周鐵軍，馬龍

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

隨著我國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，跨深水河流、湖泊、海峽的大型鐵路橋梁日益增多。對于跨越江河的鐵路橋梁來說，水下施工過程難免會對水體產(chǎn)生擾動，造成局部水體污染。因此，做好施工期的水環(huán)境保護，減輕橋梁水下基礎(chǔ)施工對水體的污染是鐵路跨水橋梁建設(shè)環(huán)境保護的重點工作。

鐵路橋梁技術(shù)發(fā)展相對較早，橋梁深水基礎(chǔ)技術(shù)從20世紀50年代開始發(fā)展至今，已進入國際先進水平。從己建成工程的基礎(chǔ)形式看，可以粗略地將其劃分為三個發(fā)展階段［1，2］:一是管樁及混凝土樁基礎(chǔ)，二是沉井和鉆孔樁基礎(chǔ)，三是復(fù)合基礎(chǔ)。雙壁鋼圍堰加鉆孔灌注樁基便是復(fù)合基礎(chǔ)形式之一，它在我國鐵路橋梁深水基礎(chǔ)中應(yīng)用最為普遍。其優(yōu)點是一方面鋼圍堰可以用于樁基施工的臨時圍護結(jié)構(gòu)，便于基礎(chǔ)的施工;另一方面，該結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)施工完后可以用做永久防碰撞設(shè)施，起到保護橋基礎(chǔ)的作用。

1 施工工藝及水環(huán)境影響分析

1.1 棧橋架設(shè)

跨水橋梁基礎(chǔ)施工前需做好人員通行、材料運輸及作業(yè)機械運轉(zhuǎn)通道的建設(shè)，通常采取水上運輸船只或搭建臨時棧橋的方式來實現(xiàn)。與船只運輸相比，臨時棧橋不受風(fēng)浪、水位漲落的影響，因此應(yīng)用較為廣泛。同時，棧橋還可兼做水上施工平臺，為以后的鋼圍堰及鉆孔灌注樁施工奠定技術(shù)保證和安全保證。棧橋的上部結(jié)構(gòu)形式，理論上可以采用任何結(jié)構(gòu)形式，但出于施工快捷及拆除方便的需要，一般采用便于拼裝的結(jié)構(gòu)形式，如桁架梁、鋼箱梁等;棧橋下部結(jié)構(gòu)普遍采用施工與拆除較為方便的鋼管樁基礎(chǔ)形式。棧橋施工工序主要由基礎(chǔ)鋼管樁振打、貝雷主桁架設(shè)、橋面鋪裝三部分組成。棧橋基礎(chǔ)施工采用履帶吊配合打樁錘振打鋼管樁;主桁采用在后方場地內(nèi)拼裝分組桁架，運至現(xiàn)場利用吊車組拼成整體;橋面施工采用在后方將橋面分塊加工成標準化模塊，由車輛運輸?shù)轿缓蟮跹b架設(shè)。

棧橋設(shè)置對河流水環(huán)境的影響主要在鋼管樁打入和拔出階段，由于振動錘的振打，致使河床泥沙上浮，造成局部渾濁，其影響范圍主要集中在打入點周邊。棧橋鋼管樁通常不會對水流形成阻水作用，但若所跨河流流速過快或鋼管直徑較大時，可能會因阻水而引起河床產(chǎn)生局部變形。當水流行近樁時，因樁的阻水作用，一部分繞樁而過，一部分因沖擊樁前端，緊貼樁前緣的水流轉(zhuǎn)向上和向下流動兩部分。下部水流遇樁后均向下流動，直至河底，在河底形成一水平軸的與水流方向相反的指向河底的漩渦，由底部漩渦攪起的河底泥沙，被其上部水流夾帶向下游輸送，河底逐漸出現(xiàn)沖刷坑。當上游進入坑內(nèi)的泥沙量等于漩渦所攪起來的沙量時，沖刷不再發(fā)展，達到最大沖刷深度［3］。另外，當散體材料或水泥拌和物等在棧橋運輸過程中出現(xiàn)遺灑、傾覆等情況，也可使建筑材料或雜物落入水中，增大水中懸浮物含量。

