秦 林

（中鐵四局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，天津 300163）

當(dāng)橋梁基礎(chǔ)位于深水、巖石地層時(shí)，多采用雙壁鋼圍堰作為基礎(chǔ)開挖臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)[1～3]，水下基坑開挖多采用水下爆破或沖擊取孔工藝；采用爆破施工的，多為硬質(zhì)巖[4～5]。國(guó)內(nèi)已有文獻(xiàn)未見關(guān)于深水軟巖地質(zhì)基坑施工技術(shù)的研究，也未見深水庫區(qū)橋梁基礎(chǔ)開挖施工技術(shù)的有關(guān)報(bào)道。

為此，本文以遂寧農(nóng)村路網(wǎng)一期工程船山段田家渡特大橋水中主墩基坑開挖施工為例，開展軟巖地質(zhì)庫區(qū)水下承臺(tái)基坑開挖施工技術(shù)研究。

1 工程概況

田家渡特大橋主橋?yàn)?02 m+170 m+102 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，其主墩位于涪江主河道中，上下游均建有電站大壩，屬庫區(qū)管理；最大施工水深達(dá)19.5 m，河床自上而下依次為卵石和強(qiáng)中風(fēng)化泥巖。主墩承臺(tái)尺寸為17.1 m×12.6 m×5 m，承臺(tái)底位于河床面以下，設(shè)計(jì)利用雙壁鋼圍堰支護(hù)施工。根據(jù)實(shí)際河床高程以及圍堰封底混凝土的要求，主墩水下基坑開挖深度6～8 m，總土方量超過10 000 m3。見圖1。

圖1 主墩處河床縱斷面

根據(jù)工程勘測(cè)和室內(nèi)巖石試驗(yàn)結(jié)果，卵石和強(qiáng)風(fēng)化泥巖巖體為Ⅲ類硬土，中風(fēng)化泥巖巖體為Ⅳ類軟石。見表1和表2。

表1 墩位處河床基巖地質(zhì)層強(qiáng)度參數(shù)

表2 墩位處河床各地質(zhì)層物理力學(xué)指標(biāo)

2 施工技術(shù)

戴長(zhǎng)冰等[6]通過巖性因素對(duì)巖石爆破的影響研究，指出了軟質(zhì)巖石的黑頁巖和云母頁巖硬度要比石英巖和閃長(zhǎng)巖硬度小得多，卻更不容易爆破。水下承臺(tái)基坑開挖施工采用旋挖鉆機(jī)和沖擊鉆機(jī)的組合工藝：先通過旋挖鉆孔開挖，剩余區(qū)域利用沖擊鉆機(jī)沖擊破碎，清渣采用伸縮臂抓斗與氣舉反循環(huán)組合工藝。

2.1 鉆孔和沖孔點(diǎn)位布設(shè)

通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)鉆孔和沖孔點(diǎn)位進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和布置，保證基坑開挖效果。

2.1.1 旋挖鉆機(jī)鉆孔點(diǎn)位設(shè)計(jì)和布置

根據(jù)水下基坑大小對(duì)旋挖鉆機(jī)鉆孔點(diǎn)位進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，見圖2。

圖2 旋挖鉆機(jī)鉆孔點(diǎn)位布置

鉆孔范圍的外邊線較雙壁鋼圍堰四周外緣邊線各外擴(kuò)1.5 m。根據(jù)巖土特性參數(shù)、鉆機(jī)型號(hào)、鉆進(jìn)深度、水上定位偏差等因素，為保證順利、垂直成孔，在總結(jié)長(zhǎng)期施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定布孔方式，鉆孔直徑D1為2.0 m，孔位凈距L為0.6 m。

2.1.2 沖擊鉆機(jī)沖擊點(diǎn)位設(shè)計(jì)和布置

旋挖鉆孔完成后，剩余的巖層形成蜂窩狀地層狀態(tài)，采用沖擊鉆機(jī)沖擊、破碎、切削基坑內(nèi)剩余巖體。剩余巖層區(qū)域沖孔點(diǎn)位咬合重疊布設(shè)，沖孔直徑D2為2.2 m，孔距W為1.8 m。見圖3。

圖3 沖擊鉆機(jī)沖擊點(diǎn)位布置

2.2 旋挖鉆機(jī)間隔鉆孔施工

1）單個(gè)孔位旋挖鉆孔工藝。根據(jù)巖層分布情況，選擇不同形式的鉆頭鉆進(jìn)。單個(gè)孔位采用“先截齒筒鉆、后雙底撈渣斗”方式鉆進(jìn)，截齒筒鉆和雙底撈渣斗直徑均為2.0 m。先通過截齒筒鉆進(jìn)行開孔定位，待鉆進(jìn)深度達(dá)2～4 m且能保證鉆頭在鉆進(jìn)過程中不發(fā)生偏位、跑位或傾斜后將截齒筒鉆更換為雙底撈渣斗，不斷進(jìn)行鉆深取渣、提鉆棄渣，直至鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度。終孔后將雙底撈渣斗再更換為截齒筒鉆并將水上移動(dòng)施工平臺(tái)移位至下一鉆孔點(diǎn)位。

2）按設(shè)計(jì)鉆孔點(diǎn)位依次鉆進(jìn)。旋挖鉆機(jī)鉆孔開挖自水下基坑的邊角處開始，按照預(yù)設(shè)點(diǎn)位置依次進(jìn)行鉆孔。由第一個(gè)孔位按行或列依次鉆孔成水下基槽，再由水下基槽擴(kuò)展鉆孔成水下基坑并在水下基坑的邊角處結(jié)束。見圖4。

