武穴長江公路大橋主墩基礎(chǔ)施工方案探討

陳文彥

中國鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司

摘要：不同地質(zhì)條件下，采用先平臺后圍堰及先堰后樁法均各有其優(yōu)缺點(diǎn)，針對武穴長江大橋的實(shí)際情況，對兩種施工方案的優(yōu)劣性進(jìn)行比選、分析，最終主墩基礎(chǔ)施工方案采用先平臺后圍堰法進(jìn)行施工。

關(guān)鍵詞：主墩基礎(chǔ)；平臺后圍堰；先堰后樁法；比選、分析

一、概述

1.1 項(xiàng)目背景意義

長江是我國具有全球影響力的內(nèi)河經(jīng)濟(jì)帶、東中西互動(dòng)合作協(xié)調(diào)發(fā)展帶、沿海沿江沿邊全面推進(jìn)對內(nèi)對外開放帶。

建成通車后將與麻城、陽新、瑞昌，滬蓉、滬渝、杭瑞、濟(jì)廣、大廣、上海至武漢等多條高速公路連接組網(wǎng)。

1.2 橋梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）公路等級：高速公路

（2）設(shè)計(jì)速度：100 km/h

（3）汽車荷載等級：公路-Ⅰ級

（4）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 年

（5）武穴長江大橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面：組合梁及砼梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度均為33.5m。

（6）抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：地震基本烈度為VI度。

1.3 推薦橋型

主橋采用（80+290+768+70+70+70+60）米雙塔雙索面組合梁斜拉橋，主橋長1415.3米。

二、主墩基礎(chǔ)概述

2.1 水文條件

根據(jù)多年水文資料分析，長江中下游干流汛期出現(xiàn)在5～10月，4月份為漲水期，11月為退水期，12月和次年1、2、3月份為枯水期。根據(jù)武穴水位站統(tǒng)計(jì)，歷年最高水位為22.10m（1998年8月2日，黃海高程），歷年最低水位為6.01m（1961年2月3日），多年平均水位為13.80m。

2.2河道條件

本項(xiàng)目所處河段為長江中游鯉魚山水道和武穴水道，屬分汊型河道。擬選橋位屬于鯉魚山水道。橋位河段因兩岸分布著眾多山體，多年來河道平面位置及主流走向變化較小，河勢整體基本穩(wěn)定，局部河段岸線以及深槽隨著來水來沙條件的不同發(fā)生沖淤變化，但是變化幅度不大。

2.3地質(zhì)條件

橋址區(qū)第四系覆蓋層厚度大，地質(zhì)呈填土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂、卵砂石等結(jié)構(gòu)，摩阻力q1k≤120KPa，地基承載力≤500KPa，摩阻力及承載力值較低，不宜選作該大橋的基礎(chǔ)持力層；下伏志留頁巖和泥盆系砂巖夾頁巖，承載力、摩阻力相對較高，可作為大橋墩臺基礎(chǔ)持力層。

2.4 主墩基礎(chǔ)

南岸16#主橋樁基礎(chǔ)采用嵌巖樁，直徑3.0m，樁長65m，44根，承臺尺寸為22.8*80.8*8m，整體式啞鈴型，基礎(chǔ)分布在江邊岸坡上，岸坡角度為300，岸坡表層堆積當(dāng)?shù)厮槭庸S廢棄碎石，最大厚度約16m，碎石堆積層下為全風(fēng)化砂巖夾頁巖，樁基嵌入中風(fēng)化砂巖夾頁巖巖層。

圖2.1.1 16#主墩橋位地質(zhì)構(gòu)造立面圖

圖2.1.2 16#主墩基礎(chǔ)平面布置圖

三、基礎(chǔ)施工方案制定

針對推薦的橋型布置南主橋16#主墩基礎(chǔ)制定兩套施工方案，即先平臺后圍堰和先堰后樁法。

3.1先平臺后圍堰法

（1）碎石堆積層清理及承臺基坑的開挖

1）清理南岸邊坡表面的碎石堆積層，根據(jù)邊跨現(xiàn)澆箱梁鋼管支架、鋼棧橋的布距將強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾葉巖表層開挖成臺階狀。

