基于擴大基礎(chǔ)設(shè)計的橋梁深水基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

耿 冰， 張景偉， 郜新軍， 李銘遠(yuǎn)

（1.中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司，天津 300300； 2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001）

雙璧鋼圍堰加鉆孔灌注樁基礎(chǔ)是江河橋梁基礎(chǔ)設(shè)計中較為常見的基礎(chǔ)形式［1-8］，其施工技術(shù)也比較成熟，已有眾多學(xué)者對此進行了研究. 王殿偉［9］通過對蒙西華中鐵路洞庭湖大橋3#主墩基礎(chǔ)采用的雙壁鋼圍堰施工技術(shù)進行敘述，為同類型橋梁提供了借鑒與指導(dǎo). 祝良紅等［10］針對宜昌香溪河大橋所處位置深水落差大、地質(zhì)復(fù)雜等問題，采用了“先平臺后圍堰”的施工順序，為深水大落差環(huán)境下的基礎(chǔ)施工提供了參考.肖世波［11］以平潭海峽公鐵兩用大橋深水區(qū)非通航鋼桁梁橋基礎(chǔ)施工為背景，說明了其鋼吊箱圍堰施工的過程，該圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)可以為類似復(fù)雜海域中圍堰施工提供借鑒和參考. 金紅巖［12］對武漢青山長江公路大橋20 號橋塔墩基礎(chǔ)施工過程進行論述，為處于易沖刷地層的雙壁鋼套箱圍堰平臺一體法施工提供了參考. 郭煜［13］以新白沙沱長江特大橋3號主塔墩基礎(chǔ)采用雙壁鋼套箱圍堰施工為工程背景，對施工中采用鉆孔樁與圍堰同步施工技術(shù)進行了論述，確保了雙壁鋼套箱圍堰的渡洪安全，為全橋的工期目標(biāo)打下了基礎(chǔ).然而擴大基礎(chǔ)設(shè)計的橋梁深水基礎(chǔ)施工與常見的雙璧鋼圍堰加鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工有較大不同，受制約因素多，且施工要求較高，目前鮮有報道. 本文結(jié)合張吉懷鐵路下壟舞水特大橋45#墩水中擴大基礎(chǔ)施工中的難點、重點，研究了鉆爆設(shè)計與施工、雙壁鋼圍堰的拼裝與精確定位、鋼圍堰封底等重點工序施工方法，取得了較好的效果，以期為此類橋梁深水基礎(chǔ)的施工提供一定的參考與借鑒.

1 工程概況

張吉懷鐵路下壟舞水特大橋全長2 525.69 m，橋址位于懷化市鶴城區(qū)鴨嘴鎮(zhèn)李公灣村，橋址范圍地勢平坦. 舞水橋最大跨連續(xù)梁（DK245+339—DK245+554）跨越舞水河，河流與線路大里程夾角為113°. 橋梁上部設(shè)計采用（94+168+94）m 連續(xù)剛構(gòu)，主墩為圓端雙肢薄壁墩，其中45#墩高為49.5 m，基礎(chǔ)為20 m×16 m×5 m擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)布置示意圖如圖1 所示. 基礎(chǔ)底面標(biāo)高197.96 m、頂面標(biāo)高202.96 m，河床標(biāo)高約204.80 m. 河床以下地質(zhì)特點為：覆蓋層厚度0.3～2.4 m，主要為卵石土，巖土施工等級為III，σ0=300 kPa；2.4 m以下為灰?guī)r，裂隙交發(fā)育，存在小型溶腔，巖土施工等級V類，σ0=800 kPa.

45#墩位于三角灘水電站庫區(qū)的回水區(qū)，正常蓄水時45#墩水深9～10 m. 舞水最高通航水位215.40 m，最低通航水位210.60 m，測時水位212.449 m（2018.1.20），原規(guī)劃VI級航道，500 t駁船通行，雙向通航最小凈寬90 m. 根據(jù)舞水懷化站近5年的監(jiān)測結(jié)果顯示，舞水河豐水期在每年6—8月份，最高水位達(dá)219.00 m，其他時段最高水位在215.20 m.

