陳宗國

(中鐵二十五局集團有限公司 廣東廣州 510000)

1 工程概況

新建昌景黃鐵路工程金溪湖特大橋位于江西省進賢縣境內(nèi)，起訖里程DK277＋505.10～DK281＋524.70，全橋長4 019.6 m，于 DK286＋315.295處采用(83＋152＋83)m連續(xù)梁跨越金溪湖撫河干流，主墩82＃、83＃墩為水中墩。其設計樁基為16根樁徑2.5 m鉆孔灌注樁，承臺尺寸為22.75 m×22.75 m×5.5 m，墩身為22.5 m雙肢薄壁高墩。承臺基礎底標高2.564 m，實測湖床標高14.46 m，施工期湖水常水位17.0 m。

水文及工程地質(zhì)自上而下依次為湖水17.0～14.46 m、粉砂14.46～13.76 m(σ0＝80 kPa)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 13.76～8.46 m(σ0＝60 kPa)、粉砂8.46～7.46 m(σ0＝80 kPa)、粗砂 7.46～2.46 m(σ0＝220 kPa)、粉質(zhì)黏土 2.46～-2.04 m(σ0＝220 kPa)、細砂 -2.04～-4.04 m(σ0＝220 kPa)、礫砂-4.04～-8.436 m(σ0＝220 kPa)、泥質(zhì)砂巖-8.436～-14.036 m(σ0＝300 kPa)，地質(zhì)柱狀示意圖，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)柱狀示意(單位:mm)

2 工程特點和施工重難點

(1)承臺基礎開挖尺寸大且開挖深度深，開挖施工安全風險極高，對基礎圍護結構的強度、剛度等要求高。

(2)承臺基礎開挖范圍內(nèi)以透水性極強、自穩(wěn)性極差的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂和粗砂地層為主，對圍護結構和封底結構的安全性和可靠性要求高。

(3)豐水期水流流速達到1.5 m/s、最大水深可達7 m，且橋址區(qū)地下水位高，對基礎圍護結構止水隔水效果要求高。

3 圍堰設計

3.1 圍堰設計選型

針對橋梁深基礎施工常見的幾種鋼圍堰支護形式，分別從適用地層、優(yōu)缺點、材料用量等方面進行比選[1]分析，見表1。

表1 各類鋼圍堰的適用條件

結合金溪湖特大橋水中主墩承臺基礎開挖范圍內(nèi)工程及水文地質(zhì)條件、施組安排以及投入本工程施工機具設備等施工作業(yè)條件，承臺基礎開挖支護圍堰選擇鋼管樁＋鋼板樁組合形成的PC工法樁[2]作為支護結構，充分利用鋼管樁強度高、擋土效果好，鋼板樁止水效果好的優(yōu)點，通過鎖扣連接在一起形成良好的擋土止水受力結構體系[3]。

3.2 PC工法樁圍堰結構設計

金溪湖特大橋主墩承臺基礎PC工法樁圍堰圍護樁采用拉森IV型鋼板樁(Q295bz)與φ820×14 mm鋼管樁(Q345B)，平面設計圖如圖2所示。鋼管樁樁長30 m，承臺基礎底面以上15.1 m，以下14.9 m，鋼板樁樁長24.5 m，承臺基礎底面以上15.1 m，以下9.4 m。內(nèi)支撐結構第一層(樁頂下1 m處)、第三層(樁頂下8 m處)采用HN700×300 mm型鋼(Q345B)、撐桿釆用φ480×10 mm螺旋鋼管(Q235B)；第二層(樁頂下4.5 m處)釆用三拼HN700×300 mm型鋼(Q345B)、撐桿釆用φ800×16 mm螺旋鋼管(Q235B)。

圖2 PC工法樁圍堰結構平面圖(單位:mm)

3.3 PC工法樁圍堰結構檢算

根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》[4](JGJ 120—2012)對圍堰結構，即PC工法樁、圈梁和內(nèi)支撐等結構的穩(wěn)定性、結構受力、結構變形等進行檢算驗證。

