李二偉 趙少強(qiáng)

(中鐵七局集團(tuán)有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河南鄭州 450016）

1 引言

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(jiǎn)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(jí)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(shì)一角高差大，河床覆蓋層較薄，承臺(tái)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(duì)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(shì)，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)。

2 工程概況

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(tái)尺寸為23.2 m(長(zhǎng)）×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(hào)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?jī)H比15#主墩承臺(tái)底部低5.543 m，見圖2。

圖1 15#主墩平面布置

承臺(tái)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

3 技術(shù)重難點(diǎn)分析

3.1 既有建筑物安全

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(zhǎng)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(tái)施工時(shí)要確保既有建筑物的正常使用。

由于15#主墩承臺(tái)與既有建筑物平面與立面高程距離均較近，故圍堰選型時(shí)平面尺寸要小且不能大面積清基與深挖，以避免地層擾動(dòng)造成的既有建筑物沉降及變位，保證既有建筑物安全。

3.2 圍堰設(shè)計(jì)及施工

承臺(tái)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(tái)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(zhǎng)度38.91 m，其余位于粗圓礫土層中，埋置長(zhǎng)度41.09 m，承臺(tái)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(tái)一角地勢(shì)低洼，位于既有漢十高速浪河大橋8號(hào)墩立柱附近的承臺(tái)一角地勢(shì)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(shì)，也給圍堰定位、安裝造成極大困難。

4 圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 銑孔植樁施工

為避免大面積開挖造成的地層擾動(dòng)，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(tái)。由于旋挖鉆機(jī)活動(dòng)范圍廣、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，為確保作業(yè)平臺(tái)的安全，原安裝于鋼管樁上的鉆孔平臺(tái)已不能滿足受力要求，故鉆孔樁施工完畢后，對(duì)鉆孔平臺(tái)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(tái)沿承臺(tái)長(zhǎng)邊加長(zhǎng)至承臺(tái)短邊附近的鋼管樁上，見圖4。

圖4 銑孔平臺(tái)

其次:銑孔?？紤]承臺(tái)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(tái)下粗圓礫土層厚度較薄，將銑孔底定于承臺(tái)下0.5 m處。采用兩臺(tái)旋挖鉆機(jī)沿鎖口鋼管樁投影位置先長(zhǎng)邊后短邊銑孔，每臺(tái)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(duì)稱位置繼續(xù)銑孔。長(zhǎng)邊施工時(shí)鉆機(jī)沿短邊方向站位，短邊施工時(shí)鉆機(jī)沿長(zhǎng)邊方向站位，其中短邊角點(diǎn)位置4根孔施工時(shí)，旋挖鉆機(jī)沿短邊方向站位，拆除角點(diǎn)附近平臺(tái)，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(shí)間較長(zhǎng)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(dòng)錘將鎖口鋼管樁安裝至對(duì)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(duì)齊樁位中心后，先緩慢壓入孔內(nèi)，然后振動(dòng)錘振動(dòng)至孔底，見圖6。

圖6 植入鎖口鋼管樁

4.2 復(fù)合圍堰施工

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(shí)的安全儲(chǔ)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(dòng)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(zhǎng)度15.4 m，鎖口鋼管樁底以下鋼筋混凝土樁長(zhǎng)度8 m，鎖口鋼管樁內(nèi)素混凝土長(zhǎng)度5.4 m，鋼筋混凝土長(zhǎng)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(shí)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(chǔ)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(shí)施工，此時(shí)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(shì)低洼處的坑底位移最大值2.8 mm，地勢(shì)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(shí)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(shí)孔壁長(zhǎng)時(shí)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。

4.3 銑孔孔隙封閉

復(fù)合圍堰漏水的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)點(diǎn)，需對(duì)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(duì)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(duì)槽口和銑孔孔隙進(jìn)行水下混凝土封堵?；炷敛捎脤?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(dòng)灌注?；炷凉嘧⑦^程中，安排潛水員實(shí)時(shí)監(jiān)控混凝土面。當(dāng)混凝土灌注至設(shè)計(jì)高程時(shí)，由潛水員向地面發(fā)出移動(dòng)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

4.4 無封底排水開挖

針對(duì)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(tái)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(tái)部分，每次拆除1.8 m寬度的平臺(tái)。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(zhǎng)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(tái)。完成圍堰基底鉆孔清基工作后，再采用吸泥機(jī)對(duì)基底清理一遍。封底前安排潛水員對(duì)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(gè)點(diǎn)，合計(jì)42個(gè)點(diǎn)。每排同時(shí)布置6根導(dǎo)管，沿橫橋向依次移動(dòng)進(jìn)行封底施工。每排移動(dòng)之前用測(cè)繩檢查封底厚度，測(cè)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(shí)長(zhǎng)。從清基到封底砼施工結(jié)束，工期3個(gè)月。(2）機(jī)械設(shè)備投入多。需要旋挖鉆機(jī)、長(zhǎng)臂挖掘機(jī)、砼泵車等設(shè)備，以及封底施工平臺(tái)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(shí)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(duì)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(shí)1個(gè)月即完成了圍堰清基及承臺(tái)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。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)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(shí)間，降低了塌孔風(fēng)險(xiǎn)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)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(duì)地層擾動(dòng)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(shí)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(dòng)錘振動(dòng)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(duì)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。