某跨海大橋錨碇地下連續(xù)墻施工方案探討

謝江松，王政平，湛 杰

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

近年來，我國很多大跨度橋梁已在規(guī)劃或正在開工建設(shè)，在大跨度懸索橋的施工過程中，錨碇基礎(chǔ)工程的施工方案對施工安全和工程質(zhì)量非常重要[1- 2]。錨碇基礎(chǔ)工程常采用排水明挖法，該方法將地下連續(xù)墻作為開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)，對施工精度和質(zhì)量要求十分嚴(yán)格，如垂直度控制和防滲控制[3- 4]，因此地下連續(xù)墻的施工技術(shù)和方法是錨碇工程的技術(shù)關(guān)鍵。

目前，錨碇基礎(chǔ)的地下連續(xù)墻施工常采用筑島回填、島內(nèi)開挖的方法，但該方法工程量大，工期長，投資大，一般適用于淺水域的平緩河床[5- 6]。因此，探索更加經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、可靠的海域錨碇地下連續(xù)墻施工方案具有十分重要的意義。

某跨海大橋懸索錨碇地下連續(xù)墻平面布置呈“∞”型，豎向深度大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜[7]；工程地質(zhì)為深厚軟土；工程海域水深，且受臺風(fēng)影響，施工環(huán)境十分惡劣，施工難度大，是海上深水軟基地下連續(xù)墻施工的典型代表。因此，以該工程為例，對地連墻施工方案進(jìn)行深入研究，提出搭設(shè)輔助鋼平臺、利用鋼導(dǎo)墻澆筑地連墻的施工方案，以求在保證施工安全和質(zhì)量的前提下，盡量縮短工期、減少工程投資和降低工程風(fēng)險，為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

某大跨度懸索橋錨碇采用重力式錨碇，錨碇基礎(chǔ)平面形狀為“∞”型，直徑2×65m，地下連續(xù)墻厚1.5m，槽段共81個，地連墻嵌入中風(fēng)化花崗巖5m，最大深度約52.5m，內(nèi)襯厚度從上至下分別為1.5m、2.5m和3m，基礎(chǔ)頂標(biāo)高+3.0m，底標(biāo)高-38.0m。

錨碇位置海床底標(biāo)高-2.61～-3.20m，常水位高+0.52m，水深3.0～3.7m，最高潮水位3.01m，最低潮水位-1.06m，最高浪高1.93m。錨碇區(qū)域內(nèi)上部淤泥層厚12～16m，中部粉質(zhì)黏土層厚2～3m，下部砂層厚12～15m。

2 施工方案

2.1 方案設(shè)計(jì)

2.1.1 鋼平臺+鋼導(dǎo)墻方案

采取搭設(shè)鋼平臺的方式，將水域施工環(huán)境轉(zhuǎn)換為陸域施工?？紤]到后續(xù)錨體施工及大橋上構(gòu)施工放索場占用面積，錨碇鋼平臺設(shè)計(jì)為外側(cè)12m寬繞錨平臺，空缺處補(bǔ)設(shè)三角異型鋼平臺，內(nèi)側(cè)為隔墻平臺區(qū)及泥漿平臺區(qū)。

導(dǎo)墻作為地下連續(xù)墻施工的引導(dǎo)工程，直接影響地下連續(xù)墻的成型質(zhì)量。因此，導(dǎo)墻形式的選擇要依據(jù)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)、施工設(shè)備和施工環(huán)境等多方面考慮[8]。由于最高水位高于地連墻頂標(biāo)高，且高于河底面5m，故采用鋼導(dǎo)墻作為地連墻施工護(hù)壁，以保證施工位置準(zhǔn)確和成槽質(zhì)量，結(jié)構(gòu)形式為地下連續(xù)墻整體內(nèi)外側(cè)分別布置一排鎖口鋼管樁，平面布置呈“∞”型。輔助鋼平臺及鋼導(dǎo)墻平面布置如圖1所示，鋼導(dǎo)墻立面圖如圖2所示。

