三峽庫區(qū)橋梁深水基礎(chǔ)圍堰施工技術(shù)

張豪， 鄭義， 韓慶雄

(湖北秭歸縣交通運(yùn)輸局， 湖北 秭歸 443600)

1 概述

三峽庫區(qū)湖北省秭歸縣境內(nèi)的童莊河大橋?qū)儆谌龒{后續(xù)規(guī)劃交通設(shè)施建設(shè)與完善專題規(guī)劃中的渡改橋工程，大橋全長 651 m，主橋?yàn)?45+100+320+100+45)m雙塔雙索面混凝土梁斜拉橋，引橋?yàn)?0 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，如圖1所示。3#、4#主塔墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，整體式矩形承臺。承臺底標(biāo)高為+143.27 m，承臺頂標(biāo)高為+148.27 m，高為5 m；其下布置11根樁徑2.8 m樁基，樁長63 m，端承樁。橋梁軸線部位最大水深81 m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用懸臂施工法，下部結(jié)構(gòu)采用鋼吊箱雙薄壁鋼圍堰施工方法。

圖1 橋型布置圖(除標(biāo)高為m外，其余單位：cm)

1.1 水文特征

根據(jù)優(yōu)化后的三峽工程水庫調(diào)度規(guī)程，每年5月25日開始均勻消落水庫水位，至6月10日水位降至145.0 m，水庫最早于9月15日由145.0 m水位開始蓄水，10月底蓄水至175.0 m。該工程汛期施工水位按 164.0 m控制，汛后施工水位按175.0 m控制,每年的水位高差達(dá)30 m,特別是3#、4#墩樁基施工水深為20～50 m,且受上游降雨影響水位漲落頻繁、幅度大，樁基施工完畢后，正直庫區(qū)水位由高水位降至低水位階段，對承臺圍堰的施工極為不利。

1.2 地貌與地質(zhì)

工程區(qū)地貌類型為構(gòu)造剝蝕侵蝕低山，地形蜿蜒起伏，溝谷深切，具有典型溝梁相間地形地貌特征。河床斷面在工程區(qū)呈較對稱“U”形，坡度較陡，河段NE流向。工程區(qū)河床最低高程為91. 45 m，庫水位175 m時河面寬500～755 m，橋軸線部位最大水深81 m。工程區(qū)周邊分布有頭道河Ⅱ號、Ⅲ號滑坡。

大橋樁基與巖層呈25°～45°交角，右岸橋墩樁基穿過的巖層從上層零星分布的第四系松散覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖，持力層為微風(fēng)化頁巖及細(xì)砂巖，左岸橋墩樁基穿過第四系松散覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖，持力層為粉砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖。

現(xiàn)樁基基礎(chǔ)位于儲水前的山腰，歷經(jīng)千億年的風(fēng)吹日曬，除洞穴多之外，儲水以后地質(zhì)狀況更加軟弱。在施工期間，將會發(fā)生30 m的水位變化。在水壓力及其他荷載發(fā)生較大變化的情況下，穩(wěn)定的鉆孔平臺、護(hù)筒的準(zhǔn)確定位、安全的鉆孔工藝、前期的施工平臺、后期的圍堰底龍骨的準(zhǔn)確下沉與定位等工藝成為該橋施工的關(guān)鍵。下文重點(diǎn)介紹圍堰施工與下沉技術(shù)。

2 主要施工過程

橋塔主墩承臺為高位承臺，承臺底標(biāo)高+143.270 m，始終在最低水位以下，需利用圍堰進(jìn)行承臺施工。由于承臺底距河床面高差最高達(dá)32 m，設(shè)計(jì)采用雙壁鋼吊箱圍堰，先平臺后圍堰的施工方式，將鋼吊箱圍堰底龍骨作為鉆孔樁施工平臺，待樁基施工完成后，再進(jìn)行圍堰拼裝、龍骨下放。圍堰布置圖見圖2。

2.1 圍堰底龍骨的施工

根據(jù)水位陡變深水施工的特點(diǎn)，決定將所修建的水上施工平臺，作為樁基施工時的鉆孔施工平臺；樁基施工完成后，以護(hù)筒作為導(dǎo)向架下沉至施工承臺的圍堰底部作為圍堰底龍骨，充分利用施工平臺節(jié)省施工費(fèi)用。

在具體施工時，首先把兩艘450 t平板駁船在右岸拋錨定位，安裝船間連接系及墊梁，并對船體進(jìn)行加固(含艙內(nèi)與甲板)。

在駁船定位與連接系安裝中，測量人員首先進(jìn)行定位、放線，根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整其間距、方向及相對高度。位置偏差控制在1 cm內(nèi)，雖然精度控制增加了工作難度，但可避免后期對支撐樁的定位與施工造成的影響。然后利用浮吊在平板駁船上進(jìn)行施工平臺龍骨的拼裝。完成這項(xiàng)工作以后，機(jī)駁船牽引拼裝船，將施工平臺浮運(yùn)至墩位處。

