常水位為＋236.5 m(下游航電樞紐蓄水位)，近3年汛期(5～10月)最高水位達244 m(超常水位7.5 m、2020年8月)，實測岸端至墩位常水位下水深約9～11.5 m，汛期泄洪最大流速4 m/s。

結合P3＃主墩基礎結構設計、橋位的水文地質特點等，選取先搭設鉆孔平臺，安裝鉆機進行鉆孔樁施工，待樁基施工完成后再拆除平臺，安裝并下沉圍堰，即“先平臺后圍堰”方案[2]。

3 水上作業平臺施工

3.1 設計思路

橋位河流為內河Ⅴ級航道，大型水上施工設備無法進場使用，從岸側至墩位搭建鋼棧橋[3]為水上橋梁基礎、下部結構、主橋上部結構施工臨時通道，修建鋼平臺[4]為主橋樁基礎鉆孔平臺。

目前水中橋梁廣泛使用的鋼棧橋、鋼平臺常采用鋼管樁基礎，主要設計理念一般以縱梁底標高高于最高水位以上，主承重梁多采用貝雷梁或軍用梁結構形式，部件間的連接主要為卡扣或U型扣連接。涪江上下游建有多座水電站，橋址處常水位由下游約1 km的航電樞紐蓄水位控制，汛期水位具有“增長快、回落快”的顯著特點。為降低棧橋及鉆孔鋼平臺頂面標高、減少鋼管樁長度，以漫水[5]結構為設計思路，設計過水水上作業平臺。

3.2 結構形式

綜合近年涪江下游水位變化情況、墩位地質鉆勘資料、棧橋搭設距離、通行的機械設備以及擬選用的鉆孔設備(含鉆桿、鉆具等整機重按150 t考慮的XR400E型旋挖鉆機)等，進行結構受力分析與平面布置，并以“常水位＋鋼管樁連接系操作空間高度＋結構高度”確定棧橋及鉆孔鋼平臺頂面高度；為降低汛期泄洪阻力及頂面高度，主縱梁采用型鋼材料。

棧橋及鋼平臺結構采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，按施工過程相關工況，充分考慮各機械荷載對不同構件的最不利位置(機械荷載同時以不同的擺放姿態施加在模型的各不利位置)，做到結構計算結果包絡住機械荷載在結構中對不同構件所產生的所有最大內力，并充分考慮汛期水流沖擊影響。計算過程此不贅述。

棧橋及鋼平臺結構形式為:基礎采用φ630×10 mm鋼管樁，樁間采用 28c槽鋼與鋼管樁焊接連接作為平聯與斜撐；鋼管樁頂切成凹槽，上面焊接16 mm鋼板，在鋼板上焊接雙拼 45c工字鋼作為支承 56c工字鋼主縱梁的橫向承重梁；主縱梁上等間距布設25b工字鋼橫向分配梁，其上鋪設δ10 mm厚花紋鋼板組成橋面系；橋面系兩側焊接φ48×3.5 mm鋼管欄桿。56c工字鋼縱梁與其下雙拼 45c工字鋼橫梁及其上 25b工字鋼橫向分配梁焊接連接，以限制 56c工字鋼橫向位移及保證 25b工字鋼分配梁縱橫向不產生相對位移。棧橋及鋼平臺橫斷面、縱斷面布置如圖2、圖3所示。

圖2 棧橋橫斷面、縱斷面布置示意(單位:mm)

圖3 鉆孔平臺橫斷面、縱斷面布置示意(單位:mm)

3.3 施工要點

(1)采用常規“釣魚法”施工工藝進行作業平臺的搭設施工。采用90 t履帶吊吊裝打樁錘從岸側橋臺沿順橋向依次向前施打鋼管樁(采用工字鋼制作導向架進行定位)，隨鋼管樁的逐步施打，依次架設聯系撐、樁頂大橫梁、主縱梁、分配梁、鋼面板及防護欄桿。

(2)由于河床細砂層較淺、卵石層深淺不一，作業平臺安全度汛尤為重要，為此:

①經結構受力及穩定性計算分析，必須確保鋼管樁入土深度(含細砂層、卵石層)不低于5 m且嵌入強風化巖層，并以貫入度進行控制，終錘貫入度取最后3陣，每陣10擊，平均貫入度不大于5 mm/擊方可停止施打；并嚴格控制樁頂平面偏差不超過100 mm。如遇插打深度不足時，采取沖擊鉆沖孔輔助下沉到位的措施。

②為確保鋼管樁順利插打入卵石層、強風化巖層且樁頂、底口不卷曲，頂、底口設置加強箍，底口增設錳鋼刃角。

③為增加度汛抗沖擊防傾能力，墩位橫橋向上游側棧橋加寬，既便于施工設備的相互避讓又與主棧橋連接在一起；前期鉆孔樁施工期間墩位棧橋、鉆孔平臺與鋼護筒焊接在一起，后期上游迎水面棧橋與墩身連接在一起。

