鐵路橋梁深水基礎(chǔ)施工對水環(huán)境的影響分析

周鐵軍，馬龍

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

隨著我國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，跨深水河流、湖泊、海峽的大型鐵路橋梁日益增多。對于跨越江河的鐵路橋梁來說，水下施工過程難免會(huì)對水體產(chǎn)生擾動(dòng)，造成局部水體污染。因此，做好施工期的水環(huán)境保護(hù)，減輕橋梁水下基礎(chǔ)施工對水體的污染是鐵路跨水橋梁建設(shè)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)工作。

鐵路橋梁技術(shù)發(fā)展相對較早，橋梁深水基礎(chǔ)技術(shù)從20世紀(jì)50年代開始發(fā)展至今，已進(jìn)入國際先進(jìn)水平。從己建成工程的基礎(chǔ)形式看，可以粗略地將其劃分為三個(gè)發(fā)展階段［1，2］:一是管樁及混凝土樁基礎(chǔ)，二是沉井和鉆孔樁基礎(chǔ)，三是復(fù)合基礎(chǔ)。雙壁鋼圍堰加鉆孔灌注樁基便是復(fù)合基礎(chǔ)形式之一，它在我國鐵路橋梁深水基礎(chǔ)中應(yīng)用最為普遍。其優(yōu)點(diǎn)是一方面鋼圍堰可以用于樁基施工的臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，便于基礎(chǔ)的施工;另一方面，該結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)施工完后可以用做永久防碰撞設(shè)施，起到保護(hù)橋基礎(chǔ)的作用。

1 施工工藝及水環(huán)境影響分析

1.1 棧橋架設(shè)

跨水橋梁基礎(chǔ)施工前需做好人員通行、材料運(yùn)輸及作業(yè)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)通道的建設(shè)，通常采取水上運(yùn)輸船只或搭建臨時(shí)棧橋的方式來實(shí)現(xiàn)。與船只運(yùn)輸相比，臨時(shí)棧橋不受風(fēng)浪、水位漲落的影響，因此應(yīng)用較為廣泛。同時(shí)，棧橋還可兼做水上施工平臺(tái)，為以后的鋼圍堰及鉆孔灌注樁施工奠定技術(shù)保證和安全保證。棧橋的上部結(jié)構(gòu)形式，理論上可以采用任何結(jié)構(gòu)形式，但出于施工快捷及拆除方便的需要，一般采用便于拼裝的結(jié)構(gòu)形式，如桁架梁、鋼箱梁等;棧橋下部結(jié)構(gòu)普遍采用施工與拆除較為方便的鋼管樁基礎(chǔ)形式。棧橋施工工序主要由基礎(chǔ)鋼管樁振打、貝雷主桁架設(shè)、橋面鋪裝三部分組成。棧橋基礎(chǔ)施工采用履帶吊配合打樁錘振打鋼管樁;主桁采用在后方場地內(nèi)拼裝分組桁架，運(yùn)至現(xiàn)場利用吊車組拼成整體;橋面施工采用在后方將橋面分塊加工成標(biāo)準(zhǔn)化模塊，由車輛運(yùn)輸?shù)轿缓蟮跹b架設(shè)。

棧橋設(shè)置對河流水環(huán)境的影響主要在鋼管樁打入和拔出階段，由于振動(dòng)錘的振打，致使河床泥沙上浮，造成局部渾濁，其影響范圍主要集中在打入點(diǎn)周邊。棧橋鋼管樁通常不會(huì)對水流形成阻水作用，但若所跨河流流速過快或鋼管直徑較大時(shí)，可能會(huì)因阻水而引起河床產(chǎn)生局部變形。當(dāng)水流行近樁時(shí)，因樁的阻水作用，一部分繞樁而過，一部分因沖擊樁前端，緊貼樁前緣的水流轉(zhuǎn)向上和向下流動(dòng)兩部分。下部水流遇樁后均向下流動(dòng)，直至河底，在河底形成一水平軸的與水流方向相反的指向河底的漩渦，由底部漩渦攪起的河底泥沙，被其上部水流夾帶向下游輸送，河底逐漸出現(xiàn)沖刷坑。當(dāng)上游進(jìn)入坑內(nèi)的泥沙量等于漩渦所攪起來的沙量時(shí)，沖刷不再發(fā)展，達(dá)到最大沖刷深度［3］。另外，當(dāng)散體材料或水泥拌和物等在棧橋運(yùn)輸過程中出現(xiàn)遺灑、傾覆等情況，也可使建筑材料或雜物落入水中，增大水中懸浮物含量。

