山嶺重丘區大落差深水裸巖庫區橋梁樁基礎施工關鍵技術

韋才超 師為明 陶 凱

（1.廣西北投公路建設投資集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241060）

0 引言

我國西部、西南部地區是水力發電的重點區域，水利資源豐富，水電開發程度較高。但日益增多的水電庫區也為公路、鐵路橋梁的建設帶來了諸多挑戰與困難，深水庫區橋梁日益增多，施工難度不斷加大。

建國以來，我國在橋梁深水樁基礎施工實踐上積累了大量的經驗，尤其面對深水、裸巖、無大型水上施工設備的庫區等條件，如寧波大榭島跨海大橋[1]，此橋為主跨170m的連續剛構梁橋，樁位處水深約40m且為堅硬的裸露巖面；還有諸如蘭渝鐵路渠江特大橋[2]、上江埠大橋[3]、福建省南平樟湖庫區大橋[4]等，其中位于淳安縣千島湖庫區的上江埠大橋首次在設計階段就考慮了采用浮式平臺進行庫區深水大直徑樁基施工的可行性。

但國道G357田林經八桂至定安公路八渡三橋2#主墩項目具有上述施工案例所沒有的特殊條件，如水深達46m、大落差、山嶺重丘區獨特的地形地貌地質條件等，現有研究成果無法妥善解決該工程項目涉及到的特殊問題，有必要進行進一步地深入研究。

1 工程概況

該項目位于廣西壯族自治區百色市田林縣八渡瑤族鄉，地處山嶺重丘區，交通運輸條件極差。該橋梁設計橫跨馱娘江瓦村水電站庫區，距離下游瓦村水電站約20km，上部結構設計采用（93+168+93）m預應力混凝土變載面連續箱梁剛構體系，下構橋墩為空心薄壁墩，主墩承臺設計為高樁承臺，尺寸為13.2m×13.2m×4m（長×寬×高），由9根Φ2.2m的嵌巖樁基礎組成，最大樁長56.5m。其中，2#主墩位于深水區域，最大水深可達46m，最大年水落差達16m，最大日落差可達2.6m以上，水位變化大。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

2 先浮后鋼的施工方案及工藝流程

由于2#墩最大水深可達46m且為裸巖地質，無法采用傳統的鋼平臺搭設方法進行施工，因此采用“先浮后鋼”的施工方法，消除大落差帶來的水位不確定性影響。

先利用浮式平臺作為臨時施工平臺進行角點鋼護筒的定位、沉放，然后在先行施工的鋼護筒上加焊牛腿，搭設鉆孔平臺。由于鋼護筒最重可達50t，需要使用大型水上起重設備進行分節下放、接高，但該項目又地處山嶺重丘區，交通不便且施工水域不通航，大型水上起重設備無法直接進入，只能采取先將80t浮吊異地分解成便于運輸的小塊，再分別運至現場組裝的方式。

由于2#墩樁位處無覆蓋層，需進行鋼護筒的栽設。先利用沖擊鉆預先在樁位處沖孔（直徑3m、重14.5t的重錘），沖擊出5m左右的深坑，清孔后鋼護筒分節下放至坑底，最后澆筑孔底錨固混凝土，待混凝土強度形成后再進行下一步施工。

鋼平臺搭設完成后采用JK-15大直徑沖擊鉆機進行沖擊成孔，浮吊安裝鋼筋籠，導管法澆筑水下混凝土，混凝土采用岸上攪拌站攪拌，罐車通過便道運至現場，再通過拖泵泵送至施工部位。鋼護筒及平臺施工流程如圖2所示。

圖2 鋼護筒及平臺施工流程圖

3 關鍵施工技術

3.1 浮式平臺穩定性計算

浮式平臺使用的浮箱屬于六七式舟橋器材的非機動舟部分，由12個標準舟節（浮箱）拼組而成，每個標準舟節長9m，寬2.7m，甲板至舟底高1.5m，全高1.65m，重4.65t。縱向通過底部丙丁接頭和上部舷緣角鋼上拉緊螺栓連接，橫向通過底部螺柱鉤連接。結構設計如圖3所示，各部分計算高度及重量如表1所示。

