深水淺覆蓋地層橋墩基礎(chǔ)PLC工法樁圍堰施工技術(shù)*

楊金龍，曾華新，韓 珂

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長沙市城市建設(shè)投資開發(fā)集團有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展及施工技術(shù)水平的不斷提高，眾多跨河、跨江甚至跨海大橋應(yīng)運而生，橋梁自建造至竣工通車需克服重重難題，如深水基礎(chǔ)施工、防腐養(yǎng)護等。目前，國內(nèi)用于解決深水基礎(chǔ)施工難題的方法通常包括雙壁鋼圍堰法、鋼管樁圍堰法及鋼吊箱圍堰法等。雙壁鋼圍堰法具有整體剛度大、工期短、止水效果好等優(yōu)點，但用鋼量大，制作工藝復雜，施工過程復雜，且大型鋼圍堰運輸、下放、定位及封底施工難度均較大。鋼管樁圍堰法具有安拆便利、可重復使用率高等優(yōu)點，但鎖口質(zhì)量不易保證，且整體剛度較差。鋼吊箱圍堰法加工難度大，用鋼量較大，且施工工藝復雜，主要用于解決深水高樁承臺施工。需結(jié)合地質(zhì)條件、水頭差、水流流速及工程實際情況等選擇合適的施工方法。

1 工程概況

暮坪湘江特大橋橫跨湘江兩岸，是湖南省重點建設(shè)項目之一，作為連接東、西兩岸的重要過江通道，對于促進區(qū)域化快速發(fā)展具有重要意義。暮坪湘江特大橋主橋為中承式鋼桁架系桿拱橋，主跨徑布置為(70+2×180+70)m，平面與立面布置如圖1所示。主拱矢高36m，矢跨比為1/5，主梁采用疊合梁結(jié)構(gòu)。

圖1 主橋平面與立面布置(單位：m)

主橋采用承臺+群樁基礎(chǔ)，其中主墩承臺均為八角形截面，橫橋向長19m，順橋向?qū)?4m，高4.5m，采用C35混凝土澆筑，樁基直徑2m，樁長20m，承臺結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 承臺結(jié)構(gòu)布置(單位：m)

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

主墩承臺頂標高為18.491m，底標高為13.991m，主墩處河床標高為18.820～19.440m。鉆孔資料揭示，主墩處地層主要由第四系全新統(tǒng)河流沖積層與白堊系上統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖組成。地層自上而下依次為0.4m厚細砂(層頂標高為18.740～19.140m)、0.4m厚粉質(zhì)黏土(層頂標高為18.340～18.740m，硬塑～堅硬，局部可塑)、1.4m厚強風化泥質(zhì)粉砂巖(層頂標高為16.940～18.340m，褐紅色，大部分礦物已風化變質(zhì)，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水易崩解軟化)、80.8m厚中風化泥質(zhì)粉砂巖(層頂標高為-63.860～16.940m，褐紅色，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水易崩解軟化)。

本工程所在地跨越湖南省最大河流，河面寬200～1 250m，歷史最高水位39.180m，歷史最低水位26.350m，年平均水位29.480m，最大流速1.26m/s，最小流速0.12m/s。

3 圍堰設(shè)計

主墩基礎(chǔ)所在位置水頭差為18.41m，最大流速為1.26m/s，中風化泥質(zhì)粉砂巖抗壓強度約為8.5MPa。因工期短，主墩及輔助墩基礎(chǔ)需同步施工。考慮到鋼套箱圍堰加工復雜、制作周期長、可重復使用率低，且運輸、下放及定位難度大等，若單一使用鋼管樁圍堰，因鎖口與鋼管樁剛度及變形不協(xié)調(diào)，在鋼管樁施打過程中如遇堅硬巖層，會出現(xiàn)鎖口撕裂的情況，從而影響整個圍堰的止水效果。若采用鎖口鋼管樁+柔性較強的鎖口鋼板樁組合圍堰(PLC工法樁)，可在較大程度上避免上述情況的發(fā)生，且鋼管樁與鋼板樁組合的方式減少了總體用鋼量，進一步節(jié)約了施工成本。因此，本工程深水淺覆蓋地層橋墩基礎(chǔ)最終選用PLC工法樁施工。

3.1 圍堰布置

為滿足施工要求，圍堰內(nèi)截面尺寸設(shè)計為21.53m×17.06m(長×寬)。圍堰整體由鋼管樁、拉森Ⅳ型鋼板樁、圍檁及內(nèi)支撐組成，其中鋼管樁采用Q345φ820×14鋼管，第1，3，4道圍檁采用雙拼I56C，第2道圍檁采用雙拼HN700×300×13×24，第1，3，4道內(nèi)支撐采用Q235φ800×16鋼管，第2道內(nèi)支撐采用Q235φ609×16鋼管。PLC工法樁構(gòu)造如圖3所示，圍堰總體布置如圖4所示。

