赫宏偉

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司銀吳項(xiàng)目經(jīng)理部， 寧夏 銀川 750101)

橋梁水中墩基礎(chǔ)施工常選用鋼板圍堰法施工，鋼板圍堰的設(shè)計(jì)和施工工藝的優(yōu)劣直接影響著橋梁基礎(chǔ)施工質(zhì)量的好壞。張俊以滬杭高鐵橫潦涇特大橋河道中央主墩深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰為例，采用多種理論計(jì)算方法給出了合理的鋼板樁最小入土深度；文獻(xiàn)[2，3]利用代表波法模擬分析了波浪壓力對(duì)圍堰受力的影響規(guī)律；于志兵等以三峽庫(kù)區(qū)橋梁為例介紹了高水位異形圍堰的施工方法；周欣等以江蘇揚(yáng)州新建萬(wàn)福大橋?yàn)槔斒隽藘?yōu)化鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)方法；王東輝以平潭海峽公鐵兩用大橋?yàn)槔?，給出了防撞箱圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和模塊化施工方法；彭撞等分析了鋼筋混凝土拱圍堰的受力特點(diǎn)，并介紹了其施工方法和受力驗(yàn)算理論；文獻(xiàn)[8-11]分析研究了復(fù)雜水文條件下鋼圍堰施工技術(shù)；周亞運(yùn)對(duì)滬通長(zhǎng)江大橋鋼圍堰力學(xué)性能進(jìn)行分析得出了鋼圍堰的最不利工況，提出補(bǔ)強(qiáng)鋼圍堰強(qiáng)度和剛度的薄弱部位；趙多蒼利用三維滲透模型計(jì)算分析了各種工況下，滲流總水頭、滲流流速分布及流量和封底混凝土的受力狀況，得出鋼板樁圍堰利用混凝土封底可以有效防止圍堰發(fā)生滲漏現(xiàn)象；何永昶利用解析理論分析得出了深水基礎(chǔ)橋梁承臺(tái)施工圍堰支撐布置的最優(yōu)方案和施工方法。水中鋼圍堰施工安全及質(zhì)量受到鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地基和水文條件、封底材料及施工方法等多種因素的影響。該文以黃河機(jī)場(chǎng)特大橋基礎(chǔ)鋼板樁圍堰為例，詳述水下封底混凝土設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

銀川黃河機(jī)場(chǎng)特大橋主橋?yàn)?×96 m簡(jiǎn)支桁架+3×168 m連續(xù)鋼桁架柔性拱+3×168 m連續(xù)鋼桁架柔性拱+1×96 m簡(jiǎn)支桁架，主橋全長(zhǎng)1 200 m。10#～16#主墩承臺(tái)厚6 m，形式為4 m+2 m臺(tái)加臺(tái)，其中11#～14#墩位于主河道內(nèi)，底面尺寸為25.2 m×18.95 m，9#、17#邊墩承臺(tái)厚5 m，底面尺寸為25.2 m×15.2 m。封底混凝土厚度為1.8 m，墊層混凝土為0.3 m，強(qiáng)度等級(jí)為C30。主橋立面見(jiàn)圖1。

圖1 銀川黃河機(jī)場(chǎng)特大橋主橋立面(單位：m)

1.2 水文條件

施工場(chǎng)地地表水主要為黃河河水及各灌溉渠、池塘水。橋跨處長(zhǎng)流水水面寬約760 m，水流緩慢，河漫灘及一級(jí)階地地形平坦，地勢(shì)開(kāi)闊，灌溉水渠縱橫，池塘密布，多為果園及水澆地。

1.3 地質(zhì)條件

橋址區(qū)覆蓋厚層第四系地層，其中黃河河谷區(qū)以顆粒沖擊層為主，地層上部主要為第四系全新統(tǒng)沖擊的粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂，下部為上更新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂，局部夾細(xì)圓礫土、粗圓礫土透鏡體，洪積扇區(qū)上部為第四系全新統(tǒng)洪積的粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、細(xì)圓礫土，第四系地層厚度大于120 m。具體地層分布情況見(jiàn)圖2。