鋼導(dǎo)墻施工前進(jìn)行地基處理，采用DCM船施打深層DCM樁加固地連墻兩側(cè)淤泥覆蓋層。

圖1 輔助鋼平臺及鋼導(dǎo)墻平面布置示意圖

圖2 輔助鋼平臺+鋼導(dǎo)墻立面圖

鋼導(dǎo)墻擬采用鎖口鋼管樁型式。鎖口鋼管樁單個構(gòu)件長1.9m，寬0.7m，由兩個Φ800鋼管樁通過鋼板焊接而成。鋼管厚度8mm，焊接鋼板厚度6mm，鋼管樁兩端貼焊20號槽鋼，相鄰鋼管樁咬合部位灌注砂漿，鎖口鋼管樁構(gòu)件橫斷面圖如圖3所示。

圖3 鎖口鋼管樁構(gòu)件橫剖圖

2.1.2 圍堰筑島方案

圍堰筑島方案采用單排鋼管(板)樁結(jié)合的型式，鋼管直徑2.5m，鋼板樁寬度900mm，有效高度230mm，厚10.8mm，平均深度43.5m，筑島外徑150m，圍堰頂面標(biāo)高﹢6.0m，圍堰外側(cè)設(shè)置鋼箱圍箍，島內(nèi)回填中粗砂，回填至標(biāo)高﹢3.0m。地下連續(xù)墻兩側(cè)各采用2排D85cm搭接長度25cm的三軸攪拌樁加固，島內(nèi)淤泥層采用D80cm間距2m的攪拌樁加固。圍堰筑島方案平面布置如圖4所示，立面圖如圖5所示。

圖4 圍堰筑島方案平面布置圖

圖5 圍堰筑島方案立面圖

2.2 方案比選

根據(jù)本工程鋼平臺+鋼導(dǎo)墻方案和圍堰筑島方案的布置和工藝，分別計(jì)算工程量；根據(jù)定額和當(dāng)?shù)夭牧蟽r格信息分別進(jìn)行單價分析和投資估算；根據(jù)施工工藝和施工組織設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)法分別編排施工工期。單價分析和投資估算主要成果對比列表見表1，方案比選見表2。

經(jīng)比較，鋼平臺+鋼導(dǎo)墻方案雖然受力復(fù)雜，施工技術(shù)要求高，難度較大，但不需要筑島，避免了島下地基處理和島內(nèi)土體的填筑、密實(shí)和拆除；工程量較??；可避免大土方開挖和搬運(yùn)，對水土流失、環(huán)境影響較小，投資相對節(jié)省3009萬元，工期節(jié)省了87d，因此選用鋼平臺+鋼導(dǎo)墻方案。

表1 兩方案工程量與投資對比表

表2 兩方案比選

2.3 施工安全分析

為了評估鋼平臺+鋼導(dǎo)墻施工方案的安全性和可行性，采用三維非線性有限元法模擬，并分析鋼導(dǎo)墻施工、槽段銑槽和地連墻澆筑全過程的力學(xué)特性[9- 10]。計(jì)算模型如圖6—7所示。

圖6 鋼導(dǎo)墻有限元模型

圖7 地連墻澆筑時的導(dǎo)墻變位云圖

通過數(shù)值分析計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1)鋼導(dǎo)墻施工方案安全可靠，可行性較高。

(2)鋼導(dǎo)墻變位最大值為15.8cm，位于墻頂，發(fā)生在鋼導(dǎo)墻施工遭遇設(shè)計(jì)風(fēng)浪情況；鋼導(dǎo)墻應(yīng)力最大值為149MPa，位于河床面以上1.2m附近，發(fā)生在地連墻澆筑情況。