圖3 PLC工法樁構(gòu)造

圖4 圍堰總體布置

3.2 圍堰力學性能驗算

1)計算方法

采用有限元軟件Midas/Civil對主墩基礎(chǔ)施工過程進行模擬分析，因鎖口鋼管樁與拉森鋼板樁截面形狀并非軸對稱，彎曲變形時受力不協(xié)調(diào)，鋼板樁抗彎強度遠小于鋼管樁，且鋼板樁主要起擋水和連接作用，所以建模分析時不考慮拉森鋼板的抗彎承載力，僅考慮鋼管的抗彎承載力。

建立計算模型時，鋼管樁之間通過鋼板進行連接，便于施加靜水壓力、土壓力和模擬拉森鋼板的橫向連接。鋼管樁、圍檁、內(nèi)支撐均采用梁單元模擬，槽內(nèi)的封底混凝土采用實體單元模擬，回填砂采用土彈簧模擬。

計算荷載考慮水壓力與流水沖擊力，約束考慮圍堰底部鉸接。

2)計算工況

模擬主墩基礎(chǔ)施工時，自PLC工法樁施打至承臺基礎(chǔ)開挖共分10余種工況，其中不利工況為：封底完成后抽水至第2道內(nèi)支撐標高以下1m；抽水至第3道內(nèi)支撐標高以下1m；抽水至河床，開挖至第4道內(nèi)支撐標高以下1m；開挖至承臺和封底混凝土底部。

3)結(jié)果分析

計算結(jié)果表明，開挖至承臺和封底混凝土底部為最不利工況。最不利工況下鋼管樁最大應(yīng)力標準值為211MPa(見圖5)，最大應(yīng)力設(shè)計值為278.5MPa，小于控制應(yīng)力；鋼管樁最大變形為33mm，小于允許值，說明鋼管樁強度與剛度均滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖5 最不利工況下鋼管樁應(yīng)力云圖(單位：MPa)

此外，對最不利工況下鋼板樁、圍檁及內(nèi)支撐受力和變形進行了計算，結(jié)果表明，鋼板樁、圍檁及內(nèi)支撐強度與剛度均滿足結(jié)構(gòu)受力要求，說明本工程PLC工法樁設(shè)計合理。

4 施工重難點

圍堰施工過程中涉及刻槽施工、PLC工法樁施打、吹砂封底等工序，施工難度大，不可控因素多，施工重難點如下。

1)主墩埋深大，基礎(chǔ)位置處水頭差大，對PLC工法樁強度與剛度要求高，止水要求高。

2)圍堰刻槽施工難度大，鉆機刻槽施工時需嚴格控制引孔垂直度，成孔質(zhì)量要求高，以防因出現(xiàn)刻槽盲區(qū)影響PLC工法樁施打，從而避免影響PLC工法樁底部鎖口咬合效果，保證整個圍堰止水效果。

3)PLC工法樁鎖口精細化加工質(zhì)量要求高，且成樁線形控制要求高。

4)地質(zhì)條件差，紅砂巖風化程度高、遇水易崩解軟化，槽內(nèi)吹砂與封底施工難度大。

5 關(guān)鍵施工技術(shù)

主墩基礎(chǔ)采用先樁基后圍堰的方式施工，本文主要對PLC工法樁圍堰施工技術(shù)進行研究。圍堰施工工藝為：刻槽施工→PLC工法樁施打→氣舉反循環(huán)法吹砂施工→導管法澆筑封底混凝土→基坑開挖。

5.1 刻槽施工

考慮到PLC工法樁沖孔深度約為9.34m，入巖深度約為4.59m，且中風化泥質(zhì)粉砂巖抗壓強度較低，選用XR360型旋挖鉆機高效完成刻槽施工。刻槽過程中采用鋼護筒作為鉆機導向，通過不同直徑鉆孔咬合的方式提高刻槽質(zhì)量，減小刻槽盲區(qū)。

首先沿順橋向短邊槽自近陸端向遠陸端進行刻槽，然后沿橫橋向長邊槽自下游向上游進行刻槽。鉆孔時首先施工A孔(直徑1.5m)，然后施工B孔(直徑1.8m)，鉆孔孔型如圖6所示。刻槽過程中，為保證刻槽孔位正確，通過設(shè)置雙層導向架對鋼護筒進行限位，利用履帶式起重機起吊鋼護筒，然后下放導向架，并利用振動錘施打鋼護筒。

圖6 鉆孔孔型示意(單位：m)

為提高施工效率、縮短工期，同一工作面準備4個小直徑鋼護筒和4個大直徑鋼護筒，首先安裝4個小直徑鋼護筒，循環(huán)使用4個小直徑鋼護筒施工完成所有A孔，然后安裝4個大直徑鋼護筒，直至完成B孔施工。

