山區(qū)深水厚卵石層橋梁基礎(chǔ)施工技術(shù)

唐 誠

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展和“一帶一路”偉大戰(zhàn)略的不斷實施，工程建設(shè)領(lǐng)域的深水基礎(chǔ)工程數(shù)量越來越多。淺細砂覆蓋層、較厚卵石層、傾斜河床面等山區(qū)性河流地形地貌特點的深水基礎(chǔ)施工，主要關(guān)鍵技術(shù)包括水上作業(yè)平臺、大直徑樁基、承臺防水圍堰、承臺大體積混凝土防裂等。其施工方法應(yīng)結(jié)合橋梁基礎(chǔ)形式[1]，橋址江河水域情況，墩位離岸遠近，墩位河床地形、覆蓋層厚度和地質(zhì)狀況，水深及水位變幅、流速和流態(tài)，施工期通航要求等選擇確定。

2 工程概況

重慶潼南區(qū)東升大橋建設(shè)項目主橋采用(59＋258＋59)m的中承式系桿拱橋橫跨涪江，由兩主墩(P2＃、P3＃)的斜腿“Y”型剛構(gòu)框架體系及中間系桿拱三部分組成。主墩基礎(chǔ)由截面尺寸為橫橋向×縱橋向×高＝37 m×19.5 m×5 m、混凝土強度等級C35的八邊形結(jié)構(gòu)承臺，下接22根樁徑為2.5 m、樁長34 m、混凝土強度等級水下C35、梅花形布置的嵌巖(基底持力層承載力5.8 MPa)鉆孔樁組成。樁基及承臺平面、立面布置如圖1所示。

圖1 樁基及承臺布置示意(單位:mm)

P3＃主墩距涪江河岸約50 m，承臺頂標高位于常水位下約1 m，底標高靠岸側(cè)嵌入卵石層下約1.3～1.8 m、靠江側(cè)高出河床面約0.5～1 m；墩位地層巖性分布為:少量沖積細砂層(厚約0.5～1.5 m)、較厚卵石土(粒徑5～15 cm、厚約2～6 m)，下伏強風化泥巖、中等風化泥巖、中等風化砂巖；橋址處常水位為＋236.5 m(下游航電樞紐蓄水位)，近3年汛期(5～10月)最高水位達244 m(超常水位7.5 m、2020年8月)，實測岸端至墩位常水位下水深約9～11.5 m，汛期泄洪最大流速4 m/s。

結(jié)合P3＃主墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、橋位的水文地質(zhì)特點等，選取先搭設(shè)鉆孔平臺，安裝鉆機進行鉆孔樁施工，待樁基施工完成后再拆除平臺，安裝并下沉圍堰，即“先平臺后圍堰”方案[2]。

3 水上作業(yè)平臺施工

3.1 設(shè)計思路

橋位河流為內(nèi)河Ⅴ級航道，大型水上施工設(shè)備無法進場使用，從岸側(cè)至墩位搭建鋼棧橋[3]為水上橋梁基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)、主橋上部結(jié)構(gòu)施工臨時通道，修建鋼平臺[4]為主橋樁基礎(chǔ)鉆孔平臺。

目前水中橋梁廣泛使用的鋼棧橋、鋼平臺常采用鋼管樁基礎(chǔ)，主要設(shè)計理念一般以縱梁底標高高于最高水位以上，主承重梁多采用貝雷梁或軍用梁結(jié)構(gòu)形式，部件間的連接主要為卡扣或U型扣連接。涪江上下游建有多座水電站，橋址處常水位由下游約1 km的航電樞紐蓄水位控制，汛期水位具有“增長快、回落快”的顯著特點。為降低棧橋及鉆孔鋼平臺頂面標高、減少鋼管樁長度，以漫水[5]結(jié)構(gòu)為設(shè)計思路，設(shè)計過水水上作業(yè)平臺。

