黃河砂卵石地質群樁基礎綜合施工技術研究

張常軒

(中鐵十四局集團第三工程有限公司 山東濟南 250300)

1 工程概況

延(安)延(川)高速公路黃河特大橋，全橋長1 072 m，主橋5＃、6＃主墩位于山西側黃河主河道淺灘上，下部結構為左右幅整體式承臺，群樁基礎，單個承臺24根樁基，直徑2.0 m，樁間距4.2 m，樁長20 m，承臺尺寸24.2 m ×15.8 m ×5 m，5＃墩墩身高度140 m，6＃墩墩身高度141 m。5＃、6＃主墩樁基布置如圖1所示。

圖1 5＃、6＃主墩樁基布置示意(單位:cm)

2 主要施工方案比選

2.1 圍堰結構形式比選

根據現場地質和施工條件，承臺底設計為砂巖地層，砂巖以上為砂卵石地質，局部存在孤石。采用鋼板樁[1]圍堰方案存在插打困難或無法插打到位的風險，且開挖后圍堰結構整體性差，需設置多層圍囹確保結構安全；采用雙壁鋼圍堰[2]方案存在加工、運輸、拼裝、下沉等多個繁雜工序，且施工周期長；采用鋼筋混凝土沉井[3]方案，沉井預制所需材料可以借助當地村民既有渡船轉運至墩位處，采取就地現場澆筑方案施工，可規避采用鋼板樁或雙壁鋼圍堰方案存在的不足。

經綜合考慮和方案比選，5＃、6＃主墩承臺圍堰選擇鋼筋混凝土沉井方案。

2.2 圍堰與樁基施工先后順序比選

黃河特大橋開工時間為3月份，處于黃河枯水期，可采取先施工樁基后施工圍堰或先施工圍堰后施工樁基兩種方案。若采取先施工樁基后施工圍堰方案，考慮到水中樁基施工期間存在不確定性因素較多，圍堰經歷汛期施工的可能性較大，在汛期組織圍堰施工難度大，成本高，且無法滿足總工期要求。根據現場實際，黃河特大橋主橋5＃、6＃主墩均位于山西側，考慮到山西側便道無法滿足大型設備及材料運輸的需要，須借助進場后從陜西側搭設的鋼便橋來組織運輸，鋼便橋5月底可搭設完成并具備通車條件。若采取先施工圍堰再施工樁基方案，鋼筋混凝土沉井圍堰可以同鋼便橋搭設同步組織施工，沉井施工所需的砂石料、水泥、鋼筋、模板等材料可借助當地小型運輸船倒運至墩位處。鋼筋混凝土沉井圍堰施工完成后，可在圍堰內搭設的樁基施工平臺上進行樁基施工，使樁基施工免受黃河汛期的影響，可確保施工總工期滿足要求。

經綜合考慮和方案比選，采取先施工鋼筋混凝土沉井圍堰，再施工樁基方案。

3 主橋群樁基礎綜合施工技術

3.1 鋼便橋方案

為解決黃河特大橋山西側5＃、6＃主墩施工材料運輸及施工人員上下班通行的需要，須跨越黃河主河道搭設一座鋼便橋。主橋4＃墩設計為高樁承臺，緊鄰黃河主河道，需先回填土再組織樁基及承臺施工。考慮到在4＃墩承臺施工完成后會切斷設計橋位至下游的施工便道，須把鋼便橋設置在黃河特大橋設計橋位上游一側。

鋼便橋長330 m，兩端均設置橋臺，跨徑組合為(12+21×2+12×3+(15×4)×4)m。鋼便橋支撐樁位于黃河主河道位置采用雙排鋼管樁，其他地段采用單排鋼管樁，每4孔設一處固定墩[4]，采用雙排鋼管樁，每排鋼管樁為3根，采用φ630 mm鋼管。黃河主河道位置為裸巖，無覆蓋層，鋼管樁插打施工時無法入巖，考慮到鋼便橋在黃河汛期及凌期[5]的使用安全，對鋼便橋位于主河道范圍內的支撐樁采用沖擊鉆沖孔[6]后灌注水下混凝土的加固方案，沖孔深度5 m，利用鋼管樁兼作灌注水下混凝土的導管。沖孔施工見圖2。

