淮河復雜地質(zhì)條件下的深水墩施工技術(shù)

康一誠

中鐵六局集團 北京 100000

摘要：隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，國家基礎(chǔ)建設(shè)力度的加大，跨越大江大河的橋梁也越來越多，而我國幅員遼闊，水文、地質(zhì)復雜多變，水下基礎(chǔ)工程施工不可預見因素多，施工難度大，因而復雜水文地質(zhì)條件下的橋梁水下基礎(chǔ)施工技術(shù)已經(jīng)成為大型跨江、跨河橋梁施工中的關(guān)鍵技術(shù)。如何通過技術(shù)手段突破跨河、跨海橋梁的選址限制，實現(xiàn)在復雜地質(zhì)條件下的水中墩施工已迫在眉睫。本文通過淮南孔李淮河大橋主航道橋深水墩施工，闡述了在淮河復雜地質(zhì)條件下施工深水墩的施工技術(shù)要點。

關(guān)鍵詞：復雜地質(zhì)；深水墩；鉆孔樁；雙壁鋼圍堰；施工技術(shù)

1工程概況

淮南孔李淮河大橋主航道橋梁為三跨鋼箱下承式連續(xù)系桿拱橋，跨徑布置為11m0+180m+110m，主墩承臺橫橋向?qū)挾葹?3.6m，順橋向長度為18.6m，承臺厚度為5.5m。主墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，每個承臺下設(shè)12根直徑2m、樁長75m的鉆孔灌注樁。

該水中墩樁基分別穿過黏土層、中砂層、粉砂質(zhì)泥巖層。受淮河長期采砂作業(yè)影響，中砂層地質(zhì)較為松散，鉆進成孔過程中極易發(fā)生塌孔；而水敏性粉砂質(zhì)泥巖在機械鉆進前異常堅硬，擾動后受泥漿浸泡極易軟化，產(chǎn)生膠凝狀物質(zhì)附著于鉆頭，沉積于孔底難以排出，并且強度降低以后極易發(fā)生塌孔。兩個主墩采用雙壁鋼圍堰圍護進行施工，雙壁鋼圍堰平面尺寸為22.8m×17.8m，高度：24.2m，水深達到12m，圍堰入土深度達到10m。

2工藝原理

工程所面臨的地質(zhì)是軟弱的中砂和水敏性的泥巖，施工過程中極易造成塌孔，而避免樁基塌孔最有效的措施就是提高泥漿護壁質(zhì)量。鉆進時通過鉆頭下部的合金鋼牙將土體擾動粉碎，通過反循環(huán)方式將泥漿排除孔外，鉆頭即可下沉、鉆進。在孔壁內(nèi)外土壓力差作用下容易造成塌孔。使用壓輪鉆頭后，通過穩(wěn)定圍壁外側(cè)的壓輪與孔壁接觸，滾動壓實孔壁土體，提高了土體密實度、增加了土體強度，從而提高了泥漿護壁質(zhì)量（一方面壓輪可以壓實孔壁土體，另一方面滾動的方式不會損傷護壁質(zhì)量），避免塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)。

雙壁鋼圍堰可以為施工提供無水環(huán)境，具有制造方便、施工迅速、安全可靠的特點，在特定的工程環(huán)境下，具有其他圍堰無法比擬的優(yōu)越性，適用于深水基礎(chǔ)施工。

針對河床中存在板結(jié)的黏土層，其塑性強、流動性差、具很強粘聚性的特點，吸泥下沉困難很大。先采用旋挖鉆清理圍堰下沉范圍內(nèi)的硬殼黏土層。盡可能減少圍堰下沉過程中的障礙，提高了圍堰的下沉速度。下沉過程中使用的水刀吸泥設(shè)備主要由水壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)兩部分組成。水壓室內(nèi)高壓水通過水壓噴頭射出，形成的高速水流切割破壞板結(jié)的土體結(jié)構(gòu)，在水流的擾動作用下，吸泥設(shè)備下方的粘土被切割成碎塊或與水混合形成泥漿，使河床土體逐步轉(zhuǎn)變成為具有流動性、可被排出的狀態(tài)。

3施工工藝流程及操作要點

3.1施工工藝流程

施工工藝流程：棧橋及鉆孔平臺施工→水中鉆孔樁施工→河床黏土層清理施工→雙壁鋼圍堰加工→雙壁鋼圍堰拼裝施工→雙壁鋼圍堰下沉施工→雙壁鋼圍堰混凝土封底施工→承臺及墩柱施工。