鉆孔過程中，通過采用后成孔孔位中的鉆渣與細砂向先成孔孔位中回灌的方式，防止已成孔塌陷。

5.2 PLC工法樁施打

為保證沉樁軸線正確和PLC工法樁豎直性，采用導向架輔助振動錘施打PLC工法樁，施打過程中以標高控制為主，以貫入度控制為輔。PLC工法樁鎖口咬合較關(guān)鍵，若鋼管樁遇刻槽盲區(qū)無法施打至設(shè)計標高，可采用旋挖鉆機或沖擊鉆對盲區(qū)處進行重新引孔，然后進行鋼管樁復振。在PLC工法樁鎖口中填充鋸末灰與黏土混合物，以增強鎖口止水效果。

5.3 吹砂施工

封底前需將內(nèi)側(cè)槽內(nèi)回填砂吹出，現(xiàn)場實踐表明，普通吸泥無法將槽內(nèi)清理干凈，而氣舉反循環(huán)法可將回填砂清理徹底，對于較大塊石處，需上下提動導管。

吹砂結(jié)束后采用測繩進行量測。因內(nèi)側(cè)槽壁易垮塌，不能將槽壁長時間浸泡在水中，因此實際施工過程中無法同時對多條槽進行吹砂，需清理完成每條槽后及時進行封底施工，同時在待封底的槽內(nèi)兩端插打鋼板樁，隔絕待吹砂封底的溝槽，防止臨邊槽內(nèi)的回填砂擴散至待封底槽內(nèi)。

5.4 封底混凝土澆筑

主墩基礎(chǔ)底部為中風化泥質(zhì)粉砂巖，該地層滲透系數(shù)較小，對圍堰產(chǎn)生的浮力較小，因此主墩基礎(chǔ)底部無須采用滿封底工藝，且為方便PLC工法樁拔除，僅需在引孔槽內(nèi)側(cè)澆筑封底混凝土。

封底混凝土采用導管法澆筑，每條槽均設(shè)置2個布料點同時澆筑，如圖7所示。

圖7 布料點設(shè)置示意

5.5 基坑開挖

基坑開挖前需安裝內(nèi)支撐與圍檁，內(nèi)支撐自上而下設(shè)置，邊抽水邊安裝，每道內(nèi)支撐與圍檁安裝前需將圍堰內(nèi)水位控制在內(nèi)支撐標高以下1m。當圍堰水位降至河床時，采用汽車式起重機將2臺液壓挖掘機吊運至基坑底部，同時在施工平臺上配置1臺長臂挖掘機，配合完成基坑開挖工作。施工完成的PLC工法樁如圖8所示。

圖8 施工完成的PLC工法樁

6 結(jié)語

1)采用鎖口鋼管樁+柔性較強的鎖口鋼板樁組合圍堰(PLC工法樁)的方式，可在較大程度上避免單一使用鋼管樁圍堰時，因鎖口與鋼管樁剛度及變形不協(xié)調(diào)導致的鋼管樁施打過程中遇堅硬巖層時出現(xiàn)的鎖口撕裂問題，從而保證了整個圍堰在深水淺覆蓋地層條件下的止水效果。鋼板樁與鋼管樁組合的方式減少了圍堰總體用鋼量，進一步節(jié)約了施工成本。

2)有限元模擬分析結(jié)果表明，在最不利工況下，鎖口鋼管樁、拉森鋼板樁、圍檁及內(nèi)支撐強度和剛度均滿足結(jié)構(gòu)受力要求，說明本工程PLC工法樁設(shè)計合理。

3)刻槽過程中采用鋼護筒作為鉆機導向，通過不同直徑鉆孔咬合的方式提高刻槽質(zhì)量，減小刻槽盲區(qū)。

4)實際施工過程中無法同時對多條槽進行吹砂，需清理完成每條槽后及時進行封底施工，同時在待封底的槽內(nèi)兩端插打鋼板樁，隔絕待吹砂封底的溝槽，防止臨邊槽內(nèi)的回填砂擴散至待封底槽內(nèi)。

5)考慮到主墩基礎(chǔ)底部為中風化泥質(zhì)粉砂巖，該地層滲透系數(shù)較小，對圍堰產(chǎn)生的浮力較小，因此主墩基礎(chǔ)底部無須采用滿封底工藝，且為方便PLC工法樁拔除，僅需在引孔槽內(nèi)側(cè)澆筑封底混凝土，減少了封底混凝土用量。

6)主墩基礎(chǔ)施工效果較好，表明PLC工法樁適用于深水淺覆蓋地層，且PLC工法樁具有施工效率高、工藝簡單、成本低等特點，具有一定推廣應(yīng)用價值。