1.2 鋼圍堰施工

所謂圍堰，就是在修筑地下和水中構(gòu)筑物時，所做的臨時圍護結(jié)構(gòu)，把水隔開，防止水和土石進入構(gòu)筑物的修建位置，以便在圍堰內(nèi)進行基坑開挖和基礎(chǔ)施工［4］。圍堰按材質(zhì)進行分類，可分為木圍堰、混凝土圍堰和鋼圍堰等，其中鋼圍堰由于材料本身的強度高，能抵抗外側(cè)的水土壓力，所以更適合于深水基礎(chǔ)施工，因而近年來廣泛地運用于鐵路跨水橋梁深水基礎(chǔ)施工中。鋼圍堰不僅可作為鉆孔樁基礎(chǔ)的施工輔助手段，也可作為大面積承載的直接基礎(chǔ)，能夠起到圍水和施工平臺的作用，而且在橋梁運營階段可參與部分結(jié)構(gòu)受力，從而提高結(jié)構(gòu)的整體性和防撞能力［5］。鋼圍堰由專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工成型后，通過水上運輸設(shè)備運至墩位處，下沉至設(shè)計標高，鋼圍堰構(gòu)件的制作加工質(zhì)量易保證，能在水流湍急的江河中使用。鋼圍堰安裝下沉就位后，進行水下混凝土封底，待封底混凝土達到一定強度后抽干圍堰內(nèi)水，形成承臺干施工的作業(yè)環(huán)境，變水上施工為陸上常規(guī)作業(yè)。

鋼圍堰施工過程中，圍堰清基、圍堰下沉及混凝土封底等工序，可能對水環(huán)境造成影響。鋼圍堰下沉前，首先要清除鋼圍堰范圍內(nèi)的泥土及砂石，使圍堰落床范圍內(nèi)的河床面基本在一個平面內(nèi)，確保圍堰刃腳能同時著床;鋼圍堰著床后，對稱往隔倉內(nèi)注水可能引起圍堰不均勻下沉，需采用清除圍堰內(nèi)外側(cè)河底淤泥及砂石，使之均勻平穩(wěn)下沉，直至鋼圍堰下沉到位，清淤泥及砂石采用砂石泵、自制吸泥機、污水泵等設(shè)備配合作業(yè)。圍堰吸泥清基和圍堰下沉穿過河床表層時，會引起泥沙上浮，造成局部水體擾動;混凝土封底灌注過程中如果鋼圍堰的密閉性不好，則可能造成灌注混凝土直接進入水體，對水體造成污染。

1.3 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工

1.3.1 水上工作平臺

水上施工平臺是為鋼護筒豎立埋設(shè)、鉆機鉆孔、灌注水下混凝土等施工需要而搭設(shè)的，分為固定工作平臺和浮動工作平臺兩種。浮動工作平臺即利用浮體(船舶、浮箱)組成工作船，在其上搭設(shè)平臺，再于平臺上安裝沉樁設(shè)備，水中樁基施工的全部作業(yè)均在此平臺上完成。浮船式平臺自重輕，易拆裝，水陸運輸均很方便，缺點是它在沉樁全部作業(yè)過程中均受水位升降、水流速度的影響而浮動，作業(yè)時需嚴格控制其傾斜度才能保證沉樁的質(zhì)量，所以，它的使用有較大的局限性;固定工作平臺以鋼管樁受力為主，鋼護筒受力為輔，并依靠鋼管樁間多道縱橫向聯(lián)結(jié)來保證其整體穩(wěn)定，平臺平面尺寸根據(jù)主墩承臺的大小及施工作業(yè)需要而定，為鉆孔樁本身施工和承臺套箱圍堰拼裝、下沉提供寬闊的作業(yè)面［6～8］。水上鉆孔平臺通常采用與棧橋相同的結(jié)構(gòu)，可與棧橋同步搭設(shè)。