3.2 結(jié)構(gòu)形式

綜合近年涪江下游水位變化情況、墩位地質(zhì)鉆勘資料、棧橋搭設(shè)距離、通行的機械設(shè)備以及擬選用的鉆孔設(shè)備(含鉆桿、鉆具等整機重按150 t考慮的XR400E型旋挖鉆機)等，進行結(jié)構(gòu)受力分析與平面布置，并以“常水位＋鋼管樁連接系操作空間高度＋結(jié)構(gòu)高度”確定棧橋及鉆孔鋼平臺頂面高度；為降低汛期泄洪阻力及頂面高度，主縱梁采用型鋼材料。

棧橋及鋼平臺結(jié)構(gòu)采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，按施工過程相關(guān)工況，充分考慮各機械荷載對不同構(gòu)件的最不利位置(機械荷載同時以不同的擺放姿態(tài)施加在模型的各不利位置)，做到結(jié)構(gòu)計算結(jié)果包絡(luò)住機械荷載在結(jié)構(gòu)中對不同構(gòu)件所產(chǎn)生的所有最大內(nèi)力，并充分考慮汛期水流沖擊影響。計算過程此不贅述。

棧橋及鋼平臺結(jié)構(gòu)形式為:基礎(chǔ)采用φ630×10 mm鋼管樁，樁間采用 28c槽鋼與鋼管樁焊接連接作為平聯(lián)與斜撐；鋼管樁頂切成凹槽，上面焊接16 mm鋼板，在鋼板上焊接雙拼 45c工字鋼作為支承 56c工字鋼主縱梁的橫向承重梁；主縱梁上等間距布設(shè)25b工字鋼橫向分配梁，其上鋪設(shè)δ10 mm厚花紋鋼板組成橋面系；橋面系兩側(cè)焊接φ48×3.5 mm鋼管欄桿。56c工字鋼縱梁與其下雙拼 45c工字鋼橫梁及其上 25b工字鋼橫向分配梁焊接連接，以限制 56c工字鋼橫向位移及保證 25b工字鋼分配梁縱橫向不產(chǎn)生相對位移。棧橋及鋼平臺橫斷面、縱斷面布置如圖2、圖3所示。

圖2 棧橋橫斷面、縱斷面布置示意(單位:mm)

圖3 鉆孔平臺橫斷面、縱斷面布置示意(單位:mm)

3.3 施工要點

(1)采用常規(guī)“釣魚法”施工工藝進行作業(yè)平臺的搭設(shè)施工。采用90 t履帶吊吊裝打樁錘從岸側(cè)橋臺沿順橋向依次向前施打鋼管樁(采用工字鋼制作導(dǎo)向架進行定位)，隨鋼管樁的逐步施打，依次架設(shè)聯(lián)系撐、樁頂大橫梁、主縱梁、分配梁、鋼面板及防護欄桿。

(2)由于河床細砂層較淺、卵石層深淺不一，作業(yè)平臺安全度汛尤為重要，為此:

①經(jīng)結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性計算分析，必須確保鋼管樁入土深度(含細砂層、卵石層)不低于5 m且嵌入強風化巖層，并以貫入度進行控制，終錘貫入度取最后3陣，每陣10擊，平均貫入度不大于5 mm/擊方可停止施打；并嚴格控制樁頂平面偏差不超過100 mm。如遇插打深度不足時，采取沖擊鉆沖孔輔助下沉到位的措施。

②為確保鋼管樁順利插打入卵石層、強風化巖層且樁頂、底口不卷曲，頂、底口設(shè)置加強箍，底口增設(shè)錳鋼刃角。

③為增加度汛抗沖擊防傾能力，墩位橫橋向上游側(cè)棧橋加寬，既便于施工設(shè)備的相互避讓又與主棧橋連接在一起；前期鉆孔樁施工期間墩位棧橋、鉆孔平臺與鋼護筒焊接在一起，后期上游迎水面棧橋與墩身連接在一起。

4 大直徑樁基施工

4.1 鉆孔設(shè)備選擇與配置

綜合對比沖擊鉆機、旋挖鉆機在不同地層鉆進時間、設(shè)備場地布置、施鉆數(shù)量、泥漿及鉆渣清理等，根據(jù)地質(zhì)鉆勘及基底持力層承載力要求、鉆孔深度，旋挖鉆機配合加長鋼護筒能適應(yīng)本橋大直徑樁基[6]施工。