圖2 圍堰立面布置圖(尺寸單位：mm)

2.2 圍堰整體結(jié)構(gòu)

3#、4#主墩圍堰結(jié)構(gòu)相同，均采用圓形雙壁鋼吊箱圍堰，圍堰外徑33.2 m，內(nèi)徑30.2 m，壁厚1.5 m，分為3節(jié)，每個節(jié)段分成24塊，在工廠制造好后運(yùn)至現(xiàn)場拼裝。圍堰側(cè)板底標(biāo)高為+135.77 m，頂標(biāo)高為+173.812 m，總高為38.042 m。圍堰環(huán)向分12個艙，底節(jié)圍堰為12個密閉隔艙，其余節(jié)段均分為6個連通隔艙和6個封閉隔艙。單個圍堰側(cè)板總質(zhì)量約為1 200.6 t。4#圍堰增加了底隔艙，底隔艙高7.5 m，將圍堰分為5個獨(dú)立的部分，以減輕4#墩圍堰封底時水上混凝土供應(yīng)的壓力。

2.3 圍堰壁板結(jié)構(gòu)

圍堰壁板由內(nèi)、外壁板，環(huán)板及隔倉板組成。其中內(nèi)、外壁板采用δ=8 mm鋼板，環(huán)板采用δ=20 mm鋼板，拼接環(huán)板采用δ=12 mm鋼板，拼接環(huán)板加勁采用δ=10 mm鋼板；豎肋采用∠75×50×6角鋼，隔倉板采用δ=16 mm鋼板，隔倉板加勁采用δ=12 mm鋼板，鋼板、角鋼均采用Q235B材質(zhì)鋼材。

2.4 圍堰支撐體系

圍堰的支持體系采用角鋼制作的水平桁架支撐，水平桁架在高度上每隔1.2 m布置一層，與壁板的環(huán)板焊接，桁架采用∠125×12、∠100×10角鋼，角鋼材質(zhì)均為Q235B。4#墩底隔艙結(jié)構(gòu)由壁板、水平環(huán)板、隔倉板及水平桁架組成。其中壁板采用δ=6 mm鋼板，豎肋采用∠63×6角鋼；環(huán)板采用δ=16 mm鋼板；隔倉板采用δ=10 mm鋼板，隔倉板加勁采用δ=16 mm鋼板；水平桁架采用∠100×8角鋼；鋼板、角鋼均采用Q235B材質(zhì)鋼材。

2.5 圍堰吊掛體系

圍堰下放及封底吊掛系統(tǒng)由主體鋼護(hù)筒及輔助樁鋼護(hù)筒支撐組成，圍堰下放及封底混凝土荷載主要通過底龍骨及吊索傳力給鋼護(hù)筒。

2.6 圍堰連通孔的布置

在圍堰8、22 m高度處，布置兩層連通孔，用于調(diào)節(jié)圍堰內(nèi)外水位平衡。連通孔采用φ300 mm，壁厚6 mm的鋼管，每層布置4個，總共布置8個連通孔。

2.7 圍堰的制作與下沉

3#、4#墩的鋼吊箱圍堰由專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠制作，分塊加工成形，運(yùn)至現(xiàn)場組拼。拼裝圍堰前，利用已經(jīng)完成的鉆孔樁護(hù)筒，在護(hù)筒頂設(shè)置底龍骨提升、下放裝置。將底龍骨下放至合適標(biāo)高，在底龍骨上拼裝完成底節(jié)圍堰之后，即將其下放一次，利用圍堰自浮力與提升力共同作用，在其上完成余下節(jié)段的拼裝，并根據(jù)實(shí)際施工水位情況拼裝頂節(jié)圍堰。每節(jié)圍堰拼裝完成，所有焊縫均進(jìn)行無損檢測后才能下放。在圍堰施工時，對圍堰的底板與壁板進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控，確保圍堰施工順利進(jìn)行。圍堰下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，由潛水工水下堵縫。為確保封底質(zhì)量，4#墩圍堰采用隔艙板分艙，控制單次澆筑量在1 200 m3以內(nèi)。圍堰底板與隔艙由潛水員水下堵縫并檢查合格后，按水下混凝土流動半徑布置垂直導(dǎo)管，采用汽渡船水上運(yùn)輸?shù)姆绞?，天泵布料、料斗?dǎo)管下料，澆筑封底混凝土。最后一批澆筑的封底混凝土養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開始抽水。

圍堰下沉?xí)r，由指揮人員統(tǒng)一下令指揮，操作人員每次下落時指揮人員隨時觀察吊箱頂部是否水平及底部有無障礙情況。若發(fā)現(xiàn)吊箱下沉不均勻或傾斜時，應(yīng)及時找出問題，調(diào)整水平后方可繼續(xù)下放。