1.2 鋼圍堰施工

所謂圍堰，就是在修筑地下和水中構(gòu)筑物時(shí)，所做的臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，把水隔開，防止水和土石進(jìn)入構(gòu)筑物的修建位置，以便在圍堰內(nèi)進(jìn)行基坑開挖和基礎(chǔ)施工［4］。圍堰按材質(zhì)進(jìn)行分類，可分為木圍堰、混凝土圍堰和鋼圍堰等，其中鋼圍堰由于材料本身的強(qiáng)度高，能抵抗外側(cè)的水土壓力，所以更適合于深水基礎(chǔ)施工，因而近年來廣泛地運(yùn)用于鐵路跨水橋梁深水基礎(chǔ)施工中。鋼圍堰不僅可作為鉆孔樁基礎(chǔ)的施工輔助手段，也可作為大面積承載的直接基礎(chǔ)，能夠起到圍水和施工平臺(tái)的作用，而且在橋梁運(yùn)營階段可參與部分結(jié)構(gòu)受力，從而提高結(jié)構(gòu)的整體性和防撞能力［5］。鋼圍堰由專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工成型后，通過水上運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至墩位處，下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，鋼圍堰構(gòu)件的制作加工質(zhì)量易保證，能在水流湍急的江河中使用。鋼圍堰安裝下沉就位后，進(jìn)行水下混凝土封底，待封底混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后抽干圍堰內(nèi)水，形成承臺(tái)干施工的作業(yè)環(huán)境，變水上施工為陸上常規(guī)作業(yè)。

鋼圍堰施工過程中，圍堰清基、圍堰下沉及混凝土封底等工序，可能對水環(huán)境造成影響。鋼圍堰下沉前，首先要清除鋼圍堰范圍內(nèi)的泥土及砂石，使圍堰落床范圍內(nèi)的河床面基本在一個(gè)平面內(nèi)，確保圍堰刃腳能同時(shí)著床;鋼圍堰著床后，對稱往隔倉內(nèi)注水可能引起圍堰不均勻下沉，需采用清除圍堰內(nèi)外側(cè)河底淤泥及砂石，使之均勻平穩(wěn)下沉，直至鋼圍堰下沉到位，清淤泥及砂石采用砂石泵、自制吸泥機(jī)、污水泵等設(shè)備配合作業(yè)。圍堰吸泥清基和圍堰下沉穿過河床表層時(shí)，會(huì)引起泥沙上浮，造成局部水體擾動(dòng);混凝土封底灌注過程中如果鋼圍堰的密閉性不好，則可能造成灌注混凝土直接進(jìn)入水體，對水體造成污染。

1.3 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工

1.3.1 水上工作平臺(tái)

水上施工平臺(tái)是為鋼護(hù)筒豎立埋設(shè)、鉆機(jī)鉆孔、灌注水下混凝土等施工需要而搭設(shè)的，分為固定工作平臺(tái)和浮動(dòng)工作平臺(tái)兩種。浮動(dòng)工作平臺(tái)即利用浮體(船舶、浮箱)組成工作船，在其上搭設(shè)平臺(tái)，再于平臺(tái)上安裝沉樁設(shè)備，水中樁基施工的全部作業(yè)均在此平臺(tái)上完成。浮船式平臺(tái)自重輕，易拆裝，水陸運(yùn)輸均很方便，缺點(diǎn)是它在沉樁全部作業(yè)過程中均受水位升降、水流速度的影響而浮動(dòng)，作業(yè)時(shí)需嚴(yán)格控制其傾斜度才能保證沉樁的質(zhì)量，所以，它的使用有較大的局限性;固定工作平臺(tái)以鋼管樁受力為主，鋼護(hù)筒受力為輔，并依靠鋼管樁間多道縱橫向聯(lián)結(jié)來保證其整體穩(wěn)定，平臺(tái)平面尺寸根據(jù)主墩承臺(tái)的大小及施工作業(yè)需要而定，為鉆孔樁本身施工和承臺(tái)套箱圍堰拼裝、下沉提供寬闊的作業(yè)面［6～8］。水上鉆孔平臺(tái)通常采用與棧橋相同的結(jié)構(gòu)，可與棧橋同步搭設(shè)。

