復(fù)雜地層樁基承臺(tái)PC工法樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

陳宗國(guó)

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司 廣東廣州 510000)

1 工程概況

新建昌景黃鐵路工程金溪湖特大橋位于江西省進(jìn)賢縣境內(nèi)，起訖里程DK277＋505.10～DK281＋524.70，全橋長(zhǎng)4 019.6 m，于 DK286＋315.295處采用(83＋152＋83)m連續(xù)梁跨越金溪湖撫河干流，主墩82＃、83＃墩為水中墩。其設(shè)計(jì)樁基為16根樁徑2.5 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)尺寸為22.75 m×22.75 m×5.5 m，墩身為22.5 m雙肢薄壁高墩。承臺(tái)基礎(chǔ)底標(biāo)高2.564 m，實(shí)測(cè)湖床標(biāo)高14.46 m，施工期湖水常水位17.0 m。

水文及工程地質(zhì)自上而下依次為湖水17.0～14.46 m、粉砂14.46～13.76 m(σ0＝80 kPa)、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 13.76～8.46 m(σ0＝60 kPa)、粉砂8.46～7.46 m(σ0＝80 kPa)、粗砂 7.46～2.46 m(σ0＝220 kPa)、粉質(zhì)黏土 2.46～-2.04 m(σ0＝220 kPa)、細(xì)砂 -2.04～-4.04 m(σ0＝220 kPa)、礫砂-4.04～-8.436 m(σ0＝220 kPa)、泥質(zhì)砂巖-8.436～-14.036 m(σ0＝300 kPa)，地質(zhì)柱狀示意圖，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)柱狀示意(單位:mm)

2 工程特點(diǎn)和施工重難點(diǎn)

(1)承臺(tái)基礎(chǔ)開(kāi)挖尺寸大且開(kāi)挖深度深，開(kāi)挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高，對(duì)基礎(chǔ)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等要求高。

(2)承臺(tái)基礎(chǔ)開(kāi)挖范圍內(nèi)以透水性極強(qiáng)、自穩(wěn)性極差的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂和粗砂地層為主，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和封底結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性要求高。

(3)豐水期水流流速達(dá)到1.5 m/s、最大水深可達(dá)7 m，且橋址區(qū)地下水位高，對(duì)基礎(chǔ)圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水隔水效果要求高。

3 圍堰設(shè)計(jì)

3.1 圍堰設(shè)計(jì)選型

針對(duì)橋梁深基礎(chǔ)施工常見(jiàn)的幾種鋼圍堰支護(hù)形式，分別從適用地層、優(yōu)缺點(diǎn)、材料用量等方面進(jìn)行比選[1]分析，見(jiàn)表1。

表1 各類鋼圍堰的適用條件

結(jié)合金溪湖特大橋水中主墩承臺(tái)基礎(chǔ)開(kāi)挖范圍內(nèi)工程及水文地質(zhì)條件、施組安排以及投入本工程施工機(jī)具設(shè)備等施工作業(yè)條件，承臺(tái)基礎(chǔ)開(kāi)挖支護(hù)圍堰選擇鋼管樁＋鋼板樁組合形成的PC工法樁[2]作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，充分利用鋼管樁強(qiáng)度高、擋土效果好，鋼板樁止水效果好的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)鎖扣連接在一起形成良好的擋土止水受力結(jié)構(gòu)體系[3]。

3.2 PC工法樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金溪湖特大橋主墩承臺(tái)基礎(chǔ)PC工法樁圍堰圍護(hù)樁采用拉森IV型鋼板樁(Q295bz)與φ820×14 mm鋼管樁(Q345B)，平面設(shè)計(jì)圖如圖2所示。鋼管樁樁長(zhǎng)30 m，承臺(tái)基礎(chǔ)底面以上15.1 m，以下14.9 m，鋼板樁樁長(zhǎng)24.5 m，承臺(tái)基礎(chǔ)底面以上15.1 m，以下9.4 m。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)第一層(樁頂下1 m處)、第三層(樁頂下8 m處)采用HN700×300 mm型鋼(Q345B)、撐桿釆用φ480×10 mm螺旋鋼管(Q235B)；第二層(樁頂下4.5 m處)釆用三拼HN700×300 mm型鋼(Q345B)、撐桿釆用φ800×16 mm螺旋鋼管(Q235B)。

圖2 PC工法樁圍堰結(jié)構(gòu)平面圖(單位:mm)

3.3 PC工法樁圍堰結(jié)構(gòu)檢算

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[4](JGJ 120—2012)對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)，即PC工法樁、圈梁和內(nèi)支撐等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)受力、結(jié)構(gòu)變形等進(jìn)行檢算驗(yàn)證。