3.2施工操作要點

3.2.1棧橋及鉆孔平臺施工

水中墩施工以棧橋作為臨時運輸通道。棧橋以鋼管樁為基礎(chǔ)，采用直徑630mm及800mm鋼管樁，樁長以打入河床深度不小于15m考慮，采用80T履帶吊配合DZ90振動錘打入河床。每排鋼管樁設(shè)計為三根，相鄰兩根樁之間用槽鋼[20作斜撐連接。鋼管樁樁頂墊梁均采用2I45b工字鋼，棧橋主梁采用四組貝雷梁，中間組梁貝雷梁每兩片為一組，兩側(cè)組梁貝雷梁每三片為一組，中間用90花架連接?？v梁中間墩跨徑為12m，每6孔設(shè)一排雙排樁墩，每兩組貝雷梁間用[8槽鋼進行剪刀撐連接，棧橋橋面系采用鋼筋混凝土預制塊，平放在貝雷梁頂面。

鉆孔施工平臺尺寸為23.6×17.0m，平臺采用8根φ800和8根φ630鋼管樁做為基礎(chǔ)管樁，鋼管樁之間平聯(lián)采用φ325鋼管連接，鋼管樁上分配梁采用2根I45b工字鋼雙拼，與鋼管樁樁帽焊接在一起，主縱梁為單層貝雷梁桁架，平臺面為I20工字鋼及δ10mm鋼板組成。

3.2.2水中鉆孔樁施工

水中鉆孔樁施工施工工藝流程為：鋼護筒安裝→鉆機鉆進成孔→鋼筋籠的加工與安裝施工→樁基混凝土施工。

樁基鋼護筒采用內(nèi)徑2.3m，壁厚20mm的螺旋鐵皮管，插入設(shè)計樁頂以下20m的河床。鋼護筒采用振動錘插打，鋼護筒的最終入土深度采用護筒底設(shè)計標高和最終貫入度雙控的辦法來確定。鉆孔泥漿的制配采取在平臺上造漿機內(nèi)造漿，利用未開孔的鋼護筒作為泥漿池。針對該地質(zhì)情況，采用了在鉆頭外緣增設(shè)壓輪的反循環(huán)鉆機進行鉆進成孔。

圖3.2.2 壓輪鉆頭構(gòu)造圖（單位：cm）

3.2.3河床黏土層清理施工

施工區(qū)域河床土體中存在板結(jié)的黏土層，塑性強、流動性差、吸泥效率低下，并且圍堰四角地質(zhì)不一致，這將導致圍堰四角下沉情況不一，無法做到均勻整體下沉。故必須在雙壁鋼圍堰施工以前盡可能地清除掉這些板結(jié)的土體。具體做法是利用已有樁基鋼護筒搭設(shè)施工平臺，使用旋挖鉆機對圍堰施工范圍內(nèi)的河床硬塑粘土層進行清理，裝載機等其他運輸機械配合將清理出的鉆渣外運。

3.2.4雙壁鋼圍堰加工

雙壁鋼圍堰的加工選擇在鋼結(jié)構(gòu)加工廠進行，整個圍堰分三節(jié)，每節(jié)圍堰分為14塊，最大節(jié)塊重量為20t。各塊構(gòu)件在預制胎架上進行，圍堰節(jié)塊各構(gòu)件組裝順序為：胎架平臺制作→鋪設(shè)外圍壁板→安裝外圍壁板豎肋→安裝水平環(huán)板→安裝內(nèi)隔艙板→鋪設(shè)內(nèi)圍壁板→安裝內(nèi)圍壁板豎肋→焊接內(nèi)部構(gòu)件。

3.2.5雙壁鋼圍堰拼裝施工

首節(jié)雙壁鋼圍堰的拼裝必須為其提供一個穩(wěn)固可靠的施工平臺，即拼裝平臺，以確保首節(jié)鋼圍堰的尺寸及垂直度滿足要求。拼裝平臺可利用已有的樁基鋼護筒為基礎(chǔ)進行搭設(shè)，平臺頂面要求必須處于同一水平面，并可承受底節(jié)雙壁鋼圍堰的重量。