2）在邊坡碎石清理完成后，采用水下挖泥船對主墩墩位處堆積碎石層進(jìn)行清理，碎石層清理完成后，采用水下爆破法開挖基坑（強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾頁巖），爆破范圍需滿足封底砼3m厚度要求，開挖完成后進(jìn)行清理整平，基底應(yīng)滿足鋼套箱圍堰布置要求。

（2）鋼棧橋、鋼平臺搭設(shè)

在主橋17#～16#號墩兩側(cè)設(shè)置鋼棧橋，橋面標(biāo)高根據(jù)南岸現(xiàn)場的實(shí)際地形設(shè)置為42.5m（陽新縣富巢碎石場場地標(biāo)高），利用已開挖完成的平臺進(jìn)行支撐樁施工，完成后安裝鋼管樁，依次安裝支承橫梁、型鋼連接桁架，、貝雷梁縱梁、橫向分配梁及橋面板。

1）水上工作鉆孔平臺是利用鋼管樁和樁基鋼護(hù)筒作為支撐結(jié)構(gòu)，用多組雙排單層貝雷梁作平臺承重結(jié)構(gòu)，其間設(shè)多道連接型鋼桁架形成整體，貝雷梁上鋪設(shè)工字鋼作荷載分配梁，槽鋼作平臺鋪面。

2）利用已搭設(shè)的鋼棧橋，配合履帶吊進(jìn)行平臺搭設(shè)，鋼管樁采用振動(dòng)錘或沖擊錘進(jìn)行插打，鋼護(hù)筒采用APE400打樁錘插打，插打深度進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層不小于50cm，由于樁位處已進(jìn)行爆破開挖，外露巖層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾頁巖，地基承載力基本允許值為500kpa，具體插打情況及設(shè)備選用考慮在岸邊已清理出的場地進(jìn)行試打，根據(jù)試打情況再安排下一步的平臺搭設(shè)方案。

3）鋼管樁試打后，若巖層鋼管樁無法進(jìn)行插打，可采用錨樁方案，利用履帶吊配合振動(dòng)錘插打鋼管樁搭設(shè)局部鉆孔平臺，在平臺上進(jìn)行錨樁施工，在錨樁施工完成后搭設(shè)鉆孔平臺，拆除錨樁施工平臺，多次重復(fù)上述工序后，完成鉆孔平臺的搭設(shè)。

（3）承臺施工

主墩承臺采用雙壁鋼套箱圍堰施工。

在樁基施工完成后，拆除鉆孔平臺保留鋼護(hù)筒。

首先在下游靠近橋位的江州造船廠加工鋼套箱，首節(jié)鋼套箱（高出多年平均水位約1m，多年平均水位為13.8m）下河后浮運(yùn)至墩位，封底砼厚度按3米，封底砼底標(biāo)高為-1.0米，首節(jié)鋼套箱加工高度為13.8+1+1=16米。采用浮吊吊裝首節(jié)鋼套箱圍堰，利用鋼護(hù)筒作為導(dǎo)向架進(jìn)行精準(zhǔn)定位，鋼套箱精準(zhǔn)定位后注水下沉，隨時(shí)測量套箱各注水點(diǎn)隔艙內(nèi)水面高程，嚴(yán)格控制各隔艙內(nèi)的水面高差，保持各隔艙水面高程基本一致。對套箱頂面各特征點(diǎn)的平面位置及高程進(jìn)行同步跟蹤測量，確保套箱注水對稱、均勻，避免套箱偏位、傾斜。

對河床面底面形態(tài)變化進(jìn)行跟蹤測量，確保著床時(shí)河床面基本平整?？紤]20年一遇最高水位21.5m，圍堰頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為22.5m，第二節(jié)高度為7.5m，分塊加工、制作，現(xiàn)場浮吊組拼。圍堰吊裝完成后澆筑水下封底砼。

封底砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，抽干圍堰內(nèi)水，人工檢平基底，破除樁頭，安裝承臺鋼筋模板，澆筑承臺大體積砼。承臺砼分兩次澆筑，并設(shè)置冷卻管。

