肖雨晨 (北京化建建筑工程有限公司,北京 102300)
在常規(guī)橋梁基坑施工中,一般采取坑內(nèi)排水機械干法作業(yè)進行坑內(nèi)土方開挖,同時針對深度較大的基坑設置內(nèi)支撐對圍護結構進行支撐?;娱_挖、支護遵循先支撐后開挖、隨挖隨支的原則進行施工,以確保支護結構安全。但由于特殊的橋位水文特點、地質(zhì)條件及作業(yè)環(huán)境,給挖掘機械直接開挖及保障支護結構安全帶來了極大的難度。然而采取鎖口鋼管樁進行基坑支護,機械挖掘配合坑內(nèi)回灌水,潛水員水下吸泥的組合開挖方式,為深大基坑安全施工創(chuàng)造了有利條件。
本工程橋主橋跨越安慶市石門湖航道,主橋設計采用3跨1聯(lián)81+148+81m連續(xù)剛構。主墩P54、P55#墩位于安慶市石門湖現(xiàn)狀航道兩側。連續(xù)梁主墩設計采用鉆孔灌注樁基礎,主橋主墩設計樁徑φ2m,樁長57.5m,共計28根。主橋主墩承臺長寬高截面尺寸為46.9×13.2×5m,承臺頂標高5.7m,主橋承臺采用C35混凝土澆筑。主橋墩柱采用Y型結構設計,墩柱全高19.7m,分為下部“一字型”及上部“V字型”兩部分。主橋墩柱、承臺結構尺寸如圖1所示。
圖1 主橋墩柱、承臺尺寸構造圖(單位:mm)
擬建承臺處地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、卵石土、強風化巖及中風化巖。根據(jù)建設工程勘察報告,主橋P54#墩位處自上而下土層物理力學性質(zhì)見表1。
土層物理力學性質(zhì) 表1
擬建主橋P54#主墩承臺處位于石門湖航道K8里程段,經(jīng)對近5年石門湖航道水位情況分析,2016年7月航道水位達到最高值16.513m,與當?shù)厮痔峁┖樵u文件中20年一遇洪水位16.231m大致相一致。通過對水位變化情況分析,每年4月至10月間,石門湖航道水位已超過擬建承臺處原地面,主橋承臺開挖計劃于7~8月進行施工,均為水中作業(yè)。航道近5年水位變化見圖2。
圖2 石門湖航道五年水位變化曲線圖
主橋P54#墩承臺基坑圍堰采用長度32m鎖口鋼管樁進行止水支護,鋼管樁選用直徑φ710mm壁厚10mm材質(zhì)Q355螺旋鋼管制作,鋼管間采用“CO”套型鎖口進行連接,圍堰平面尺寸為51.1×16.4m?;訃叻篮闃藴拾?0年一遇洪水位計算,最大抽水及開挖合計深度達17.8m,結合支護結構受力分析,圍堰內(nèi)共布置三道內(nèi)支撐,第一道對撐及斜角撐均采用直徑φ426mm,壁厚10mm材質(zhì)Q235螺旋鋼管,對撐長度15.43m,橫向間距為6@5m,單個斜角共設置三道斜角撐。第一道圍檁采用單根HW400×400型鋼。第二道對撐采用直徑φ609,壁厚16mm材質(zhì)Q235鋼支撐,對撐長度14.83m,橫向間距為6@5m,四角斜撐共設置三道,采用直徑φ 609、壁厚16mm鋼支撐及雙拼2-HN700×300型鋼。第二道圍檁采用雙拼2-HN700×300型鋼。第三道對撐采用直徑φ820mm,壁厚12mm材質(zhì)Q235螺旋鋼管,對撐長度14.83m,橫向間距為6@5m,四角斜撐共設置三道,采用直徑φ820mm、壁厚12mm螺旋鋼管及三拼3-HN700×300型鋼。第三道圍檁采用三拼3-HN700×300型鋼。圍堰內(nèi)封底混凝土強度為C35,設計封底厚度2m。主墩鎖口鋼管樁圍堰設計如圖3、圖4,縱立面布置見圖5。
圖3 主墩鎖口鋼管樁圍堰設計平面圖(單位:m)
圖4 主墩鎖口鋼管樁圍堰設計立面圖(單位:m)
圖5 主墩縱立面布置圖(單位:m)
鎖口連接大樣圖
①橋梁鉆孔樁施工完成后,拆除鉆孔平臺→②借助于樁基鋼護筒焊接定位導向架→③利用85t履帶吊及DZ150型振動錘打入鎖口鋼管→④安裝首道內(nèi)支撐→⑤第一次抽水(抽水深度5.5m)→⑥安裝第二道內(nèi)支撐→⑦抽水2.032m,長臂挖機機械開挖1.468m→⑧回灌坑內(nèi)水位至坑外水位標高,水下開挖至設計封底底→⑨澆筑封底混凝土→⑩坑內(nèi)抽水至封底頂。