圖4 旋挖鉆機(jī)鉆孔順序

2.3 沖擊鉆機(jī)咬合沖擊及清渣施工

2.3.1 沖擊鉆機(jī)按預(yù)設(shè)孔位咬合沖擊施工

沖擊鉆機(jī)沖孔采用十字形直徑2.2 m的沖擊錘頭，質(zhì)量為8 t。沖孔施工采用重錘輕擊開孔，待沖擊錘頭保持穩(wěn)定狀態(tài)后，再逐漸增加沖程至3.0 m進(jìn)行沖孔。沖擊過程中，應(yīng)注意觀測(cè)沖擊錘頭的穩(wěn)定性及鋼絲繩的垂直度，確保施工平臺(tái)和沖擊鉆機(jī)安全穩(wěn)定。同時(shí)，沖擊鉆機(jī)操作人員應(yīng)根據(jù)沖擊深度實(shí)時(shí)調(diào)整沖擊錘頭的收放時(shí)機(jī)。

沖孔自水下基坑的上游向下游方向整體依次推進(jìn)，沖孔點(diǎn)位順序?yàn)橄人闹芎笾虚g、由外及內(nèi)，以保證水下基坑四周坑壁的垂直度和沖孔施工效率。見圖5。

圖5 沖擊鉆機(jī)沖擊作業(yè)順序

水下基坑沖孔作業(yè)中利用液壓伸縮臂抓斗配合，同步進(jìn)行清渣作業(yè)，清渣中對(duì)淺點(diǎn)或不平整區(qū)域重新進(jìn)行沖擊找平作業(yè)，沖孔和清渣作業(yè)交替進(jìn)行，保障施工工期。

2.3.2 液壓伸縮臂抓斗清渣作業(yè)

液壓伸縮臂抓斗采用卡斯特330D型，整機(jī)為油缸外置式伸縮臂，配置1.5 m3的貝殼式抓斗。液壓伸縮臂抓斗就位至浮式施工平臺(tái)后進(jìn)行清渣作業(yè)，將水下基坑內(nèi)經(jīng)沖擊破碎的大顆粒巖渣和巖塊抓取出，清理出的巖渣和巖塊倒運(yùn)至運(yùn)輸船上并清運(yùn)至規(guī)定的棄渣場(chǎng)地。清渣過程中加強(qiáng)對(duì)水深及清渣深度的量測(cè)，確保各點(diǎn)位的深度滿足要求，保證清理效果。清渣施工與沖孔作業(yè)交替進(jìn)行，兩者互不干擾且減少了后期清渣工程量；清渣順序自上游向下游依次推進(jìn)，降低因水流攜裹沙石回流至已清理完成的水下基坑造成的影響。

2.4 導(dǎo)管和空壓機(jī)二次清渣

在沖擊鉆機(jī)和液壓伸縮臂抓斗將水下基坑中大部分巖塊和較大顆粒巖渣破碎、清理完成后，剩余的細(xì)顆粒巖渣和泥質(zhì)類通過采用導(dǎo)管和空壓機(jī)氣舉反循環(huán)方式二次清渣。

自水下基坑中心開始，逐漸由中心向外呈反射狀圓環(huán)移動(dòng)清渣。在清渣導(dǎo)管上標(biāo)注刻度，控制入水深度大致相等，逐層逐步進(jìn)行清理；每層清渣厚度控制在30～50 cm，通過測(cè)繩進(jìn)行量測(cè)控制。

2.5 水下測(cè)量及基坑成型檢查

清渣完成后，對(duì)水下基坑開挖尺寸及成型效果進(jìn)行水下測(cè)量、檢查。采用帶模擬記錄功能的回聲測(cè)深儀測(cè)量并采集水深、水位等數(shù)據(jù)，配備GPS移動(dòng)站測(cè)量出平面坐標(biāo)位置。原始數(shù)據(jù)采集記錄后，利用BIM技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成圖，生成可視化的水下基坑河床地形的等高線圖及三維勢(shì)圖、模型。見圖6

圖6 水下基坑開挖后

根據(jù)實(shí)測(cè)圖形、模型的數(shù)值結(jié)果，局部區(qū)域再通過水下機(jī)器人探測(cè)或潛水員下水摸探，對(duì)水下基坑的尺寸、深度、邊坡和基底平整度等進(jìn)行檢查、判斷，如有不平整區(qū)域重新采用沖擊鉆機(jī)進(jìn)行沖擊找平，直至水下基坑開挖完成。

3 結(jié)論

1）采用旋挖鉆機(jī)和沖擊鉆機(jī)結(jié)合的組合工藝進(jìn)行水下承臺(tái)基坑鉆孔開挖，解決了單一鉆機(jī)鉆進(jìn)易傾斜跑位、卡鉆的難題，施工效率高。

2）通過對(duì)鉆孔和沖擊點(diǎn)位合理地設(shè)計(jì)和布置，施工過程穩(wěn)定可靠、速度快、成本低、精度和成型質(zhì)量高。

3）沖擊鉆機(jī)沖孔與伸縮臂抓斗清渣交替作業(yè)，鉆進(jìn)效率高，后期清渣工作量少，保證了工期。

4）采用回聲測(cè)深儀與GPS結(jié)合測(cè)量水下基坑地形，BIM技術(shù)協(xié)同數(shù)據(jù)處理，測(cè)量精度高、速度快、工作量小，可讀性強(qiáng)，有利于基坑開挖精度控制。