復(fù)雜環(huán)境條件下水中墩基礎(chǔ)施工技術(shù)

李勤良

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，成都 610015)

當(dāng)今國(guó)內(nèi)外橋梁水中基礎(chǔ)施工技術(shù)已取得了很大的發(fā)展，并在跨大河、深水湖泊庫(kù)區(qū)或海域的大型橋梁基礎(chǔ)施工中均有了不同程度的應(yīng)用，也積累了一些成功經(jīng)驗(yàn)[1-2]。在覆蓋層較厚的河床施工時(shí)，主要采用搭設(shè)鋼管樁或筑島形成鉆機(jī)施工平臺(tái)，這需要投入大型施工機(jī)械設(shè)備；在深水河床面裸巖施工時(shí)，主要采用水下爆破、浮式平臺(tái)、人造基床等施工方案，這也需要投入大型施工機(jī)械設(shè)備，這對(duì)生態(tài)環(huán)境有嚴(yán)重破壞。目前針對(duì)處在庫(kù)區(qū)大型起吊設(shè)備和駁船無(wú)法進(jìn)入、水域網(wǎng)箱養(yǎng)殖生態(tài)要求高、深水、裸巖無(wú)覆蓋層、巖面傾斜不規(guī)則復(fù)雜環(huán)境條件下的水中墩大直徑群樁基礎(chǔ)施工技術(shù)研究積累很少，特別是在浮式平臺(tái)與大噸位起吊系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和大直徑鋼護(hù)筒在傾斜裸巖上的埋設(shè)技術(shù)研究方面還不系統(tǒng)和不完善[3]，未能給此類(lèi)大橋水中基礎(chǔ)施工提供有效的經(jīng)驗(yàn)借鑒。古田溪特大橋7號(hào)水中墩集以上不利因素于一體，因此結(jié)合本工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工環(huán)境實(shí)際情況，對(duì)該墩關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究，在實(shí)施中攻堅(jiān)克難，取得了突破性技術(shù)成果。

1 工程概況

京?？蛯?zhuān)是第一條貫穿我國(guó)南北的高速鐵路大通道，古田溪特大橋位于合福客專(zhuān)古田縣，主要跨越閩江水口電站上游古田溪庫(kù)區(qū)而設(shè)，全長(zhǎng)588 m，橋跨布置為(5×32)m簡(jiǎn)支箱梁+(60+100+100+60)m連續(xù)梁+(2×32+24)m簡(jiǎn)支箱梁，橋型總體布置如圖1所示。

其中連續(xù)梁7號(hào)主墩位于古田溪庫(kù)區(qū)中央，承臺(tái)設(shè)計(jì)為八邊形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為20.7 m×32 m×6 m，承臺(tái)底面位于最高施工水位以下6 m左右，承臺(tái)下設(shè)18根Φ2.8 m鉆孔樁。受下游水口電站泄洪及蓄水需要，庫(kù)區(qū)水位變化頻繁，經(jīng)常急漲急落，最大水位落差達(dá)10.4 m。橋位處有網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)，橋址處為裸露巖層，地形起伏較大，施工水深約43 m。鑒于以上復(fù)雜條件，7號(hào)墩是該橋施工重難點(diǎn)。

單位：cm

2 施工方案

2.1 施工難點(diǎn)

分析7號(hào)墩施工有以下幾個(gè)難點(diǎn)：1) 7號(hào)墩位于古田溪庫(kù)區(qū)，受橋址下游水口電站影響，施工區(qū)域不通航，水庫(kù)區(qū)域大型起吊設(shè)備和駁船無(wú)法進(jìn)入，施工設(shè)備選擇困難，深水套箱圍堰下沉困難。2) 庫(kù)區(qū)水域?yàn)榫W(wǎng)箱養(yǎng)殖，生態(tài)環(huán)保要求高，不能采取水下爆破，施工方法選擇受限大。3) 水文地質(zhì)條件復(fù)雜，庫(kù)區(qū)最大水深43 m，水位落差最大10.4 m，水位變化頻繁且無(wú)規(guī)律，水中墩施工難度大。4) 庫(kù)區(qū)河床面為裸巖無(wú)覆蓋層、巖面傾斜不規(guī)則，鋼護(hù)筒、鋼管樁插打困難，施工平臺(tái)生根困難，樁基施工平臺(tái)方案選擇難度大。

