裸巖深水樁基礎(chǔ)施工方案設(shè)計(jì)及分析

王 ?。ㄖ需F二局第五工程有限公司，四川 德陽(yáng)618000）

1 引言

在大跨度橋梁施工過程中，大型深水基礎(chǔ)成為橋梁施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]，橋梁深水基礎(chǔ)所處的深水環(huán)境對(duì)其設(shè)計(jì)和施工方面都有影響，工作平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮環(huán)境的特性，由于在深水環(huán)境中橋梁深水基礎(chǔ)所受的水平力比陸上和淺水環(huán)境中要大得多，同時(shí)，深水基礎(chǔ)屬于水下隱蔽工程，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，必須綜合考慮水的流速、深度等因素[2,3]。橋梁深水基礎(chǔ)以高樁承臺(tái)為主，深水樁基的施工方案需要根據(jù)樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、附近水域情況、墩位離岸距離，墩位處水下地形、覆蓋層厚度和土層性質(zhì)、基巖埋深及表面狀況，水深及水位變幅、水流速度和流態(tài)、施工期通航要求等方面來(lái)選擇確定[4,5]。在高樁深水樁基礎(chǔ)施工中，樁址處河床面覆蓋層很薄，甚至巖基層面裸露是常遇到的難題[6]。

2 工程簡(jiǎn)介

2.1 工程概況

京福鐵路閔贛Ⅷ標(biāo)古田溪特大橋位于福建省寧德市古田縣和福州市閩清縣交界處，主要跨越古田溪而設(shè)，中心里程DK744+044 跨越古田溪。橋跨布置為5-32m 簡(jiǎn)支箱梁+1-(60+100+100+60)m 連續(xù)梁+2-32m 簡(jiǎn)支箱梁+1-24m 簡(jiǎn)支箱梁。

其中7#墩為連續(xù)梁主墩，墩高50m，位于古田溪庫(kù)區(qū)中央，施工水深最大約43m，基礎(chǔ)設(shè)18 根ф2.8m 的鉆孔樁，成梅花形布置，為50m的等樁長(zhǎng)，最小嵌巖深度為7m；承臺(tái)頂面高程與設(shè)計(jì)最高水位基本一致，承臺(tái)水平為八邊形，最大結(jié)構(gòu)尺寸為（20.7×32×6）m。

7#墩大部分沒有覆蓋層，直接進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，下伏弱風(fēng)化石英砂巖，僅局部有1.5m左右淤泥覆蓋層，下面也是強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖和弱風(fēng)化石英砂巖。其余墩地質(zhì)依次為第四系沖洪積相淤泥，坡殘積層粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系上統(tǒng)長(zhǎng)林組石英砂巖。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各墩水下地形數(shù)據(jù)顯示，7#墩位處水下地形極為不平整，縱向地形高差在5m左右，橫向地形高差在6m 左右間。其余墩位于兩岸山坡，東岸較陡峻，西岸較緩。

汛期，保持庫(kù)區(qū)水位在61m 左右。非汛期控制庫(kù)區(qū)水位不高于65.0m（正常高水位）。施工水位（正常蓄水位）65.0m。河床底標(biāo)高在21m～28m 之間，極不平整。

2.2 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)

1）水文地質(zhì)條件復(fù)雜，庫(kù)區(qū)施工水深達(dá)43m，水位落差最大可達(dá)10.4m，水位變化頻繁且無(wú)規(guī)律，水中墩深水基礎(chǔ)施工難度極大。

2）河床面覆蓋層較薄甚至無(wú)覆蓋層，鋼護(hù)筒、鋼管樁插打困難，水下穩(wěn)定性差，水上鉆孔平臺(tái)施工難度大。

3）水深較深，鉆孔樁平臺(tái)施工方案的選擇為本工程的重點(diǎn)。

3 施工方案設(shè)計(jì)

7 號(hào)橋墩鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用“在河床底設(shè)置固腳鋼圍堰并通過封底混凝土對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行定位、由鋼護(hù)筒支撐、貝雷梁和型鋼作平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)”的總體設(shè)計(jì)方案；鉆孔平臺(tái)施工采用“在橋墩位設(shè)置浮式平臺(tái)和水上浮式龍門吊機(jī)作臨時(shí)施工平臺(tái)；固腳鋼圍堰在陸上分部加工、水上原位組拼、利用浮龍門整體下放、封底混凝土分區(qū)灌注；鋼護(hù)筒陸上分節(jié)加工、現(xiàn)場(chǎng)采用浮龍門逐根下放，50 噸浮吊配合人工安裝貝雷梁和型鋼作平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)”的總體施工方案。

