李二偉 趙少強(qiáng)
(中鐵七局集團(tuán)有限公司勘測設(shè)計(jì)研究院 河南鄭州 450016)
傳統(tǒng)水中圍堰常用形式為鋼板樁與鎖口鋼管樁,前者為定型產(chǎn)品,施工工藝簡單;后者加工速度快,可結(jié)合受力需求選用不同直徑規(guī)格鋼管,強(qiáng)度高,二者均易于重復(fù)利用,故應(yīng)用廣泛。隨著深水大跨橋梁技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)圍堰已越來越不能滿足深水復(fù)雜地質(zhì)條件的要求,越來越多的水中基礎(chǔ)采用沉井或雙壁鋼圍堰進(jìn)行施工,此二者的特點(diǎn)是強(qiáng)度、剛度更大,適應(yīng)地層能力更強(qiáng),但施工工藝也相應(yīng)難度增大。
新建漢十高鐵浪河特大橋地處國家一級水源保護(hù)區(qū)丹江口水庫常年庫區(qū)內(nèi),且15#主墩臨近航道和既有建筑物漢十高速浪河大橋,其水文因蓄水原因逐年增高、年際變化大,地層條件因位于航道處,地勢一角高差大,河床覆蓋層較薄,承臺下巖層傾斜陡峭等不利因素,其水域禁止水下爆破清基給水中基礎(chǔ)施工帶來極大挑戰(zhàn)。特別是近年來環(huán)境保護(hù)的重視和執(zhí)法力度的加強(qiáng),也給在建工程帶來較大難題。
為克服雙壁鋼圍堰因尺寸較大、水下清基范圍廣等對既有建筑物的不利影響,合理利用傳統(tǒng)鎖口鋼管樁圍堰[1-3]的優(yōu)勢,采用了深水植樁復(fù)合圍堰施工技術(shù)[4-5],利用銑孔植樁、鋼管樁內(nèi)施作錨固樁和無封底排水開挖工藝[6-7],在保護(hù)既有建筑物安全的前提下,成功實(shí)施了水中基礎(chǔ)。
如圖1所示,浪河特大橋15#主墩位于一聯(lián)連續(xù)梁(75+2×135+75)m中部,小里程側(cè)上跨既有漢十高速浪河大橋,夾角31°,大里程側(cè)跨越浪河航道,夾角 143°。15#主墩矩形承臺尺寸為23.2 m(長)×16.8 m(寬)×4.5 m(高)。 因漢十高鐵浪河特大橋與既有漢十高速浪河大橋斜交夾角較小,導(dǎo)致15#主墩與既有漢十高速浪河大橋8號墩立柱距離較近,其平面凈距為6.6 m,既有建筑物樁基底部僅比15#主墩承臺底部低5.543 m,見圖2。
圖1 15#主墩平面布置
承臺施工期間,高水位期最高水位為160.0 m,最大水深16.4 m;低水位期最高水位為153.0 m,最大水深9.4 m。
圖2 15#主墩立面圖
漢十高速浪河大橋?yàn)樽笥曳蛛x布置,其下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩+蓋梁形式,鉆孔樁長度9.5 m,此類型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是剛度小、柔性大。15#主墩承臺施工時要確保既有建筑物的正常使用。
由于15#主墩承臺與既有建筑物平面與立面高程距離均較近,故圍堰選型時平面尺寸要小且不能大面積清基與深挖,以避免地層擾動造成的既有建筑物沉降及變位,保證既有建筑物安全。
承臺位置處地層從河床往下依次為沖填土、粉質(zhì)黏土、粗圓礫土、強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖和弱風(fēng)化云母石英片巖,其中:粗圓礫土地基基本承載力400 kPa,強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖地基基本承載力450 kPa,弱風(fēng)化云母石英片巖地基基本承載力800 kPa。由圖3可知:承臺局部進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖內(nèi)最大埋深1.31 m,埋置長度38.91 m,其余位于粗圓礫土層中,埋置長度41.09 m,承臺下粗圓礫土層厚度為0~1.99 m;河床覆蓋層較薄,位于浪河航道附近的承臺一角地勢低洼,位于既有漢十高速浪河大橋8號墩立柱附近的承臺一角地勢陡峭,導(dǎo)致圍堰結(jié)構(gòu)承受較高的不平衡土壓力,帶來結(jié)構(gòu)失穩(wěn)方面的隱患;巖面在浪河航道附近呈較大傾斜走勢,也給圍堰定位、安裝造成極大困難。