2 封底混凝土設(shè)計(jì)

2.1 封底混凝土模擬及計(jì)算

2.1.1 應(yīng)力模擬分析

13#主墩圍堰封底混凝土厚度為1.5 m，由于水下澆筑混凝土表層會(huì)出現(xiàn)松散現(xiàn)象，計(jì)算厚度取1.0 m。

圖2 13#墩地層柱狀圖(單位：m)

其中13#主墩抽水水位與封底底高差為6.858 m。采用Midas/Fea模擬封底混凝土受力情況。有限元模型采用四邊形網(wǎng)格劃分，模型參數(shù)選取材料C35混凝土，彈性模量Eb=3.15×107kN/m，泊松比為0.2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，封底混凝土邊界條件選取四面固結(jié)的形式，模型假設(shè)封底混凝土材料各向均質(zhì)同性、密實(shí)。

計(jì)算工況：工況1：封底混凝土受自重及浮力影響，設(shè)計(jì)厚度2.5 m，取計(jì)算厚度為2 m，素混凝土自重為24 kN/m3, 水頭浮力按120 kPa從封底混凝土底板按面均布荷載施加；工況2：封底混凝土受自重及浮力影響，取計(jì)算厚度1.0 m，素混凝土自重24 kN/m3,浮力按66 kPa從封底混凝土底板按面均布荷載施加。計(jì)算得13#主墩圍堰封底混凝土應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。

圖3 封底混凝土應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖3可知：封底混凝土所受最大拉應(yīng)力為1.23 MPa<1.57 MPa，混凝土不會(huì)發(fā)生抗拉破壞。

2.1.2 黏結(jié)力計(jì)算

13#主墩處水面標(biāo)高為1 106.000 m，封底底標(biāo)高為1 099.142 m，圍堰平面布置見(jiàn)圖4。

圖4 13#墩圍堰平面圖(單位：mm)

混凝土受到向上的水壓力為(重力加速度g取10 N/kg)：

(1 106.000-1 099.142)×1.0×10=68.58 kN/m2；

混凝土自重應(yīng)力：24×1.0=24 kN/m2。

混凝土受到的荷載集度：

q=68.58-24=44.58 kN/m2；

混凝土受水壓面積：

A=22.2×28.2-20×3.14×1.1×1.1=550.05 m2。

F=qA=44.58×550.05=24 521.23 kN。

圍堰底共20根φ2 200 mm的護(hù)筒，圍堰內(nèi)輪廓周長(zhǎng)為100.8 m，混凝土與鋼護(hù)筒、鋼板樁間接觸面積A′=(20×3.14×2.2+100.8)×1=238.96 m2，則黏結(jié)力為：

P=F/A′=102.6 kPa<150 kPa。

滿足規(guī)范要求。

2.2 封底混凝土配合比設(shè)計(jì)

封底混凝土強(qiáng)度為C30，水下混凝土施工要求流動(dòng)性較強(qiáng)，增加其擴(kuò)展度達(dá)到500～600 mm。試驗(yàn)室采取在混凝土中添加絮凝劑的方式增加擴(kuò)展度，在滿足混凝土強(qiáng)度及其他指標(biāo)的情況下，通過(guò)多次試驗(yàn)，確定混凝土內(nèi)添加8.8 kg/m3絮凝劑，其擴(kuò)展度達(dá)到540 mm。通過(guò)試驗(yàn)最終確定混凝土水灰比為0.53，水泥∶砂子∶碎石∶減水劑∶絮凝劑∶水=442∶643∶1 021∶4.86∶8.8∶234，其表觀密度為2 340 kg/m3。

2.3 首盤混凝土方量計(jì)算

為了確保水中圍堰封底混凝土的澆筑質(zhì)量，灌注混凝土?xí)r，導(dǎo)管埋置在混凝土中的深度應(yīng)大于0.5 m。如圖5所示，第1批混凝土澆筑體積按式(1)計(jì)算：