施工時(shí)利用已搭好的浮式平臺(tái)進(jìn)行精確的水下地形測(cè)量，采用水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)指導(dǎo)加工固腳鋼圍堰，浮龍門整體下固腳鋼圍堰，以浮式平臺(tái)為依托設(shè)置鋼護(hù)筒的定位和導(dǎo)向架，用浮吊配合浮龍門下鋼護(hù)筒，接著分區(qū)澆筑水下混凝土進(jìn)行封底固住鋼護(hù)筒下口，再利用浮吊在固定好的鋼護(hù)筒上搭設(shè)鉆孔樁平臺(tái)，沖擊鉆機(jī)鉆孔成樁，樁基完成后拆除鉆機(jī)平臺(tái)即可施工承臺(tái)。

鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)本著有限面積使用最大化，平臺(tái)施工安排合理化，在滿足施工需要的前提下節(jié)約材料以達(dá)經(jīng)濟(jì)的目的；為便于平臺(tái)安裝、拆卸，平臺(tái)設(shè)計(jì)形成模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化；利用各樁位的鋼護(hù)筒作為平臺(tái)的基礎(chǔ)，鋼護(hù)筒頂部采用槽鋼連接，平臺(tái)采用花紋鋼板、工字鋼、貝雷梁、牛腿支撐等搭建，平臺(tái)頂利用用4 根鋼索錨于岸上，具體如下：

平臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1）固腳鋼圍堰：32m×20.7m×3m；

2）鋼護(hù)筒：18 根Φ3100×30mm 鋼管，平均長(zhǎng)度=43m；頂部連接采用[20a 槽鋼；

3）封底混凝土：C20

4）鉆機(jī)平臺(tái)尺寸：35.6m×23.7m

5）鉆機(jī)平臺(tái)主要采用材料：6mm 花紋鋼板、I28a 工字鋼、貝雷梁、牛腿支撐。

6）鉆井平臺(tái)頂利用用4 根鋼索錨在岸上，鋼索拉力為20t。

鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 鉆井平臺(tái)布置圖

4 7 號(hào)墩深水基礎(chǔ)施工

1）水下地形測(cè)量

為保證固腳鋼圍堰下放后能夠與河床面最大限度的吻合，在固腳鋼圍堰設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)7#墩承臺(tái)范圍內(nèi)的河床面地形做測(cè)量，測(cè)量范圍為25m×32m，墩設(shè)計(jì)承臺(tái)中心為準(zhǔn)進(jìn)行平面定位，按50cm 間距一個(gè)測(cè)點(diǎn)成網(wǎng)格形式進(jìn)行水下地形測(cè)量。

2）固腳鋼圍堰設(shè)計(jì)

圍堰設(shè)計(jì)外形尺寸為32.3m×21m，距鋼護(hù)筒凈空尺寸不小于574mm。圍堰頂設(shè)計(jì)標(biāo)高根據(jù)地形情況設(shè)置為+29.50m 和+25m，護(hù)筒位置處河床底面地形最高處標(biāo)高為27.232m，距圍堰頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為2.268m，考慮封底混凝土表面浮漿層影響，混凝土最小高度按3m 設(shè)計(jì)。

圍堰內(nèi)橫橋方向設(shè)計(jì)三道1m寬的的主桁架?？v向布置33 道1.5 ～2m 高，寬4.5m 次桁架。

3）固腳鋼圍堰加工及組拼

固腳鋼圍堰分塊在東岸鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)起重能力和道路運(yùn)輸條件綜合考慮，分塊長(zhǎng)度不大于9m，高度不大于5m；鋼圍堰組拼在水中浮式平臺(tái)上進(jìn)行，為方便固腳鋼圍堰的下放， 鋼圍堰拼裝平臺(tái)和浮式龍門合為一個(gè)操作平臺(tái)，即浮式龍門安裝在拼裝平臺(tái)上；固腳鋼圍堰在浮式平臺(tái)上分塊拼裝完成后，浮式龍門整體起吊鋼圍堰，拆除拼裝平臺(tái)即可下放。浮龍門平面尺寸為45m×39.2m，采用28 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)舟節(jié)作浮體拼組而成，拼組拼裝平臺(tái)時(shí)浮體中間加設(shè)兩條條舟體。鋼圍堰組拼前在浮式平臺(tái)上放出圍堰四周壁板邊線，主桁架、次桁架、隔艙板、預(yù)放鋼護(hù)筒位置，檢查鋼圍堰各構(gòu)件安裝是否與浮體或龍門沖突。為避免過多的水中作業(yè)，減小鋼圍堰拼裝風(fēng)險(xiǎn)，以及加快鋼圍堰拼裝進(jìn)度，鋼圍堰在碼頭附近進(jìn)行拼裝。

4）浮式龍門及浮式平臺(tái)定位

浮龍門及固腳鋼圍堰拼裝平臺(tái)組拼完成后，利用300 馬力的機(jī)動(dòng)舟托運(yùn)浮式平臺(tái)及浮式龍門至7#墩，利用全站儀測(cè)定浮式平臺(tái)位置初定位，然后利用浮式平臺(tái)四角的錨機(jī)收繩機(jī)收放錨繩調(diào)對(duì)浮式平臺(tái)進(jìn)行錨固，并精確定位。