1.3.2 鋼護筒埋設(shè)

施工工序為先在工作平臺安裝鋼護筒導(dǎo)向架，接著用振動錘振沉護筒，當護筒底部落床精確定位后，在水面用角鋼和圍堰壁焊接臨時固定。護筒全部安放就位后，護筒之間再次用型鋼加固，使全部護筒連成整體。

水上工作平臺架設(shè)和鋼護筒埋設(shè)對水環(huán)境的影響與棧橋鋼管樁的影響相似，都是水下基礎(chǔ)打入及拔出引起周邊河床泥沙上浮，造成局部水體渾濁。

1.3.3 鉆孔

進行鉆孔作業(yè)前，需先進行泥漿的制備，然后根據(jù)不同情況選擇正循環(huán)鉆進或反循環(huán)鉆進成孔，整個鉆孔過程包括沖擊鉆進，沖抓鉆進，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進等步驟，均在鋼護筒內(nèi)進行。泥漿是鉆孔灌注樁施工中的重要施工材料之一，起著平衡井壁壓力、冷卻鉆頭、懸浮鉆渣以及保護孔壁等作用。

在鉆孔鉆進過程中，鉆渣與泥漿混合物從孔內(nèi)被砂石泵吸出，經(jīng)過過濾砂濾去顆粒較大的鉆渣或中、細砂顆粒后流入排漿槽內(nèi)，從排漿槽流入沉淀池中，通過沉淀池對泥漿進行自然沉淀后，經(jīng)沉淀池與儲漿池的連接口中流入儲漿池，再從儲漿池利用泥漿泵送入泥漿旋流器中，濾掉特細的粉細砂顆粒，然后返回孔內(nèi)。整個鉆進過程都在護筒內(nèi)進行，不與圍堰外的水體發(fā)生交換，護壁泥漿經(jīng)凈化系統(tǒng)處理后循環(huán)利用，對水環(huán)境影響較小;最終產(chǎn)生的鉆渣含有大量固體懸浮物，若處置不當，直接進入水體則會造成水體污染。

1.3.4 清孔及吊放鋼筋骨架

鉆孔鉆至設(shè)計標高后便開始清孔，此時將鉆頭提離孔底30 cm左右空轉(zhuǎn)，然后根據(jù)泥漿比重情況，泵入相對密度和含砂率較小的泥漿或清水，直到孔內(nèi)的泥漿比重達到1.05～1.2，含砂率小于4%。然后將符合工程質(zhì)量要求的整體制作或分節(jié)制作的鋼筋骨架，用機械設(shè)備吊放進已經(jīng)清孔的鉆孔內(nèi)。鋼筋籠骨架上端應(yīng)設(shè)置四根吊環(huán)上穿鋼管，定位于鉆機平臺上，以保證有足夠長度的鋼筋嵌入系梁中。

整個清孔過程均在鋼護筒內(nèi)進行，與外部水體是相分隔的，因此不會對周圍水體造成影響;吊放鋼筋骨架也是限制在鉆孔內(nèi)進行，而鉆孔又限制在護筒及圍堰內(nèi)，因此，也不會對水體產(chǎn)生擾動。

1.3.5 灌注水下混凝土

所謂混凝土灌注即將符合設(shè)計配比要求的混凝土拌和物，通過剛性導(dǎo)管進行灌注。灌注過程中，應(yīng)注意觀察管內(nèi)混凝土下降和孔口返水情況，及時測量孔內(nèi)混凝土面高度，正確指揮導(dǎo)管的提升和拆除，保持導(dǎo)管的合理埋深。

在水下混凝土灌注過程中，應(yīng)將孔內(nèi)溢出的泥漿引流至適當?shù)攸c處理，防止污染水體。水下混凝土拌制和灌注，當泵送設(shè)備能力達到時，混凝土拌和物可以在岸邊施工場地內(nèi)進行拌和;當不具備泵送條件時，可采用混凝土拌和船，在平臺附近拌制混凝土后進行灌注。