(3)在砂漿澆灌前，鋼導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)段為懸臂結(jié)構(gòu)，獨(dú)立承受風(fēng)浪荷載；砂漿澆灌形成整體后，鋼導(dǎo)墻產(chǎn)生拱效應(yīng)，整體剛度大大增強(qiáng)，抗風(fēng)浪能力也得到顯著提升，變位和應(yīng)力均有一定程度的減小。因此，相鄰鋼導(dǎo)墻的咬合處宜盡快進(jìn)行砂漿灌注。

2.4 施工工藝

為保證地下連續(xù)墻施工期間槽壁的穩(wěn)定，采用DCM船施打深層DCM樁加固地連墻兩側(cè)淤泥覆蓋層[9]。再進(jìn)行輔助鋼平臺的搭設(shè)，平臺搭設(shè)后，插打鎖口鋼管樁，最后再施工地連墻，具體施工流程如圖8所示。

圖8 鋼平臺+鋼導(dǎo)墻方案工藝流程圖

2.4.1 DCM樁打設(shè)

地連墻兩側(cè)分別布置4排深層三軸水泥攪拌樁，直徑85cm，搭接長度25cm。內(nèi)側(cè)兩排穿過砂層，平均深度30m，外側(cè)兩排穿入砂層1～2m，平均深度16m。具體步驟如下：

(1)測量放樣和場地清理

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，首先進(jìn)行放樣，該項(xiàng)工作的測量放樣包括兩個內(nèi)容：一是根據(jù)設(shè)計(jì)資料放出打設(shè)寬度；二是根據(jù)設(shè)計(jì)畫出布樁平面圖，標(biāo)明排列編號，放出具體樁位，施工前必須經(jīng)過監(jiān)理復(fù)核。

(2)DCM船就位

由現(xiàn)場施工員、樁機(jī)班長統(tǒng)一DCM船就位，移動結(jié)束后檢查定位情況，及時糾正，樁位偏差不大于50mm。樁機(jī)應(yīng)平穩(wěn)、平正，并用經(jīng)緯儀或線錘進(jìn)行觀測，確保鉆機(jī)的垂直度，攪拌樁垂直度精度不低于1/200。

(3)制備水泥漿液及漿液注入

開鉆前對拌漿工作人員做好交底工作，在施工現(xiàn)場配備電腦計(jì)量的自動攪拌系統(tǒng)和散裝水泥罐，以確保漿液質(zhì)量的穩(wěn)定。水泥漿配制好后，停滯時間不得超過2h，因故擱置超過2h以上的拌制漿液，應(yīng)作廢漿處理，嚴(yán)禁再用。

(4)鉆進(jìn)攪拌提升

水泥攪拌樁止水帷幕采用兩噴兩攪的施工工藝，水泥和原狀土須均勻攪拌，下沉和提升過程中均為注漿攪拌，同時嚴(yán)格控制下沉和提升速度：下沉速度為0.5～1.0m/min，提升速度為1.0～1.5m/min，在樁底部分宜重復(fù)攪拌注漿。

(5)DCM船移位

施工完一組樁后DCM船移至下一根樁位，重復(fù)以上步驟進(jìn)行下一根樁的施工。

2.4.2 鋼平臺

輔助鋼平臺施工采用打樁船打樁，起重船配合抄平、吊裝2I45b墊梁、貝雷梁、分布梁及槽鋼。形成工作面后，用兩臺100t履帶吊同步推進(jìn)。內(nèi)側(cè)平臺與輔助鋼平臺同時施工，最后施工三角異型鋼平臺。

內(nèi)外側(cè)圓弧段鎖口鋼管樁打設(shè)完成后需搭設(shè)內(nèi)外側(cè)平臺的連接通道，以滿足機(jī)械設(shè)備進(jìn)入內(nèi)側(cè)平臺打設(shè)直線段鎖口鋼管樁，鋼平臺施工流程如圖9所示。

圖9 鋼平臺搭設(shè)流程圖

三角異型鋼平臺及內(nèi)側(cè)平臺承重梁采用雙拼HM588型鋼，12m寬輔助平臺采用雙拼I45b工字鋼，采用對接接長的方式進(jìn)行加工。為適應(yīng)現(xiàn)場的靈活施工，雙拼承重梁根據(jù)現(xiàn)場需用長度提起在岸上拼裝好。