圖2 鋼管樁沖孔施工

跨黃河主河道位置的鋼便橋跨徑為21 m，搭設時需設置臨時墩，跨徑為9 m，主跨搭設完成后再對臨時墩進行拆除。鋼便橋跨徑布置如圖3所示。

圖3 鋼便橋跨徑布置示意(單位:cm)

3.2 鋼筋混凝土沉井圍堰方案

主橋5＃、6＃主墩墩位處為砂卵石地質，局部存在孤石，沉井施工期間處于黃河枯水期，墩位處施工水深在1.3 m左右。沉井采用明挖基坑后現澆方案施工，減少了沉井開挖下沉工序施工，可避免預制沉井下沉過程中發生傾斜、開裂、下沉困難等問題。首先在墩位四周設置攔水壩，抽干攔水壩范圍內的明水，然后開挖基坑至巖層頂面，就地現澆施工鋼筋混凝土沉井。施工時在基底四周設置集水坑，采用潛水泵抽除基坑內積水，確保沉井圍堰混凝土澆筑施工順利進行。

沉井圍堰采用C30鋼筋混凝土結構，上下分三節，總高度14 m，沉井內徑為30 m，底節外徑為31.6 m，井壁厚度從上到下分別為30 cm、50 cm和80 cm，先施工下面兩節，預留頂節在汛期水位超限時再接高施工。沉井井壁采用雙層配筋，內外層豎向及環向護面筋均采用HRB335鋼筋，直徑φ16 mm，間距按照20 cm布置。兩層豎筋之間的支撐筋采用HRB335鋼筋，直徑φ12 mm，按照40 cm間距梅花形布置。沉井結構如圖4所示。

圖4 沉井結構示意(單位:cm)

3.3 鋼平臺方案

考慮到5＃、6＃主墩施工安全和現場施工作業面的需要，在5＃、6＃主墩便橋對應位置各設置一處施工作業鋼平臺[7]，鋼平臺尺寸為36 m×15 m，一側與鋼便橋連為一體，另一側伸入沉井圍堰，距離承臺混凝土外邊緣1.5 m。考慮到在施工作業鋼平臺上會出現機械車輛調頭、急停等不利工況，鋼平臺結構受力復雜。為確保鋼平臺穩定，增強同排鋼管樁基礎的整體性，在鋼管樁四周均設剪刀撐，剪刀撐采用 20槽鋼與鋼管樁焊接。

鋼平臺的結構形式與鋼便橋相似，下部結構采用φ630 mm鋼管樁基礎+雙拼 40a工字鋼橫梁，上部結構采用貝雷梁(間距90 cm)+25a工字鋼分配梁(間距75 cm)，橋面系面板采用8 mm厚花紋鋼板，12.6工字鋼作肋梁(間距30 cm)。鋼平臺布置如圖5所示。

圖5 鋼平臺布置示意(單位:cm)

3.4 樁基施工作業平臺方案

借助鋼護筒和鋼筋混凝土沉井圍堰組合形成主墩樁基施工作業鋼平臺[8]。鋼護筒高度5.0 m，壁厚10 mm，每個承臺24個鋼護筒一次安裝到位，護筒底部利用80 cm厚封底混凝土[9]固定，護筒頂部縱橫向之間焊接牛腿形成支撐梁，外圍四周鋼護筒與沉井井壁預埋鋼板之間焊接支撐梁，在支撐梁上安裝面板，形成樁基施工作業鋼平臺。支撐梁采用 30槽鋼，面板采用8 mm厚花紋鋼板，12.6工字鋼作肋梁，間距30 cm。

為解決樁基施工期間鋼護筒安裝就位、支撐梁焊接和平臺鋪設、鉆機就位和移機、吊裝鉆頭、鋼筋籠起吊和下籠、水下混凝土灌注等工序施工，在主橋5＃、6＃主墩樁基施工作業鋼平臺范圍內各設置1臺龍門吊[10]，龍門吊跨度28.5 m，高度15 m，吊裝能力為20 t。龍門吊軌道梁采用φ630 mm鋼管樁作為支撐，沉井圍堰范圍內的鋼管樁底部固定在封底混凝土頂面，沉井圍堰范圍外的鋼管樁采用振動錘插打在砂卵石地層中。在鋼管樁頂部安裝雙拼40a工字鋼作為龍門吊的軌道梁，軌道梁頂面與鋼平臺頂面平齊，端部伸入鋼平臺1 m。在軌道梁工字鋼上面安裝龍門吊行走軌道，行走軌道兩端均設置限位裝置，以確保龍門吊運行安全。行走軌道的限位裝置固定在軌道梁上，可采取焊接方式進行固定。樁基施工作業鋼平臺如圖6所示。