拼裝平臺施工完成后精確定位雙壁鋼圍堰的平面位置，在拼裝過程中注意控制鋼圍堰的垂直度及焊縫對接位置，先將圍堰臨時固定，待圍堰全部拼裝完成后再根據(jù)尺寸偏差情況調(diào)整各塊鋼圍堰位置，以確保相鄰兩塊鋼圍堰對接過程中焊縫寬度滿足要求。拼裝完成后對整個底節(jié)雙壁鋼圍堰焊縫進行煤油滲透試驗及超聲波檢測，檢測結(jié)果合格后方可進入下道工序。

由于本工程所使用的雙壁鋼圍堰高度達到24.2m，其下沉過程中的限位控制極為困難，故使用了“內(nèi)島式導向裝置”。該裝置以樁基鋼護筒為基礎(chǔ)，導向鋼管通過測量精確定位以后臨時固定，然后根據(jù)導向管距離已施工完成的樁基鋼護筒之間的距離確定上下連接件的尺寸大小，最后將上下連接件焊接固定于鋼護筒上。

3.2.6雙壁鋼圍堰配重下沉及接高施工

雙壁鋼圍堰正式起吊入水前應(yīng)進行試吊，以檢驗起吊系統(tǒng)是否能滿足正常工作。試吊必須在有經(jīng)驗人員的統(tǒng)一指揮下進行，保持八臺YCW60B型千斤頂同步進行，確保鋼圍堰保持同步緩慢提升，在提升過程中安排專人實時觀察起吊系統(tǒng)、精軋螺紋鋼以及各結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)，確保提升的安全；在提升10cm后停止，檢查雙壁結(jié)構(gòu)，然后拆除拼裝平臺，下放圍堰入水。在圍堰靠自重下沉到一定的位置后，向雙壁鋼圍堰隔艙內(nèi)澆筑第一次配重混凝土，直至圍堰頂標高高于水面標高2.5-3m。緊接著在底節(jié)圍堰上方進行中節(jié)和頂節(jié)圍堰的拼裝，其施工要點與底節(jié)拼裝相同。

3.2.7雙壁鋼圍堰入土下沉施工

中節(jié)雙壁鋼圍堰拼裝完成后進行第二次配重混凝土澆筑，澆筑過程同第一次相同，但當圍堰刃角部位接觸河床時，注意控制各個隔艙內(nèi)所澆筑的混凝土數(shù)量并不相同甚至差異很大，依然以圍堰四角保持同步平穩(wěn)下沉為標準。待雙壁鋼圍堰入土深度大于2m或整個刃角全部進入河床時，圍堰著床成功。

雙壁鋼圍堰著床成功后采用吸泥下沉方式繼續(xù)進行。吸泥下沉采用四套吸泥設(shè)備對雙壁鋼圍堰四角同時進行吸泥作業(yè)，過程中隨時測量圍堰四角頂面到水面的距離，盡量保證圍堰四角同步下沉、避免偏位。

由于河床土體中存在含錳鐵結(jié)核硬的硬塑黏土層，流動性差、具很強粘聚性，并且圍堰四角地質(zhì)不一致，故設(shè)計并采用了“水刀”吸泥設(shè)備。“水刀”吸泥設(shè)備由水壓管、氣壓管、水壓泵、空氣壓縮機、水壓室、氣壓室、排泥管、氣壓噴嘴、水壓噴漿、穩(wěn)定架腿等結(jié)構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)如下：

圖3.2.7 水刀吸泥設(shè)備構(gòu)造圖（單位：mm）

“水刀”吸泥設(shè)備工作時先將設(shè)備下落，穩(wěn)定架腿插入至河床，然后啟動水壓泵和空氣壓縮機。水壓室內(nèi)高壓水通過水壓噴頭射出，形成的高速水流切割破壞板結(jié)的土體結(jié)構(gòu)，使河床土體逐步轉(zhuǎn)變成為具有流動性、可被排出的狀態(tài)。氣壓室內(nèi)高壓氣體通過氣壓噴嘴斜向上射入吸泥管道，高速流動的空氣在氣壓噴嘴附近形成真空負壓，排泥管道下方被水流切割成碎塊的粘土或與水混合形成的泥漿通過排泥管道向上輸送，最終排出鋼圍堰。

在吸泥下沉過程中可采用加配重的方式配合圍堰的下沉。具體做法是向雙壁鋼圍堰的隔艙內(nèi)對稱等量加入河砂、水，也可繼續(xù)澆筑配重混凝土，但圍堰隔艙內(nèi)配重混凝土頂面標高不得高于河床標高或承臺頂面標高。