5）固腳鋼圍堰下放、基腳支墊及著床

根據(jù)起吊系統(tǒng)配置情況，鋼圍堰不能一次下放到位，根據(jù)浮式龍門的起重條件，鋼圍堰分3次下放到位。固腳圍堰基腳臨近河床面時(shí)，潛水員下水對(duì)圍堰四周基腳進(jìn)行探摸和攝影，探摸方向從一個(gè)方面向另外一個(gè)方向按照鋼圍堰分塊壁板編號(hào)依次探摸，記錄好每塊壁板底部與河床面之間的高差，探摸及攝影完成之后，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，讓探討圍堰基腳支墊高度及支墊位置。

支墊及封堵材料采用蛇皮袋內(nèi)裝粗砂和水泥，兩者的混合比例按照1:1 混合，每袋混合物重量控制在100kg 以內(nèi)，支墊采用分層堆碼的形式。

6)鋼護(hù)筒施工方案

7#墩鋼護(hù)筒共計(jì)18 根，平均每根長(zhǎng)45m，總長(zhǎng)810m，總重1253.9t，鋼護(hù)筒所有頂面標(biāo)高控制在+65.5m，鋼護(hù)筒分三個(gè)區(qū)進(jìn)行下放，封底混凝土按照三個(gè)區(qū)進(jìn)行灌注。

固腳鋼圍堰下放完成之后先搭設(shè)鋼護(hù)筒下放平臺(tái)，在下放平臺(tái)上安裝導(dǎo)向架，100t 浮吊配合浮式龍門依次下放一區(qū)鋼護(hù)筒，然后對(duì)一區(qū)進(jìn)行水下混凝土灌注，待一區(qū)封底混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，下放二區(qū)鋼護(hù)筒及封底，待二區(qū)封底混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，下放三區(qū)鋼護(hù)筒及封底。

7）鉆孔樁施工

7#墩共有18 根直徑2.8m 的鉆孔灌注樁，樁基嵌入弱風(fēng)化凝灰?guī)r約15m，采用6 臺(tái)液壓反循環(huán)沖擊鉆機(jī)鉆進(jìn)，3 個(gè)循環(huán)施工完成。為防止后期孔樁開鉆時(shí)鉆機(jī)震動(dòng)對(duì)先期灌注的樁基混凝土尚未達(dá)到強(qiáng)度前的影響，需將先期灌注混凝土的樁基鋼護(hù)筒與鉆機(jī)平臺(tái)暫時(shí)斷開，所以鉆機(jī)的布置和樁孔的開鉆順序應(yīng)進(jìn)行科學(xué)周密的規(guī)劃，既不能影響鉆機(jī)的正常施工，又能保證鉆機(jī)平臺(tái)的穩(wěn)定和較小的變形。

5 結(jié)語(yǔ)

采用浮式平臺(tái)和浮式龍門吊拼裝和下放固腳鋼圍堰、下放并固定鋼護(hù)筒，在固腳鋼圍堰內(nèi)澆筑封底混凝土，形成鋼護(hù)筒支撐系統(tǒng)，解決了鋼管在裸巖基礎(chǔ)上無(wú)法下沉及定位的問題；鉆井平臺(tái)利用鋼護(hù)筒作為支撐，利用貝雷梁及縱橫向型鋼鋼等搭設(shè)，鉆井平臺(tái)滿足樁基礎(chǔ)鉆孔施工的需要；對(duì)鋼護(hù)筒支撐體系進(jìn)行有限元分析，鋼護(hù)筒支撐系統(tǒng)滿足施工過程中的強(qiáng)度、剛度及抗傾覆要求；通過準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和施工工藝創(chuàng)新，安全、快速的完成了裸巖深水樁基礎(chǔ)鉆孔平臺(tái)的修建，保證了施工過程安全有序地進(jìn)行；深水中樁基施工方法多樣，經(jīng)常受地形、設(shè)備、工期、資金等諸多因素的影響，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇經(jīng)濟(jì)、合理、科學(xué)的施工工藝。

[1]劉愛林. 寧安鐵路安慶長(zhǎng)江大橋主塔墩深水基礎(chǔ)施工技術(shù)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(2):73-77.

[2]苗冰.?？谔卮髽蛏钏A(chǔ)施工技術(shù)[J]. 華東公路,2010(5):75-77.

[3]史聰慧.天興洲長(zhǎng)江大橋北汊水中墩基礎(chǔ)綜合施工技術(shù)[J].世界橋梁，2007(2):9-11.

[4]丁峰,白炳東,管義軍. 蘇通大橋南主塔墩鉆孔平臺(tái)施工關(guān)鍵技術(shù)[J].橋梁建設(shè),2005(4):55-58.

[5]苗國(guó)良，江五四. 嘉紹跨江大橋(南側(cè))主航道橋橋塔墩鉆孔鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)與施工[J]. 世界橋梁，2010(1):20-23.

[6]葉紹其. 海上深水裸巖基礎(chǔ)鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)與施工[J].橋梁建設(shè),2009(3):59-62.