圖3 浮式平臺平面布置圖

表1 各部分計算高度及重量

該庫區橋梁水流速度V≤0.1m∕s，水面開闊，在上部結構自重、鉆機作業、鋼護筒下放等工況下，根據傾角Φ計算公式：

及穩心高度計算公式：

公式（1）、（2）中：

M——相應工況下的彎矩；

r——豎向荷載；

ρ——浮心高度；

α——重心高度。

將表1中各部位的數據代入公式（2）中，得到平臺穩心高度H值為63.09m＞＞0，故安全性滿足要求。

再經公式（1）計算，得到鉆孔作業工況下本平臺最大傾角Φ為1.8°，鋼護筒下放工況下最大傾角Φ為3.6°，最大傾角均滿足“在鉆孔作業、鋼護筒下放時要求平臺不能有過大晃動，鉆孔傾角限制不能超過3°，鋼護筒下放傾角限制不超過5°的要求。

此外，在水位漲落、正常作業平臺晃動超過2cm時，為及時調整錨繩以保證平面位置，減小晃動，平臺的錨碇采用重量為5t的混凝土錨；橫橋向為主風方向，采用橫橋向設8個八字形錨碇，牽引調節采用?20鋼絲繩。

3.2 長大鋼護筒施工關鍵技術

由于是長大護筒，鋼護筒內徑按大于設計樁徑R為30cm考慮，內徑r為2.5m，壁厚d為16mm，鋼護筒頂底口0.5m范圍均設置10mm厚加強箍，材質均為Q235B。鋼護筒在總部加工場分節段加工，經驗收，滿足質量標準要求后，由駁船運至現場分節下放和接長。

根據目前施工水位，鋼護筒在下放過程中最大懸臂高度可達40m。在水流力作用下，護筒底口相對于頂部其平面位置和垂直度將發生一定偏差，考慮流速V=0.1m∕s，經有限元計算，固定端最大應力σ=0.392×107Pa，懸臂端最大位移f=4.353mm。由此可知，鋼護筒、浮式平臺受水平應力影響較小，護筒垂直度受水流作用的影響可以忽略。懸臂端位移及固定端Von Mises 應力云圖如圖4所示。

圖4 懸臂端位移及固定端Von Mises應力云圖

3.2.1 導向裝置

為解決水深較大、水上高度占比較小、鋼護筒垂直度難以保證的難題，主墩鋼護筒導向裝置采用型鋼焊接組成的超高雙層“井”字形框架結構，上下層導向框間距為4.1m，總高度5.28m，比常規導向架高度大2～3m。鋼護筒導向分節下放如圖5所示。

圖5 鋼護筒導向分節下放

3.2.2 鋼護筒錨固

由于樁位處無覆蓋層且水深較大，如果采用人造覆蓋層的方法，一方面存在實施難度大，回填精度難以控制；另一方面經濟性較差，回填周期長，同時也不利于環境保護。經過對比分析，最終選擇預沖孔植樁錨固的施工方法，流程如下：

（1）浮式平臺完成后，準確測量放樣出兩角點樁位，2臺JK-15型沖擊鉆機對稱擺放，以確保平臺受力均衡。正式開鉆前，再次復核樁基平面位置，鉆機配備直徑3m的鉆頭，鉆孔開始時采用小沖程進行沖擊，待鉆進一定深度后再加大沖程，鉆進過程中及時采用掏渣桶進行清渣。