圖1 主橋45#墩基礎(chǔ)布置示意圖Fig.1 Layout of 45#pier foundation of main bridge

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合工程實際，考慮安全和經(jīng)濟性，基礎(chǔ)施工的擋水結(jié)構(gòu)采用雙壁鋼圍堰，設(shè)防水位+215.500 m，頂面高程為+216.500 m，底面高程為+194.961. 該雙壁鋼圍堰高22.50 m，分3節(jié)共計24塊加工并就近拼裝而成，外直徑35 m，內(nèi)直徑31 m，壁厚2 m，總重量為620 t. 圍堰底設(shè)計為平底無刃腳，每個隔艙底設(shè)有一個支腿，高度60 cm，共計8個. 圍堰內(nèi)壁距擴大基礎(chǔ)邊緣最近處約4.175 m. 圍堰支腿在環(huán)形基坑槽內(nèi)通過混凝土與基巖嵌固. 圍堰總體布置見圖2.

3 工程難點及重點分析

本工程的施工的重點及難點為：①近5年的水文資料顯示，每年6—8月份為豐水期，如何在豐水期到來之前完成鋼圍堰基槽的爆破開挖是控制工期的關(guān)鍵；②45#墩下部結(jié)構(gòu)為擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面標(biāo)高197.96 m，河床標(biāo)高約204.80 m，水深約10 m，水上鉆孔的深度約17 m，基巖爆破厚度達(dá)到7 m，對鉆機的定位和炮孔的裝藥量控制較高；③常規(guī)設(shè)備無法將基槽底徹底及巖壁清理干凈，易造成滲水通道，會出現(xiàn)大量透水的可能；④基礎(chǔ)開挖后，需同步下放鋼圍堰，下放水深達(dá)到17 m，定位措施要求很高.

圖2 圍堰總體布置Fig.2 General layout of cofferdam

4 重點工序

4.1 重點工序流程圖

重點工序流程圖如圖3所示.

4.2 鉆爆設(shè)計與施工

4.2.1 鉆爆孔布置與裝藥量設(shè)計 水下鉆孔爆破參數(shù)包括孔徑、單耗、孔排距、孔深及單孔裝藥量.

1）孔徑：鉆孔鉆機采用X-100型地質(zhì)鉆，在浮平臺上進行垂直鉆孔，d=110 mm.

2）水下鉆孔爆破炸藥單耗計算，采用考慮比較全面，在實踐中運用得較多瑞典的計算方法［14-15］：

圖3 重點工序流程圖Fig.3 Key process flow chart

式中：q1為基本裝藥量，是一般陸地梯段爆破單耗的2倍；對水下垂直孔，再增加10%，水下直孔約為1.1 kg/m3；q2=0.01h2，為爆區(qū)上方水壓增量；h2為覆蓋層以上的水深，m；q3=0.02 h3，為爆區(qū)上方覆蓋層增量；h3為覆蓋層厚度，m；q4=0.03h，為巖石膨脹增量，h為鉆孔爆破的臺階高度，m.

在實際施工中，影響單位炸藥消耗量的因素很多，主要有巖石的可爆性、炸藥種類、自由面條件、施工條件、起爆方式、水深和破碎塊度要求等. 應(yīng)將上述計算結(jié)果，與國內(nèi)外的統(tǒng)計資料分析結(jié)果（表1）比較，合理確定水下鉆孔爆破單位炸藥消耗量q值. 經(jīng)計算比較本項目代表性點位的水下鉆孔爆破炸藥單耗1.41 kg/m3.

表1 國內(nèi)外水下鉆孔爆破常用單位炸藥消耗量q值Tab.1 The q value of explosive consumption per unit commonly used in underwater drilling and blasting at home and abroad

3）孔排距

深孔爆破的孔距及排距與最小抵抗線相關(guān)，對于平行排列炮孔最小抵抗線的確定可按式（2）確定.

