康 平，陳山亭

（中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢 430050）

1 工程概況

1.1 墩臺結構

淺水區(qū)非通航孔橋共62 個橋墩，墩高19.143～42.974m，其中墩高≤27m 橋墩 49 個（152～196# 墩、216～219#墩），為低墩區(qū)；墩高＞27m 橋墩 13 個（197～203#墩、210～215#墩），為高墩區(qū)。低墩區(qū)墩臺分為兩節(jié)預制，高墩區(qū)墩臺分為三節(jié)預制，承臺與底節(jié)墩身一起預制，預制墩臺分節(jié)吊裝完成后澆筑濕接縫。高墩區(qū)下部結構見圖1。

承臺尺寸為15.6m×11.4m×4.5m（橫橋向×縱橋向×承臺高度），承臺采用C45 混凝土，墩身采用C50 混凝土。預制承臺埋入海床面以下；首節(jié)墩身與承臺一起預制，預制承臺及其底節(jié)墩身最大重量為2350t。

1.2 氣象、水文及地質條件

淺水區(qū)非通航孔橋屬南亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，溫暖潮濕、氣溫年較差不大，降水量多且強度大；橋位區(qū)處于熱帶氣旋路徑上，受熱帶氣旋的影響十分頻繁。

橋區(qū)潮汐屬不規(guī)則半日潮混合潮型。20 年一遇極高潮位+2.97m，極低潮位-1.35m。

CB05 合同段水中區(qū)段位于里程K29+322～K35+605段，高潮時水深5.0m～7.0m，低潮時水深3.5m～5.5m，地面較平坦，地面高程一般在-4.0m～-6.2m，其中里程K31+500（178 墩）～K32+300（187 墩）段地面高程在-3.5m～-4.0m，里程 K35+370（220 墩）～K35+550（222 墩）（珠澳口岸人工島連接橋）段受填島擠淤影響，地面高程在-2.3m～-3.0m，海底主要為海相沉積的淤泥、粗砂、粗礫砂、細沙、全風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖等。

2 總體施工方案及圍堰結構

2.1 承臺總體施工方案

港珠澳大橋CB05 合同段淺水區(qū)非通航孔橋預制承臺安裝施工，采用無內(nèi)支撐結構雙壁鎖口鋼套箱圍堰施工，主要流程為：墩位清淤、基坑開挖、圍堰安裝、圍堰吸泥清基及封底、承臺及底節(jié)墩身吊裝、濕接縫澆筑及養(yǎng)護、圍堰整體拆除至下一墩位。前期圍堰施工采用分塊插打拼裝成整體，后期圍堰拔除及倒運采用整體拔除、整體下沉方案。

圖1 淺水區(qū)非通航孔高墩區(qū)下部結構圖（單位：cm）

2.2 圍堰結構

圍堰采用新型無內(nèi)支撐結構的雙壁鎖口鋼套箱圍堰，受“小天鵝”起重船開檔寬度及浮吊吊裝重量控制影響，圍堰壁設計厚度0.75m，高度23.2m，圍堰設計成可拆裝式，平面分為八個分塊，各分塊之間采用榫頭式鎖口與螺栓組合的連接方式進行連接，見圖2。圍堰標高參數(shù)表見表1。

表1 圍堰標高參數(shù)表

其中，設計水位為+2.00m，封底混凝土厚為3.5m，采用水下C35 混凝土。

圍堰特點：

（1）雙壁鎖口鋼套箱圍堰：內(nèi)外壁板通過水平環(huán)板、豎向肋板焊接成整體，水平方向以角鋼焊接加強，圍堰單塊壁板的剛度很大。

（2）圍堰壁板在豎向是整塊結構，水平方向分成8 個分塊，分塊與分塊之間在上部采用螺栓連接成整體，中部、底部采用榫頭式插入連接。結構具有以下特點：方便圍堰的組拼、整體拆除；對止水有一定幫助；受力特點是可承受壓力和面外的剪力，不能承受拉力和面內(nèi)的豎向剪力，兩塊壁板間可發(fā)生一定角度的自由轉動，故視為不能傳遞水平向彎矩。