1.3.2 鋼護(hù)筒埋設(shè)

施工工序?yàn)橄仍诠ぷ髌脚_(tái)安裝鋼護(hù)筒導(dǎo)向架，接著用振動(dòng)錘振沉護(hù)筒，當(dāng)護(hù)筒底部落床精確定位后，在水面用角鋼和圍堰壁焊接臨時(shí)固定。護(hù)筒全部安放就位后，護(hù)筒之間再次用型鋼加固，使全部護(hù)筒連成整體。

水上工作平臺(tái)架設(shè)和鋼護(hù)筒埋設(shè)對水環(huán)境的影響與棧橋鋼管樁的影響相似，都是水下基礎(chǔ)打入及拔出引起周邊河床泥沙上浮，造成局部水體渾濁。

1.3.3 鉆孔

進(jìn)行鉆孔作業(yè)前，需先進(jìn)行泥漿的制備，然后根據(jù)不同情況選擇正循環(huán)鉆進(jìn)或反循環(huán)鉆進(jìn)成孔，整個(gè)鉆孔過程包括沖擊鉆進(jìn)，沖抓鉆進(jìn)，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)等步驟，均在鋼護(hù)筒內(nèi)進(jìn)行。泥漿是鉆孔灌注樁施工中的重要施工材料之一，起著平衡井壁壓力、冷卻鉆頭、懸浮鉆渣以及保護(hù)孔壁等作用。

在鉆孔鉆進(jìn)過程中，鉆渣與泥漿混合物從孔內(nèi)被砂石泵吸出，經(jīng)過過濾砂濾去顆粒較大的鉆渣或中、細(xì)砂顆粒后流入排漿槽內(nèi)，從排漿槽流入沉淀池中，通過沉淀池對泥漿進(jìn)行自然沉淀后，經(jīng)沉淀池與儲(chǔ)漿池的連接口中流入儲(chǔ)漿池，再從儲(chǔ)漿池利用泥漿泵送入泥漿旋流器中，濾掉特細(xì)的粉細(xì)砂顆粒，然后返回孔內(nèi)。整個(gè)鉆進(jìn)過程都在護(hù)筒內(nèi)進(jìn)行，不與圍堰外的水體發(fā)生交換，護(hù)壁泥漿經(jīng)凈化系統(tǒng)處理后循環(huán)利用，對水環(huán)境影響較小;最終產(chǎn)生的鉆渣含有大量固體懸浮物，若處置不當(dāng)，直接進(jìn)入水體則會(huì)造成水體污染。

1.3.4 清孔及吊放鋼筋骨架

鉆孔鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高后便開始清孔，此時(shí)將鉆頭提離孔底30 cm左右空轉(zhuǎn)，然后根據(jù)泥漿比重情況，泵入相對密度和含砂率較小的泥漿或清水，直到孔內(nèi)的泥漿比重達(dá)到1.05～1.2，含砂率小于4%。然后將符合工程質(zhì)量要求的整體制作或分節(jié)制作的鋼筋骨架，用機(jī)械設(shè)備吊放進(jìn)已經(jīng)清孔的鉆孔內(nèi)。鋼筋籠骨架上端應(yīng)設(shè)置四根吊環(huán)上穿鋼管，定位于鉆機(jī)平臺(tái)上，以保證有足夠長度的鋼筋嵌入系梁中。

整個(gè)清孔過程均在鋼護(hù)筒內(nèi)進(jìn)行，與外部水體是相分隔的，因此不會(huì)對周圍水體造成影響;吊放鋼筋骨架也是限制在鉆孔內(nèi)進(jìn)行，而鉆孔又限制在護(hù)筒及圍堰內(nèi)，因此，也不會(huì)對水體產(chǎn)生擾動(dòng)。