2.8 圍堰封底

3#墩圍堰封底采用整體水下封底的方式，封底厚度按照施工時的水位動態(tài)掌握。4#墩由于混凝土需要經(jīng)過水上運(yùn)輸?shù)姆绞剑?yīng)速度難以保證，為此利用4個隔艙將圍堰分為5個區(qū)域進(jìn)行分區(qū)封底(圖3)，以減少混凝土供應(yīng)壓力。

圖3 4#墩圍堰分艙布置圖

圍堰封底施工時先將4個隔艙板內(nèi)混凝土全部澆筑完，澆筑數(shù)量約為1 000 m3；隔艙板澆筑完成后澆筑中間5#隔艙混凝土，約410 m3；隨后對稱澆筑其余4個隔艙，每次澆筑2個艙，混凝土數(shù)量約為800 m3。

2.9 水位與封底混凝土厚度的關(guān)系函數(shù)

三峽庫區(qū)的水位與正常河流不同，不是隨季節(jié)變化的，它不僅有自己獨(dú)特的變化規(guī)律，而且變化速度比較快。而封底混凝土的厚度又與水位密切相關(guān)。在保證安全施工的基礎(chǔ)上，為控制好封底混凝土的厚度，節(jié)省造價，經(jīng)分析確定“水位與封底混凝土厚度”的關(guān)系函數(shù)如下：

H=F(k,r1,r2,n,h)

(1)

式中：H為封底混凝土的厚度;k為鋼板與混凝土黏結(jié)系數(shù);r1和n分別為錨固樁(護(hù)筒)的半徑和根數(shù);r2為鋼圍堰的內(nèi)徑;h為庫區(qū)水位。

計(jì)算過程中，不但考慮樁與封底混凝土的黏結(jié)，還應(yīng)考慮鋼圍堰內(nèi)側(cè)壁與封底混凝土的接觸面積，這是一個動態(tài)方程。其關(guān)鍵是鋼板與混凝土黏結(jié)系數(shù)的確定，它一般和鋼板的清潔與銹蝕程度相關(guān)聯(lián)，其值為0.25～1.0 MPa，需要試驗(yàn)或根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定。根據(jù)式(1)關(guān)系函數(shù)，無論水位如何變化，都可以即時根據(jù)水位變化決定封底混凝土的厚度。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

在整個施工過程中，護(hù)筒起著定海神針的作用。在鉆孔樁施工時，它承受著施工平臺及施工荷載，在下沉施工平臺也就是圍堰底龍骨的時候，它又起到導(dǎo)向的作用。因此，它的精確定位十分關(guān)鍵。

三峽庫區(qū)水位的變動為30 m。而圍堰底龍骨下沉?xí)r也是水位變動的劇烈時段，水位的波動對其下沉有較大影響，若控制不好，圍堰底龍骨可能撞上護(hù)筒。因此在底節(jié)圍堰下放前，須對所有鋼護(hù)筒的垂直度、平面位置及平臺的平面位置進(jìn)行精確測量，計(jì)算出鋼護(hù)筒與平臺龍骨之間的間隙，推算出下放到位時平臺與鋼護(hù)筒之間的相對位置，并根據(jù)水位波動情況調(diào)整測量間隔時間,在施工現(xiàn)場對龍骨翼緣板寬度進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)強(qiáng)，以確保圍堰能安全順利下放。

封底混凝土是施工中的臨時過程，它在橋梁施工完成后，將作為無用的永久荷載作用在橋墩上，體量大造價高。它的厚度與施工的當(dāng)前水位相關(guān)，而厚度又與底龍骨的標(biāo)高相關(guān)，水位在施工時又是變化的，這形成了相互制約的因果效應(yīng)。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到不同水位下封底混凝土的厚度，實(shí)現(xiàn)了節(jié)省造價和保證施工安全的雙重目標(biāo)。

4#墩岸側(cè)沒有設(shè)置混凝土攪拌站，施工用混凝土需船運(yùn)輸。為避免澆筑大體積封底混凝土?xí)r，混凝土供應(yīng)不連續(xù)的風(fēng)險，對4#墩封底進(jìn)行了分艙處理。分艙時要綜合考慮混凝土陸上運(yùn)輸能力、水上運(yùn)輸能力、混凝土下落時的擴(kuò)散半徑等因素，以及樁位的空間分布，按體積大致相等的原則共分為5個艙。經(jīng)過這樣處理，封底混凝土的澆筑質(zhì)量得到了充分保證。

4 結(jié)語

三峽庫區(qū)修建大跨橋梁，在施工過程中，水位劇變及地質(zhì)不良是最大的困難。該工程的施工平臺后期又作為圍堰底龍骨，在三峽庫區(qū)水位陡變的情況下，其下沉量高達(dá)42.73 m，施工難度較大。但經(jīng)過現(xiàn)場控制、調(diào)整，較好地解決了施工關(guān)鍵點(diǎn)。