3.2.8雙壁鋼圍堰混凝土封底施工

圍堰下沉到位后進行檢查驗收，主要檢查圍堰垂直度、平面位置、標高等。潛水員水下檢查圍堰底河床的平整度以及圍堰內(nèi)壁和鋼護筒外壁的清潔度，不得附有泥土。圍堰檢查合格后，即可進行封底，封底采用“導管法”進行，封底順序從一側(cè)向另一側(cè)進行，連續(xù)灌注不得中斷。

施工前先利用樁基鋼護筒放置貝雷梁，其上鋪設(shè)腳手板作為封底施工平臺。封底混凝土灌注前，把儲料斗裝滿混凝土。一切準備工作就緒后，利用吊機“拔球”使混凝土瞬間通過導管壓向基底，在導管周圍堆成一混凝土圓錐體，然后利用履帶吊吊運混凝土漏斗通過導管源源不斷地灌入，混凝土在水下攤開和升高，直至達到承臺底設(shè)計標高以下30cm。水下混凝土封底采用導管逐根灌注，其灌注順序應(yīng)從低至高逐個連續(xù)進行。最后一根導管灌注前要用泥漿泵將擠至導管外的泥漿或雜物清除，然后再進行混凝土澆注。當最后一根導管混凝土灌注完成后，使用尖錘測量各個導管處混凝土頂面標高，按照由低到高的順序向各個導管灌注混凝土，直至各點均達到設(shè)計標高。

封底砼完成澆筑后，潛水員沿圍堰外壁檢查，如發(fā)現(xiàn)存留漏縫時及時補漏確保封底砼的完整性。待封底砼達到設(shè)計強度時將雙壁鋼圍堰內(nèi)水抽出，清除淤積在封底混凝土上方的淤泥，形成干法作業(yè)空間。

3.2.9承臺及墩柱施工

承臺施工前采用風鎬鑿除樁頭，并清理圍堰內(nèi)部的淤泥和混凝土渣，采用超聲波對混凝土樁基進行檢測。

由于雙壁鋼圍堰內(nèi)壁尺寸比承臺外邊寬10cm，故直接以雙壁鋼圍堰作為模板。由于主航道主墩承臺為大體積混凝土澆筑施工，為防止溫度不均勻引起的收縮裂縫，特在承臺內(nèi)部敷設(shè)4層冷卻水管。墩柱采用爬模施工進行，其他施工與陸地普通墩臺施工相同。

4新技術(shù)的使用

4.1帶壓輪鉆頭的反循環(huán)鉆機施工復雜地質(zhì)鉆孔樁技術(shù)

在反循環(huán)鉆機鉆頭外緣增設(shè)的壓輪，鉆進時壓輪滾動壓實孔壁，提高泥漿護壁質(zhì)量，成功在含有較松散的中砂和水敏性粉砂質(zhì)泥巖的地質(zhì)條件下鉆進成孔，大大降低了塌孔頻率。

4.2采用旋挖鉆機預先處理河床硬殼層技術(shù)

雙壁鋼圍堰拼裝前通過已施工完成的樁基鋼護筒搭設(shè)施工平臺，在施工拼裝平臺上布置旋挖鉆機清理含錳鐵結(jié)核的硬塑黏土河床土體。盡可能減少圍堰下沉過程中的障礙，減小入土深度，盡量排除河床對圍堰下沉的障礙，提高了雙壁鋼圍堰的下沉速度。

4.3圍堰著床及下沉過程內(nèi)島式導向裝置定位技術(shù)

雙壁鋼圍堰下沉著床采用千斤頂?shù)鯍煜到y(tǒng)、雙壁隔艙內(nèi)澆筑混凝土、加水等配重方式實現(xiàn)，為保證對圍堰下沉過程中平面位置及垂直度的精確定位，在底節(jié)圍堰拼裝完成后在圍堰內(nèi)四角樁基鋼護筒外側(cè)安裝內(nèi)島式導向裝置。該裝置通過精確定位安裝后位置固定不變，形成一條豎直的定位軸線，擴大了與圍堰的接觸面積，有效避免了導向裝置被擠壓變形，大大提高了雙壁鋼圍堰定位精度和穩(wěn)定性。