4 大直徑樁基施工

4.1 鉆孔設備選擇與配置

綜合對比沖擊鉆機、旋挖鉆機在不同地層鉆進時間、設備場地布置、施鉆數量、泥漿及鉆渣清理等，根據地質鉆勘及基底持力層承載力要求、鉆孔深度，旋挖鉆機配合加長鋼護筒能適應本橋大直徑樁基[6]施工。

(1)配置1臺XR400E型旋挖鉆機鉆孔，1臺75 t履帶吊吊DZJ-120型振動錘插打鋼護筒，1臺25 t汽車吊輔助下放鋼筋籠，1臺挖掘機、1臺自卸車轉運鉆渣，一套泥漿制備、循環系統。

(2)厚度10 mm鋼板焊制的渣箱一個；厚度25 mm(徑厚比不大于120)、單節長度最長6 m的Q235低合金熱軋鋼板卷制拼焊成直徑2.8 m的鋼護筒若干節；槽鋼 32 mm焊制高3 m的一個限位架；φ32.5×8 mm、長度0.5～3 m的導管若干節。

4.2 施工要點

(1)由于卵石層松散，為防止鉆進與混凝土灌注過程塌孔、掉渣等現象出現，鋼護筒需接長、跟進插打入強風化巖層，筒頂、底口設置加強箍避免插打時卷曲，嚴格控制鋼護筒垂直度偏差≤1%及中心線與設計樁位中心線偏差≤50 mm；鋼護筒接長時接頭焊縫飽滿，并等間距加焊豎向拼接綴板，以保證接頭不開裂、不漏水。

(2)鉆進過程，制備的泥漿性能需與地層相適應。廢棄泥漿晾曬后掩埋處理，不得直排入河流污染環境。

(4)用帶活門的筒形專用清孔鉆頭清孔，控制孔底沉渣不超過5 cm，嚴禁超鉆代替清孔。

(5)采用扁擔起吊法、兩段起吊鋼筋籠，直螺紋套筒連接主筋，縮短鋼筋籠下放接長時間；鋼筋籠下放到位予以固定，避免灌注混凝土時上浮；如沉渣超過要求，利用空氣吸泥機二次清孔。

(6)加強混凝土原材料控制；結合混凝土攪拌時間、運輸時間、運輸設備數量、單根樁灌注量等，加緩凝減水劑使混凝土初凝時間滿足要求；采用豎向導管法(導管使用前做水密試驗確保密封良好)、連續灌注水下混凝土。

5 承臺施工

5.1 圍堰方案選擇

深水淺細砂層、厚卵石層、傾斜河床面，承臺采用雙壁鋼圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、鋼板樁圍堰等圍堰[7-11]方案成功的案例較多。

綜合分析各種圍堰結構的適宜性(見表1)、施工時期，在“一種水下無封底混凝土鋼混組合吊箱圍堰結構”[12]的思路下，設計了雙壁鋼混組合吊箱漫水圍堰作為承臺防水圍堰結構。

表1 圍堰結構對比分析

5.2 圍堰結構

雙壁鋼混組合吊箱圍堰結構主要由強度等級C50、厚30 cm的混凝土預制塊件與濕接縫組成的格構式底板，拉森Ⅳ型鋼板樁壁板與厚12 mm的內層(兼作承臺模板)、外層鋼板組焊形成的壁體塊件，直徑φ108×8 mm的鋼管和 14工字鋼組成的壁體塊件“CIC”型鋼鎖扣連接件，壁體與底板連接φ32 mm精軋螺紋鋼，壁體內兩道三拼 36b型鋼環外支撐圍檁、φ630×16 mm鋼管支撐等組成。圍堰如圖4所示。

圖4 雙壁鋼混組合吊箱圍堰示意(單位:mm)

圍堰結構采用有限元軟件建立模型，分整體下放、體系轉換、內支撐拆除等工況進行圍堰結構受力計算，計算過程此不贅述。

5.3 圍堰施工要點

(1)圍堰總體施工工藝流程:混凝土底板塊件預制、樁基檢測、鉆孔平臺拆除→長臂挖機清理整平河床至預制底板標高下30～50 cm→鋼護筒開槽安裝擱置牛腿→對稱安裝底板預制件并調整定位→安裝底模、綁扎鋼筋、澆筑底板塊件濕接縫→對稱安裝圍堰壁體塊件并調整定位、插入鎖扣型鋼，鎖扣空腔內填充黏土棉絮和鋸末的混合物并搗實→安裝壁體與底板間精軋螺紋鋼吊桿及止推塊限位板，壁體與底板形成整體，壁體與底板接觸面澆筑50 mm厚封堵砂漿→圍檁與鋼管支撐安裝、定位→安裝φ219×16 mm圓鋼管拉壓桿(一端與底板鉸接，另一端在圍堰下沉到位后與鋼護筒焊接)→鋼護筒上安裝、調試圍堰下放系統(挑梁、扁擔梁、拉壓桿、下放千斤頂及鋼絞線組成)→圍堰下放到位(先提升圍堰10 cm并拆除擱置牛腿，而后千斤頂連續作用、同步下放)→焊接拉壓桿，底板與鋼護筒間封堵混凝土澆筑→圍堰內抽水→焊接剪力板、拆除拉壓桿→鋼護筒割除、樁頭鑿除，綁扎鋼筋、澆筑承臺混凝土。