(1)PC工法樁穩(wěn)定性

整體穩(wěn)定性采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)Ks計(jì)算值為1.705，大于1.35，滿足要求。

(2)基底隆起穩(wěn)定性

本工程按安全等級(jí)一級(jí)進(jìn)行控制，抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)Kb:

滿足要求。上式中，γm1、γm2為圍堰內(nèi)外鋼板樁底以上土的厚度加權(quán)平均重度(kN/m3)；c為鋼板樁底土層粘聚力(kPa)；ld為鋼板樁入土深度(m)；Nq、Nc為承載力系數(shù)，分別為 10.66、20.72；h為基礎(chǔ)深度(m)；q為地面均布荷載(kPa)。

(3)結(jié)構(gòu)受力情況

圍堰樁施工過(guò)程中的最大彎矩M＝927.0 kN·m，最大剪力Q＝728.6 kN，均發(fā)生在圍堰內(nèi)回填黃砂至河床以及拆除第一層支撐的階段。

單根圍堰樁最大正應(yīng)力計(jì)算值δ＝1.29×132＝170.3 MPa＜240 MPa，滿足要求。

單根圍堰樁最大剪應(yīng)力計(jì)算值τ＝1.29×41.1＝53.0 MPa＜120 MPa，滿足要求。

圍堰樁最大變形計(jì)算值為37.7 mm，發(fā)生在第二層內(nèi)支撐拆除時(shí)。

(4)圈梁及內(nèi)支撐受力情況

圈梁最大正應(yīng)力計(jì)算值[δ]＝198.5 MPa小于許用應(yīng)力240 MPa，圈梁最大剪應(yīng)力計(jì)算值[τ]＝68.9 MPa小于許用剪應(yīng)力120 MPa，圈梁最大變形值9.2 mm小于L/400，滿足要求。

第一層和第三層內(nèi)支撐最大反力計(jì)算值一致，均為115.9 kN/m；第二層的內(nèi)支撐最大反力計(jì)算值為634.9 kN/m，內(nèi)支撐最大應(yīng)力σ＝129.5 MPa小于170 MPa，滿足要求。

通過(guò)檢算驗(yàn)證，本工程PC工法樁圍堰設(shè)計(jì)方案各結(jié)構(gòu)受力均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，可確保結(jié)構(gòu)及施工安全。同時(shí)，在施工過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合圍堰結(jié)構(gòu)受力檢算情況和受力特點(diǎn)等對(duì)其關(guān)鍵部位加強(qiáng)監(jiān)測(cè)[5]。

4 PC工法樁圍堰施工技術(shù)

4.1 PC工法樁沉樁

本工程中，樁身沉入范圍內(nèi)以砂質(zhì)地層為主，其擠密性較強(qiáng)，對(duì)樁的貫入阻力較大，加之PC工法樁較長(zhǎng)。在該地層條件下，若仍采用常規(guī)機(jī)械振動(dòng)沉樁方法，PC工法樁沉樁將極為困難且周期長(zhǎng)，也會(huì)造成PC工法樁發(fā)生不可避免的較大變形甚至損傷，從而影響到樁的完整性及其受力性能，故本工程PC工法樁沉樁采用高壓水刀引孔[6]輔助振動(dòng)錘振動(dòng)沉樁工藝。

(1)高壓水刀系統(tǒng)

由高壓水泵、φ50 mm無(wú)縫鋼管和刀頭噴嘴等組成水刀噴射系統(tǒng)，4把高壓水刀(含輸水管)均勻布設(shè)在PC工法樁外壁四周，如圖3所示。

圖3 高壓水刀系統(tǒng)

(2)高壓水刀通水試驗(yàn)

水刀噴射系統(tǒng)組裝、調(diào)試，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)通水試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn):

①判斷輸水管路連接是否完好，高壓水刀壓力是否可行，噴嘴噴水方向是否合理等。

②結(jié)合樁身地層情況，修正和調(diào)整水刀刀頭噴嘴數(shù)量和開(kāi)口參數(shù)，本工程采用口徑2.5 mm的單刀頭噴嘴。

③確定供水水質(zhì)含砂率，施工時(shí)須嚴(yán)格控制，過(guò)高易造成水刀管路堵塞。

(3)PC工法樁沉樁施工操作要點(diǎn)

①鋼板樁、鋼管樁接長(zhǎng)

現(xiàn)場(chǎng)焊接接長(zhǎng)。鋼板樁內(nèi)外兩側(cè)均采用10 mm厚鋼板幫板滿焊焊接，鋼管樁外側(cè)采用10 mm厚鋼板滿焊焊接。

②高壓輸水管固定

采用“π”型HPB300φ20鋼筋將高壓輸水管固定在鋼管樁外壁上，“π”型固定鋼筋沿樁壁間距200 cm/道，并與鋼管樁牢固焊接，確保沉樁過(guò)程高壓輸水管與鋼管樁之間無(wú)相對(duì)移動(dòng)。