（3）圍堰止水是采用豎向連續(xù)的鎖口，通過設置水囊或者灌注砂袋、泥袋來阻斷水流路徑。止水結構不考慮參與結構受力。

圖2 圍堰結構布置圖

2.3 圍堰結構計算

根據(jù)非通航孔橋下部結構施工組織設計，圍堰結構分別按照三種工況進行檢算：

工況一：開挖工況

圍堰結構自身承載力，圍堰抗傾覆，圍堰抗隆起均滿足要求。

工況二：抽水工況

圍堰結構自身承載力，封底混凝土承載力，鋼管砼樁抗拔承載力均滿足要求。

工況三：抗20 年一遇臺風檢算工況

圍堰結構整體變形及內(nèi)外壁板有效應力（von-Mises應力），圍堰豎隔板及橫隔板有效應力（von-Mises 應力），圍堰內(nèi)外壁板加勁角鋼組合應力均滿足要求。圍堰接縫承載力滿足要求。經(jīng)驗算，圍堰結構安全可靠。

3 圍堰封底技術

3.1 基坑開挖及圍堰安裝

根據(jù)前期試驗及經(jīng)驗，橋位清淤按照1:7 放坡清理，防止坡度過堵回淤；基坑開挖按照1:5 放坡開挖。按照要求將基坑開挖到位后，“華爾辰”號起重船整體安裝圍堰：在復合樁鋼管上設置固定雙層導向結構，用“華爾辰”號起重船起吊整體圍堰并套入導向支架，調(diào)節(jié)圍堰的平面位置與垂直度，使其達到設計要求，然后用導向支架調(diào)節(jié)裝置完全定位卡死后，繼續(xù)利用自重下放圍堰至停止下沉。解除圍堰頂口5.2m 范圍內(nèi)部分螺栓，分塊分批將圍堰插打至設計標高。整個圍堰都插打到設計標高后，最后安裝圍堰頂部5.2m 范圍內(nèi)的連接螺栓，使之形成一個整體。在圍堰鎖口內(nèi)安裝水囊或者灌注砂袋，封閉鎖口縫隙，達到止水效果。

圍堰的初始定位精度見表2。

表2 圍堰精度控制表

3.2 圍堰吸泥及清基

吸泥：安裝圍堰吸泥門架設備，對圍堰內(nèi)進行吸泥作業(yè)。根據(jù)圍堰的大小及其所在位置的地質情況，圍堰吸泥采用2 臺（套）吸泥設備。

在吸泥過程中經(jīng)常搖蕩管身和移動吸泥管位置，以期吸泥效果最好。吸泥管口一般離開泥面為15～50cm。要隨時升降吸泥機，以能經(jīng)常吸出最稠的泥漿為標準。如果吸泥效果不佳時，可采用“憋氣”的方法，即暫時將閘閥關閉，稍停2～3min，猛開風閥使風量風壓突然增大，即可吸出較堅硬的土塊或堵塞物。

吸泥的過程中，應保證吸泥的速度一致，保證圍堰吸泥過程中不發(fā)生偏移和偏轉。

空氣吸泥機的型號，一般以進泥管口內(nèi)徑大小而定。當空氣吸泥裝置工作時，壓縮空氣沿進氣管進入空氣箱以后，通過內(nèi)管壁上的一排排小孔眼進入混合管，在混合管內(nèi)與水混合，形成容重小于1 的氣水混合物。當送入的壓縮空氣足夠充足，空氣箱在水面以下又有相當?shù)纳疃?，混合管中的混合物在管外水頭壓力作用下，便順著排泥管上升而排出井外。而與吸泥器固定在一起的高壓射水管與吸泥管一起升降移動，將吸泥管口處土體沖散成泥漿，隨著氣水混合物順著混合管向上流動被吸入管內(nèi)。

清基：圍堰內(nèi)清底采用2 臺砂石泵從中間向邊沿擴散清理，按照一定坡度吸出圍堰內(nèi)壁范圍內(nèi)泥沙。清底時，注意保持圍堰內(nèi)外水位一致，必要時采用水泵補水，防止翻砂影響清底效果。

圍堰內(nèi)清基亦可采用長臂挖機進行挖泥。在圍堰內(nèi)6 根復合樁鋼管頂撘設移動平臺，長臂挖機站在平臺上進行挖泥作業(yè)，當挖至封底底標高時不再使用挖機，采用射水吸泥的方式清理鋼管和圍堰周圈的淤泥。