(1)PC工法樁穩(wěn)定性

整體穩(wěn)定性采用瑞典條分法進行計算，安全系數(shù)Ks計算值為1.705，大于1.35，滿足要求。

(2)基底隆起穩(wěn)定性

本工程按安全等級一級進行控制，抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)Kb:

滿足要求。上式中，γm1、γm2為圍堰內(nèi)外鋼板樁底以上土的厚度加權平均重度(kN/m3)；c為鋼板樁底土層粘聚力(kPa)；ld為鋼板樁入土深度(m)；Nq、Nc為承載力系數(shù)，分別為 10.66、20.72；h為基礎深度(m)；q為地面均布荷載(kPa)。

(3)結構受力情況

圍堰樁施工過程中的最大彎矩M＝927.0 kN·m，最大剪力Q＝728.6 kN，均發(fā)生在圍堰內(nèi)回填黃砂至河床以及拆除第一層支撐的階段。

單根圍堰樁最大正應力計算值δ＝1.29×132＝170.3 MPa＜240 MPa，滿足要求。

單根圍堰樁最大剪應力計算值τ＝1.29×41.1＝53.0 MPa＜120 MPa，滿足要求。

圍堰樁最大變形計算值為37.7 mm，發(fā)生在第二層內(nèi)支撐拆除時。

(4)圈梁及內(nèi)支撐受力情況

圈梁最大正應力計算值[δ]＝198.5 MPa小于許用應力240 MPa，圈梁最大剪應力計算值[τ]＝68.9 MPa小于許用剪應力120 MPa，圈梁最大變形值9.2 mm小于L/400，滿足要求。

第一層和第三層內(nèi)支撐最大反力計算值一致，均為115.9 kN/m；第二層的內(nèi)支撐最大反力計算值為634.9 kN/m，內(nèi)支撐最大應力σ＝129.5 MPa小于170 MPa，滿足要求。

通過檢算驗證，本工程PC工法樁圍堰設計方案各結構受力均能滿足相關規(guī)范要求，可確保結構及施工安全。同時，在施工過程中，應結合圍堰結構受力檢算情況和受力特點等對其關鍵部位加強監(jiān)測[5]。

4 PC工法樁圍堰施工技術

4.1 PC工法樁沉樁

本工程中，樁身沉入范圍內(nèi)以砂質(zhì)地層為主，其擠密性較強，對樁的貫入阻力較大，加之PC工法樁較長。在該地層條件下，若仍采用常規(guī)機械振動沉樁方法，PC工法樁沉樁將極為困難且周期長，也會造成PC工法樁發(fā)生不可避免的較大變形甚至損傷，從而影響到樁的完整性及其受力性能，故本工程PC工法樁沉樁采用高壓水刀引孔[6]輔助振動錘振動沉樁工藝。

(1)高壓水刀系統(tǒng)

由高壓水泵、φ50 mm無縫鋼管和刀頭噴嘴等組成水刀噴射系統(tǒng)，4把高壓水刀(含輸水管)均勻布設在PC工法樁外壁四周，如圖3所示。

圖3 高壓水刀系統(tǒng)

(2)高壓水刀通水試驗

水刀噴射系統(tǒng)組裝、調(diào)試，并進行現(xiàn)場通水試驗，通過試驗:

①判斷輸水管路連接是否完好，高壓水刀壓力是否可行，噴嘴噴水方向是否合理等。

②結合樁身地層情況，修正和調(diào)整水刀刀頭噴嘴數(shù)量和開口參數(shù)，本工程采用口徑2.5 mm的單刀頭噴嘴。

③確定供水水質(zhì)含砂率，施工時須嚴格控制，過高易造成水刀管路堵塞。

(3)PC工法樁沉樁施工操作要點

①鋼板樁、鋼管樁接長

現(xiàn)場焊接接長。鋼板樁內(nèi)外兩側均采用10 mm厚鋼板幫板滿焊焊接，鋼管樁外側采用10 mm厚鋼板滿焊焊接。

②高壓輸水管固定

采用“π”型HPB300φ20鋼筋將高壓輸水管固定在鋼管樁外壁上，“π”型固定鋼筋沿樁壁間距200 cm/道，并與鋼管樁牢固焊接，確保沉樁過程高壓輸水管與鋼管樁之間無相對移動。