這是典型的民營企業“離場論”，與此類似的還有公私“合營論”、黨建工會“控制論”等觀點在網上流行。可以說，從下到上，都不同意這類觀點。加之中美貿易戰的影響，民營經濟出現了一些不安定的現象。

(2)預制底板結合承臺截面尺寸分塊分類制作，每塊底板需根據每根樁鋼護筒的位置、垂直度精確放樣，內開孔以鋼護筒在底板垂直投影放大20 cm，安裝時嚴格控制內開孔與鋼護筒間的間歇，避免底板下放過程中抵觸鋼護筒造成圍堰下放不到位；預制時確保底板表面平整度。

(3)壁體鋼板樁拼接注意鎖口內灌注黃油并輔以麻絮嵌縫，內、外鋼板焊接在壁板上組成雙壁；單塊壁板底、頂焊接 40 mm槽鋼；塊件兩端接合面焊接“CIC”型鎖扣連接件；頂、底及鎖扣連接處及內外壁鋼板焊接質量決定著防滲止水效果。

(4)鋼護筒橫橋向開槽口安裝雙拼 56a工字鋼擱置牛腿，注意確保擱置牛腿標高在同一水平面且高出常水位50 cm左右(便于擱置牛腿拆除)。

(5)壁體安裝時注意在預制底板環向主梁上分別設置20 mm厚的砂漿找平層及20 mm厚的橡膠墊層；壁體對稱安裝避免底板一側產生過大偏載；單塊壁體吊裝到位后采用型鋼支撐避免側翻；壁體與底板間精軋螺紋鋼吊桿是鋼吊箱受力與下放時的主要功能構件，必須確保質量。

(6)采用12臺TS200-250型千斤頂同步下放圍堰；下放過程通過控制油壓表的度數及在鋼絞線上刻畫的標線來控制下放的同步性。

5.4 大體積承臺施工

(1)總體施工工藝流程:樁身超聲波透射法檢測→切割鋼護筒至樁頂標高→樁頭鑿除→承臺鋼筋安裝(φ10 mm底層鋼筋網片鋪設→底面鋼筋→架立鋼筋→側面鋼筋→頂面鋼筋→塔座及墩柱豎向鋼筋預埋)→冷卻水管安裝→第一層承臺混凝土(2 m高)澆筑(見圖5)及養生→拆除圍堰第一層內支撐及圍檁→第二層(3 m高)承臺混凝土澆筑及養生→拆除圍堰第二層內支撐及圍檁→塔座鋼筋安裝(下橫梁支架預埋件及預壓反拉精軋螺紋鋼埋設)→塔座混凝土澆筑及養生→拆除圍堰。

圖5 承臺大體積混凝土澆筑

(2)本橋承臺截面尺寸大，大體積混凝土澆筑過程中，由于水泥等膠凝材料的水化放熱，會使混凝土結構內部溫度迅速上升，導致混凝土結構內部溫度較高。此外，由于混凝土內部與表面溫差大，容易產生過大的溫度應力，從而引起混凝土結構開裂[13]。根據澆筑施工時期，采取預埋冷卻管、減少水泥用量、降低骨料入倉溫度、加適量外加劑和精心養生等有效措施減小水化熱的影響；并在承臺內預埋溫度計，隨時監測承臺內混凝土溫度，便于調節冷卻管的通水流量和通水時間等，保證承臺大體積混凝土的施工質量。

6 結束語

東升大橋P3＃主墩基礎選取“先平臺后圍堰”方案，經技術優化，實現了施工安全可控、質量可靠、有效提高施工工效、節約成本的目的。

(1)棧橋及鉆孔平臺采用“漫水”結構形式，并與鋼護筒及后續墩身連在一起，截止目前，2年內已安全度汛5次(其中2020年8月16日洪水漫過平臺高約4 m)，驗證了方案設計的合理性。

(2)采用旋挖鉆機進行大直徑樁基的施工，并采取鋼護筒跟進插打避免細砂及松散卵石在施鉆及灌注混凝土時塌孔、掉渣等引起樁基質量缺陷，平均一根樁用時2 d，施工快捷且環保。

(3)經對比研究，采用雙壁鋼混組合吊箱圍堰作為承臺防水圍堰結構，利用30 cm厚的預制底板替代2 m厚的封底混凝土、鋼板樁與內外層鋼板組拼作為圍堰壁體及模板結構、千斤頂同步下放等工藝實施，有效降低圍堰高度、減輕材料用量及重量、減少施工難度、降低成本、縮短施工工期，設計與應用取得了成功。

(4)經采取有效措施，避免了承臺大體積混凝土開裂，保證了施工質量。