圖5 首盤混凝土計(jì)算示意圖

(1)

式中：S為導(dǎo)管作用面積，導(dǎo)管外混凝土為圓錐形，高度為1.0 m，根據(jù)相關(guān)資料，水下混凝土擴(kuò)散角為15°～30°，取4 m擴(kuò)散半徑，則底面積S=50.24 m2；d為導(dǎo)管直徑325 mm；Hc為第1批混凝土澆筑厚度；h1為圍堰內(nèi)混凝土厚度達(dá)到Hc時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱與管外水壓平衡的高度，計(jì)算方法見(jiàn)式(2)：

(2)

如圖3所示，對(duì)于對(duì)照組，去除的VS中VSS占54.3%，VDS占45.7%，在去除的VS中，VDS與VSS量相當(dāng)；對(duì)于實(shí)驗(yàn)組，去除的VS中VSS占16.0%，VDS占84.0%，在去除的VS中，以VDS為主，占80%以上。在產(chǎn)甲烷潛能實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)組的最大產(chǎn)甲烷速率是對(duì)照組的5.3倍，這是180℃水熱預(yù)處理導(dǎo)致大量VSS轉(zhuǎn)移到液相導(dǎo)致的，這與前述結(jié)論相一致。

第1批混凝土方量：

V=2.6×3.14×0.3252/4+1.0×50.24/3=17 m3。

為保證導(dǎo)管埋深，確保拔球混凝土灌注一次成功，首批混凝土采用兩臺(tái)15 m3混凝土罐車連續(xù)向料斗內(nèi)投放混凝土，封底成功后換成5 m3料斗繼續(xù)澆筑。

3 封底混凝土施工

3.1 鋼板樁圍堰施工

13#墩施工方法：采用100 t履帶吊，放置于支棧橋上進(jìn)行平臺(tái)鋼管樁施工，鋼管樁施工完成后安裝鉆孔平臺(tái)。利用鉆孔平臺(tái)作為導(dǎo)向，插打鋼護(hù)筒，施工鉆孔樁。鉆孔樁完成后，拆除鉆孔平臺(tái)面板，拆除縱、橫梁，拔出鋼管樁，切割鋼護(hù)筒至鋼圍檁頂標(biāo)高一致，插打鋼板樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

利用DZ90單夾具振動(dòng)錘插打15 m鋼板樁。首先在鋼板樁插打的地方用鋼平臺(tái)作為導(dǎo)向，依據(jù)勘測(cè)坐標(biāo)及高程在鋼板樁圍堰各角點(diǎn)及直線段施做導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)選用上、下型鋼支架法固定于承臺(tái)外側(cè)鋼護(hù)筒上。沉樁施做前，施工錘的樁夾應(yīng)與鋼樁上端固定牢靠，并保證錘與鋼樁中心位于同一直線上。沉樁進(jìn)程中，時(shí)刻注意測(cè)量樁的垂直度并及時(shí)調(diào)整樁垂直度。沉樁過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)打樁機(jī)導(dǎo)向架的中心線偏斜時(shí)必須及時(shí)調(diào)整。當(dāng)鋼板樁在合龍以后，即可施工鋼圍檁和鋼支撐架。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量水位標(biāo)高，黃河水位標(biāo)高在1 105～1 106 m之間，鋼板樁安裝頂標(biāo)高高出水面至少1 m，以防水位上漲，基坑內(nèi)進(jìn)水。13#墩鋼板樁圍堰長(zhǎng)29.22 m、寬23.22 m，主要結(jié)構(gòu)為：15 m拉森Ⅳ型鋼板樁、內(nèi)支撐采用直徑1 200 mm的鋼管，斜撐采用2HN700×300雙拼H型鋼，圈梁采用規(guī)格：2HN1000×300雙拼H型鋼，為1道支撐。封底混凝土圍堰平面、立面布置見(jiàn)圖4、6。