2.2 基礎(chǔ)施工平臺(tái)方案比選

目前，國(guó)內(nèi)水中墩基礎(chǔ)施工平臺(tái)方案主要有：1) 鋼圍堰平臺(tái)方案，即采用鋼圍堰沉放到河床上并灌筑封底混凝土進(jìn)行穩(wěn)固，在圍堰上搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)以構(gòu)建基礎(chǔ)施工平臺(tái)[4-5]。2) 浮式平臺(tái)方案，即通過(guò)軍用浮箱等拼組浮體，拋錨定位后形成基礎(chǔ)施工平臺(tái)。3) 鋼管樁支架平臺(tái)方案，即通過(guò)施工鋼管樁，在樁頂安裝縱橫向分配梁、鋼平臺(tái)面板，形成基礎(chǔ)施工平臺(tái)[6]。4) 固腳鋼圍堰+鋼護(hù)筒支撐樁平臺(tái)方案，即根據(jù)水下河床面地形，設(shè)置高低刃角鋼圍堰及鋼護(hù)筒，利用起重提升設(shè)備，將圍堰及護(hù)筒下放至設(shè)計(jì)位置后，進(jìn)行水下封底混凝土灌注穩(wěn)固護(hù)筒，利用護(hù)筒支撐鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，形成基礎(chǔ)施工平臺(tái)[7-8]。各方案比選見(jiàn)表1。

2.3 施工方案確定

基于7號(hào)墩位處特殊的地形、地質(zhì)和水文條件，針對(duì)7號(hào)墩基礎(chǔ)施工平臺(tái)方案，對(duì)表1中的4個(gè)平臺(tái)方案進(jìn)行綜合比選，決定采用“固腳鋼圍堰+鋼護(hù)筒支撐樁”的基礎(chǔ)施工平臺(tái)方案。方案主要施工內(nèi)容：1) 在橋墩位設(shè)置浮式平臺(tái)和水上浮式龍門(mén)吊機(jī)作臨時(shí)施工平臺(tái)及起重設(shè)備。2) 固腳鋼圍堰在陸上分塊加工、水上原位組拼、利用浮式龍門(mén)吊整體下放、封底混凝土分區(qū)灌注[9-10]。3) 鋼護(hù)筒陸上分節(jié)加工、現(xiàn)場(chǎng)采用浮式龍門(mén)吊逐根下放，鋼護(hù)筒兼作平臺(tái)支撐樁，浮吊配合人工安裝貝雷梁和型鋼作平臺(tái)上部結(jié)構(gòu),形成基礎(chǔ)施工平臺(tái)。

3 施工工藝

根據(jù)選定施工方案，確定7號(hào)墩基礎(chǔ)施工流程，如圖2所示。

表1 7號(hào)墩施工平臺(tái)方案比選

圖2 7號(hào)墩基礎(chǔ)施工工藝流程

3.1 水下地形測(cè)量

1) 將測(cè)量區(qū)域按照50 cm×50 cm間距劃分成虛擬平面網(wǎng)格，采用水中組拼軍用浮箱形成浮式平臺(tái)。2) 全站儀精確放樣，通過(guò)調(diào)整浮式平臺(tái)四角設(shè)置的錨機(jī)上錨繩的松緊，將浮式平臺(tái)精確、牢固錨定在測(cè)量區(qū)域作為測(cè)量操作平臺(tái)。3) 浮吊吊鋼管測(cè)釬入水測(cè)定位網(wǎng)格上各點(diǎn)處水深，并隨時(shí)觀(guān)測(cè)、記錄水位標(biāo)高，并用水位標(biāo)高(測(cè)時(shí))減去水面位置刻度值即得到河床面各點(diǎn)地形標(biāo)高。網(wǎng)格釬探裝置如圖3(a)所示，實(shí)測(cè)河床地形示意如圖3(b)所示。

3.2 水上簡(jiǎn)易浮式龍門(mén)吊拼組

根據(jù)固腳圍堰的大小和鋼護(hù)筒的重量，設(shè)計(jì)拼組水上簡(jiǎn)易浮式龍門(mén)吊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，它既可用于圍堰的拼組、下沉，又可用于鋼護(hù)筒的接高、下沉和定位。