清基完成后，根據(jù)方格網(wǎng)坐標點，采取逐點用測深儀測出基面高程，以確保封底混凝土厚度滿足設計要求。

基坑開挖應嚴格控制，做到以下幾點：

（1）嚴格控制基坑開挖的時間

在圍堰拼裝完成的前三天通知挖泥船開始基坑開挖，確保基坑開挖完成后未被擾動的原狀土不受海水長落潮長時間沖刷，使原狀土浸泡軟化過深。

（2）嚴格控制基坑開挖的深度

基坑開挖的設計底標高應根據(jù)承臺底標高嚴格控制，確保圍堰的入土深度的同時又不影響封底質量。

承臺頂標高為-6.0m 的, 河床開挖底標高嚴格按（-13.0m）控制；承臺頂標高為-5.0m 的,河床開挖底標高嚴格按（-12.0m）控制；承臺頂標高為-4.5m 的,河床開挖底標高嚴格按（-11.5m）控制。

根據(jù)潮位情況，認真控制挖泥深度。技術員上挖泥船后，首先應根據(jù)最高潮和最低潮的潮差高度，確定挖泥機大臂的入水深度。在機械大臂最低潮時的最大挖深和最高潮時的最大挖深位置系上紅絲帶。每次開挖到標記的絲帶附近應及時提醒挖泥司機控制深度，避免超挖。

在墩位旁開挖時，可以以護筒頂標高為基準，推算水面標高，進一步推算抓斗絕對高程。每小時修正一次。

挖泥過程中，應不定時用測繩測量泥面標高，對開挖深度進行復核。標高基準面則根據(jù)墩位護筒頂標高推算船舷標高，并以船舷標高為基點，用測繩測量實際挖深。測量點取8 個點，4 個角點（根據(jù)圍堰尺寸取18m×14m），4 條邊中點位置。6 根護筒中間部分則以抓斗伸長量為準。

挖泥高度盡量正誤差，不能挖深。原則上距開挖標高30cm 以內(nèi)則可停止開挖。測深的錘坨應選用重一點的。挖到設計底標高時，應該對開挖出來的泥土情況進行描述。

圍堰下放完成后根據(jù)承臺底標高吸泥至不同的封底底標高。如果泥質很硬，且地質報告中開挖的持力層在粉質粘土層或砂層時可按設計標高來控制，直接封底。如泥質很軟繼續(xù)吸泥到-14m，然后用打砂船回填1.3m 高左右的砂代替淤泥層，砂層板結后承載力達到封底要求則進行封底施工。

（3）基底土層承載力實驗

圍堰封底前按單位面積1m×1m×2.8m 的混凝土做一個比重錘，放在單位面積的砂層上，如果比重錘不下沉，則可一次澆筑2.8m 的混凝土；如果比重錘下沉，則采用先澆注0.6m 左右混凝土墊層，等墊層混凝土達到強度后，采用空壓機吸除第一次混凝土頂面的淤泥，然后再澆注余下的部分的混凝土。

（4）圍堰抽水完成后加快各道工序之間的轉換，盡可能的在短時間內(nèi)完成承臺的安裝，減少圍堰抽水后的時間。

3.3 圍堰封底

封底前潛水工認真清理鋼管樁外壁及圍堰內(nèi)壁附著物，使其表面無泥土附著。封底混凝土灌注采用垂直導管多點水下灌注，混凝土供應由“海天四號”混凝土工作船供應。水下封底混凝土澆注的順序及原則：先中間鍋底后四周順序、對稱均衡原則。

灌注導管布置：灌注導管采用Ф273 卡式快裝垂直導管，按半徑5m 灌注重疊覆蓋布置導管數(shù)量。導管安裝前先組拼試壓，試壓強度取水頭壓力的1.5 倍。組拼時須對導管進行編號對接，確定導管長度和安裝拼接順序。此外，還需對導管接頭進行試拉試驗，確保接頭質量。

灌注平臺布置：灌注平臺支承在圍堰井壁上，須覆蓋圍堰底面范圍，平臺上布置混凝土集料槽與混凝土工作船相匹配，保證導管灌注時埋深大于0.7m（見《公路施工手冊-橋涵》第 735 頁）。

封底混凝土首盤方量應大于6m3。封底時導管距基底的距離為30cm，此時混凝土的擴散直徑取5.0m，其計算導管埋深約為0.5m。外加在首盤混凝土灌注的過程中，“海天四號”混凝土工作船會一直向料斗內(nèi)注入砼，因此導管的埋深大致在0.8m 以上。