圖6 13#墩圍堰立面圖(除標(biāo)高單位為m外，其余單位：mm)

3.2 準(zhǔn)備工作

主墩承臺(tái)處于黃河河道中心，封底面積大、封底要求質(zhì)量高、導(dǎo)管數(shù)量布置多、施工控制難度大。封底混凝土澆筑應(yīng)遵循“對(duì)稱、分區(qū)、不留死角”3個(gè)原則進(jìn)行導(dǎo)管布置。鋼板樁封底混凝土圍堰第1道圍檁施工好后，水下開(kāi)挖、吸泥、清於至封底混凝土標(biāo)高1 109.142 m。

3.3 基底處理

為保證封底混凝土的效果，基坑清理到位后，組織潛水人員對(duì)基底進(jìn)行整平，高出封底底標(biāo)高的基底應(yīng)挖除、低于封底底標(biāo)高的基底回填平整，待封底混凝土將回填土壓實(shí)；在封底混凝土覆蓋范圍內(nèi)鋼護(hù)筒外壁因?yàn)殇P蝕及泥漿黏附，潛水員用鋼絲刷進(jìn)行清除，以保證封底混凝土與鋼護(hù)筒的黏結(jié)力，提高抗浮能力。

3.4 平臺(tái)搭設(shè)及導(dǎo)管安裝

封底混凝土施工平臺(tái)利用鋼護(hù)筒作為承重結(jié)構(gòu)，將鋼板樁水平鋪設(shè)在圍堰上，利用護(hù)筒作為支撐，最后在分配梁頂面鋪設(shè)木板，形成封底混凝土施工平臺(tái)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)及封底混凝土流動(dòng)性設(shè)置橫向布置4個(gè)封底點(diǎn)，縱向布置3個(gè)封底點(diǎn)，因混凝土遇到護(hù)筒后無(wú)法流動(dòng)至背后側(cè)，因此，在4根樁基中間設(shè)置封底點(diǎn)。全部共計(jì)設(shè)置18個(gè)封底點(diǎn)，按混凝土流動(dòng)性設(shè)置了封底區(qū)域，共計(jì)11個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖7。

圖7 水下封底導(dǎo)管區(qū)域劃分及平面圖布置(單位：mm)

設(shè)計(jì)位置在鋼平臺(tái)上預(yù)留封底混凝土灌注導(dǎo)管及標(biāo)高測(cè)設(shè)點(diǎn)位置，在導(dǎo)管位置設(shè)置導(dǎo)管翻板。首封點(diǎn)封底完成后，其余導(dǎo)管應(yīng)用水泵將導(dǎo)管內(nèi)水抽干，用泵車向?qū)Ч軆?nèi)泵送混凝土。水下封底平臺(tái)高度布置在護(hù)筒頂面，護(hù)筒頂面應(yīng)高于黃河水面，首封點(diǎn)在基坑四個(gè)角點(diǎn)，采用直徑325 mm的鉆孔樁導(dǎo)管，其余均采用直徑320 mm的無(wú)縫鋼管，先封支棧橋下游兩個(gè)角點(diǎn)導(dǎo)管，待封底正常后，用兩臺(tái)48 m臂長(zhǎng)汽車泵進(jìn)行混凝土輸送。為避免基底土體上翻影響封底混凝土的質(zhì)量，對(duì)于粉細(xì)砂底層，在每個(gè)導(dǎo)管底部鋪設(shè)1 m×1 m×0.002 m厚鋼板。