③定位、起吊

安裝導(dǎo)梁、鎖扣行進(jìn)控制架，插打定位樁，以控制后續(xù)PC工法樁樁位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，配置75 t履帶吊起吊PC工法樁。

④下沉

PC工法樁就位后，啟動(dòng)高壓動(dòng)力泵，利用水刀切土引孔，振動(dòng)錘振動(dòng)沉樁，如圖4所示。

圖4 水刀引孔、振動(dòng)下沉

4.2 承臺(tái)基礎(chǔ)開(kāi)挖

承臺(tái)基礎(chǔ)開(kāi)挖范圍內(nèi)以穩(wěn)定性差、透水性強(qiáng)的砂質(zhì)地層為主，故采用不抽水開(kāi)挖。用高壓水循環(huán)反復(fù)沖刷所要開(kāi)挖的巖土體，沖刷產(chǎn)生的泥水混合物經(jīng)過(guò)沉淀后，表層清水循環(huán)使用，固體沉積物(主要為卵石及砂礫石)采用長(zhǎng)臂挖機(jī)挖出，并將其集中堆放，作為回填土重新使用。

4.3 裝配式鋼管支撐安裝

本工程PC工法樁內(nèi)支撐體系采用裝配式鋼管支撐[7]。

(1)支撐位置定位

基礎(chǔ)開(kāi)挖或抽排水至設(shè)計(jì)支撐底標(biāo)高以下50 cm時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)位置測(cè)量定位支撐中心線、鋼牛腿頂標(biāo)高線。

(2)鋼牛腿安裝

清除PC工法樁表面雜物及浮銹，焊接鋼牛腿。

(3)鋼圍檁安裝

鋼牛腿安裝完成后，將鋼圍檁焊接固定在鋼牛腿上，并采用高強(qiáng)螺栓機(jī)械連接相鄰鋼圍檁。

(4)鋼支撐安裝

鋼支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)2 m，調(diào)整節(jié)長(zhǎng)1 m，場(chǎng)外預(yù)拼裝2～3節(jié)為一組，場(chǎng)內(nèi)吊機(jī)吊入圍堰內(nèi)安裝。結(jié)合圍堰寬度以及支撐活絡(luò)頭行程等確定支撐拼裝長(zhǎng)度。

(5)預(yù)應(yīng)力施工

作業(yè)前，對(duì)鋼圍檁、鋼支撐以及對(duì)抱箍加固裝置等的安裝質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)收。

預(yù)應(yīng)力施加按3～5級(jí)均勻?qū)ΨQ、分級(jí)施加，每一級(jí)預(yù)應(yīng)力施加到該級(jí)設(shè)計(jì)值時(shí)保持穩(wěn)定10 min后再進(jìn)行下一級(jí)施加，直至額定壓力，預(yù)壓力穩(wěn)定之后進(jìn)行鎖定，并安裝由兩個(gè)斜鐵配對(duì)組成的塞鐵。

4.4 水下封底混凝土施工

基底封底混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30，最小厚度3.2 m。

(1)配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)時(shí)，其粘聚性、流動(dòng)性、工作性等性能按水下澆筑混凝土的要求確定其基準(zhǔn)配比[8]。

(2)導(dǎo)管布設(shè)

結(jié)合本工程封底混凝土設(shè)計(jì)厚度和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，澆筑方式采用全高度方向斜面推進(jìn)方法，導(dǎo)管布料方式按雙導(dǎo)管移動(dòng)首封推進(jìn)法[9]。

(3)澆筑順序

全高度方向斜面推進(jìn)澆筑方式澆筑順序:綜合地形因素從地形較低一端向另一端推進(jìn)；由四周向中央推進(jìn)。

(4)澆筑點(diǎn)布置

結(jié)合內(nèi)支撐、鉆孔樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒位置和現(xiàn)場(chǎng)情況等，澆筑導(dǎo)管位置布設(shè)按封底混凝土擴(kuò)散半徑5 m考慮，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)管平面布置(單位:mm)

(5)混凝土澆筑

①首盤封底混凝土澆筑

通過(guò)試拌、試驗(yàn)獲取混凝土工作性能，并結(jié)合澆筑點(diǎn)的布設(shè)位置，計(jì)算首封混凝土數(shù)量[10]。

首封混凝土澆筑之后，立即將低壓燈放入導(dǎo)管內(nèi)，查看導(dǎo)管是否存在漏水情況。若導(dǎo)管內(nèi)無(wú)水，則表示首封成功；若有水，則表示首封失敗，需要馬上采取措施進(jìn)行二次拔球，再次進(jìn)行封底。

