港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋預(yù)制承臺(tái)及底節(jié)墩身圍堰封底施工技術(shù)

康 平，陳山亭

（中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

1 工程概況

1.1 墩臺(tái)結(jié)構(gòu)

淺水區(qū)非通航孔橋共62 個(gè)橋墩，墩高19.143～42.974m，其中墩高≤27m 橋墩 49 個(gè)（152～196# 墩、216～219#墩），為低墩區(qū)；墩高＞27m 橋墩 13 個(gè)（197～203#墩、210～215#墩），為高墩區(qū)。低墩區(qū)墩臺(tái)分為兩節(jié)預(yù)制，高墩區(qū)墩臺(tái)分為三節(jié)預(yù)制，承臺(tái)與底節(jié)墩身一起預(yù)制，預(yù)制墩臺(tái)分節(jié)吊裝完成后澆筑濕接縫。高墩區(qū)下部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

承臺(tái)尺寸為15.6m×11.4m×4.5m（橫橋向×縱橋向×承臺(tái)高度），承臺(tái)采用C45 混凝土，墩身采用C50 混凝土。預(yù)制承臺(tái)埋入海床面以下；首節(jié)墩身與承臺(tái)一起預(yù)制，預(yù)制承臺(tái)及其底節(jié)墩身最大重量為2350t。

1.2 氣象、水文及地質(zhì)條件

淺水區(qū)非通航孔橋?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候區(qū)，溫暖潮濕、氣溫年較差不大，降水量多且強(qiáng)度大；橋位區(qū)處于熱帶氣旋路徑上，受熱帶氣旋的影響十分頻繁。

橋區(qū)潮汐屬不規(guī)則半日潮混合潮型。20 年一遇極高潮位+2.97m，極低潮位-1.35m。

CB05 合同段水中區(qū)段位于里程K29+322～K35+605段，高潮時(shí)水深5.0m～7.0m，低潮時(shí)水深3.5m～5.5m，地面較平坦，地面高程一般在-4.0m～-6.2m，其中里程K31+500（178 墩）～K32+300（187 墩）段地面高程在-3.5m～-4.0m，里程 K35+370（220 墩）～K35+550（222 墩）（珠澳口岸人工島連接橋）段受填島擠淤影響，地面高程在-2.3m～-3.0m，海底主要為海相沉積的淤泥、粗砂、粗礫砂、細(xì)沙、全風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖等。

2 總體施工方案及圍堰結(jié)構(gòu)

2.1 承臺(tái)總體施工方案

港珠澳大橋CB05 合同段淺水區(qū)非通航孔橋預(yù)制承臺(tái)安裝施工，采用無(wú)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)雙壁鎖口鋼套箱圍堰施工，主要流程為：墩位清淤、基坑開(kāi)挖、圍堰安裝、圍堰吸泥清基及封底、承臺(tái)及底節(jié)墩身吊裝、濕接縫澆筑及養(yǎng)護(hù)、圍堰整體拆除至下一墩位。前期圍堰施工采用分塊插打拼裝成整體，后期圍堰拔除及倒運(yùn)采用整體拔除、整體下沉方案。

圖1 淺水區(qū)非通航孔高墩區(qū)下部結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

2.2 圍堰結(jié)構(gòu)

圍堰采用新型無(wú)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的雙壁鎖口鋼套箱圍堰，受“小天鵝”起重船開(kāi)檔寬度及浮吊吊裝重量控制影響，圍堰壁設(shè)計(jì)厚度0.75m，高度23.2m，圍堰設(shè)計(jì)成可拆裝式，平面分為八個(gè)分塊，各分塊之間采用榫頭式鎖口與螺栓組合的連接方式進(jìn)行連接，見(jiàn)圖2。圍堰標(biāo)高參數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 圍堰標(biāo)高參數(shù)表

其中，設(shè)計(jì)水位為+2.00m，封底混凝土厚為3.5m，采用水下C35 混凝土。

圍堰特點(diǎn)：

（1）雙壁鎖口鋼套箱圍堰：內(nèi)外壁板通過(guò)水平環(huán)板、豎向肋板焊接成整體，水平方向以角鋼焊接加強(qiáng)，圍堰單塊壁板的剛度很大。

（2）圍堰壁板在豎向是整塊結(jié)構(gòu)，水平方向分成8 個(gè)分塊，分塊與分塊之間在上部采用螺栓連接成整體，中部、底部采用榫頭式插入連接。結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：方便圍堰的組拼、整體拆除；對(duì)止水有一定幫助；受力特點(diǎn)是可承受壓力和面外的剪力，不能承受拉力和面內(nèi)的豎向剪力，兩塊壁板間可發(fā)生一定角度的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，故視為不能傳遞水平向彎矩。