承重梁通過鋼護(hù)筒開槽的方式焊接于槽口內(nèi)，安裝時承重梁應(yīng)盡量擺在護(hù)筒中心，如護(hù)筒偏位較大，為了便于貝雷梁安裝施工，承重梁可適當(dāng)移位?，F(xiàn)場承重梁采用浮吊進(jìn)行安裝，待后續(xù)形成工作面且履帶吊進(jìn)場后則采用履帶吊安裝。為加快施工進(jìn)度，打樁完成后改裝成浮吊，從另外一側(cè)開始吊裝承重梁。

I25a分配梁和[28a面板采用運(yùn)輸船運(yùn)輸至現(xiàn)場，然后用浮吊進(jìn)行安裝。I25a分配梁間隔75cm布設(shè)一條，每條分布梁通過兩端卡板固定在貝雷上。[28a槽鋼為臥放，腹板朝上，在平臺上滿鋪。[28a行車道與I25a分布梁之間焊接固定。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，分配梁、面板首先采用浮吊進(jìn)行安裝，待形成工作面且履帶吊進(jìn)場后，再采用履帶吊進(jìn)行安裝。

2.4.3 導(dǎo)墻施工

鋼導(dǎo)墻對保障地下連續(xù)墻施工質(zhì)量十分關(guān)鍵，因而必須認(rèn)真設(shè)計(jì)和施工[9]。鋼導(dǎo)墻采用整體內(nèi)外側(cè)鎖口鋼管樁作為地連墻施工護(hù)壁，其中內(nèi)側(cè)共216組標(biāo)準(zhǔn)鎖口鋼管樁，外側(cè)共174組。

鋼導(dǎo)墻施工前進(jìn)行地基處理，采用DCM船施打深層DCM樁加固地連墻兩側(cè)淤泥覆蓋層及砂層?？紤]砂層較厚，如果DCM樁處理不理想，可在鋼導(dǎo)墻安裝后采用高壓旋噴樁處理。鋼導(dǎo)墻施工流程如圖10所示。

圖10 鋼導(dǎo)墻施工流程圖

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，鋼管樁采用100t履帶吊+振動錘進(jìn)行吊打施工，為了精確把握首根鋼管樁的平面位置和垂直度，首根鋼管樁采用導(dǎo)向架進(jìn)行定位。

鋼導(dǎo)墻施工重點(diǎn)、難點(diǎn)在于定位插打。單個鋼導(dǎo)墻構(gòu)件由兩根鋼管樁用兩塊6mm厚鋼板并焊而成，利用鎖口對接逐個插打施工，通過測量控制鎖口轉(zhuǎn)角來控制鋼導(dǎo)墻弧度，最后根據(jù)實(shí)際情況合攏鋼導(dǎo)墻，打設(shè)過程實(shí)時觀測鋼管樁鎖口方向及插口平面扭角位置，確保打設(shè)過程中鋼管樁的平面位置、垂直度及轉(zhuǎn)角方向準(zhǔn)確，降低施工難度，提高打設(shè)精度。