②混凝土澆筑

混凝土澆筑時(shí)，技術(shù)員不定時(shí)測(cè)量混凝土澆筑標(biāo)高及其擴(kuò)散情況，以及導(dǎo)管埋深等情況。在即將完成混凝土澆筑作業(yè)時(shí)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)導(dǎo)管中心處、樁基鋼護(hù)筒周圍以及PC工法樁壁等關(guān)鍵結(jié)合部位的高程，確保封底混凝土頂面標(biāo)高符合要求。

(6)水下封底混凝土高程測(cè)控

在封底施工前提前布設(shè)好高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為準(zhǔn)確控制封底混凝土高程，每間隔0.5 h測(cè)量一次，對(duì)導(dǎo)管作用半徑相交處、承臺(tái)四周等部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握各個(gè)區(qū)域的澆筑情況，確?；炷另斆嫫秸?。停止?jié)仓埃鎻?fù)測(cè)各控制點(diǎn)高程，若存在高程不符合設(shè)計(jì)要求，則需要對(duì)該測(cè)點(diǎn)及其周圍增加澆筑量。

5 PC工法樁圍堰施工主要風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

5.1 施工主要風(fēng)險(xiǎn)

(1)PC工法樁接口滲漏水

①樁間錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致鎖扣漏水

由于鋼管樁＋鋼板樁組合形成的PC工法樁的連接方式、內(nèi)部支撐裝配連接方式及其布置等原因，相鄰的圍護(hù)樁可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的樁身變形[11]。且角樁的受力變形不同于鄰樁的受力變形，因此鄰樁相接處的鎖扣就可能產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，從而形成縫隙，導(dǎo)致漏水。

②沉樁偏差導(dǎo)致鎖扣間縫隙漏水

沉樁過(guò)程不可避免存在偏差，從而導(dǎo)致鄰樁鎖扣在沉樁過(guò)程中就已形成較大的縫隙，加之本工程樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，更易發(fā)生此類問(wèn)題，導(dǎo)致漏水。

(2)封底混凝土滲漏水

PC工法樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)主要通過(guò)封底混凝土及其下部土體自重維持PC工法樁底部?jī)?nèi)外壓力之間的平衡，若封底混凝土出現(xiàn)滲漏水勢(shì)必危及結(jié)構(gòu)和施工安全。

①厚度不滿足設(shè)計(jì)要求。封底混凝土的厚度低于設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致其強(qiáng)度不夠，易造成漏水。

②導(dǎo)管布置不合理。根據(jù)混凝土工作性能，混凝土流動(dòng)半徑不大于5 m，在導(dǎo)管布置時(shí)，若規(guī)劃不合理，或布設(shè)數(shù)量不足，均易導(dǎo)致基底出現(xiàn)混凝土真空地帶，尤其邊緣混凝土厚度不足時(shí)，極易引發(fā)漏水。

5.2 風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

(1)PC工法樁接口滲漏水

①輕微漏水時(shí)，在PC工法樁外側(cè)沿鎖扣方向倒入黏土、木屑，或其混合物等堵漏材料，依靠樁內(nèi)外壓差使其封堵鎖扣縫隙；內(nèi)側(cè)則在鎖扣漏水部位嵌塞棉絮、棉筋等嵌塞物，內(nèi)外結(jié)合進(jìn)行堵漏。

②漏水嚴(yán)重時(shí)，則需潛水員在圍護(hù)樁外側(cè)鎖扣漏水部位涂抹防水材料進(jìn)行堵漏。

(2)封底混凝土滲漏水

樁基鋼護(hù)筒、PC工法樁與封底混凝土結(jié)合處出現(xiàn)滲漏水[12]，漏水較小時(shí)，采用水泵及時(shí)抽排即可；漏水較大時(shí)，可填塞棉絮、棉筋等嵌塞物；若出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏時(shí)，則需在圍堰外側(cè)填置沙袋進(jìn)行封堵。

6 結(jié)束語(yǔ)

金溪湖特大橋主墩承臺(tái)基礎(chǔ)現(xiàn)已順利實(shí)施完畢，實(shí)踐表明:

(1)高壓水刀引孔輔助振動(dòng)錘沉樁工藝很好地解決了PC工法樁在復(fù)雜地層條件下貫入阻力大和插打困難等技術(shù)難題，沉樁速度快，沉樁質(zhì)量高。

(2)采用PC工法樁圍堰施工，進(jìn)度快、支護(hù)強(qiáng)度高、變形小、止水封水效果好，為承臺(tái)施工提供無(wú)水作業(yè)條件，既保證了復(fù)雜地層橋梁樁基承臺(tái)深基礎(chǔ)的施工安全，又確保其施工質(zhì)量。