（3）圍堰止水是采用豎向連續(xù)的鎖口，通過(guò)設(shè)置水囊或者灌注砂袋、泥袋來(lái)阻斷水流路徑。止水結(jié)構(gòu)不考慮參與結(jié)構(gòu)受力。

圖2 圍堰結(jié)構(gòu)布置圖

2.3 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)非通航孔橋下部結(jié)構(gòu)施工組織設(shè)計(jì)，圍堰結(jié)構(gòu)分別按照三種工況進(jìn)行檢算：

工況一：開(kāi)挖工況

圍堰結(jié)構(gòu)自身承載力，圍堰抗傾覆，圍堰抗隆起均滿(mǎn)足要求。

工況二：抽水工況

圍堰結(jié)構(gòu)自身承載力，封底混凝土承載力，鋼管砼樁抗拔承載力均滿(mǎn)足要求。

工況三：抗20 年一遇臺(tái)風(fēng)檢算工況

圍堰結(jié)構(gòu)整體變形及內(nèi)外壁板有效應(yīng)力（von-Mises應(yīng)力），圍堰豎隔板及橫隔板有效應(yīng)力（von-Mises 應(yīng)力），圍堰內(nèi)外壁板加勁角鋼組合應(yīng)力均滿(mǎn)足要求。圍堰接縫承載力滿(mǎn)足要求。經(jīng)驗(yàn)算，圍堰結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 圍堰封底技術(shù)

3.1 基坑開(kāi)挖及圍堰安裝

根據(jù)前期試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)，橋位清淤按照1:7 放坡清理，防止坡度過(guò)堵回淤；基坑開(kāi)挖按照1:5 放坡開(kāi)挖。按照要求將基坑開(kāi)挖到位后，“華爾辰”號(hào)起重船整體安裝圍堰：在復(fù)合樁鋼管上設(shè)置固定雙層導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，用“華爾辰”號(hào)起重船起吊整體圍堰并套入導(dǎo)向支架，調(diào)節(jié)圍堰的平面位置與垂直度，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后用導(dǎo)向支架調(diào)節(jié)裝置完全定位卡死后，繼續(xù)利用自重下放圍堰至停止下沉。解除圍堰頂口5.2m 范圍內(nèi)部分螺栓，分塊分批將圍堰插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。整個(gè)圍堰都插打到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，最后安裝圍堰頂部5.2m 范圍內(nèi)的連接螺栓，使之形成一個(gè)整體。在圍堰鎖口內(nèi)安裝水囊或者灌注砂袋，封閉鎖口縫隙，達(dá)到止水效果。

圍堰的初始定位精度見(jiàn)表2。

表2 圍堰精度控制表

3.2 圍堰吸泥及清基

吸泥：安裝圍堰吸泥門(mén)架設(shè)備，對(duì)圍堰內(nèi)進(jìn)行吸泥作業(yè)。根據(jù)圍堰的大小及其所在位置的地質(zhì)情況，圍堰吸泥采用2 臺(tái)（套）吸泥設(shè)備。

在吸泥過(guò)程中經(jīng)常搖蕩管身和移動(dòng)吸泥管位置，以期吸泥效果最好。吸泥管口一般離開(kāi)泥面為15～50cm。要隨時(shí)升降吸泥機(jī)，以能經(jīng)常吸出最稠的泥漿為標(biāo)準(zhǔn)。如果吸泥效果不佳時(shí)，可采用“憋氣”的方法，即暫時(shí)將閘閥關(guān)閉，稍停2～3min，猛開(kāi)風(fēng)閥使風(fēng)量風(fēng)壓突然增大，即可吸出較堅(jiān)硬的土塊或堵塞物。

吸泥的過(guò)程中，應(yīng)保證吸泥的速度一致，保證圍堰吸泥過(guò)程中不發(fā)生偏移和偏轉(zhuǎn)。

空氣吸泥機(jī)的型號(hào)，一般以進(jìn)泥管口內(nèi)徑大小而定。當(dāng)空氣吸泥裝置工作時(shí)，壓縮空氣沿進(jìn)氣管進(jìn)入空氣箱以后，通過(guò)內(nèi)管壁上的一排排小孔眼進(jìn)入混合管，在混合管內(nèi)與水混合，形成容重小于1 的氣水混合物。當(dāng)送入的壓縮空氣足夠充足，空氣箱在水面以下又有相當(dāng)?shù)纳疃?，混合管中的混合物在管外水頭壓力作用下，便順著排泥管上升而排出井外。而與吸泥器固定在一起的高壓射水管與吸泥管一起升降移動(dòng)，將吸泥管口處土體沖散成泥漿，隨著氣水混合物順著混合管向上流動(dòng)被吸入管內(nèi)。