③定位、起吊

安裝導梁、鎖扣行進控制架，插打定位樁，以控制后續(xù)PC工法樁樁位。根據(jù)現(xiàn)場情況，配置75 t履帶吊起吊PC工法樁。

④下沉

PC工法樁就位后，啟動高壓動力泵，利用水刀切土引孔，振動錘振動沉樁，如圖4所示。

圖4 水刀引孔、振動下沉

4.2 承臺基礎開挖

承臺基礎開挖范圍內(nèi)以穩(wěn)定性差、透水性強的砂質(zhì)地層為主，故采用不抽水開挖。用高壓水循環(huán)反復沖刷所要開挖的巖土體，沖刷產(chǎn)生的泥水混合物經(jīng)過沉淀后，表層清水循環(huán)使用，固體沉積物(主要為卵石及砂礫石)采用長臂挖機挖出，并將其集中堆放，作為回填土重新使用。

4.3 裝配式鋼管支撐安裝

本工程PC工法樁內(nèi)支撐體系采用裝配式鋼管支撐[7]。

(1)支撐位置定位

基礎開挖或抽排水至設計支撐底標高以下50 cm時，根據(jù)設計位置測量定位支撐中心線、鋼牛腿頂標高線。

(2)鋼牛腿安裝

清除PC工法樁表面雜物及浮銹，焊接鋼牛腿。

(3)鋼圍檁安裝

鋼牛腿安裝完成后，將鋼圍檁焊接固定在鋼牛腿上，并采用高強螺栓機械連接相鄰鋼圍檁。

(4)鋼支撐安裝

鋼支撐標準節(jié)長2 m，調(diào)整節(jié)長1 m，場外預拼裝2～3節(jié)為一組，場內(nèi)吊機吊入圍堰內(nèi)安裝。結合圍堰寬度以及支撐活絡頭行程等確定支撐拼裝長度。

(5)預應力施工

作業(yè)前，對鋼圍檁、鋼支撐以及對抱箍加固裝置等的安裝質(zhì)量進行嚴格驗收。

預應力施加按3～5級均勻?qū)ΨQ、分級施加，每一級預應力施加到該級設計值時保持穩(wěn)定10 min后再進行下一級施加，直至額定壓力，預壓力穩(wěn)定之后進行鎖定，并安裝由兩個斜鐵配對組成的塞鐵。

4.4 水下封底混凝土施工

基底封底混凝土強度等級采用C30，最小厚度3.2 m。

(1)配合比設計

配合比設計時，其粘聚性、流動性、工作性等性能按水下澆筑混凝土的要求確定其基準配比[8]。

(2)導管布設

結合本工程封底混凝土設計厚度和現(xiàn)場施工條件，澆筑方式采用全高度方向斜面推進方法，導管布料方式按雙導管移動首封推進法[9]。

(3)澆筑順序

全高度方向斜面推進澆筑方式澆筑順序:綜合地形因素從地形較低一端向另一端推進；由四周向中央推進。

(4)澆筑點布置

結合內(nèi)支撐、鉆孔樁基礎鋼護筒位置和現(xiàn)場情況等，澆筑導管位置布設按封底混凝土擴散半徑5 m考慮，如圖5所示。

圖5 導管平面布置(單位:mm)

(5)混凝土澆筑

①首盤封底混凝土澆筑

通過試拌、試驗獲取混凝土工作性能，并結合澆筑點的布設位置，計算首封混凝土數(shù)量[10]。

首封混凝土澆筑之后，立即將低壓燈放入導管內(nèi)，查看導管是否存在漏水情況。若導管內(nèi)無水，則表示首封成功；若有水，則表示首封失敗，需要馬上采取措施進行二次拔球，再次進行封底。