3.5 封底混凝土施工

3.5.1 混凝土封底

封底混凝土厚度為1.8 m。封底混凝土分2次施做，第1次澆筑厚度1.5 m，第2次澆筑厚度0.3 m。

第1次澆筑混凝土?xí)r，封底混凝土澆筑的基本順序是：從角點(diǎn)對(duì)稱首封，從外側(cè)向中間對(duì)稱推進(jìn)?；炷翝仓?，在每個(gè)導(dǎo)管處布置一微型門架，倒鏈安置于門架之上，混凝土澆筑時(shí)，導(dǎo)管隨混凝土澆筑面的升高而提高，利用倒鏈提升導(dǎo)管。在封底過(guò)程中應(yīng)注意，將封底混凝土附近的導(dǎo)管利用倒鏈上下竄動(dòng)，防止導(dǎo)管凝固于混凝土中；在澆筑混凝土前，將導(dǎo)管內(nèi)的水使用小水泵抽出，防止混凝土遇水離析。正在封底的導(dǎo)管不宜埋置過(guò)深，保持在0.5～1 m，以確?；炷聊軌蛲七M(jìn)更遠(yuǎn)。首批混凝土灌注時(shí)，先用5 m3儲(chǔ)料斗儲(chǔ)料，待儲(chǔ)料斗滿后，拔球澆筑首批混凝土，首批混凝土澆筑后，導(dǎo)管埋深應(yīng)不小于0.6～0.8 m。

混凝土澆筑時(shí)，必須由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)員進(jìn)行混凝土的澆筑高度測(cè)量和混凝土擴(kuò)展度判斷，幫助現(xiàn)場(chǎng)施工工人精準(zhǔn)調(diào)整導(dǎo)管的埋深，并及時(shí)與試驗(yàn)室聯(lián)系調(diào)整好混凝土的坍落度。混凝土澆筑接近尾聲時(shí)，對(duì)導(dǎo)管與導(dǎo)管的關(guān)鍵部位、護(hù)筒周圍及鋼板樁壁等部位量測(cè)高程，保證混凝土頂面高程達(dá)到規(guī)定位置。澆筑水下封底混凝土?xí)r，混凝土頂面平整度無(wú)法保證，故混凝土澆筑時(shí)，將混凝土頂面位置施做在設(shè)計(jì)位置以下30 cm左右，在圍堰抽水后再采用人工澆筑抹平混凝土面層達(dá)到規(guī)范平整度要求。

3.5.2 抽水

封底混凝土施工時(shí)制作7～10組試塊，用塑料袋裝好后，利用鐵絲固定在圍堰內(nèi)，確保試塊與封底混凝土的環(huán)境相同，經(jīng)試驗(yàn)室檢測(cè)混凝土試塊強(qiáng)度達(dá)到30 MPa以上時(shí)，選擇圍堰內(nèi)最低的8個(gè)地方，放入8臺(tái)6寸(=15.24 cm)15 kW潛水泵同時(shí)抽水，抽水注意水位均勻下降，直至圍堰內(nèi)水量達(dá)到可控范圍內(nèi)，清理混凝土表面，在第1次澆筑混凝土的上方立模板進(jìn)行第2次澆筑。

3.5.3 墊層澆筑

抽水完成后澆筑30 cm厚墊層找平，混凝土模板距鋼板樁圍堰0.5 m，將這一空間設(shè)為排水溝，在2個(gè)最低角點(diǎn)處設(shè)置0.5 m×0.5 m×0.3 m的集水坑，放置水泵抽水，鋼板樁滲水沿著排水溝內(nèi)，匯入集水坑后，從圍堰中抽出。封底混凝土全部澆筑完畢后，表面平整無(wú)孔隙、無(wú)積水。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬分析，確定了封底混凝土最大拉應(yīng)力，其值小于規(guī)范設(shè)計(jì)值，滿足施工要求。通過(guò)試驗(yàn)確定了封底混凝土絮凝劑的摻量及配合比，在此基礎(chǔ)上給出了圍堰及混凝土澆筑的詳細(xì)施工方案及施工方法。施工結(jié)果表明：在已經(jīng)完成的13#墩承臺(tái)施工中，承臺(tái)混凝土一次澆筑成型，混凝土方量達(dá)到2 315 m3，承臺(tái)未發(fā)生變形，混凝土澆筑7 d后鋼板樁未發(fā)現(xiàn)裂縫，混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，13#墩施工質(zhì)量?jī)?yōu)良。