沱江特大橋鋼板樁圍堰及埋置式承臺施工關鍵技術*

萬世成,劉 穎,胡 航,孫才志,蘇懷平

(1.成都交通投資集團有限公司,四川 成都 610041; 2.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 3.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610041)

0 引言

隨著科學技術的進步和社會經(jīng)濟的發(fā)展,城市建設開始注重文化、生態(tài)、工程與環(huán)境的關系[1]。除滿足基本的交通功能外,橋梁被賦予更多的景觀功能。2020年,在經(jīng)過橋型調(diào)整和方案優(yōu)化后,成都金簡仁快速路沱江特大橋采用“傾斜鋼拱塔+空間扭索面+超寬鋼箱梁”的結構體系,有別于國內(nèi)外現(xiàn)有的異形鋼塔斜拉橋[2],具有更強烈的空間立體感和視覺沖擊力,建成后將成為都市圈新地標。但計算表明,獨特的索塔構造和拉索布置方式導致下部結構受力復雜,塔底存在可觀的扭矩和水平推力,使主塔基礎不得不采用較保守的結構尺寸,同時結合行洪要求進行整體埋置式設計。水中承臺體積大、埋置深、地質條件特殊,施工必須采用超大型圍堰結構和超長鋼板樁,在西南地區(qū)內(nèi)河建設環(huán)境中無成熟經(jīng)驗可循。本文以沱江特大橋主墩承臺施工為背景,介紹“鋼板樁+巖壁”新型組合圍堰及相關技術工藝,依托監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證其有效性。

1 工程概況

成都金簡仁快速路全長67.5km,起于金堂縣,途經(jīng)簡陽市,止于仁壽縣,道路等級為一級公路。沱江特大橋是金簡仁快速路的控制性工程,全長963m,主橋為城市景觀橋梁,采用(45+185+238+45)m空間曲線獨塔扭索面斜拉橋;引橋采用30m跨徑簡支預應力小箱梁結構。主橋受力體系為塔-梁-墩固結,塔柱由六邊形鋼箱截面沿空間曲線旋轉而成,整體向東傾斜17.3°,垂直高度173m。主橋雙向10車道跨越沱江,鋼箱梁標準寬64m,最寬處達86.7m(塔梁固結段)。全橋68根斜拉索按“低索遠拉,高索近拉”的扭曲面布置。大橋空間效應顯著,其立面布置如圖1所示。

圖1 沱江特大橋立面布置(單位:m)

沱江特大橋位于長江一級支流沱江中游,建設場地內(nèi)以沖積平壩、淺丘地貌為主,地層為新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積層,地勢低平開闊。橋址斷面河寬約280m,左側主河槽水深5～6m,水流較緩;右側河道因常年激流沖刷,最大水深約13m。覆蓋層為厚度僅0.4～0.6m的卵石、粉土和粉質黏土;下臥層為粉砂巖和砂質泥巖,呈豎向間隔分布,基巖單軸飽和抗壓強度較高,現(xiàn)場實測達38MPa。

沱江特大橋主墩(14號墩)位于主河槽,啞鈴型承臺橫向寬度91.4m,縱向長度34.6m,埋入河床基巖內(nèi)以減小基礎阻水率。單個承臺尺寸為23m×34.6m(橫橋向×縱橋向),左、右承臺間通過系梁相連,系梁長45.4m、寬8～16m;承臺與系梁等高,為5.5m。承臺上設變截面六棱臺體塔座,下設40根φ2.8m鉆孔灌注樁,設計樁長分別為14m(左承臺)和18.5m(右承臺),均為端承樁,以中風化粉砂巖作為樁端持力層。由于上部結構為非對稱布置,根據(jù)計算分析,左、右承臺各設有200mm和1 000mm的縱向偏心距。主塔基礎平面布置如圖2所示。

圖2 沱江特大橋主塔基礎平面布置

2 施工難點

1)河床基巖強度>30MPa,圍堰嵌巖深度>10m,常規(guī)的鋼套箱、鋼管樁及鋼板樁圍堰工藝均無法實現(xiàn)順利入巖并達到精度控制要求,基礎圍護結構的設計和施工難度大。

2)圍堰止水要求極高: ①度汛施工; ②樁基采用干作業(yè)成孔,承臺采用干封底施工; ③圍堰占地面積大,深基坑內(nèi)作業(yè)人員和設備多。傳統(tǒng)圍堰的止水效果不能滿足施工要求。