(1)配置1臺XR400E型旋挖鉆機鉆孔，1臺75 t履帶吊吊DZJ-120型振動錘插打鋼護筒，1臺25 t汽車吊輔助下放鋼筋籠，1臺挖掘機、1臺自卸車轉(zhuǎn)運鉆渣，一套泥漿制備、循環(huán)系統(tǒng)。

(2)厚度10 mm鋼板焊制的渣箱一個；厚度25 mm(徑厚比不大于120)、單節(jié)長度最長6 m的Q235低合金熱軋鋼板卷制拼焊成直徑2.8 m的鋼護筒若干節(jié)；槽鋼 32 mm焊制高3 m的一個限位架；φ32.5×8 mm、長度0.5～3 m的導(dǎo)管若干節(jié)。

4.2 施工要點

(1)由于卵石層松散，為防止鉆進與混凝土灌注過程塌孔、掉渣等現(xiàn)象出現(xiàn)，鋼護筒需接長、跟進插打入強風化巖層，筒頂、底口設(shè)置加強箍避免插打時卷曲，嚴格控制鋼護筒垂直度偏差≤1%及中心線與設(shè)計樁位中心線偏差≤50 mm；鋼護筒接長時接頭焊縫飽滿，并等間距加焊豎向拼接綴板，以保證接頭不開裂、不漏水。

(2)鉆進過程，制備的泥漿性能需與地層相適應(yīng)。廢棄泥漿晾曬后掩埋處理，不得直排入河流污染環(huán)境。

(4)用帶活門的筒形專用清孔鉆頭清孔，控制孔底沉渣不超過5 cm，嚴禁超鉆代替清孔。

(5)采用扁擔起吊法、兩段起吊鋼筋籠，直螺紋套筒連接主筋，縮短鋼筋籠下放接長時間；鋼筋籠下放到位予以固定，避免灌注混凝土時上?。蝗绯猎^要求，利用空氣吸泥機二次清孔。

(6)加強混凝土原材料控制；結(jié)合混凝土攪拌時間、運輸時間、運輸設(shè)備數(shù)量、單根樁灌注量等，加緩凝減水劑使混凝土初凝時間滿足要求；采用豎向?qū)Ч芊?導(dǎo)管使用前做水密試驗確保密封良好)、連續(xù)灌注水下混凝土。

5 承臺施工

5.1 圍堰方案選擇

深水淺細砂層、厚卵石層、傾斜河床面，承臺采用雙壁鋼圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、鋼板樁圍堰等圍堰[7-11]方案成功的案例較多。

綜合分析各種圍堰結(jié)構(gòu)的適宜性(見表1)、施工時期，在“一種水下無封底混凝土鋼混組合吊箱圍堰結(jié)構(gòu)”[12]的思路下，設(shè)計了雙壁鋼混組合吊箱漫水圍堰作為承臺防水圍堰結(jié)構(gòu)。

表1 圍堰結(jié)構(gòu)對比分析

5.2 圍堰結(jié)構(gòu)

雙壁鋼混組合吊箱圍堰結(jié)構(gòu)主要由強度等級C50、厚30 cm的混凝土預(yù)制塊件與濕接縫組成的格構(gòu)式底板，拉森Ⅳ型鋼板樁壁板與厚12 mm的內(nèi)層(兼作承臺模板)、外層鋼板組焊形成的壁體塊件，直徑φ108×8 mm的鋼管和 14工字鋼組成的壁體塊件“CIC”型鋼鎖扣連接件，壁體與底板連接φ32 mm精軋螺紋鋼，壁體內(nèi)兩道三拼 36b型鋼環(huán)外支撐圍檁、φ630×16 mm鋼管支撐等組成。圍堰如圖4所示。

圖4 雙壁鋼混組合吊箱圍堰示意(單位:mm)

圍堰結(jié)構(gòu)采用有限元軟件建立模型，分整體下放、體系轉(zhuǎn)換、內(nèi)支撐拆除等工況進行圍堰結(jié)構(gòu)受力計算，計算過程此不贅述。