式中：w 為最小抵抗線，m；d 為炮孔直徑，m；Δ裝藥密度，kg/m3，一般取850～900；τ 為炮孔裝藥系數(shù)，一般取0.7～0.85；m為炮孔鄰近系數(shù)，取值為0.8～1.0；q為單位耗藥量，kg/m3.

對于水下鉆孔爆破炸，最小抵抗線的選取應(yīng)比在陸地上鉆孔淺眼爆破減少15%左右，本項目取1.82 m.

孔間距一般取a=mw（m＞1），并結(jié)合國內(nèi)外的經(jīng)驗及清碴設(shè)備情況，本項目孔距a取3 m；排距b取2 m.

4）孔深

為了保證設(shè)計深度內(nèi)巖體均勻破碎，不留根底，鉆孔應(yīng)有一定的超深，以克服底盤巖石的夾制作用. 根據(jù)文獻的經(jīng)驗［16-17］，超鉆Δh等于炮孔最小抵抗線，至少不能小于0.8 m. 孔深計算公式：

5）單孔裝藥量

考慮水深的影響，單孔裝藥量可按式（3）計算［18］：

式中：K為阻力系數(shù)，一般取1.1～1.2.

綜合上述得主要點位爆破參數(shù)，見表2.

4.2.2 分區(qū)爆破及順序 為了減少對周邊環(huán)境的影響，環(huán)形基坑爆破，分五次爆破，接近270 個孔，單次爆破最大用藥總量為3 t.第一次爆破60 個孔，鉆孔平均深度為11 m，每個孔內(nèi)裝兩段炸藥，兩段炸藥之間采用砂袋分隔，單孔炸藥量57～73 kg，單孔內(nèi)兩段炸藥之間設(shè)置50 ms間隔. 孔與孔之間設(shè)置50 ms間隔，每排最后一個孔和下排第一個孔的間隔為110 ms. 炮眼爆破順序成S型布置，如圖4所示. 現(xiàn)場爆破效果見圖5.

表2 主要點位爆破參數(shù)Tab.2 Blasting parameters of main points

圖4 炮眼設(shè)置及爆破順序Fig.4 Blasthole setting and blasting sequence

圖5 現(xiàn)場爆破效果Fig.5 Field blasting effect

4.2.3 基槽開挖及復(fù)測 巖石爆破完畢后，進行清除巖渣. 清渣用長臂挖機開挖，巖渣挖到泥駁中運到指定位置堆放，可以作為機制砂的母料. 現(xiàn)場清渣及基槽開挖見圖6. 在清渣工作初步完成以后，利用GPS配合超聲波測深儀逐個炮孔位置測量基槽深度，測深儀器每5 s反射一次深度. 根據(jù)反復(fù)測量的數(shù)據(jù)，利用繪圖軟件繪制基槽立體形象圖及各個位置的斷面圖，待基槽尺寸滿足設(shè)計要求后，方可進行圍堰吸泥下放等后一步工序. 基槽立體圖見圖7.

圖6 基槽開挖及現(xiàn)場清渣Fig.6 Foundation trench excavation and site slag removal

4.3 鋼圍堰拼裝及精確定位

雙壁鋼圍堰高22.50 m，外直徑35 m，內(nèi)直徑31 m，壁厚2 m，共分3 節(jié)共計24 塊加工并就近拼裝而成，底節(jié)（7.2 m）、中節(jié)（9 m）、頂節(jié)（6.3 m），重量分別為176、258、186 t，總重量為620 t. 圍堰底設(shè)計為平底無刃腳，每個隔艙底設(shè)有一個支腿，高度60 cm，共計8 個. 大型鋼圍堰拼裝、精確定位及下放安置是施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，主要包括拼裝平臺搭設(shè)、底節(jié)鋼圍堰拼裝、底節(jié)鋼圍堰下放、中節(jié)及頂節(jié)鋼圍堰拼裝、鋼圍堰浮運著床等環(huán)節(jié). 圖8為鋼圍堰分塊加工現(xiàn)場.