基坑最大抽水及開挖深度達17.8m,河床上部水深7.5m,河床下部開挖10.3m??紤]挖掘機械在坑內(nèi)作業(yè)空間限制及在開挖過程中支護結構安全,結合地質(zhì)土層特性,提出在基坑開挖過程中,最大限度地采取機械挖掘作業(yè),以提高基坑開挖效率,為此在長臂挖掘機械最大開挖深度以上50cm處設置第三道鋼支撐。支撐完成安裝后,由于無法繼續(xù)采取長臂挖掘機械開挖,若采取常規(guī)人工內(nèi)部沖泥或機械抓斗干法開挖作業(yè),一是降低施工工效,二是隨著基坑深度增加,需增加內(nèi)支撐層數(shù),增大深大基坑內(nèi)支撐安裝難度及作業(yè)安全風險。為此提出采取坑內(nèi)回灌水,潛水員水下射水吸泥的開挖方式,以平衡支護結構坑內(nèi)外壓力,同時在基坑開挖至設計坑底標高后,采取水下封底工藝,利用封底混凝土的抗壓強度作為支護結構內(nèi)支撐,并充分利用鎖口鋼管樁強大的抗彎剪能力,減少基坑內(nèi)支撐層數(shù),為下一步橋梁承臺結構施工創(chuàng)造了大空間的作業(yè)環(huán)境,同時提高基坑施工效率及支護結構安全性。
圖6 主墩鎖口鋼管樁圍堰總體施工流程圖
基坑開挖深度一定,支護結構坑外主動土壓力一定,為減少支護結構內(nèi)力變化,保證支護結構安全,采取措施一是增加內(nèi)撐層數(shù),減小支護樁計算跨度,二是支護結構選用抗彎、剪能力強的材料,三是減小支護結構坑內(nèi)外主被動壓力差,盡量做到平衡,四是增加坑底被動土抗力。鑒于以上措施,該基坑在完成第三道內(nèi)支撐安裝后,采取回灌水以平衡坑內(nèi)外水土壓力,利用混凝土封底作為支護結構剛性鉸支點,并采用抗彎剪能力強的鎖口鋼管樁作為支護材料,保證了基坑開挖過程中的安全性,并為下步承臺一次性施工提供空間。以下針對帶水及不帶水開挖工況做對比分析,支護結構內(nèi)力按彈性支點法計算、穩(wěn)定性按經(jīng)典法計算。
圖7 基坑帶水開挖土壓力計算簡圖(單位:m)
圖8 基坑帶水開挖嵌固穩(wěn)定性計算簡圖(單位:m)
圖9 基坑帶水開挖鎖口鋼管樁彎曲應力(單位:MPa)
圖10 基坑不帶水開挖鎖口鋼管樁彎曲應力(單位:MPa)
圖11 開挖工況支護管樁最大應(反)力
圖12 開挖工況支護結構穩(wěn)定性
經(jīng)對比分析,在相同支護結構設計及不同開挖方式條件下,基坑在回灌水作業(yè)工況下,相較干法開挖作業(yè),支護結構應力有較大程度降低,并滿足鋼材應力取值要求,同時基坑穩(wěn)定性也有較大安全保證,滿足規(guī)范中一級基坑安全系數(shù)要求。
第三道圍檁及內(nèi)支撐安裝完成后,首先對坑內(nèi)進行回灌水,坑內(nèi)回灌水位標高13.8m,再采用潛水員水下吸泥作業(yè),直至清淤至承臺底設計標高下2.0m處。
吸泥設備使用3臺型號XP950E額定功率160kW空壓機和6臺9.2kW內(nèi)裝式高壓潛水泵組合為自制吸泥機進行水下吸泥作業(yè)。由于該地層土質(zhì)特性為高粘聚力淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土,需采取潛水員水下作業(yè)。潛水員利用9.2kW內(nèi)裝式高壓潛水泵由坑外抽水,形成高壓射水,沖擊河床淤泥,使淤泥打散成堆,再利用直徑φ50mm高壓氣管將160kW空壓機產(chǎn)生的高壓氣體由直徑φ273mm排渣管底部向上鼓入,充分利用氣體逃逸產(chǎn)生的動能,帶動已打散的松軟土體進入直徑φ273mm排渣鋼管,排出基坑外。在排渣過程中,持續(xù)利用潛水泵向坑內(nèi)回灌水,保證坑內(nèi)水位標高不低于坑外水位,以減小支護結構內(nèi)外壓力差。排渣鋼管采用起重設備吊掛,汽車吊站位于基坑兩側支棧橋。排渣管出口位于航道側,以利于泥漿船停泊,進行儲渣外運。
圖13 水下開挖原理圖
圖14 水下開挖實景圖
圖15 基坑水下封底
圖16 橋梁承臺施工
在深水湖區(qū)施工中,應充分對基坑所處地質(zhì)、水文情況進行充分調(diào)查,并結合基坑開挖深度及作業(yè)環(huán)境合理選擇支護結構材料及開挖方式,對超深基坑圍堰支護材料盡量選用截面剛度較大的支護材料,并可采用回灌水配合潛水員水下開挖及水下封底的方式,在確?;影踩疤嵯?,盡可能減少支撐層數(shù),為主體結構施工帶來便利。
勇進路大橋主橋已完成承臺施工,施工中基坑支護結構各監(jiān)控指標數(shù)據(jù)正常,承臺施工安全、質(zhì)量均可控,為其他同類型深水湖區(qū)承臺施工提供了借鑒經(jīng)驗。