圖3.1.1 鉆孔樁平臺平面布置圖

3.1.4 鋼套箱圍堰布置圖

3.2先堰后樁法

（1）碎石堆積層清理及承臺基坑開挖（施工方法與3.1相同）

（2）鋼棧橋、鋼平臺搭設(shè)（施工方法與3.1相同）

（3）鋼套箱圍堰施工

在下游江州造船廠加工鋼套箱，武穴水文站觀測多年平均水位為13.8m，考慮封底砼厚3米，封底底標(biāo)高為-1米，首節(jié)鋼套箱加工16米，（高出水位約1m），考慮20年一遇最高水位21.5m，圍堰頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為22.5m，第二節(jié)高度為7.5m，首節(jié)鋼套箱下河后采用全回轉(zhuǎn)拖船浮運(yùn)至墩位，浮運(yùn)航速小于3km/h，轉(zhuǎn)彎航速1.8km/h，風(fēng)速小于8m/s（五級），水流流速不大于1m/s，天氣晴朗的條件下進(jìn)行。

鋼套箱浮運(yùn)到位后，先進(jìn)行初步定位，再進(jìn)行精確定位。

采用錨墩進(jìn)行精確定位，在岸上設(shè)置2個(gè)樁基加承臺錨墩，在水中設(shè)置2個(gè)鋼錨墩，鋼錨墩平面尺寸30*24m，基礎(chǔ)采用25根φ1000×20mm鋼管樁，入粉細(xì)砂層15m，強(qiáng)風(fēng)化巖層5m。主梁采用2根HN800×300，分配梁采用25a工字鋼，10t卷揚(yáng)機(jī)8組，滑輪8組，上下各設(shè)4個(gè)拉攬，上拉攬采用3φ90鋼絲繩，下拉攬采用5φ90鋼絲繩。岸上錨墩承臺尺寸30*24*2m，基礎(chǔ)由15根φ1.5m鋼筋砼樁基組成，樁基入巖深度不小于10m，在承臺中預(yù)埋相應(yīng)的桿件，卷揚(yáng)機(jī)、滑輪、拉攬布置形式同鋼錨墩結(jié)構(gòu)形式相同。

具體步驟如下：

1）鋼套箱浮運(yùn)前先將2根上拉纜與臨時(shí)定位船連接，并進(jìn)行預(yù)拉。套箱浮運(yùn)至設(shè)計(jì)墩位處先與臨時(shí)定位船連接。

2）利用套箱頂面布置的卷揚(yáng)機(jī)，通過轉(zhuǎn)纜船將另外一根上拉纜由錨墩處牽引至套箱系纜處固定牢靠。依次將臨時(shí)定位船上的上拉纜轉(zhuǎn)纜至套箱上。轉(zhuǎn)纜完成后，依次掛設(shè)其它下拉纜，利用錨墩定位系統(tǒng)各方向上的拉纜對套箱進(jìn)行平面位置調(diào)整定位；然后通過上下拉纜對鋼套箱的垂直度進(jìn)行調(diào)整，最后拖輪全部退出。

3）精確定位在套箱注水離河床還有2m時(shí)進(jìn)行。將拉纜與錨墩平臺上滑車組前端的尾繩用繩卡連接。啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)觀測拉力計(jì)與應(yīng)變器，對每根拉纜拉力進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測。繼續(xù)收纜，同時(shí)觀測拉力計(jì)與應(yīng)力應(yīng)變器，對每根拉纜進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測；動(dòng)滑車組牽引到位后，如果拉纜沒有收緊，還處于松弛狀態(tài)，此時(shí)將備用尾繩與拉纜用繩卡連接，把拉纜上的力傳到備用尾繩上，通過備用尾繩打梢。

4）松開卷揚(yáng)機(jī)，將動(dòng)滑車移到平臺前端，用繩卡把拉纜和動(dòng)滑車上尾繩連接。重復(fù)上述步驟，完成套箱精確定位。

5）鋼套箱精確定位后注水下沉，套箱各注水點(diǎn)隨時(shí)測量隔艙內(nèi)水面高程，嚴(yán)格控制各隔艙內(nèi)的水面高差，保持各隔艙水面高程基本一致。對套箱頂面各特征點(diǎn)的平面位置及高程進(jìn)行同步跟蹤測量，確保套箱注水對稱、均勻，避免套箱偏位、傾斜。對河床面底面形態(tài)變化進(jìn)行跟蹤測量，確保著床時(shí)河床面基本平整。跟蹤測量套箱的傾斜度，可利用拉纜及時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。首節(jié)套箱就位后，其它節(jié)段套箱通過駁船運(yùn)輸至墩位，利用浮吊逐節(jié)拼裝。