4.3.1 拼裝平臺搭設(shè) 在兩側(cè)棧橋之間插打24根鋼管樁，鋼管樁規(guī)格為A 800 mm×10 mm，鋼管樁按照圍堰中心直徑等分布置8 組鋼管樁，每組鋼管樁之間的樁間距為5.1 m，在每組的鋼管樁之間距離水面50 cm 位置焊接橫梁，橫梁采用雙拼工40型鋼. 拼裝平臺設(shè)計圖如圖9所示.

4.3.2 底節(jié)鋼圍堰拼裝 底節(jié)圍堰共分8 塊，每塊重量平均為22 t，采用75 t履帶吊分節(jié)吊裝到圍堰拼裝平臺上進行拼接. 1#、2#、3#塊在A平臺上拼裝，4#、5#塊在兩側(cè)棧橋上拼裝，6#、7#在A平臺拼裝，拼裝8#時需先拆除A平臺，然后在B平臺上拼裝8#塊.

4.3.3 底節(jié)鋼圍堰下放 圍堰底節(jié)拼裝完，對底節(jié)圍堰各焊縫進行煤油滲透試驗，試驗合格后方可進行圍堰下放. 圍堰下放采用接高鋼護筒，在護筒頂設(shè)置橫梁，利用千斤頂和精軋螺紋鋼將底節(jié)圍堰下放到水里.底節(jié)鋼圍堰下放現(xiàn)場圖如圖10所示.

圖7 基地清渣效果探測合成Fig.7 Detection and synthesis of base slag cleaning effect

圖8 鋼圍堰分塊加工現(xiàn)場Fig.8 Steel cofferdam block processing site

圖9 拼裝平臺設(shè)計圖Fig.9 Design drawing of assembling platform

圖10 底節(jié)鋼圍堰下放現(xiàn)場Fig.10 Site of lowering bottom section steel cofferdam

4.3.4 拼裝中節(jié)及頂節(jié)鋼圍堰 底節(jié)圍堰入水后，先將圍堰內(nèi)鋼管樁拔除，然后繼續(xù)拼裝圍堰中節(jié)，圍堰中節(jié)共8塊，每塊重量為32.25 t，采用150 t的汽車吊拼裝. 汽車吊站位在B平臺上，將圍堰中節(jié)一塊一塊的吊裝在圍堰底節(jié)上，拼裝完一節(jié)將圍堰順時針轉(zhuǎn)動，然后拼裝第二塊，依次將中節(jié)全部拼裝完成，同步工序完成頂節(jié)鋼圍堰的拼裝.

4.3.5 鋼圍堰浮運著床 采用圍堰兩側(cè)棧橋為導(dǎo)向，利用卷揚機將圍堰浮運到墩位處，然后往圍堰內(nèi)注水下沉. 當(dāng)圍堰底距環(huán)形槽底50 cm 時，停止往圍堰內(nèi)注水，測量人員對圍堰的平面位置做最后一次復(fù)核，圍堰平面位置滿足要求后，繼續(xù)往圍堰內(nèi)加水，此時潛水員下水觀察圍堰著床情況. 當(dāng)圍堰底部支腿與環(huán)形槽的最高點接觸緊密后，停止圍堰內(nèi)注水，潛水員在水下將圍堰支腿懸空部分采用石塊支墊，保證圍堰平整.

4.4 鋼圍堰封底

鋼圍堰封底混凝土應(yīng)滿足受力安全和防滲效果，結(jié)合現(xiàn)場水文地質(zhì)條件、各抗力條件及現(xiàn)場實際情況，項目采用環(huán)形不等厚封底，其示意圖如圖2（a）及圖11 所示.鋼圍堰封底主要包括封底混凝土厚度計算、封底混凝土指標(biāo)控制、封底混凝土澆筑等環(huán)節(jié)［19-20］.