為避免大面積開挖造成的地層擾動,以及解決傾斜巖面圍堰的定位、安裝難題,采取深水銑孔植入鎖口鋼管樁的施工工藝。
圖3 15#主墩地質(zhì)剖面展開圖
首先:搭設(shè)銑孔平臺。由于旋挖鉆機(jī)活動范圍廣、作業(yè)時間長,為確保作業(yè)平臺的安全,原安裝于鋼管樁上的鉆孔平臺已不能滿足受力要求,故鉆孔樁施工完畢后,對鉆孔平臺進(jìn)行改造,并支撐于鋼護(hù)筒頂面的分配梁上,為保證角部銑孔的正常進(jìn)行,將平臺沿承臺長邊加長至承臺短邊附近的鋼管樁上,見圖4。
圖4 銑孔平臺
其次:銑孔。考慮承臺范圍埋置于粗圓礫土與強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖內(nèi),且承臺下粗圓礫土層厚度較薄,將銑孔底定于承臺下0.5 m處。采用兩臺旋挖鉆機(jī)沿鎖口鋼管樁投影位置先長邊后短邊銑孔,每臺鉆機(jī)以兩鋼護(hù)筒間距范圍內(nèi)5根孔為一組,該組結(jié)束后轉(zhuǎn)移至對稱位置繼續(xù)銑孔。長邊施工時鉆機(jī)沿短邊方向站位,短邊施工時鉆機(jī)沿長邊方向站位,其中短邊角點(diǎn)位置4根孔施工時,旋挖鉆機(jī)沿短邊方向站位,拆除角點(diǎn)附近平臺,待鉆機(jī)施工完成后再轉(zhuǎn)換方向,施工剩余部分孔位,見圖5。
圖5 旋挖鉆機(jī)銑孔
最后:植樁。為防止銑孔后停滯時間較長產(chǎn)生塌孔,待一組孔位施工完成后,在兩護(hù)筒間焊接雙層導(dǎo)向架,底層位于水面以上1.0 m,兩層凈距1.5 m。導(dǎo)向架安裝完畢后,采用DZ120振動錘將鎖口鋼管樁安裝至對應(yīng)孔位處。安裝前恢復(fù)樁位中心,將樁位中心引至導(dǎo)向架限位槽鋼上,鎖口鋼管樁側(cè)壁標(biāo)示管中心線,管中心對齊樁位中心后,先緩慢壓入孔內(nèi),然后振動錘振動至孔底,見圖6。
圖6 植入鎖口鋼管樁
為提高圍堰穩(wěn)定性,增強(qiáng)圍堰結(jié)構(gòu)承受不平衡土壓力時的安全儲備,選用復(fù)合圍堰的施工工藝。
首先:復(fù)合圍堰選型??紤]深水植樁錨固深度有限,為保證土層小擾動情況下的圍堰穩(wěn)定,提出鎖口鋼管樁+鉆孔錨固樁的組合形式,即以φ1.0 m鎖口鋼管樁作為鋼護(hù)筒,樁內(nèi)旋挖φ0.8 m孔位,之后施作錨固樁,其中錨固樁長度15.4 m,鎖口鋼管樁底以下鋼筋混凝土樁長度8 m,鎖口鋼管樁內(nèi)素混凝土長度5.4 m,鋼筋混凝土長度2 m。錨固樁頂面與河床面平齊,底部除少量位于強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖層外其余均進(jìn)入弱風(fēng)化云母石英片巖層。為提高圍堰抵抗不平衡土壓力時的穩(wěn)定性,確保臨近建筑物安全,要求鎖口鋼管樁內(nèi)逐根施作錨固樁。
其次:提高設(shè)計(jì)安全儲備。鎖口鋼管樁主管選用直徑1.0 m,壁厚12 mm,材質(zhì)Q345B鋼板卷焊而成。圍堰選擇在153.0 m水位時施工,此時鋼管樁最大允許彎曲應(yīng)力為74 MPa,滿足容許應(yīng)力210 MPa[8]的要求;鋼筋混凝土樁采用14根HRB400φ22主筋,其抗彎計(jì)算值為385 kN·m,滿足抗彎設(shè)計(jì)值511 kN·m的要求;復(fù)合圍堰在地勢低洼處的坑底位移最大值2.8 mm,地勢陡峭處坑底位移最大值4.3 mm,均滿足采用m法[9-10]計(jì)算時坑底水平位移不超過6 mm的要求。
最后:復(fù)合圍堰施工。采用旋挖鉆機(jī)鉆孔,為避免鉆孔完成時孔壁長時間暴露導(dǎo)致塌孔,結(jié)合灌注效率,每鉆孔5根灌注一次。鉆孔完成,采用反循環(huán)清空,清空后立即安裝鋼筋籠,下放導(dǎo)管灌注混凝土。
復(fù)合圍堰漏水的風(fēng)險點(diǎn)主要在于:鋼管樁與錨固樁結(jié)合處、樁底以下地層透水性能以及鎖口位置處。經(jīng)試驗(yàn)樁底以下巖層為不透水層,鎖口位置處可采用常規(guī)工藝填塞止水材料[11-12]進(jìn)行封閉,則鋼管樁與錨固樁結(jié)合處為漏水的最大風(fēng)險點(diǎn),需對此位置進(jìn)行封閉止水處理。具體工藝如下:
錨固樁全部施工完成后,在圍堰外側(cè)堆碼砂袋。砂袋底部距離鎖口鋼管樁0.5 m,頂部距離鎖口鋼管樁0.9 m,砂袋豎直高度1.3 m。砂袋堆碼完后,用吸泥機(jī)對銑孔外側(cè)孔隙、砂袋與鎖口鋼管樁形成的槽口進(jìn)行清理。清理完成經(jīng)潛水員檢查完畢后,對槽口和銑孔孔隙進(jìn)行水下混凝土封堵。混凝土采用導(dǎo)管水下灌注,具體采用一根導(dǎo)管沿槽口四周按間距4 m均勻移動灌注?;炷凉嘧⑦^程中,安排潛水員實(shí)時監(jiān)控混凝土面。當(dāng)混凝土灌注至設(shè)計(jì)高程時,由潛水員向地面發(fā)出移動導(dǎo)管指令,直至槽口完全封堵完成,見圖7。
圖7 銑孔孔隙封閉立面圖
針對本圍堰施工情況,若采用傳統(tǒng)深水圍堰施工流程,則需水下清基與封底砼施工。其具體施工工藝為:采用旋挖鉆機(jī)站位于銑孔平臺上進(jìn)行清基施工。清基鉆孔從大里程側(cè)沿橫橋向倒退進(jìn)行,鉆孔清基前拆除橫橋向貝雷片及以上的平臺部分,每次拆除1.8 m寬度的平臺。護(hù)筒與鎖口鋼管樁之間采用φ1.0 m鉆頭,護(hù)筒之間采用φ2.0 m鉆頭。旋挖鉆每鉆完一檔后采用長臂挖機(jī)清理一遍,由潛水員水下檢查是否清理徹底,確保清理干凈后方可后退拆除下一循環(huán)平臺。完成圍堰基底鉆孔清基工作后,再采用吸泥機(jī)對基底清理一遍。封底前安排潛水員對封底范圍內(nèi)的鋼護(hù)筒四周、鋼管樁基坑內(nèi)壁進(jìn)行清理,確保表面清潔。然后布置水封導(dǎo)管,共布置7排,每排6個點(diǎn),合計(jì)42個點(diǎn)。每排同時布置6根導(dǎo)管,沿橫橋向依次移動進(jìn)行封底施工。每排移動之前用測繩檢查封底厚度,測點(diǎn)間距2.0 m。經(jīng)檢查封底厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,方可移至下一排布置點(diǎn),若檢查厚度不夠,則調(diào)整導(dǎo)管位置補(bǔ)灰直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此種工藝雖能保證圍堰成功實(shí)施,但存在以下缺點(diǎn):(1)耗時長。從清基到封底砼施工結(jié)束,工期3個月。(2)機(jī)械設(shè)備投入多。需要旋挖鉆機(jī)、長臂挖掘機(jī)、砼泵車等設(shè)備,以及封底施工平臺等設(shè)施。(3)封底砼方量大。按153.0 m低水位期施工考慮,仍需C30砼1 495 m3。
經(jīng)分析:復(fù)合圍堰通過鎖口鋼管樁+錨固樁、不透水云母石英片巖、銑孔孔隙混凝土三者構(gòu)成隔水空間,形成良好的四周止水帷幕,施工時不進(jìn)行水下封底混凝土施工即能有效地阻止和減少周圍水流入,故對傳統(tǒng)深水圍堰施工流程進(jìn)行優(yōu)化是可行的。優(yōu)化后采用無封底排水開挖工藝,直接抽水后利用挖掘機(jī)進(jìn)入圍堰內(nèi)部進(jìn)行清基開挖,改善了施工作業(yè)環(huán)境,極大提高了工效,節(jié)約了成本與工期,用時1個月即完成了圍堰清基及承臺墊層砼施工,且圍堰止水性能優(yōu)越,清基開挖過程中基本無滲水情況。
本文通過對臨近既有建筑物的15#主墩圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)的分析,得出以下結(jié)論:(1)結(jié)合地層情況采用無鋼護(hù)筒護(hù)壁的銑孔施工,加快了銑孔速度,減少了孔壁暴露時間,降低了塌孔風(fēng)險對地層產(chǎn)生擾動的可能。(2)采用淺銑孔深水植樁工藝,旋挖鉆機(jī)銑孔深度小,對地層擾動小,避免大面積開挖導(dǎo)致的坑壁坍塌,有效保護(hù)了既有柔性建筑物的結(jié)構(gòu)安全。同時解決了傾斜巖面圍堰定位、安裝難題。(3)有效利用旋挖鉆機(jī)銑孔后的孔內(nèi)松散渣土,一方面保護(hù)孔壁不坍塌,另一方面易于振動錘振動植樁,便于定位及垂直度控制。(4)采用鎖口鋼管樁+鉆孔錨固樁形式的復(fù)合圍堰,提高了圍堰穩(wěn)定性,進(jìn)一步降低了清基工作對既有建筑物的不利影響,增強(qiáng)了既有建筑物的運(yùn)營安全。(5)銑孔孔隙混凝土封閉處理,使復(fù)合圍堰、不透水巖層與銑孔孔隙混凝土三者形成良好的止水帷幕,優(yōu)化了圍堰傳統(tǒng)施工工序,采取無封底排水開挖施工深水圍堰取得了成功,且較之傳統(tǒng)工序,極大提高了施工效率,顯著降低了成本。