3)承臺及系梁混凝土>1.1萬m3,水化熱高,須采取科學有效的溫控措施防止危害性裂縫產(chǎn)生;在入冬前澆筑或將遭遇氣溫驟降,溫度測控和養(yǎng)護技術要求高。

3 鋼圍堰施工關鍵技術

3.1 組合圍堰總體設計

采用“先圍堰后樁基”施工工序。地質勘察資料顯示,下伏基巖節(jié)理裂隙不發(fā)育、巖體較完整,樁基施工可在圍堰抽水后形成的干環(huán)境中進行;基坑內(nèi)巖體為干開挖,快速清除底部淤泥后,可在干環(huán)境中施工極平整的封底層,便于承臺施工質量控制。

綜合考慮承臺形式及埋深、水文地質條件、施工周期、止水效果、環(huán)保要求、鋼材用量及回收利用率,選擇鋼板樁圍堰作為擋水圍護方案[3-4]。經(jīng)驗算巖體強度,提出一種“鋼板樁+巖壁”組合圍堰(見圖3):在基坑開挖過程中將夾壁巖體保留,使得鋼板樁圍堰受力更均勻,且滲流路徑增大,涌水風險降低;同時,保留巖體能減小開挖工程量和降低夾壁混凝土用量,從而經(jīng)濟性更優(yōu)。

圖3 組合圍堰方案設計

3.2 鋼板樁圍堰結構形式

沱江汛期為每年5—9月,圍堰施工正值沱江汛期。大橋上游6.1km、下游8.3km各有1座水力發(fā)電站,圍堰施工期間的水位變化幅度可預報。經(jīng)調(diào)查論證選取21m長SP-IVw型600mm×210mm鋼板樁[5-6],滿足圍堰頂標高(395.500m)超過預測洪水位1m的設計要求。圍堰呈矩形布置,平面尺寸為95m×38.2m(承臺外側平均操作凈寬為1.8m),共計使用鋼板樁472根,樁底嵌入河床面深度為12.5m(低于承臺底標高5.5m),基坑最大開挖深度約8m。為提高圍堰結構的空間剛度和整體穩(wěn)定性,設置4道腰梁和內(nèi)支撐(見表1)。腰梁采用2HN700×300型鋼,對撐和斜撐采用裝配式φ609×16鋼管,斜拋撐采用2I56c。因對撐跨度較大,使用鋼立柱和鋼平聯(lián)進行豎向和水平約束。主墩鋼板樁圍堰布置如圖4所示。

表1 內(nèi)支撐系統(tǒng)構件組成及位置

圖4 主墩鋼板樁圍堰布置(單位:m)

3.3 全護筒跟進引孔工藝

引孔工藝設計是鋼板樁圍堰止水成敗的關鍵。本工程引孔數(shù)量360個,成槽深度12.5m,需解決:①鉆進過程中,因地層堅硬或孔位存在漂石和卵石而發(fā)生卡鉆,導致護筒跟進不到位、孔底質量欠佳問題;②引孔偏斜過大或咬合不足導致成槽不連續(xù)或線形較差,造成鋼板樁無法施沉至設計標高,增加圍堰涌水風險問題。國內(nèi)目前常用引孔工藝難以滿足施工要求[7-8],為實現(xiàn)水下硬質巖層一次性精確成孔,采用“全護筒跟進引孔”工藝,在保證引孔施工質量的前提下縮短工期、減少河流污染。

引孔設計為2類,即A類(完整斷面)和B類(咬合斷面),孔深12.5m,直徑1.2m,間距0.8m,咬合0.4m。遵循“隨鉆隨護,跳孔施工,咬合成槽”的原則,交替鉆進A類和B類孔(見圖5)。對于淺覆蓋層,為防止松散卵石滑落至孔內(nèi)影響鋼板樁打入,引孔前先將孔位外1m范圍的覆蓋層清理干凈;此外,借助防沖刷套箱避免引孔過程中及后續(xù)由于河床沖刷導致的孔內(nèi)充填。特制4臺護筒跟進式套管機(見圖6),分上下游、東西側4個作業(yè)面開展引孔施工,每臺設備由320型全液壓旋挖鉆機和3m×7節(jié)裝配式鋼護筒組成,配直徑1.2m鈦合金截齒筒鉆。臨空面對B類孔影響很大,鉆進過程中需根據(jù)地層巖性控制進尺速度,同時利用鉆桿自動調(diào)平系統(tǒng)實時監(jiān)控其垂直度,再使用超聲波檢孔儀逐一檢測成孔質量,嚴格控制深度、垂直度、咬合度3項指標,將底節(jié)護筒跟進至設計孔深。

