李 偉

(中鐵十六局集團第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 前言

近年來我國橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，跨水域橋梁的修建尤為突出，因此深水承臺的施工案例也層出不窮。其中，長江及沿海流域是橋梁水中基礎(chǔ)工程施工的集中區(qū)域，設(shè)計水中承臺形式也各有不同[1]。目前國內(nèi)深水低樁承臺多采用圍堰、沉井等方法進行施工[2-3]，尤其以圍堰較為常見。圍堰施工受水流及地質(zhì)條件影響較大，施工時主要是通過插打鋼管樁或鋼板樁使承臺區(qū)域形成不透水空間，從而為承臺施工提供安全穩(wěn)定的作業(yè)區(qū)間，其中鋼管樁插打順序及插打深度應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求[4-6]。深水基礎(chǔ)施工常采用鎖扣鋼管樁[7-8]、雙壁鋼圍堰、低水位期填土筑島[9-12]等施工技術(shù)。傳統(tǒng)水中低樁承臺施工時，圍堰施工完成后即可進行承臺施工相關(guān)工作，本項目由于河床底面為基巖，且承臺位于基巖面以下，圍堰施工后如果直接下挖，會對圍堰穩(wěn)定性和密閉性造成較大影響，因此本項目提出預(yù)封底反開挖的方法進行施工，很好地解決承臺嵌入巖面下層施工的難題。

2 工程概況及基坑防護方案

2.1 工程概況

昌贛客專泰和贛江特大橋位于吉安市泰和縣，橋梁全長6.84 km，與既有京九鐵路泰和贛江橋相鄰，兩橋凈間距不足30 m。該主橋基礎(chǔ)施工具有以下難點:(1)2＃墩河床為裸露基巖，承臺下臥裸露基巖約1.7 m；3＃墩河床覆蓋層厚約4.6 m，承臺下臥約4.38 m，鎖扣鋼管樁圍堰生根固結(jié)難度大、引孔工程量大，控制精度高。(2)根據(jù)設(shè)計計算封底混凝土厚度達2 m，以2＃墩為例，開挖深度約4.3 m，工程量(約2 200 m3)大，開挖高度19.5 m，基巖硬度300 kPa，鄰近既有線無法采取水下爆破，基巖水下開挖難度極大。(3)施工水位深度達14.8 m，流速快(v＝3.68 m/s)，圍堰支護、防水處理難度極大，工序、工況階段控制要求極其準確；同時圍堰、河床等監(jiān)控測量精度和頻率要求高。(4)鄰近既有線平臺空間受限，確保工程工期，加大了交叉同步施工組織難度和安全風險。

2.2 水中深基坑防護方案

(1)總體施工方案

本橋部分橋墩位于贛江河道中間，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和地質(zhì)情況，承臺圍護結(jié)構(gòu)采用鎖扣式鋼管樁圍堰。因鄰近既有線禁止爆破，圍堰內(nèi)基坑開挖采用預(yù)封底反開挖作業(yè)法(機械干挖)，承臺采用水下預(yù)封底，形成強度后進行抽水反開挖施工。主橋承臺2＃、3＃同步施工，合理安排工期，在保證施工質(zhì)量的前提下按時完成。

(2)主墩鋼圍堰構(gòu)造及布置

圍堰采用?820×10 mm鋼管樁，兩側(cè)分別焊接18型鋼及?159×7 mm鋼管，如圖1所示。工程中所用鋼管樁單根長度為18.2 m，為保證圍堰的整體穩(wěn)定，要求管樁下部嵌入基巖面下3 m以上，且設(shè)置鋼筋混凝土錨固樁對每根鋼管樁均進行錨固處理。錨固樁直徑0.7 m，一端伸入鋼管3.0 m以上，另一端嵌入基巖4 m以上。單個承臺圍堰平面尺寸28.72×21.03 m，經(jīng)計算圍堰從上至下設(shè)四層內(nèi)支撐:第一層內(nèi)支撐設(shè)置在高程59.3 m處，第二層內(nèi)支撐設(shè)置在高程56.3 m處，第三層內(nèi)支撐設(shè)置在高程53.3 m處，第四層內(nèi)支撐設(shè)置在高程50.8 m處。圍堰內(nèi)支撐腰梁全部由2HW400H型鋼制作而成，斜向及縱向撐桿均由?630×10 mm鋼管構(gòu)成，豎向支撐桿和加強連接桿均由?500×8 mm鋼管組成。為避免鋼管出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成局部受力過大，在鋼管與腰梁接觸位置焊接加勁板。整個鎖扣鋼管樁圍堰各構(gòu)件布置如圖2所示。