清基：圍堰內(nèi)清底采用2 臺(tái)砂石泵從中間向邊沿?cái)U(kuò)散清理，按照一定坡度吸出圍堰內(nèi)壁范圍內(nèi)泥沙。清底時(shí)，注意保持圍堰內(nèi)外水位一致，必要時(shí)采用水泵補(bǔ)水，防止翻砂影響清底效果。

圍堰內(nèi)清基亦可采用長(zhǎng)臂挖機(jī)進(jìn)行挖泥。在圍堰內(nèi)6 根復(fù)合樁鋼管頂撘設(shè)移動(dòng)平臺(tái)，長(zhǎng)臂挖機(jī)站在平臺(tái)上進(jìn)行挖泥作業(yè)，當(dāng)挖至封底底標(biāo)高時(shí)不再使用挖機(jī)，采用射水吸泥的方式清理鋼管和圍堰周圈的淤泥。

清基完成后，根據(jù)方格網(wǎng)坐標(biāo)點(diǎn)，采取逐點(diǎn)用測(cè)深儀測(cè)出基面高程，以確保封底混凝土厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

基坑開(kāi)挖應(yīng)嚴(yán)格控制，做到以下幾點(diǎn)：

（1）嚴(yán)格控制基坑開(kāi)挖的時(shí)間

在圍堰拼裝完成的前三天通知挖泥船開(kāi)始基坑開(kāi)挖，確?；娱_(kāi)挖完成后未被擾動(dòng)的原狀土不受海水長(zhǎng)落潮長(zhǎng)時(shí)間沖刷，使原狀土浸泡軟化過(guò)深。

（2）嚴(yán)格控制基坑開(kāi)挖的深度

基坑開(kāi)挖的設(shè)計(jì)底標(biāo)高應(yīng)根據(jù)承臺(tái)底標(biāo)高嚴(yán)格控制，確保圍堰的入土深度的同時(shí)又不影響封底質(zhì)量。

承臺(tái)頂標(biāo)高為-6.0m 的, 河床開(kāi)挖底標(biāo)高嚴(yán)格按（-13.0m）控制；承臺(tái)頂標(biāo)高為-5.0m 的,河床開(kāi)挖底標(biāo)高嚴(yán)格按（-12.0m）控制；承臺(tái)頂標(biāo)高為-4.5m 的,河床開(kāi)挖底標(biāo)高嚴(yán)格按（-11.5m）控制。

根據(jù)潮位情況，認(rèn)真控制挖泥深度。技術(shù)員上挖泥船后，首先應(yīng)根據(jù)最高潮和最低潮的潮差高度，確定挖泥機(jī)大臂的入水深度。在機(jī)械大臂最低潮時(shí)的最大挖深和最高潮時(shí)的最大挖深位置系上紅絲帶。每次開(kāi)挖到標(biāo)記的絲帶附近應(yīng)及時(shí)提醒挖泥司機(jī)控制深度，避免超挖。

在墩位旁開(kāi)挖時(shí)，可以以護(hù)筒頂標(biāo)高為基準(zhǔn)，推算水面標(biāo)高，進(jìn)一步推算抓斗絕對(duì)高程。每小時(shí)修正一次。

挖泥過(guò)程中，應(yīng)不定時(shí)用測(cè)繩測(cè)量泥面標(biāo)高，對(duì)開(kāi)挖深度進(jìn)行復(fù)核。標(biāo)高基準(zhǔn)面則根據(jù)墩位護(hù)筒頂標(biāo)高推算船舷標(biāo)高，并以船舷標(biāo)高為基點(diǎn)，用測(cè)繩測(cè)量實(shí)際挖深。測(cè)量點(diǎn)取8 個(gè)點(diǎn)，4 個(gè)角點(diǎn)（根據(jù)圍堰尺寸取18m×14m），4 條邊中點(diǎn)位置。6 根護(hù)筒中間部分則以抓斗伸長(zhǎng)量為準(zhǔn)。

