長白山國際旅游度假區(qū)北區(qū)1#橋深水筑島施工與實踐

中國建筑土木建設有限公司路橋分公司 上海 200122

0 前言

在橋梁工程施工中，筑島法常用于淺水區(qū)域的樁基工作平臺或沉井、無底鋼套箱等的工作平臺。一般而言，純土或草袋筑島施工適用于水深小于3.5 m，流速小于2 m/s的河岸淺灘地區(qū)。然而，在一些交通條件、施工條件限制較大的區(qū)域進行橋梁施工時，盡管水深、地形、地質等條件都不利，筑島施工也是一種可能的選擇。我公司在長白山國際旅游度假區(qū)北區(qū)1#橋施工時，在橋梁跨躍水庫庫區(qū)、河岸邊坡陡峭、巖層出露且水深極大的施工條件下，進行了深水筑島圍堰施工的嘗試，取得了部分成功。

1 工程概況

長白山國際旅游度假區(qū)北區(qū)1#橋位于吉林省撫松縣小山水庫庫區(qū)，該橋跨越小山水庫庫區(qū)位置的紅泥河，橋長409 m，橋型布置為3×23 m+(90 m+160 m+90 m)，主橋為剛構-連續(xù)梁橋。具體橋梁布置如圖1所示。

1.1 設計概況

1#橋主墩均位于河岸邊，其4#、5#橋墩均采用矩形截面雙薄壁墩，截面尺寸為9 m×2 m，墩高為32 m，承臺截面尺寸采用17.3 m×12.8 m×4.5 m，下設置厚10 cm C15混凝土墊層，基礎采用12 根Φ1.8 m的鉆孔灌注樁，設計樁長15 m。

圖1 長白山國際旅游度假區(qū)北區(qū)1#橋橋型布置

1.2 地形地貌

本橋處于河谷之間，現(xiàn)場地主要為林地，該區(qū)域受峽谷切割影響，山勢陡峭，交通閉塞。河谷呈近似對稱U形，西岸坡度大于45°，東岸坡度約40°，坡面中上部殘破積層覆蓋，下部基巖裸露。水位678 m時，河面寬約167 m，水庫水深35 m。兩岸岸邊高程大于715 m，河床底面高程643 m。河床水流平穩(wěn)為深潭，底部大部分是水庫形成后淹沒的河灘地，土質、砂礫和卵石的覆蓋層很薄。常用水位時，4#主墩位承臺水深6.1 m，5#主墩位于水下10.2 m。兩主墩位置水下地形如圖2所示。

圖2 主墩處水下地形

1.3 水文地質

本橋位于吉林省撫松縣境內的長白山西坡，屬于長白山低山丘陵地貌單元。原地面除0.3～0.7 m的黏土碎石層外，其下均為強風化玄武巖。其水下部分有0.5～1.0 m的卵礫石層，滲透系數(shù)K=80 m/d。

本工程處于紅泥河下游，小山水電站上游支汊內，距離水庫大壩1 km，水流速度較小，施工水位受到冬季蓄水、春季發(fā)電放水、雨季洪水的三重影響：即冬季為了保持庫容，小山水電站從9月下旬開始下閘蓄水，一直到次年3月，在此期間，水位標高保持在正常蓄水位681 m左右（2010年實測平均值），水深達到37 m；每年春季3月開閘放水發(fā)電，一直到10月，水庫內水位反而降低，保持在676～680 m之間（6月10日至8月15日）。雨季（從7月到9月）受松花江上游的降水、泄洪和發(fā)電放水的相互影響，9月最高洪水位達到683.5 m，泄洪后死水位達到約為674 m（2010年水位最低值），水位高差達9.5 m。水庫水位變化頻繁，有時日落差超過3 m，嚴重制約了樁基、承臺和墩身的施工組織。

紅泥河為松花江流域的一條小河，平均流量約5 m3/s，洪水出現(xiàn)在春季和8～9月，洪水時流量較大，約30 m3/s。

2 施工方案研究

深水、陡坡、淺履蓋層橋梁基礎是橋梁的施工難點，多出現(xiàn)在長江、水庫地形的橋梁設計中，其施工方法主要以圍堰法、固定平臺法和浮式平臺法為主。根據(jù)本工程的特點，我們針對以上施工方法進行了技術、經(jīng)濟對比。

根據(jù)本橋的施工條件，我們根據(jù)經(jīng)驗和初步方案對土石圍堰法、深水護筒組合平臺+鋼吊箱法、雙壁鋼套箱圍堰法和浮式平臺+鋼吊箱法共4 種施工方案進行了經(jīng)濟分析，其工期約分別為4.5 個月、7 個月、9.5 個月和7 個月，相應的費用分別為455 萬元（不含基坑）、1 024 萬元、1 532 萬元和1 377 萬元。

據(jù)上述分析，由于當?shù)靥盍陷^充分，土石圍堰筑島施工在經(jīng)濟上和施工時間上具有較大的優(yōu)勢，但在環(huán)境保護和適用性上具有較大的制約。本工程開工時間為8月，長白山地區(qū)的年可施工時間一般為4～10月，而橋梁基礎施工平臺預計需用時間約4 個月。采用筑島施工可在當年內完成平臺施工，有效利用第2年可施工時間，經(jīng)過專家論證，采取了此實施方案。

3 筑島方案設計[1-5]

