蔣海濤

深水淺覆蓋層河床條件橋梁圍堰應(yīng)用研究

蔣海濤

(川南城際鐵路有限責(zé)任公司，四川 自貢 643000)

針對(duì)川江河流河床覆蓋層淺薄、河床巖面傾斜，橋梁涉水橋墩基礎(chǔ)施工難度大，沿用沿海地區(qū)水中基礎(chǔ)施工技術(shù)制約因素較多的問(wèn)題，以川南城際鐵路自貢富順沱江特大橋主橋3號(hào)水中墩基礎(chǔ)施工為例，從圍堰形式選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圍堰下放、糾偏和止水等方面進(jìn)行深入研究。研究結(jié)果表明：此種圍堰結(jié)構(gòu)在淺薄覆蓋層、傾斜巖面河床條件的應(yīng)用是成功的，可為類似條件下橋梁涉水基礎(chǔ)的施工提供技術(shù)參考。

高速鐵路；淺覆蓋層；深水基礎(chǔ)；鎖扣鋼管樁；圍堰

自貢富順沱江特大橋是川南城際鐵路的重難點(diǎn)工程，主橋采用(61+3×100+61) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[1]，橋長(zhǎng)422 m(如圖1)。主橋橋址位于黃泥灘水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)，距電站大壩155~262 m，跨越沱江干流河段，河面寬度約300 m，河道通航等級(jí)IV-(3)，第2~4號(hào)橋墩為水中墩，第4跨斜跨電站通航船閘。3號(hào)主墩為122 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)14 m；承臺(tái)尺寸17 m×12.6 m×4 m，加臺(tái)厚度1 m，承臺(tái)底面標(biāo)高+257.619 m；橋墩為鋼筋混凝土實(shí)心墩[2]。

3號(hào)主墩處河床標(biāo)高261 m。因電站庫(kù)區(qū)具備調(diào)蓄功能，以電站壩頂高程+271.5 m作為圍堰設(shè)計(jì)水位，考慮壅水和防撞等因素，圍堰頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為+275.5 m。河床地質(zhì)構(gòu)成依次為約1 m厚度表層軟土，4 m厚度細(xì)砂土，基巖為泥巖夾砂巖。

圖1 主橋立面布置圖

1 圍堰選型

1.1 方案比選

深水基礎(chǔ)施工[3?5]常用圍堰類型主要有：雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰及鎖扣鋼管樁圍堰等，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，綜合考慮制作、運(yùn)輸、定位、安裝、成本等因素選型[6]，表1為常見圍堰的優(yōu)缺點(diǎn)比較[7]。

按照設(shè)計(jì)施工水位，圍堰內(nèi)外水頭差小于20 m，水流流速小于3 m/s，且河床覆蓋層較薄、基巖面傾斜不平。經(jīng)綜合研究，主墩基坑圍護(hù)選用鎖扣鋼管樁圍堰方案[9]，采用引孔輔助鋼管樁入巖。

表1 常見圍堰優(yōu)缺點(diǎn)比較

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍堰設(shè)計(jì)為鎖扣鋼管樁加內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)(如圖2～3)，鋼管樁為T-C型咬合口[9]。圍堰鋼管樁采用Q345B材質(zhì)、720 mm×10 mm螺旋管，兩側(cè)加焊I18字型鋼和180 mm×8 mm直縫鋼管形成鎖扣鋼管樁單體。

圍堰布置4層圍檁，第1層內(nèi)支撐標(biāo)高+272.619 m，圍檁采用Q235B材質(zhì)、2HM488×300×11×18型鋼，橫撐角撐采用Q235B材質(zhì)、630 mm×10 mm鋼管；第2層內(nèi)支撐標(biāo)高+268.919 m、第3層內(nèi)支撐標(biāo)高+265.419 m，圍檁采用Q235B材質(zhì)、3HM588×300×12×20型鋼，橫撐角撐采用Q235B材質(zhì)、800 mm×10 mm鋼管；第4層內(nèi)支撐標(biāo)高+262.419 m，圍檁采用Q235B材質(zhì)、3HM700× 300×12×20型鋼，橫撐角撐采用Q345B材質(zhì)、1 000 mm×10 mm鋼管。以I18工字鋼牛腿將圍檁支撐于鋼管樁上。

圖2 圍堰總體設(shè)計(jì)圖

圖3 圍堰內(nèi)支撐及圍檁構(gòu)造圖

1.3 受力分析

1.3.1 荷載工況

根據(jù)圍堰設(shè)計(jì)洪水頻率和設(shè)計(jì)水位、基坑開挖深度、圍堰圍檁和內(nèi)支撐方式等情況，計(jì)算圍堰鋼管樁、圍檁、內(nèi)支撐等受力，主要荷載有：靜水壓力、動(dòng)水壓力和土壓力等[10?11]，按規(guī)范進(jìn)行組合，計(jì)算最不利荷載工況[12?13](如表2)。