(a) 平面

(b) 立面

簡(jiǎn)易浮式龍門(mén)吊主體結(jié)構(gòu)由下部浮體和拼裝龍門(mén)2部分組成。其中下部浮體由軍用浮箱拼組而成，浮體前、后兩端均布置連接梁，并采用搶修高墩桿件將2組浮箱連接成一個(gè)整體，保證浮體的穩(wěn)定性。連接梁使用貝雷梁，與浮箱通過(guò)精軋螺栓和壓板連接。在連接梁與浮箱之間，通過(guò)工字鋼形成“八字撐”，使浮體的平面結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。拼裝龍門(mén)結(jié)構(gòu)由鋼支墩、縱梁、橫梁及頂面天車(chē)等設(shè)備組成，鋼支墩由搶修器材高墩 D 系列桿件器材拼組而成，縱梁、橫梁由貝雷梁拼組而成。水上簡(jiǎn)易浮式龍門(mén)吊拼組工藝流程如圖5所示。

3.3 固腳鋼圍堰安裝

固腳鋼圍堰采用單壁鋼圍堰，由壁板、隔艙板、橫橋向主桁架、縱橋向次桁架、鋼護(hù)筒定位架和沉放系統(tǒng)組成；平面尺寸為21 m×32.3 m，與鋼護(hù)筒凈距大于0.5 m。固腳鋼圍堰安裝要點(diǎn)如下：1) 通過(guò)掌握浮式龍門(mén)吊和固腳鋼圍堰之間的相互關(guān)系，有效控制鋼圍堰下放過(guò)程中的平面位置。2) 通過(guò)在鋼圍堰頂部布置的多個(gè)測(cè)繩點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控鋼圍堰下放過(guò)程中的平面高差及頂面高程。3) 精確的水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)，鋼圍堰底部高低刃腳的合理設(shè)計(jì)，為固腳鋼圍堰準(zhǔn)確著床提供了有利保障。固腳圍堰拼裝就位及下放如圖6所示。

圖5 水上簡(jiǎn)易浮式龍門(mén)吊拼組工藝流程

3.4 固腳圍堰封底

根據(jù)河床地形情況，將鋼圍堰劃分成3 個(gè)混凝土灌筑艙區(qū)，如圖7所示。Ⅰ區(qū)圍堰頂設(shè)計(jì)標(biāo)高+25 m，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)圍堰頂設(shè)計(jì)標(biāo)高+29.50 m；3個(gè)艙區(qū)之間用鋼桁架和鋼板構(gòu)成的隔艙板隔斷，既減少?lài)邇?nèi)封底混凝土數(shù)量，又保證每根鋼護(hù)筒埋入封底混凝土長(zhǎng)度。鋼圍堰和鋼護(hù)筒下端都切割成與河床地形基本吻合的高低刃腳[11-12]。

單位：cm

固腳圍堰封底混凝土灌注施工步驟如下：1) 潛水員下水對(duì)固腳鋼圍堰投影范圍內(nèi)河床面清淤，確保封底混凝土與河床面之間的粘結(jié)力。2) 用袋裝速凝混凝土封堵圍堰與河床之間空隙，以免封底混凝土流失。3) 根據(jù)河床地形及現(xiàn)場(chǎng)混凝土泵送能力，分區(qū)灌注封底混凝土[13-14]。

3.5 樁基施工平臺(tái)頂部結(jié)構(gòu)施工

固腳圍堰封底混凝土灌注完成后，鋼護(hù)筒的穩(wěn)定性得到可靠保障，隨后拆除浮式龍門(mén)吊，并利用浮吊依次安裝樁基施工平臺(tái)牛腿、貝雷梁、工字鋼、鋼板等結(jié)構(gòu)，完成樁基施工平臺(tái)頂部結(jié)構(gòu)安裝。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)綜合對(duì)比選擇 “固腳鋼圍堰+鋼護(hù)筒支撐樁”基礎(chǔ)施工方案，解決了古田溪特大橋復(fù)雜環(huán)境條件下水中墩基礎(chǔ)施工的技術(shù)難題，主要認(rèn)識(shí)如下：

1) 采用拼組式簡(jiǎn)易浮式龍門(mén)吊，避免了傳統(tǒng)施工方案中大型設(shè)備投入，降低了工程施工成本。

2) 通過(guò)精確測(cè)量水下地形，設(shè)置高低刃腳鋼圍堰以固定主墩樁基鋼護(hù)筒，避免了水下爆破，最大限度減少了對(duì)生態(tài)的破壞，保護(hù)了庫(kù)區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境。

3) 采用主墩樁基鋼護(hù)筒支撐基礎(chǔ)作為施工平臺(tái)，大大降低了基礎(chǔ)平臺(tái)施工成本。

4) 施工過(guò)程中采用環(huán)保的施工理念和方案，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，供類(lèi)似工程參考。