挖泥高度盡量正誤差，不能挖深。原則上距開(kāi)挖標(biāo)高30cm 以?xún)?nèi)則可停止開(kāi)挖。測(cè)深的錘坨應(yīng)選用重一點(diǎn)的。挖到設(shè)計(jì)底標(biāo)高時(shí)，應(yīng)該對(duì)開(kāi)挖出來(lái)的泥土情況進(jìn)行描述。

圍堰下放完成后根據(jù)承臺(tái)底標(biāo)高吸泥至不同的封底底標(biāo)高。如果泥質(zhì)很硬，且地質(zhì)報(bào)告中開(kāi)挖的持力層在粉質(zhì)粘土層或砂層時(shí)可按設(shè)計(jì)標(biāo)高來(lái)控制，直接封底。如泥質(zhì)很軟繼續(xù)吸泥到-14m，然后用打砂船回填1.3m 高左右的砂代替淤泥層，砂層板結(jié)后承載力達(dá)到封底要求則進(jìn)行封底施工。

（3）基底土層承載力實(shí)驗(yàn)

圍堰封底前按單位面積1m×1m×2.8m 的混凝土做一個(gè)比重錘，放在單位面積的砂層上，如果比重錘不下沉，則可一次澆筑2.8m 的混凝土；如果比重錘下沉，則采用先澆注0.6m 左右混凝土墊層，等墊層混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，采用空壓機(jī)吸除第一次混凝土頂面的淤泥，然后再澆注余下的部分的混凝土。

（4）圍堰抽水完成后加快各道工序之間的轉(zhuǎn)換，盡可能的在短時(shí)間內(nèi)完成承臺(tái)的安裝，減少?lài)叱樗蟮臅r(shí)間。

3.3 圍堰封底

封底前潛水工認(rèn)真清理鋼管樁外壁及圍堰內(nèi)壁附著物，使其表面無(wú)泥土附著。封底混凝土灌注采用垂直導(dǎo)管多點(diǎn)水下灌注，混凝土供應(yīng)由“海天四號(hào)”混凝土工作船供應(yīng)。水下封底混凝土澆注的順序及原則：先中間鍋底后四周順序、對(duì)稱(chēng)均衡原則。

灌注導(dǎo)管布置：灌注導(dǎo)管采用Ф273 卡式快裝垂直導(dǎo)管，按半徑5m 灌注重疊覆蓋布置導(dǎo)管數(shù)量。導(dǎo)管安裝前先組拼試壓，試壓強(qiáng)度取水頭壓力的1.5 倍。組拼時(shí)須對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行編號(hào)對(duì)接，確定導(dǎo)管長(zhǎng)度和安裝拼接順序。此外，還需對(duì)導(dǎo)管接頭進(jìn)行試?yán)囼?yàn)，確保接頭質(zhì)量。

灌注平臺(tái)布置：灌注平臺(tái)支承在圍堰井壁上，須覆蓋圍堰底面范圍，平臺(tái)上布置混凝土集料槽與混凝土工作船相匹配，保證導(dǎo)管灌注時(shí)埋深大于0.7m（見(jiàn)《公路施工手冊(cè)-橋涵》第 735 頁(yè)）。

封底混凝土首盤(pán)方量應(yīng)大于6m3。封底時(shí)導(dǎo)管距基底的距離為30cm，此時(shí)混凝土的擴(kuò)散直徑取5.0m，其計(jì)算導(dǎo)管埋深約為0.5m。外加在首盤(pán)混凝土灌注的過(guò)程中，“海天四號(hào)”混凝土工作船會(huì)一直向料斗內(nèi)注入砼，因此導(dǎo)管的埋深大致在0.8m 以上。

首盤(pán)方量計(jì)算：根據(jù)《公路施工手冊(cè)-橋涵》第六章第6 節(jié)相關(guān)內(nèi)容（P891～P892）計(jì)算。

首盤(pán)方量按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：D-混凝土護(hù)散直徑（m），根據(jù)漏斗到封底底面高度及是否采用混凝土下落降速措施決定，一般取5～6m，本計(jì)算取5.0m；

d-導(dǎo)管直徑，0.3m；

Hc-初批混凝土灌注所需要的高度，一般0.8～1.0m，本計(jì)算取0.8m。

h1-并孔內(nèi)混凝土高度達(dá)到Hc時(shí)導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱與導(dǎo)管外水壓平衡的高度