4.4.1 封底混凝土厚度計算 為保證封底混凝土的有效厚度，實際澆筑厚度應(yīng)為從鋼圍堰底平面到計算位置再加上浮漿厚度. 封底混凝土的最小厚度可按式（4）計算：

圖11 鋼圍堰環(huán)形不等厚封底示意圖Fig.11 Schematic diagram of ring unequal thickness bottom sealing of steel cofferdam

式中：γw為水的重度，kN/m3；A為封底混凝土面積，m2；h水為抽水深度，m；γc混凝土重度，kN/m3；u為封底混凝土周長，m；τc為水下混凝土與周圍鋼圍堰間的單位黏結(jié)力（一般按實際情況根據(jù)試驗確定），MPa.

根據(jù)式4本項目的x=2.8 m，考慮浮漿影響，內(nèi)側(cè)混凝土封底厚度取3.3 m. 因圍堰外側(cè)封底的不可控因素較多，封底厚度定位4.8 m，標(biāo)高與河床基巖基本等高.

4.4.2 封底混凝土指標(biāo)控制 結(jié)合封底混凝土澆筑時間，抽水時強度等要求，確定封底混凝土設(shè)計強度為水下C30，坍落度為180～220 mm，初凝時間為10 h以上；混凝土擴散半徑為8 m.

4.4.3 封底混凝土澆筑循序 總的澆筑順序為先內(nèi)側(cè)后外側(cè)，內(nèi)側(cè)澆筑由上游側(cè)同一點出發(fā)，沿圍堰向兩側(cè)澆筑，在下游側(cè)合龍；外側(cè)澆筑時，因圍堰下游側(cè)貼近主棧橋位置淤泥回流速度較快，選擇該位置首先澆筑（封底前需要再次清基），澆筑方式與內(nèi)側(cè)封底相同.

5 結(jié)論

擴大基礎(chǔ)設(shè)計的橋梁深水基礎(chǔ)施工，受制約因素多，且施工要求較高，張吉懷鐵路下壟舞水特大橋45#墩水中擴大基礎(chǔ)施工，在前期水文地質(zhì)資料的調(diào)查，設(shè)計方案的優(yōu)化，臨時結(jié)構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化，擬進場設(shè)備的市場調(diào)查及性能比較，多方案的研究比選的基礎(chǔ)上，對重點工序進行了精細(xì)化施工，取得了預(yù)期效果，主要表現(xiàn)為：

1）合理優(yōu)化鋼圍堰尺寸，減少圍堰基槽的開挖量：在有限的時間內(nèi)完成爆破及基槽開挖，主要從基槽開挖的尺寸、標(biāo)高來控制開挖量，同時選用開挖效率高的設(shè)備及數(shù)量來保證開挖時間可控.

2）精確定位爆破孔位，根據(jù)地質(zhì)條件合理控制裝藥量：通過對地質(zhì)特性分析及河床實測地形核查，通過計算及利用精確的定位設(shè)備，精確控制炮孔間距及裝藥量，達(dá)到基槽成型效果.

3）合理利用現(xiàn)有臨時結(jié)構(gòu)及設(shè)備保證鋼圍堰的浮運及下放：利用現(xiàn)有雙側(cè)棧橋及水中施工平臺及岸邊臨時錨固樁為固定點，輔助動力船、履帶吊及卷揚機為動力設(shè)備保證鋼圍堰的浮運安全及鋼圍堰定位下放的準(zhǔn)確.

4）采用環(huán)形不等厚封底減少滲水通道的形成：封底前利用吸泥機及高壓射水對基槽清淤，保證封底混凝土與基槽巖面及鋼圍堰更好的黏結(jié). 通過計算在鋼圍堰內(nèi)側(cè)封底就能滿足要求的情況下，對鋼圍堰外側(cè)進行了二次封底，降低了滲水通道的形成概率，保證圍堰抽水可控，一次封底可控.