首盤方量計算：根據(jù)《公路施工手冊-橋涵》第六章第6 節(jié)相關內(nèi)容（P891～P892）計算。

首盤方量按下式進行計算：

式中：D-混凝土護散直徑（m），根據(jù)漏斗到封底底面高度及是否采用混凝土下落降速措施決定，一般取5～6m，本計算取5.0m；

d-導管直徑，0.3m；

Hc-初批混凝土灌注所需要的高度，一般0.8～1.0m，本計算取0.8m。

h1-并孔內(nèi)混凝土高度達到Hc時導管內(nèi)混凝土柱與導管外水壓平衡的高度

Hw-圍堰內(nèi)水面至初批混凝土角錐體重心的高度（m）。

H0-圍堰內(nèi)水面至基底高度（m）；H0=13.7+2=15.7m。

將上面計算中的數(shù)據(jù)代入后：

首盤完成后，要連續(xù)不間斷的向料斗內(nèi)注入混凝土。“海天四號”混凝土工作船的設計產(chǎn)量為120m3/h。實際生產(chǎn)能力不會低于75m3/h，整個3.0m 厚的封底混凝土共計約510m3，約需要7 小時可完成全部封底混凝土灌注工作。

封底混凝土灌注順序：先低后高，由一側往另一側推進。為了保證封底混凝土質量，應使混凝土在導管下料后能形成可靠的均衡的混凝土堆，隨導管內(nèi)不斷下料，新澆筑混凝土在無水的導管內(nèi)注入已澆筑混凝土堆內(nèi)，使混凝土堆不斷向外擴散和升高。

在隔水的條件下澆注混凝土應采取相應的保證措施，主要有：

（1）封底混凝土的質量技術要求：混凝土設計強度為水下C35，坍落度20cm～25cm；流動度保持在2 小時內(nèi)坍落度不低于16cm；初凝時間：12h～16h；混凝土采用泵送，滿足相關泵送技術規(guī)定。

（2）混凝土灌注前，應根據(jù)砍球范圍合理布置混凝土總儲槽和分料槽，保證覆蓋所有灌注點。

（3）封底前布置足夠數(shù)量的測量點，加大測量的頻率，真實的反映混凝土頂面高程的情況，并及時的反饋現(xiàn)場指揮人員，以全面了解圍堰水下混凝土面的標高情況，實際封底高度較設計標高高出約10cm。

（4）每根導管的首批混凝土灌注時要求連續(xù)、不能間斷的進行，并且保證導管底口有不少于0.8m 的埋深，確保首批混凝土灌注成功。

（5）封底過程中，通過開放圍堰上的連通孔，必須保證內(nèi)外水頭一致，尤其圍堰外水頭不能高于圍堰內(nèi)。若遇漲潮需及時向圍堰內(nèi)進行補水。

（6）封底混凝土強度達到設計要求前，鋼圍堰不得受到?jīng)_擊、干擾和承受額外荷載，以免影響混凝土強度增長，確保混凝土的強度、整體性和水密性。

（7）封底混凝土施工過程中要通過對封底方量與封底頂面標高這兩個參數(shù)進行控制。要保證其兩個參數(shù)的相互關系正確，以保證封底混凝土頂面標高達到設計要求，且使封底頂面最高點不得超過設計標高的300mm。

待封底混凝土達到設計強度后，對圍堰進行抽水，割除工具樁，并對樁頭混凝土進行處理，安裝樁頂?shù)匿摿⒅柏Q向千斤頂后，進入預制承臺及底節(jié)墩身安裝施工作業(yè)。

4 總結

港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋預制承臺及底節(jié)墩身安裝采用可倒用的雙壁鋼套箱圍堰，其中關鍵工序是封底，本文通過對圍堰基坑開挖、清基、圍堰封底等工藝進行了總結：特殊海床條件下，當泥質很軟時進行打砂回填，用砂代替淤泥層，砂層板結后進行基底承載力試驗，承載力達到封底要求后進行封底施工，保證了封底的順利進行及封底的質量，為大型重型構件安裝提供了條件，承臺安裝工期和工效得到了極大提升，踐行了港珠澳大橋“大型化、工廠化、標準化、裝配化”的特點，該方法充分利用了砂在水飽和狀態(tài)下能板結密實的特性，值得相關工程學習和借鑒。