圖5 引孔分類示意(單位:m)

圖6 護筒跟進式套管機引孔施工

3.4 回填砂注漿止水工藝

通過首次清孔、二次清孔將沉渣全部清除,孔形、孔徑、孔深滿足要求后置換細度模數(shù)適宜的回填料。回填料選取優(yōu)質細砂,按分層回填、分層壓實的方式進行,每層回填3～4m,逐步提升導管,最終回填至河床面,回填高度12.5m。細砂經(jīng)過振沖密實后,滲透系數(shù)小且方便鋼板樁打入和拆除。

首根鋼板樁的施工精度至關重要,其打入位置、雙向垂直度和樁頂高程必須從嚴控制。采用“屏風式分級插打”工藝,先將鋼板樁并排打入一定深度,再由屏風墻兩端向中間打入,每級施打2～3m,施打時因鋼板樁兩側摩阻力平衡,鎖口相互咬合,從而最大限度確保施工精度。考慮到任何傾斜、偏位都可能導致鎖口拉裂或嵌巖深度不足,每級施打完成后復核垂直度偏差,一旦>0.5%即采取措施予以糾偏[9],必要時將鋼板樁振松拔起后原位重新插打。本工程圍堰采用中間合攏,鋼板樁施工標高誤差約±20cm。

為增強圍堰止水效果,采用高壓旋噴注漿法對鋼板樁內(nèi)、外側進行加固,引孔回填料固結后封閉滲水通道,與鋼板樁形成復合式止水帷幕。注漿高度為內(nèi)側孔底以上6m(超過承臺底標高0.5m)、外側孔底以上2m。鉆孔取芯結果表明,高壓旋噴施工質量較理想,為汛期深基坑安全施工創(chuàng)造了條件。

3.5 圍堰監(jiān)測結果

在抽水、開挖和承臺澆筑期間,全過程監(jiān)測鋼板樁位移、內(nèi)支撐應力和撓度及水位變化,實現(xiàn)超前預報,用于評價圍堰支護體系的安全性(見表2)。結果表明,各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均在合理可控范圍內(nèi)波動,累計值均小于預警值且無持續(xù)上升趨勢,鋼板樁圍堰結構受力穩(wěn)定,表2中應力值以受拉為正、受壓為負。

4 主墩承臺施工關鍵技術

4.1 基坑開挖與巖壁處理

依次開展基坑分級降水、基底清淤、腰梁安裝等工作。少量裂隙水通過設置排水溝和集水井引排,同時仔細排查鋼板樁鎖口滲漏點,及時填充過篩爐渣、木屑與黏土拌合物作局部封堵。最后進行清底找平,澆筑50cm厚混凝土墊層作為圍堰內(nèi)機械設備站位平臺,在干環(huán)境中完成鉆孔灌注樁施工。

潛孔鉆機沿承臺輪廓線鉆孔,隔離出需保留的巖體,基坑采用盤鋸法逐層開挖并依次安裝內(nèi)支撐。位于系梁區(qū)的巖體不挖除,且保留承臺區(qū)3m高度范圍的巖壁,巖壁(巖體)與內(nèi)支撐系統(tǒng)、止水加固后的鋼板樁共同構成“組合圍堰”。經(jīng)巖面修邊和掛網(wǎng)噴漿后的主墩基坑如圖7所示,此時巖壁可以直接作為第1層承臺澆筑的模板。最后在基底鋪設1層碎石并澆筑1m厚C30封底混凝土(承臺墊層)。

圖7 承臺基坑開挖與巖壁處理

4.2 綜合溫控抗裂方法

1)選用低熱膨脹系數(shù)、低吸水率的優(yōu)質骨料及高性能聚羧酸減水劑,確保混凝土具有良好的抗裂性、體積穩(wěn)定性和抗?jié)B性;在澆筑前完成C35緩凝低水化熱混凝土配合比優(yōu)化和現(xiàn)場驗證,并調(diào)控入模溫度在合適區(qū)間。