表2 圍堰最不利荷載工況表

1.3.2 邊界條件

1) 鋼管樁樁端進(jìn)入巖層[12]，且樁底澆筑封底混凝土，故樁端按固結(jié)考慮[11]；

2) 鋼管樁以鎖扣相連，樁間橫向變形可相互約束，但豎向和面外橫向受彎約束較弱，故管樁間按釋放豎向和面外橫向受彎約束考慮，約束剛度按鎖扣的最小剛度取值[11]；

3) 鋼管樁樁周土在基坑開挖前和回填后視為土彈簧，開挖后按土壓力荷載考慮；

4) 圍檁及內(nèi)支撐節(jié)點(diǎn)視為剛結(jié)，圍檁與鋼管樁間視為絞結(jié)[11]。

1.3.3 計(jì)算結(jié)論

采用Midas Civil 2015建立3號(hào)墩圍堰整體計(jì)算模型(如圖4)，最不利工況下結(jié)論為：

1) 鋼管樁最大彎曲正應(yīng)力為max=206 MPa＜[]=210 MPa，最大剪應(yīng)力為max=55.4 MPa＜[]=210 MPa。

2) 圍檁最大彎曲正應(yīng)力為max=133 MPa＜[]=145 MPa，最大剪應(yīng)力為max=76.3 MPa＜[]= 120 MPa。

3) 對(duì)4層內(nèi)支撐主鋼管和斜鋼管分別進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，max=122.3 MPa＜[]=145 MPa。

圖4 圍堰整體計(jì)算模型

2 圍堰施工

2.1 鋼管樁制作

圍堰鋼管樁分角樁和標(biāo)準(zhǔn)樁2種類型(如圖5)。角樁為轉(zhuǎn)角處連接樁，由廠家標(biāo)準(zhǔn)化加工制作[7]；標(biāo)準(zhǔn)樁在現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)加工場(chǎng)制作[9]。標(biāo)準(zhǔn)樁制作，先將螺旋鋼管對(duì)接為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，將鎖扣工字鋼與螺旋鋼管定位焊接，然后焊接加勁肋和限位肋。每根樁上的鎖扣應(yīng)對(duì)稱焊于鋼管的直徑線上。鋼管樁對(duì)接焊縫質(zhì)量按Ⅱ級(jí)控制，其余焊縫質(zhì)量按照Ⅲ級(jí)控制；焊縫應(yīng)充實(shí)、無(wú)裂紋、不滲水，鋼管樁應(yīng)平直、不彎折。

圖5 圍堰樁基咬合構(gòu)造圖

2.2 鋼管樁施工

2.2.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計(jì)圖放樣出圍堰中心線，沿中心線使用DZ90振動(dòng)錘插打1 200 mm定位鋼護(hù)筒[6]，使用旋挖鉆在鋼護(hù)筒內(nèi)施鉆1 m引孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高，振動(dòng)錘插打第1根鎖扣鋼管樁[14]；撥出鋼護(hù)筒前移1 m插打、施鉆引孔，以此為循環(huán)進(jìn)行作業(yè)。

為保證鎖扣鋼管安裝的垂直度，準(zhǔn)備2層由HM488×300@3 000 mm制作的導(dǎo)向框[9]。

經(jīng)計(jì)算，引孔深度(即鎖扣鋼管樁的入巖深度)應(yīng)不小于1.5 m[9]，且樁端應(yīng)在承臺(tái)底面以下不小于3.5 m。

2.2.2 測(cè)量定位

在圍堰上下游一定距離，選擇河岸上通視條件較好的位置設(shè)控制測(cè)量點(diǎn)。在導(dǎo)向框安裝前，用全站儀測(cè)放出圍堰的內(nèi)輪廓線[9]；在鎖扣鋼管樁插打時(shí)，采用前方交匯法、用2臺(tái)經(jīng)緯儀測(cè)控其垂直度。

2.2.3 吊樁

吊機(jī)主鉤吊住鋼管樁上口、副鉤吊住下口，將鋼管樁起吊懸空后，主鉤繼續(xù)提升、副鉤保持不動(dòng)，直至鋼管樁垂直時(shí)放空副鉤。

2.2.4 插打

在完成一定數(shù)量的引孔后即可施工鎖扣鋼管樁，具體方法是：

1) 在圍堰中心線上、距第1根鎖扣鋼管樁一定距離，用振動(dòng)錘插打第2根鎖扣鋼管樁作為導(dǎo)向樁，在2根鋼管樁之間安裝導(dǎo)向框[15]，以導(dǎo)向框范圍限定為一個(gè)施工階段；