圖1 鎖扣鋼管樁截面

圖2 3＃墩圍堰橫斷面布置

3 承臺基坑水下混凝土預(yù)封底施工技術(shù)

3.1 水下吸砂施工

在進行混凝土預(yù)封底施工前，首先應(yīng)保證第一道支撐安裝到位，且保持圍堰內(nèi)外水位一致，再對圍堰內(nèi)部砂(礫石)采用水下導(dǎo)管泵吸法進行抽排處理。為實現(xiàn)圍堰內(nèi)外水位高度保持一致，在鋼管樁插打施工前，根據(jù)常水位的標高選擇4根鋼管樁進行開孔，圍堰內(nèi)外水位高差可通過該孔進行調(diào)節(jié)，從而保證圍堰內(nèi)水位不受吸砂施工的影響。吸砂施工采用高壓氣泵吸砂機，主要用于清理圍堰內(nèi)基底表面覆蓋層。水下吸砂施工現(xiàn)場見圖3。為了確保封底混凝土高度范圍內(nèi)鋼管樁及鋼護筒與封底混凝土形成有效連接，吸砂施工完成后，潛水員下潛至底部利用高壓水槍將鋼管樁及鋼護筒沖洗干凈。

圖3 水下吸砂施工現(xiàn)場

3.2 水下混凝土預(yù)封底

3.2.1 總體方案

在鄰近既有線和通航并存條件下，禁止水下爆破和大型浮吊船作業(yè)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用預(yù)先封底再反開挖的施工方案。采用預(yù)封底最主要作用是經(jīng)反開挖留置的混凝土圈梁，在達到強度后對鋼管樁下部形成有效支撐，提升圍堰基底穩(wěn)定性和防水性；其次基巖滲水系數(shù)較小，通過混凝土壓力和增加滲透長度抵抗壓力水頭差，便于基底干挖作業(yè)。封底采用梯形斷面推進法，封底順序為從低至高、從周邊至中間逐個進行，直至封底全部完成。

導(dǎo)管分布計算:單根導(dǎo)管作用有效半徑為2.5 m，要求所有導(dǎo)管作用有效面積必須全部覆蓋圍堰底部。每個導(dǎo)管作用面積:π×R2＝3.14×2.52＝19.625 m2。鋼管樁圍堰底面積:19.4×25.9＝502.46 m2，則至少需要導(dǎo)管根數(shù):502.46/19.625≈26根。導(dǎo)管下放時與鋼護筒外側(cè)保持一定距離，以便混凝土均勻擴散。根據(jù)作業(yè)平臺及布置原則，現(xiàn)場設(shè)置28根導(dǎo)管，同時備用一套導(dǎo)管。施工時導(dǎo)管位置根據(jù)實際情況進行微調(diào)，避開鋼護筒及內(nèi)支撐。導(dǎo)管布置見圖4。

圖4 導(dǎo)管平面布置

3.2.2 封底混凝土澆筑施工布置

(1)利用鋼護筒、鉆孔平臺定位樁搭設(shè)封底混凝土平臺，作為封底混凝土施工過程中人員操作、小型機具的堆放平臺。

(2)為保證混凝土順利灌注，避免導(dǎo)管堵管現(xiàn)象的發(fā)生，所選用的導(dǎo)管內(nèi)徑為300 mm，并進行相應(yīng)水密性及抗拉強度試驗。所有導(dǎo)管的內(nèi)徑要確保一致，保證誤差在±2 mm之內(nèi)，導(dǎo)管內(nèi)壁要光滑無阻，管體不漏漿且無裂痕。

3.2.3 封底混凝土施工

將泵車停在2＃、3＃墩南北兩側(cè)，澆筑過程中實行從圍堰兩邊向中間對稱澆筑，且從上游向下游對稱推進的澆筑順序。分兩層進行澆筑，每層澆筑1 m，待第一層澆筑完成后重復(fù)第一層澆筑順序完成第二層澆筑。

(1)在設(shè)計下料點垂直下放內(nèi)徑300 mm的鋼制導(dǎo)管，準備12個1.5 m3漏斗，導(dǎo)管底口距離基底面30 cm。

圖5 封底混凝土澆筑順序

(2)在 2＃、3＃墩南北兩側(cè)1號導(dǎo)管安裝1.5 m3漏斗。待澆筑完成后將第一排漏斗拆除安裝至2號導(dǎo)管位置，最后進行 3、4號導(dǎo)管澆筑(澆筑順序見圖5)。待第一層澆筑完成后，依次對稱進行第二層澆筑至設(shè)計標高(封底混凝土成型見圖6)。