1.3.5 灌注水下混凝土

所謂混凝土灌注即將符合設(shè)計(jì)配比要求的混凝土拌和物，通過剛性導(dǎo)管進(jìn)行灌注。灌注過程中，應(yīng)注意觀察管內(nèi)混凝土下降和孔口返水情況，及時(shí)測量孔內(nèi)混凝土面高度，正確指揮導(dǎo)管的提升和拆除，保持導(dǎo)管的合理埋深。

在水下混凝土灌注過程中，應(yīng)將孔內(nèi)溢出的泥漿引流至適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)處理，防止污染水體。水下混凝土拌制和灌注，當(dāng)泵送設(shè)備能力達(dá)到時(shí)，混凝土拌和物可以在岸邊施工場地內(nèi)進(jìn)行拌和;當(dāng)不具備泵送條件時(shí)，可采用混凝土拌和船，在平臺(tái)附近拌制混凝土后進(jìn)行灌注。

另外，施工過程中機(jī)械設(shè)備、船只發(fā)生漏油事件也會(huì)造成水體污染。

綜上所述，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工對水環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在鋼護(hù)桶、圍堰下沉穿過河床表層引起泥沙上浮，圍堰到位后吸泥清基封底、鉆孔出渣排水以及機(jī)械設(shè)備漏油等。其中，鋼護(hù)桶定位、下沉、鉆孔、下置鋼筋籠、澆筑混凝土等環(huán)節(jié)均在鋼圍堰內(nèi)進(jìn)行，不與外界水體發(fā)生交換，因此對水環(huán)境的影響較小;而鉆孔、清孔、灌注混凝土過程中排出的泥漿、鉆渣，由于量大濁度高，若不及時(shí)妥善處置，會(huì)嚴(yán)重污染水環(huán)境、破壞生態(tài)或淤塞河道。

2 水環(huán)境污染防治對策

2.1 棧橋施工

為減輕棧橋鋼管樁對河底泥沙的擾動(dòng)，打入鋼管樁時(shí)可先依靠樁的自重下沉，待穩(wěn)定后再開動(dòng)振動(dòng)錘使樁繼續(xù)下沉至設(shè)計(jì)位置，拔出鋼管樁時(shí)需采用起吊設(shè)備緩慢拔出;采取封閉棧橋橋面系、及時(shí)清掃等措施防止施工雜物落入水中，采取棧橋邊緣設(shè)置防護(hù)欄桿的方式防止施工車輛、機(jī)械墜落。

2.2 鋼圍堰施工

圍堰焊接完畢后要對焊縫認(rèn)真檢查，對壁板和隔艙板焊縫進(jìn)行滲透檢查，確保圍堰密閉，入水前還要對圍堰表面進(jìn)行清洗，防止油污進(jìn)入水體;對圍堰吸泥、清基產(chǎn)生的泥渣利用專用船舶承接，進(jìn)行沉淀、過濾處理后，運(yùn)至岸邊指定地點(diǎn)妥善處置。

2.3 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工

針對鉆孔、清孔、灌注混凝土過程中排出的泥漿，一般采用自然沉淀法和機(jī)械分離法去除泥漿中的鉆渣［9］。自然沉淀法是在現(xiàn)場設(shè)置沉淀池，利用泥漿和鉆渣的密度差自然沉淀鉆渣，沉淀后的泥漿循環(huán)使用，鉆渣堆積晾曬后由專用泥漿罐車轉(zhuǎn)運(yùn)至當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門指定的地點(diǎn)妥善處置;機(jī)械分離法是利用機(jī)械設(shè)備如振動(dòng)篩將大顆粒鉆渣去除，去除鉆渣后的泥漿循環(huán)使用，鉆渣由于含水率較低可直接清運(yùn)。

鉆渣轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，要加大對運(yùn)輸車輛的監(jiān)理力度，嚴(yán)防中途偷排或遺漏。

同時(shí)，要加強(qiáng)對施工機(jī)械的日常養(yǎng)護(hù)，加強(qiáng)水上作業(yè)的監(jiān)管力度，杜絕燃油、機(jī)油的跑、冒、滴、漏，嚴(yán)禁向水體傾倒殘余燃油、機(jī)油、建材廢料和建筑垃圾。

［1］ 黃宏偉，張冬梅，徐凌，等.國內(nèi)外橋梁深基礎(chǔ)形式的現(xiàn)狀［J］.公路交通科技，2002(4):60－64.

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