6）砼封底、鋼護(hù)筒、鉆孔樁施工

鋼套箱圍堰就位后，利用浮吊布置鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒安裝完成后進(jìn)行水下砼封底施工，封底砼強(qiáng)度達(dá)到要求后布置鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔樁施工。

四、基礎(chǔ)施工方案比選

不同地質(zhì)條件下，采用先平臺后圍堰及先堰后樁法均各有其優(yōu)缺點(diǎn)，針對武穴長江大橋的實(shí)際情況，對兩種施工方案的優(yōu)劣性進(jìn)行比選、分析如下：

4.1方案一（先平臺后圍堰法）

（1）方案施工流程

覆蓋層清理→鋼棧橋施工→鋼平臺施工→水下爆破基礎(chǔ)開挖→鉆孔樁施工（鋼護(hù)筒）→基底清理→拼裝鋼圍堰及下沉（兩次下沉）→封底砼施工→承臺施工

（2）施工優(yōu)點(diǎn)

1）利用已完成的樁基鋼護(hù)筒進(jìn)行鋼圍堰定位，定位偏差小、鋼圍堰定位準(zhǔn)確。

2）利用已完成的樁基鋼護(hù)筒進(jìn)行鋼套箱定位，可有效防止水流沖刷、岸坡碎石體溜滑、底部及周邊覆蓋層的變化對鋼套箱的影響，避免了鋼套箱在施工過程中的局部偏移、傾斜，安全施工風(fēng)險(xiǎn)小。

3）鋼套箱下沉定位后，在施工封底砼時(shí)，由于封底砼與已完成的樁基護(hù)筒銜接、穩(wěn)定性能更好，封底砼的成功率更高。

4）鋼套箱加工、制作有充足的準(zhǔn)確時(shí)間。

（3）施工缺點(diǎn)

1）鋼套箱采取分段、分節(jié)拼裝，鋼套箱吊放、安裝時(shí)間長，對總體工期不利。

2）鋼套箱下沉?xí)r需對鋼平臺進(jìn)行局部拆除，鋼套箱完成后還需進(jìn)行局部組裝以便于施工，增加了鋼平臺施工工程量。

4.2方案二（先堰后樁法）

（1）方案施工流程

覆蓋層清理→水下爆破基礎(chǔ)開挖→基底清理→整體拼裝下沉首節(jié)鋼圍堰→整體拼裝下沉第二節(jié)鋼圍堰 →封底砼施工→鉆孔樁施工→承臺施工

（2）施工優(yōu)點(diǎn)

1）鋼套箱采取整體浮運(yùn)下沉，可提前在江州造船廠下游進(jìn)行組裝，鋼套箱吊裝、安裝時(shí)間短，工序銜接連續(xù)，對總工期有利。

2）可節(jié)約部分成本。

（3）施工缺點(diǎn)

1）鋼套箱定位采用錨墩固定，精準(zhǔn)定位困難。

2）采用錨墩固定鋼套箱，在外力作用下易使鋼套箱產(chǎn)生局部移位、傾斜，對鋼套箱定位固定安全產(chǎn)生不利影響。

3）鋼套箱采用錨墩固定，纜繩具有一定的柔韌度，在封底過程中對封底砼會產(chǎn)生一定影響，封底砼會有一定安全風(fēng)險(xiǎn)；

4）16#主墩與長江主航道距離較近，采用錨墩、纜繩對鋼套箱進(jìn)行固定，受到通行船只影響，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

五、結(jié)論

通過先平臺后圍堰、先堰后樁法的方案優(yōu)劣比選，采用先平臺后圍堰法雖然鋼套箱在安裝、下沉過程中占用時(shí)間較長，但鋼套箱加工會有充足的準(zhǔn)備時(shí)間，鋼套箱封底砼、鋼套箱的精準(zhǔn)定位、鋼套箱的偏移、傾斜度控制等均有一定的安全保障。因此最終主墩基礎(chǔ)施工方案采用先平臺后圍堰法進(jìn)行施工。