圖6 樁基作業鋼平臺示意

在沉井井壁混凝土頂面預埋鋼板，將龍門吊軌道梁的支撐鋼管樁用雙拼 30槽鋼焊接并支撐在沉井井壁混凝土頂面預埋的鋼板上，支撐鋼管樁底部與鋼護筒及沉井井壁之間同樣采用焊接雙拼 30槽鋼支撐梁進行加固，以增強龍門吊軌道梁支撐鋼管樁的穩定性。

3.5 樁基施工組織順序

樁基施工采用沖擊鉆沖擊成孔工藝。每個承臺24根樁基，分3個循環施工完成。第1循環和第2循環各布置9臺鉆機同時施工，其中6臺鉆機布置在圍堰內搭設的樁基施工作業鋼平臺上，3臺鉆機布置在沉井圍堰頂面搭設的臨時施工作業平臺上，形成雙層平臺同步作業。第3個循環安排6臺鉆機同時施工，鉆機均布置在圍堰內搭設的樁基施工作業鋼平臺上。每個循環鉆機布置情況如圖7所示。

圖7 鉆機布置示意

3.6 樁基涌水、漏漿處理方案

黃河特大橋5＃、6＃主墩樁基采用沖擊鉆工藝成孔，在沖孔施工至河床頂面以下5 m左右時發生孔內涌水[11]現象，涌水迅速稀釋了護筒內的泥漿；在沖孔施工至河床頂面以下15 m左右時發生孔底漏漿[12]現象，致使孔內泥漿全部流失。樁基沖孔施工發生涌水、漏漿現象后，孔內泥漿水頭和泥漿比重均無法保持在正常指標范圍內，使孔內泥漿無法形成正常循環，造成樁基沖孔施工無法正常組織作業。

針對5＃、6＃主墩樁基在沖孔施工過程中出現的涌水、漏漿等問題，采取在出現涌水、漏漿部位填充片石、黏土、水泥、鋸末等混合物[13]，填充高度高于涌水、漏漿部位3 m以上，經沉淀后重新沖孔。在沖孔過程中適當加大泥漿比重，并采取來回反復操作，確保泥漿護壁在清孔過程中有足夠的強度，不再發生涌水、漏漿現象。同時，在樁基沖孔施工過程中，通過摻加膨潤土、木質素[14]等材料來改善泥漿性能，保證了主墩混凝土灌注樁的施工質量，經檢測均為Ⅰ類樁。

4 結束語

通過對黃河特大橋群樁基礎綜合施工技術的研究和施工實踐，成功解決了黃河主河道砂卵石地質條件下群樁基礎施工中遇到的各種難題，為類似工程施工提供借鑒。

(1)結合黃河特大橋主橋主墩的實際地質情況和現場施工條件，主橋群樁基礎施工的圍堰采用鋼筋混凝土沉井結構，明挖基坑現場就地澆筑，避免了施工風險較大的沉井開挖下沉工序施工。

(2)借助鋼護筒和鋼筋混凝土沉井圍堰搭設樁基施工作業鋼平臺，確保了在黃河汛期樁基能夠正常施工，且施工總工期滿足要求。

(3)通過在樁基施工作業鋼平臺范圍內設置1臺20 t龍門吊，解決了在樁基施工期間的各種吊裝作業需求，避免了在沉井圍堰四周均需設置施工作業平臺的弊端，節省了施工成本。

(4)合理利用雙層施工作業鋼平臺，優化主墩樁基施工組織順序，分別通過3個循環順利完成了每個主墩24根樁基的施工任務，縮短了施工工期，確保了施工總工期滿足要求。

(5)研究制定合理的施工處理方案，成功解決了樁基沖孔過程中遇到的涌水、漏漿問題，確保了群樁基礎施工質量。