由于橋梁基礎工程施工期已經(jīng)進入當?shù)匮雌冢瑸楸ＷC主墩的基礎及下部結構施工，其筑島圍堰必須考慮水庫5 年的設計水位、流速和因洪水迅速漲落對筑島的影響，同時必須保證施工期的邊坡穩(wěn)定。

由于當?shù)貫樯綆X水庫庫區(qū)，交通閉塞，大型機械設備和水上施工設備無法進入，筑島施工采用水中進占法進行。

3.1 筑島平面設計

筑島的平面尺寸應為結構開挖所需的尺寸外加護坡道寬度。根據(jù)公路施工手冊有關筑島圍堰護坡道的要求，護坡道寬度可按下式計算：

式中：H——筑島高度，按10 m計算（承臺外緣2 m處水深）；

φ——填土的內摩擦角（飽和狀態(tài)），填黏土取15°，填石取35°。

計算得出B在填土和填石條件下分別為7.3 m和5.4 m。

考慮施工工作面每邊1.6 m，本工程筑島的平面尺寸為31.3 m×26.8 m。

3.2 標高設計

根據(jù)設計圖紙，小山水庫設計常水位為676.4 m，設計高水位為683.5 m，考慮到安全超高、風浪爬高等要求，筑島標高選擇685 m。

3.3 填料選擇

由于本工程4#墩側正在進行市政道路工程，有較多的石質棄方可以利用，為降低工程造價，初步選擇采用該石方為主要填料。5#墩側考慮以黏土填料為主。

3.4 水力計算

筑島圍堰的水力計算主要是確定迎水面的坡度和防護處理。

3.4.1 采用經(jīng)驗法計算

參考國內若干已建工程水中拋土特性[3]以及水中拋填土的穩(wěn)定邊坡進行坡度估算公式為：

式中：α—— 圍堰坡角角度（°），cotα=X（水平邊長）/Y（縱高度）；

K——邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；

φ——土料內摩擦角值（°）。

根據(jù)對填料的土工試驗結果，按最小安全系數(shù)取值K=1.15，按上式計算求得坡角值如下：填石：cotα=K/tanφ=1.15/tan35=1.64填土：cotα=K/tanφ=1.15/tan15=4.29

3.4.2 邊坡穩(wěn)定性驗算

采用理正軟件對筑島施工的邊坡穩(wěn)定性進行驗算，經(jīng)過多次試算，確定坡角值為1∶2.3。通過對現(xiàn)場模擬，確定計算邊坡形狀如圖3所示。在圖中，邊坡形狀可以分成4 個區(qū)域：其中，①區(qū)為填土區(qū)；②區(qū)為強風化和中風化玄武巖區(qū)；③區(qū)為碎石和卵石層；④區(qū)為黏土和淤泥質土層。采用圓弧滑動法進行其邊坡安全系數(shù)的計算。

圖3 筑島邊坡模型

經(jīng)計算，填石邊坡的安全系數(shù)為K=1.965，其滑動面簡圖如圖4。填土邊坡的安全系數(shù)為K=1.212，其滑動面簡圖如圖5。均滿足穩(wěn)定性要求。

圖4 填石筑島邊坡滑動面

圖5 填土筑島邊坡滑動面

通過上述分析，選擇深水筑島圍堰的坡比為1∶2.3。4#墩填筑方量為33 658 m3，5#墩填筑方量為36 541 m3。

4 筑島實施情況及分析

方案確定后，開始進行圍堰筑島施工。4#墩采用現(xiàn)場的碎石土填筑，5#墩采用黏土填筑，每15 d對水庫下的斷面進行對比測量。

4#墩筑島9月20日先行施工，40 d后，填筑3.1萬 m3，岸邊未推進，經(jīng)水下測量，部分填土已堆至邊坡，實際有效方量1.7萬 m3，流失率達到46％。

5#墩從10月16日填筑，填料采用黏土，施工過程中由于水位變化頻繁，日落差達4 m，筑島時常出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，往往前進幾米，第二天又全部滑落水中。15 d后填筑3.1萬 m3，經(jīng)水下原地面測量，5#墩邊坡未見土方，所填土方已滑落河底，形成淤泥，實際有效填方不到5 000 m3，逾2萬 m3不知去向。橋兩側筑島土方在河底中心已經(jīng)合攏，并已填高逾4 m。

通過對水文、地形情況的觀測，施工暫時停工，再次對筑島方案進行論證分析。筑島方案未達到預期主要有以下原因：

（a）施工期間，因當?shù)睾樗畮靺^(qū)水位變化頻繁，水位驟降對填土造成了較大的影響；

（b）筑島設計時填料的內摩擦角僅考慮了飽和狀態(tài)時的數(shù)值，但未考慮到拋填土時迎水面內摩擦角的降低，根據(jù)國內相關資料，土質填料時，拋填土時迎水面內摩擦角僅為飽和狀態(tài)時數(shù)值的一半。填黏土時，迎水面拋填時其內摩擦角一般為9°～10°，按經(jīng)驗公式計算其坡角值為7.26，遠大于施工取用的2.3。

（c）采用理正邊坡穩(wěn)定性計算時，坡面模型與實際有所差距，安全系數(shù)偏低。

經(jīng)上述分析，對筑島施工方案進行了調整，4#墩填石方案繼續(xù)施工，5#墩填土方案變更為鋼平臺。4#墩又經(jīng)過20 d填筑，順利形成了筑島平臺，實際總填方量為6.4萬 m3，為當初設計值的1.9 倍。5#墩因筑島使坡面覆蓋土層加厚，鋼平臺得以順利實施。