2.4.4 槽段銑槽

銑槽前，在鎖口鋼管樁頂面加焊4～5根槽鋼支撐，并在外側(cè)鎖口鋼管樁與平臺鋼管樁間設(shè)置橫向支撐，保證鋼導(dǎo)墻的穩(wěn)定性。

地連墻槽段分Ⅰ期40個槽段、Ⅱ期41個槽段，共81個槽段，Ⅱ期與Ⅰ期槽段在地連墻軸線處搭接長度為0.271m。Ⅰ期槽段采用間隔法施工，至少間隔一個單元槽段，Ⅰ期槽段強(qiáng)度達(dá)到80%后施工中間Ⅱ期槽段。成槽采用復(fù)合成槽法，“先抓后銑”，先采用液壓抓斗將槽段處覆蓋層(包含淤泥、沙礫、部分全風(fēng)化巖層)抓離槽段成槽，待抓斗無法繼續(xù)進(jìn)尺后采用雙輪銑槽機(jī)對巖層進(jìn)行銑槽施工，直至達(dá)到設(shè)計(jì)槽底標(biāo)高。鋼筋先預(yù)制成型再整體吊裝，然后澆筑水下混凝土。銑槽時需時刻注意，保證槽內(nèi)泥漿不低于鋼導(dǎo)墻外側(cè)水位，成槽施工工藝流程如圖11所示。

圖11 地連墻成槽施工工藝[13]

地連墻鋼筋籠超長超重，需在胎架上分兩節(jié)整體預(yù)制，每節(jié)長23～27m，Ⅰ期槽重約32～38t，Ⅱ期槽重約15～18t，用浮吊轉(zhuǎn)移和下放，下放過程中對接，下放完成立即分節(jié)安裝導(dǎo)管及灌筑斗。

2.4.5 地連墻澆筑

地連墻水下砼采用高臺儲料灌注，I期槽采用三套導(dǎo)管同時澆筑，II期槽用一套導(dǎo)管澆筑。

為了防止泥漿外漏，在I期槽兩端設(shè)置泥漿擋板，在擋板外側(cè)填砂，同時，為了保證II期槽開孔位置準(zhǔn)確，導(dǎo)向穩(wěn)定，在泥漿擋板內(nèi)側(cè)設(shè)置接頭板，即在I期槽澆筑砼前，在孔口接頭位置下設(shè)長10m的接頭板，砼初凝后再將泥漿擋板和接頭板拔出，預(yù)留出II期槽孔的準(zhǔn)確位置，起到良好的導(dǎo)向作用。

3 工程監(jiān)測

3.1 DCM樁

(1)認(rèn)真填寫每班組水泥記錄及相應(yīng)報表。

(2)施工過程中隨時檢查施工記錄，并參照規(guī)定的施工工藝對每組樁和檢驗(yàn)批進(jìn)行質(zhì)量評定，檢查重點(diǎn)是：水泥用量、樁長、制樁過程中有否斷樁現(xiàn)象、攪拌提升時間。

(3)水泥攪拌樁三根試樁成樁后按相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)進(jìn)行鉆芯取樣檢測，檢測28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)。

(4)攪拌樁施工應(yīng)有自動記錄樁身長度、單位樁長水泥用量并能監(jiān)測水泥是否到達(dá)噴漿孔底的自動記量裝置。試樁過程中應(yīng)對該自動裝置進(jìn)行校核，正式施工過程中應(yīng)不定期檢查。

3.2 鋼導(dǎo)墻

(1)鋼導(dǎo)墻的定位由測量人員在岸上設(shè)置GPS定位系統(tǒng)完成，標(biāo)高由全站儀控制。

(2)鋼導(dǎo)墻須定位及調(diào)整好垂直度后才可開始打入下沉。

(3)貫入過程中，通過不同地質(zhì)層時要對樁的垂直度進(jìn)行復(fù)測，避免出現(xiàn)斜樁。

(4)打樁過程中應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)層的貫入度控制錘的力度，防止將鋼管頂部打卷。

(5)鋼管打至接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時要注意控制錘的力度防止超打，當(dāng)鋼導(dǎo)墻頂面高出設(shè)計(jì)標(biāo)高5cm內(nèi)時可視為標(biāo)高達(dá)到要求，可停錘。

4 結(jié)語

以某跨海大橋錨碇基礎(chǔ)工程為背景，基于施工方案布置、安全分析、施工工藝和工程監(jiān)測，提出了輔助鋼平臺+鋼導(dǎo)墻新型施工方案。經(jīng)分析，該方案與常規(guī)的筑島回填、島內(nèi)開挖的方法相比，可縮短工期、降低工程投資，可為類似工程的施工設(shè)計(jì)提供參考。