Hw-圍堰內(nèi)水面至初批混凝土角錐體重心的高度（m）。

H0-圍堰內(nèi)水面至基底高度（m）；H0=13.7+2=15.7m。

將上面計(jì)算中的數(shù)據(jù)代入后：

首盤(pán)完成后，要連續(xù)不間斷的向料斗內(nèi)注入混凝土?！昂Ｌ焖奶?hào)”混凝土工作船的設(shè)計(jì)產(chǎn)量為120m3/h。實(shí)際生產(chǎn)能力不會(huì)低于75m3/h，整個(gè)3.0m 厚的封底混凝土共計(jì)約510m3，約需要7 小時(shí)可完成全部封底混凝土灌注工作。

封底混凝土灌注順序：先低后高，由一側(cè)往另一側(cè)推進(jìn)。為了保證封底混凝土質(zhì)量，應(yīng)使混凝土在導(dǎo)管下料后能形成可靠的均衡的混凝土堆，隨導(dǎo)管內(nèi)不斷下料，新澆筑混凝土在無(wú)水的導(dǎo)管內(nèi)注入已澆筑混凝土堆內(nèi)，使混凝土堆不斷向外擴(kuò)散和升高。

在隔水的條件下澆注混凝土應(yīng)采取相應(yīng)的保證措施，主要有：

（1）封底混凝土的質(zhì)量技術(shù)要求：混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為水下C35，坍落度20cm～25cm；流動(dòng)度保持在2 小時(shí)內(nèi)坍落度不低于16cm；初凝時(shí)間：12h～16h；混凝土采用泵送，滿(mǎn)足相關(guān)泵送技術(shù)規(guī)定。

（2）混凝土灌注前，應(yīng)根據(jù)砍球范圍合理布置混凝土總儲(chǔ)槽和分料槽，保證覆蓋所有灌注點(diǎn)。

（3）封底前布置足夠數(shù)量的測(cè)量點(diǎn)，加大測(cè)量的頻率，真實(shí)的反映混凝土頂面高程的情況，并及時(shí)的反饋現(xiàn)場(chǎng)指揮人員，以全面了解圍堰水下混凝土面的標(biāo)高情況，實(shí)際封底高度較設(shè)計(jì)標(biāo)高高出約10cm。

（4）每根導(dǎo)管的首批混凝土灌注時(shí)要求連續(xù)、不能間斷的進(jìn)行，并且保證導(dǎo)管底口有不少于0.8m 的埋深，確保首批混凝土灌注成功。

（5）封底過(guò)程中，通過(guò)開(kāi)放圍堰上的連通孔，必須保證內(nèi)外水頭一致，尤其圍堰外水頭不能高于圍堰內(nèi)。若遇漲潮需及時(shí)向圍堰內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)水。

（6）封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求前，鋼圍堰不得受到?jīng)_擊、干擾和承受額外荷載，以免影響混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)，確?；炷恋膹?qiáng)度、整體性和水密性。

（7）封底混凝土施工過(guò)程中要通過(guò)對(duì)封底方量與封底頂面標(biāo)高這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制。要保證其兩個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系正確，以保證封底混凝土頂面標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且使封底頂面最高點(diǎn)不得超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)高的300mm。

待封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)圍堰進(jìn)行抽水，割除工具樁，并對(duì)樁頭混凝土進(jìn)行處理，安裝樁頂?shù)匿摿⒅柏Q向千斤頂后，進(jìn)入預(yù)制承臺(tái)及底節(jié)墩身安裝施工作業(yè)。

4 總結(jié)

港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋預(yù)制承臺(tái)及底節(jié)墩身安裝采用可倒用的雙壁鋼套箱圍堰，其中關(guān)鍵工序是封底，本文通過(guò)對(duì)圍堰基坑開(kāi)挖、清基、圍堰封底等工藝進(jìn)行了總結(jié)：特殊海床條件下，當(dāng)泥質(zhì)很軟時(shí)進(jìn)行打砂回填，用砂代替淤泥層，砂層板結(jié)后進(jìn)行基底承載力試驗(yàn)，承載力達(dá)到封底要求后進(jìn)行封底施工，保證了封底的順利進(jìn)行及封底的質(zhì)量，為大型重型構(gòu)件安裝提供了條件，承臺(tái)安裝工期和工效得到了極大提升，踐行了港珠澳大橋“大型化、工廠(chǎng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”的特點(diǎn)，該方法充分利用了砂在水飽和狀態(tài)下能板結(jié)密實(shí)的特性，值得相關(guān)工程學(xué)習(xí)和借鑒。