2) 沿導(dǎo)向框用振動(dòng)錘插打第3根鎖扣鋼管樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，循環(huán)完成一個(gè)施工階段鋼管樁插打；

3) 一個(gè)施工階段鎖扣鋼管樁完成插打后，立即灌注C30水下混凝土封底；

重復(fù)上述步驟完成全部鎖扣鋼管樁施工。

2.2.5 糾偏

1) 第1根鋼管樁插打的垂直度非常關(guān)鍵，其施打應(yīng)當(dāng)緩慢進(jìn)行，打入到一半設(shè)計(jì)深度時(shí)應(yīng)暫停插打，并檢查樁身的垂直度，若垂直度小于0.5%[6]則可開啟振動(dòng)錘繼續(xù)插打，否則應(yīng)拔出重新插打；

2) 其他鋼管樁在導(dǎo)向框和鎖扣共同作用下，一般不會(huì)產(chǎn)生較大偏差，只需每插打15~20根后作一次檢查，保證垂直度在1%內(nèi)即可[6, 16]。

2.2.6 合龍

1) 鋼管樁由圍堰上游側(cè)依次插打直至合龍；

2) 為確保圍堰合龍時(shí)兩側(cè)鎖扣互相平行，應(yīng)避免使用異型樁合龍；

3) 插打合龍前4~5根鋼管樁時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量缺口尺寸、計(jì)算合龍樁樁徑，以調(diào)整鋼管樁加工尺寸；

4) 合龍口剩余10~15根鋼管樁時(shí)，之后每根樁在插打前均應(yīng)采用經(jīng)緯儀控制其垂直度，若樁身存在偏斜，應(yīng)逐根糾正、分散偏差[17]。

2.3 圍檁及內(nèi)支撐施工

圍檁和內(nèi)支撐施工順序?yàn)椋合葘鷻_與鋼管樁連接固定，再安裝內(nèi)撐主鋼管，最后連接構(gòu)造鋼管。

2.3.1 圍檁施工

圍堰合龍后抽水前，在圍堰內(nèi)水面上拼裝第3，4層圍檁及內(nèi)支撐，其上下采用315 mm×6 mm鋼管連接，拼裝成整體后采用液壓系統(tǒng)下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高。按設(shè)計(jì)標(biāo)高安裝第1層圍檁及支撐，圍檁及支撐可在岸上下料和拼裝，用汽車吊吊裝至鋼管樁牛腿托架上，緊貼鋼管樁安裝[14]。然后圍堰內(nèi)抽水安裝第2層圍檁及支撐，并抽水至河床淤泥層。最后加固第3，4層圍檁及支撐。

2.3.2 內(nèi)支撐施工

1) 在圍檁上放樣出內(nèi)支撐安裝位置，精確測(cè)量?jī)啥藝鷻_的凈距，根據(jù)凈距進(jìn)行內(nèi)支撐鋼管下料，并按相貫線切割企口，企口切割應(yīng)保證鋼管軸線和圍檁水平中線重合；

2) 吊機(jī)起吊內(nèi)支撐至對(duì)應(yīng)位置，焊牢內(nèi)支撐端頭與圍檁，再用鋼板焊接加固圍檁頂面與內(nèi)支撐，最后在圍堰轉(zhuǎn)角處安裝三角撐。

3 圍堰止水

圍堰能否成功止水不僅關(guān)系到方案的實(shí)施成敗，更關(guān)系到基坑內(nèi)作業(yè)人員生命安全，有必要對(duì)圍堰滲漏水問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性研究。經(jīng)分析，滲漏水主要原因有：鋼管樁引孔孔底沉渣清理不徹底，鋼管樁鎖扣密閉性差，鋼管樁樁土錨固薄弱，河床面有裂隙等，相應(yīng)解決措施如下。

1) 鋼管樁施工采用加大直徑引孔，管內(nèi)外孔底沉渣清理不徹底將形成滲水通道，分4步控制：一是引孔鉆進(jìn)即將達(dá)到設(shè)計(jì)孔深時(shí)，降低轉(zhuǎn)速，鉆斗在原位旋轉(zhuǎn)數(shù)圈將虛渣盡量將入斗內(nèi)帶出[18]；二是加大鋼管樁插打力度，使之穿過(guò)沉渣繼續(xù)進(jìn)入完整巖面一定深度，并在鋼管樁內(nèi)利用循環(huán)泥漿再帶出一定沉渣；三是灌注混凝土?xí)r用大方量漏斗裝滿混凝土快速灌入，利用重力沖擊樁底減少孔底沉渣[6]；四是鋼管內(nèi)混凝土澆筑前，將待澆筑鋼管緩慢提起一定高度(50 cm左右)，以便混凝土將引孔填充飽滿確保鋼管樁底有效固結(jié)，待混凝土澆筑完成后，再緩緩將鋼管插打歸位；