2)主墩承臺分2層澆筑(2.0m+3.5m),每層澆筑時采用厚約30cm薄層連續(xù)澆筑以進一步減小里表溫差,并在系梁中部設置后澆帶。

3)根據(jù)大體積混凝土溫度測控技術要求并結合項目特點制訂“內(nèi)降外保”的溫控方案,對承臺與系梁進行內(nèi)部強制降溫和外部保溫保濕,若遇氣溫驟降,則加強表面覆蓋蓄熱并適當延長養(yǎng)護時間。

4.3 水冷卻系統(tǒng)與溫度測點

內(nèi)部強制降溫采用水冷卻工藝[10-11],在承臺及系梁內(nèi)部預埋冷卻水管,按蛇形布置3層,水平間距為1.5m。每層水管距承臺底面分別為1,3,4.5m,相鄰層的冷卻管在水平投影面上相互垂直(見圖8)。管內(nèi)預先注滿冷卻水,被混凝土覆蓋并初凝后及時啟動水冷卻系統(tǒng)。

圖8 承臺冷卻管平面布置

在承臺對角線、系梁中軸線布設6層、106個溫度測點,如圖9所示,實時掌握混凝土內(nèi)外溫度和進出水溫度;6個環(huán)境測點布置在棧橋平臺上無日照處。當水溫升高較快時(出水與進水溫度差>10℃),提高循環(huán)水流速;反之,當混凝土降溫較快時(降溫速率>2℃/d),則降低循環(huán)水流速。在混凝土達到溫峰前通入最大水流量,盡量削減溫峰值。通水冷卻和表面保溫持續(xù)14～18d,結束后壓出管內(nèi)殘余水,吹干管道并壓注同強度等級水泥漿以封閉管路。

圖9 承臺及系梁溫度測點布置

4.4 溫度測控結果

承臺及系梁混凝土入模溫度控制在15～28℃。在承臺及系梁施工期間,實測混凝土溫度峰值(<75℃)、最高溫升(<50℃)均滿足規(guī)范要求(見表3);實測最大里表溫差:第1層(2.0m)為22.3℃<25℃,滿足規(guī)范要求;第2層(3.5m)為29.4℃>28℃[12],受短期寒潮影響,超過控制值1.4℃,最終通過覆蓋保溫、調(diào)節(jié)通水速率等措施使之平穩(wěn)降至控制值以下,如圖10所示。

表3 溫度峰值和最高溫升監(jiān)測結果

圖10 主墩大體積混凝土內(nèi)部和表面溫度變化曲線

4.5 承臺及系梁澆筑

沱江特大橋主墩承臺及系梁的澆筑與養(yǎng)護時間為10—11月, 每幅承臺與系梁同步澆筑,按“多點布料,分層攤鋪,高頻振搗”的方式分4次澆筑成型,共計澆筑混凝土11 103m3,單次最大澆筑方量3 700m3, 利用無線自動化采集系統(tǒng)、溫度監(jiān)測云端系統(tǒng)對關鍵數(shù)據(jù)進行實時采集和處理,多措并舉解決了早期水化熱開裂問題。養(yǎng)護完成后全面檢查,主墩承臺及系梁結構無表面裂紋或深層裂縫,施工質量優(yōu)良,達到無縫品質工程要求。

5 結語

1)超長鋼板樁在水中大型嵌巖基礎的施工中發(fā)揮了重要作用,組合圍堰由止水加固后的鋼板樁、內(nèi)支撐系統(tǒng)、巖壁(巖體)3部分構成,有助于提升圍堰的抗?jié)B能力,有利于降低施工安全風險和施工成本。

2)采用“全護筒跟進引孔”“屏風式分級插打”工藝解決了傳統(tǒng)鋼板樁入巖難度大、施工工效低和施工精度難以保證的問題;采用“回填砂注漿止水”工藝減小了回填材料滲透系數(shù),大幅度提高了鋼圍堰的封水性能。

3)通過配合比優(yōu)化設計、分幅分層澆筑、“內(nèi)降外保”的綜合溫控抗裂方法控制絕熱溫升和降溫速率,并針對環(huán)境氣溫驟降采取有效調(diào)控措施,成功解決了大體積混凝土早期水化熱開裂問題,實現(xiàn)了無縫承臺的質量控制目標。