圖6 預(yù)封底施工完成

4 承臺基坑反開挖技術(shù)

4.1 封底混凝土反開挖總體方案

橋址處設(shè)計施工水位標高為58.8 m，圍堰內(nèi)外水位差深達14.8 m，水下巖石開挖難度極大，開挖方式是決定開挖成敗的第一要素。結(jié)合運砂船通航、既有京九鐵路運營安全、圍堰底部穩(wěn)定等多種因素，取消原水下爆破方案。根據(jù)現(xiàn)場鄰近既有線、開挖深度及基底地質(zhì)等多方面條件考慮，選擇小型挖掘機(自帶炮頭)干挖作業(yè)的方式開挖。3＃墩設(shè)計承臺底標高為44.019 m，河床標高為48.4 m(砂石覆蓋層4.6 m)，巖層頂標高約43.8 m，封底混凝土底標高與巖層頂標高一致(厚2 m)；2＃墩設(shè)計承臺底標高為44.579 m，河床為裸露泥質(zhì)粉砂巖層(300 kPa)，基面標高約46.3 m，承臺下臥基巖約1.72 m，基坑封底混凝土底標高與裸露基巖面標高一致(厚2 m)。

4.2 反開挖施工

第一步:抽水至封底混凝土頂，采用大型吊車吊放4臺PC-60型小型炮機及1臺120型挖掘機至基坑內(nèi)，測放承臺邊線，每邊外擴40 cm，作為開挖邊線；每側(cè)預(yù)留0.8 m寬混凝土作為圈梁，加強圍堰根部穩(wěn)定性和防水性。

第二步:由中間向兩邊分段、分層對稱開挖，保證開挖期間基底和圍堰根部穩(wěn)定，每層由中間開挖至圍堰邊80 cm后再進行下一層開挖，最終開挖至承臺底標高下50 cm處。2＃墩開挖基坑底標高為44 m，開挖深度4.3 m；3＃墩開挖基坑底標高為43.5 m，開挖深度2.3 m(見圖7)。

圖7 開挖至承臺底50 cm后留置混凝土圈梁

第三步:分別澆筑50 cm厚調(diào)平墊層(見圖8)，保證承臺底平整度。同時封閉圍堰底局部裂隙水，在裂隙水處四周設(shè)置暗管，引流至集水井，利用抽水機強排至圍堰外。

圖8 澆筑50 cm厚混凝土調(diào)平墊層

5 水下封底混凝土灌注要求及注意事項

(1)由于承臺體積大，在澆筑封底混凝土時無法實現(xiàn)一次同時“沖灌”灌注，應(yīng)采取從低至高、從周邊至中間順序進行灌注的方式。該方式一方面避免高處混凝土向低處擴散；另一方面避免基底浮泥及封底混凝土頂面的浮漿集中在基礎(chǔ)邊緣。

(2)混凝土澆筑前應(yīng)進行配合比設(shè)計，可增加適量水泥或粉煤灰確保混凝土的流動性，使其具有良好的和易性，避免在灌注過程中產(chǎn)生離析。由于封底混凝土體積大，應(yīng)在混凝土中加入適量緩凝劑，確保初凝時間在10 h以上。

(3)首批混凝土的數(shù)量必須進行計算，計算公式:v＝π×R2×h/3＝5 m3，其中h為導(dǎo)管底口處混凝土埋高，h＝0.3 m；R為擴散半徑，測得最大為4 m。

(4)施工中安排專人精確探明基坑底標高、混凝土表面標高，同時嚴格控制導(dǎo)管埋深。

6 結(jié)論

本文以昌贛客專泰和贛江特大橋為例，介紹了如何在鄰近既有線和通航并存條件下進行裸露基巖深水大體積承臺施工。針對鄰近既有線禁止爆破及施工水域渦流沖擊等不利條件，利用預(yù)封底反開挖作業(yè)法，對鋼管樁下部形成有效支撐，提升圍堰基底穩(wěn)定性，同時通過混凝土壓力和增加滲透長度來抵抗水頭壓力差，便于基底干挖作業(yè)，成功解決了深水域基巖開挖及圍堰穩(wěn)定控制等難題。該施工技術(shù)可為今后類似工程提供寶貴經(jīng)驗，具有一定的參考價值。