2) 鋼管樁鎖扣內(nèi)填充物[12]選擇強(qiáng)度適宜的材料，以保證圍堰既能承受設(shè)計(jì)水壓、又方便拆除時(shí)鋼管樁拔出；經(jīng)比選，采用M5黃泥水泥漿[14]，以高壓從下至上、緩慢灌注填充；

3) 圍堰施工完成后，采取試降水觀察圍堰閉水效果，若僅個(gè)別鋼管樁間滲漏水，可派潛水工下水檢查，在漏水處貼防水膠布止漏[16]；

4) 圍堰內(nèi)抽水后，若鋼管樁底部涌水、漏水較大或漏水處較多，且貼補(bǔ)無(wú)效或難以抽干，應(yīng)是鋼管樁封底不嚴(yán)所導(dǎo)致，需即刻停止抽水、讓水回灌，在涌水處澆注水下混凝土補(bǔ)強(qiáng)，待混凝土凝固后再抽水觀察；

5) 圍堰抽水時(shí)，若河床底部無(wú)明顯滲漏，可認(rèn)為河床巖面整體性較好，巖層不透水，只澆筑墊層即可。若河床底部涌水量大、無(wú)法抽水干，應(yīng)是河床面裂隙滲漏引起，需做好涌水量測(cè)定和涌水形態(tài)記錄，由圍堰內(nèi)外實(shí)際水頭差和實(shí)測(cè)涌水量計(jì)算滲透壓力，以此計(jì)算封底混凝土厚度[7, 17]，然后采取旋挖機(jī)加抓斗水下開挖至適當(dāng)深度，并從涌水量較大的滲漏處向基坑邊緣引排水溝以泄水壓，排水溝覆蓋底模后澆注封底混凝土；基坑四周挖匯水溝和集水井，用水泵強(qiáng)制抽排基坑積水[17]；混凝土澆注前應(yīng)派潛水工下水探明開挖情況[7]，以防漏挖致使封底失敗。

圖6 圍堰實(shí)景圖

4 結(jié)論

1) 大橋施工期間，圍堰內(nèi)雖有少量滲水，但對(duì)工程質(zhì)量、人員和設(shè)備安全均未造成影響；同時(shí)圍堰經(jīng)受住了70 a一遇洪水和上游大量漂流物撞擊考驗(yàn)，可見該圍堰方案的選擇和應(yīng)用是成功的。

2) 采取導(dǎo)向樁加導(dǎo)向框限定圍堰鋼管樁的插打循環(huán)，既有利于減小施工難度、減弱鋼管樁插打時(shí)的相互擾動(dòng)，又達(dá)到及時(shí)平差、減小施工誤差累積的目的；每個(gè)循環(huán)完成后應(yīng)盡快澆筑鋼管內(nèi)封底混凝土，形成穩(wěn)定體系。

3) 圍堰能否順利合龍，有賴于合龍口的精確測(cè)量和合龍鋼管樁的精確加工，臨近合龍時(shí)應(yīng)加強(qiáng)測(cè)量控制、提高鋼管樁的制作精度。

4) 止水是圍堰的關(guān)鍵，鋼管樁封底質(zhì)量和河床底部涌水應(yīng)對(duì)措施尤為重要，應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制和預(yù)案制定。

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Study on the application of bridge cofferdam in deep water and shallow overburden bed conditions

JIANG Haitao

(Southern Sichuan Intercity Railway Co. Ltd, Zigong 643000, China)

One of the most prominent characteristics of the river in Sichuan province is the shallow riverbed overburden and the inclined riverbed rock surface, which bring great difficulties to the bridge wading pier foundation construction. The main bridge of Zigong-Fushun Tuojiang River Grand Bridge of Southern Sichuan Intercity Railway is a (61+3×100+61) m prestressed concrete continuous beam bridge, located in the reservoir area of Huangnitan Hydropower Station, spans the main section of the Tuojiang River, and it’s main pier is involved in water all the year round. Taking the foundation construction of No.3 pier of the bridge as an example, this paper made an in-depth study from the aspects of cofferdam form selection, structure design, cofferdam lowering, rectifying deviation and stopping water. The results show that the application of this cofferdam structure in shallow over cover and inclined rock face is successful, which can provide technical reference for the construction of bridge wading foundation under similar conditions.

high-speed railway; shallow cover layer; deep water foundation; locking steel pipe pile; cofferdam

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190836

U44；U445.54+3

A

1672 ? 7029(2020)07 ? 1778 ? 07

2019?09?18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0802202)

蔣海濤(1981?)，男，四川樂(lè)至人，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)與高速鐵路建設(shè)管理；E?mail：81373402@qq.com

(編輯 涂鵬)