（2）重復鉆孔、清渣，直至鉆孔深度達到5m（錨固深度不小于2D，D為鋼護筒直徑）。

（3）按照上述方案下放鋼護筒至孔底，下放前在鋼護筒底部開4個V型槽口，目的是便于混凝土溢流到鋼護筒外側并包裹鋼護筒。

（4）采用導管法灌注錨固混凝土，澆筑時注意均衡對稱澆筑，待混凝土澆筑高度齊平護筒外側巖面，護筒內混凝土面不再升高時停止灌注。

3.2.3 水下混凝土澆筑錨固

采用直徑3m 的鉆頭，由于是在浮式平臺上進行沖孔，在鉆機作業時浮式平臺會發生一定晃動，即提鉆時在重力作用下發生前傾，落鉆時在浮力作用下又發生后仰，這就導致錘頭發生擺動。隨著深度的增加，錘頭擺動幅度受到孔壁的影響，因此最終形成圖6的孔形。由于空間足夠大，可直接采用直徑30cm的導管在護筒四周對稱澆筑水下混凝土錨固，無需如圖7所示在護筒內澆筑，一方面錨固混凝土體積更大，護筒更加穩固；另一方面可以減少不必要的重復鉆孔作業，提高效率，節約混凝土。

圖6 實際鋼護筒錨固效果

圖7 原設想鋼護筒錨固效果

3.3 可升降主墩鋼平臺

為解決大落差帶來的水位不確定影響，除采用浮式平臺進行鋼護筒下放、定位施工，以適應水位變化外，2#主墩鋼平臺在進行臨時結構設計、驗算時，考慮采用一種標高可調裝置，在平臺提升工況下，能確保結構安全、穩定，具體做法如下：

首先在前期先行施工完成的四根角點鋼護筒上設置牛腿，每根鋼護筒采用2HM588×300型鋼，按照十字型布置設置4個牛腿。在岸上加工廠采用HM588×300型鋼主梁焊接整體式主梁框架結構，上鋪橫向分配梁工25a及縱向分配梁工14，分配梁上鋪8mm花紋鋼板。考慮工效以及起重要求，首先在陸上加工平臺骨架（主梁），骨架結構焊接完成后采用浮吊整體吊裝，安置在護筒牛腿上，通過加勁板與牛腿固定連接，最后鋪設縱橫向分配梁和花紋鋼板。鉆孔平臺主梁自重約52t，平臺吊裝工況下80t浮吊最大負荷64t＞52t。低水位時平臺的標高為+295.00m，當水位發生變化或觸及預警線時，需立即接高鋼護筒并提升施工作業平臺，平臺提升系統采用4個75t千斤頂、直徑32mm的精軋螺紋鋼組成，如圖8所示。

圖8 平臺提升系統示意圖

3.4 鉆孔樁施工

鉆孔樁施工采用沖擊鉆機，為保證鉆孔樁施工過程中的安全和成樁質量，鉆孔施工采取隔孔鉆進的原則進行，相鄰兩根樁不得同時成孔或澆筑混凝土，以免擾動孔壁，發生串孔、斷樁事故。

由于該樁基全長均位于強-中風化砂巖地層，需要回填黏土輔助孔底造漿，泥漿循環采用氣舉反循環，泥漿主要起到懸浮、攜帶鉆渣的作用。鉆進過程中采用常規的鉆進工藝即可，但要實時觀察鉆機的晃動情況及水位變化情況，及時調整錨繩。

4 結束語

通過對該橋梁深水樁基施工技術研究，提出在水深46m、大落差、無大型水上施工設備、復雜地質（裸巖）等條件下樁基施工的關鍵技術，得到結論如下：

（1）通過對浮式平臺的結構設計及穩定性分析，豐富了深水樁基浮式平臺的理論基礎；

（2）通過預沖孔植樁錨固施工技術，解決了46m水深時無覆蓋層、裸巖條件下鋼護筒的定位問題；

（3）采用先浮后鋼的施工工藝及研發可升降鉆孔平臺，解決了應對大落差時施工平臺的選擇及標高控制問題。

通過實施以上系列技術，為建設國道G357田林經八桂至定安公路2#標段八渡三橋施工提供有力支持，同時為我國庫區深水橋梁的設計、施工提供有益參考，為同類型項目積累寶貴經驗，推動了該領域施工技術的進步。