另外，施工過程中機械設(shè)備、船只發(fā)生漏油事件也會造成水體污染。

綜上所述，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工對水環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在鋼護桶、圍堰下沉穿過河床表層引起泥沙上浮，圍堰到位后吸泥清基封底、鉆孔出渣排水以及機械設(shè)備漏油等。其中，鋼護桶定位、下沉、鉆孔、下置鋼筋籠、澆筑混凝土等環(huán)節(jié)均在鋼圍堰內(nèi)進行，不與外界水體發(fā)生交換，因此對水環(huán)境的影響較小;而鉆孔、清孔、灌注混凝土過程中排出的泥漿、鉆渣，由于量大濁度高，若不及時妥善處置，會嚴重污染水環(huán)境、破壞生態(tài)或淤塞河道。

2 水環(huán)境污染防治對策

2.1 棧橋施工

為減輕棧橋鋼管樁對河底泥沙的擾動，打入鋼管樁時可先依靠樁的自重下沉，待穩(wěn)定后再開動振動錘使樁繼續(xù)下沉至設(shè)計位置，拔出鋼管樁時需采用起吊設(shè)備緩慢拔出;采取封閉棧橋橋面系、及時清掃等措施防止施工雜物落入水中，采取棧橋邊緣設(shè)置防護欄桿的方式防止施工車輛、機械墜落。

2.2 鋼圍堰施工

圍堰焊接完畢后要對焊縫認真檢查，對壁板和隔艙板焊縫進行滲透檢查，確保圍堰密閉，入水前還要對圍堰表面進行清洗，防止油污進入水體;對圍堰吸泥、清基產(chǎn)生的泥渣利用專用船舶承接，進行沉淀、過濾處理后，運至岸邊指定地點妥善處置。

2.3 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工

針對鉆孔、清孔、灌注混凝土過程中排出的泥漿，一般采用自然沉淀法和機械分離法去除泥漿中的鉆渣［9］。自然沉淀法是在現(xiàn)場設(shè)置沉淀池，利用泥漿和鉆渣的密度差自然沉淀鉆渣，沉淀后的泥漿循環(huán)使用，鉆渣堆積晾曬后由專用泥漿罐車轉(zhuǎn)運至當?shù)丨h(huán)保部門指定的地點妥善處置;機械分離法是利用機械設(shè)備如振動篩將大顆粒鉆渣去除，去除鉆渣后的泥漿循環(huán)使用，鉆渣由于含水率較低可直接清運。

鉆渣轉(zhuǎn)運過程中，要加大對運輸車輛的監(jiān)理力度，嚴防中途偷排或遺漏。

同時，要加強對施工機械的日常養(yǎng)護，加強水上作業(yè)的監(jiān)管力度，杜絕燃油、機油的跑、冒、滴、漏，嚴禁向水體傾倒殘余燃油、機油、建材廢料和建筑垃圾。

［1］ 黃宏偉，張冬梅，徐凌，等.國內(nèi)外橋梁深基礎(chǔ)形式的現(xiàn)狀［J］.公路交通科技，2002(4):60－64.

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［3］ 李學(xué)民.杭州灣大橋南岸超長棧橋設(shè)計參數(shù)選取與結(jié)構(gòu)方案研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2005.

［4］ 陳偉，李明.橋涵施工臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［5］ 王貴春，王勛文.橋梁深水基礎(chǔ)雙璧鋼圍堰的設(shè)計方法［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7(1):79－84.

［6］ 歐陽效勇，任回興，徐偉.橋梁深水樁基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［7］ 連澤平.蕪湖長江大橋深水施工平臺設(shè)計施工［J］.橋梁建設(shè)，2000(2):47－50.

［8］ 程懷慶.橋梁基礎(chǔ)水中活動施工平臺［J］.鐵道建筑技術(shù)，1994(6):4－7.

［9］ 洪蔚，栗健，侯世全.鐵路橋梁灌注樁施工泥漿對環(huán)境的影響及防治對策［J］.鐵道標準設(shè)計，2009(11):88－90.