②混凝土澆筑

混凝土澆筑時，技術員不定時測量混凝土澆筑標高及其擴散情況，以及導管埋深等情況。在即將完成混凝土澆筑作業(yè)時，重點監(jiān)測導管中心處、樁基鋼護筒周圍以及PC工法樁壁等關鍵結合部位的高程，確保封底混凝土頂面標高符合要求。

(6)水下封底混凝土高程測控

在封底施工前提前布設好高程監(jiān)測點。為準確控制封底混凝土高程，每間隔0.5 h測量一次，對導管作用半徑相交處、承臺四周等部位進行重點監(jiān)測，及時掌握各個區(qū)域的澆筑情況，確保混凝土頂面平整。停止?jié)仓?，全面復測各控制點高程，若存在高程不符合設計要求，則需要對該測點及其周圍增加澆筑量。

5 PC工法樁圍堰施工主要風險及對策

5.1 施工主要風險

(1)PC工法樁接口滲漏水

①樁間錯動導致鎖扣漏水

由于鋼管樁＋鋼板樁組合形成的PC工法樁的連接方式、內(nèi)部支撐裝配連接方式及其布置等原因，相鄰的圍護樁可能會產(chǎn)生不同程度的樁身變形[11]。且角樁的受力變形不同于鄰樁的受力變形，因此鄰樁相接處的鎖扣就可能產(chǎn)生錯動，從而形成縫隙，導致漏水。

②沉樁偏差導致鎖扣間縫隙漏水

沉樁過程不可避免存在偏差，從而導致鄰樁鎖扣在沉樁過程中就已形成較大的縫隙，加之本工程樁長較長，更易發(fā)生此類問題，導致漏水。

(2)封底混凝土滲漏水

PC工法樁圍堰支護結構主要通過封底混凝土及其下部土體自重維持PC工法樁底部內(nèi)外壓力之間的平衡，若封底混凝土出現(xiàn)滲漏水勢必危及結構和施工安全。

①厚度不滿足設計要求。封底混凝土的厚度低于設計要求導致其強度不夠，易造成漏水。

②導管布置不合理。根據(jù)混凝土工作性能，混凝土流動半徑不大于5 m，在導管布置時，若規(guī)劃不合理，或布設數(shù)量不足，均易導致基底出現(xiàn)混凝土真空地帶，尤其邊緣混凝土厚度不足時，極易引發(fā)漏水。

5.2 風險對策

(1)PC工法樁接口滲漏水

①輕微漏水時，在PC工法樁外側沿鎖扣方向倒入黏土、木屑，或其混合物等堵漏材料，依靠樁內(nèi)外壓差使其封堵鎖扣縫隙；內(nèi)側則在鎖扣漏水部位嵌塞棉絮、棉筋等嵌塞物，內(nèi)外結合進行堵漏。

②漏水嚴重時，則需潛水員在圍護樁外側鎖扣漏水部位涂抹防水材料進行堵漏。

(2)封底混凝土滲漏水

樁基鋼護筒、PC工法樁與封底混凝土結合處出現(xiàn)滲漏水[12]，漏水較小時，采用水泵及時抽排即可；漏水較大時，可填塞棉絮、棉筋等嵌塞物；若出現(xiàn)嚴重滲漏時，則需在圍堰外側填置沙袋進行封堵。

6 結束語

金溪湖特大橋主墩承臺基礎現(xiàn)已順利實施完畢，實踐表明:

(1)高壓水刀引孔輔助振動錘沉樁工藝很好地解決了PC工法樁在復雜地層條件下貫入阻力大和插打困難等技術難題，沉樁速度快，沉樁質(zhì)量高。

(2)采用PC工法樁圍堰施工，進度快、支護強度高、變形小、止水封水效果好，為承臺施工提供無水作業(yè)條件，既保證了復雜地層橋梁樁基承臺深基礎的施工安全，又確保其施工質(zhì)量。