5.3 圍堰施工要點

(1)圍堰總體施工工藝流程:混凝土底板塊件預(yù)制、樁基檢測、鉆孔平臺拆除→長臂挖機清理整平河床至預(yù)制底板標高下30～50 cm→鋼護筒開槽安裝擱置牛腿→對稱安裝底板預(yù)制件并調(diào)整定位→安裝底模、綁扎鋼筋、澆筑底板塊件濕接縫→對稱安裝圍堰壁體塊件并調(diào)整定位、插入鎖扣型鋼，鎖扣空腔內(nèi)填充黏土棉絮和鋸末的混合物并搗實→安裝壁體與底板間精軋螺紋鋼吊桿及止推塊限位板，壁體與底板形成整體，壁體與底板接觸面澆筑50 mm厚封堵砂漿→圍檁與鋼管支撐安裝、定位→安裝φ219×16 mm圓鋼管拉壓桿(一端與底板鉸接，另一端在圍堰下沉到位后與鋼護筒焊接)→鋼護筒上安裝、調(diào)試圍堰下放系統(tǒng)(挑梁、扁擔梁、拉壓桿、下放千斤頂及鋼絞線組成)→圍堰下放到位(先提升圍堰10 cm并拆除擱置牛腿，而后千斤頂連續(xù)作用、同步下放)→焊接拉壓桿，底板與鋼護筒間封堵混凝土澆筑→圍堰內(nèi)抽水→焊接剪力板、拆除拉壓桿→鋼護筒割除、樁頭鑿除，綁扎鋼筋、澆筑承臺混凝土。

這是典型的民營企業(yè)“離場論”，與此類似的還有公私“合營論”、黨建工會“控制論”等觀點在網(wǎng)上流行?？梢哉f，從下到上，都不同意這類觀點。加之中美貿(mào)易戰(zhàn)的影響，民營經(jīng)濟出現(xiàn)了一些不安定的現(xiàn)象。

(2)預(yù)制底板結(jié)合承臺截面尺寸分塊分類制作，每塊底板需根據(jù)每根樁鋼護筒的位置、垂直度精確放樣，內(nèi)開孔以鋼護筒在底板垂直投影放大20 cm，安裝時嚴格控制內(nèi)開孔與鋼護筒間的間歇，避免底板下放過程中抵觸鋼護筒造成圍堰下放不到位；預(yù)制時確保底板表面平整度。

(3)壁體鋼板樁拼接注意鎖口內(nèi)灌注黃油并輔以麻絮嵌縫，內(nèi)、外鋼板焊接在壁板上組成雙壁；單塊壁板底、頂焊接 40 mm槽鋼；塊件兩端接合面焊接“CIC”型鎖扣連接件；頂、底及鎖扣連接處及內(nèi)外壁鋼板焊接質(zhì)量決定著防滲止水效果。

(4)鋼護筒橫橋向開槽口安裝雙拼 56a工字鋼擱置牛腿，注意確保擱置牛腿標高在同一水平面且高出常水位50 cm左右(便于擱置牛腿拆除)。

(5)壁體安裝時注意在預(yù)制底板環(huán)向主梁上分別設(shè)置20 mm厚的砂漿找平層及20 mm厚的橡膠墊層；壁體對稱安裝避免底板一側(cè)產(chǎn)生過大偏載；單塊壁體吊裝到位后采用型鋼支撐避免側(cè)翻；壁體與底板間精軋螺紋鋼吊桿是鋼吊箱受力與下放時的主要功能構(gòu)件，必須確保質(zhì)量。

(6)采用12臺TS200-250型千斤頂同步下放圍堰；下放過程通過控制油壓表的度數(shù)及在鋼絞線上刻畫的標線來控制下放的同步性。

5.4 大體積承臺施工

(1)總體施工工藝流程:樁身超聲波透射法檢測→切割鋼護筒至樁頂標高→樁頭鑿除→承臺鋼筋安裝(φ10 mm底層鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)→底面鋼筋→架立鋼筋→側(cè)面鋼筋→頂面鋼筋→塔座及墩柱豎向鋼筋預(yù)埋)→冷卻水管安裝→第一層承臺混凝土(2 m高)澆筑(見圖5)及養(yǎng)生→拆除圍堰第一層內(nèi)支撐及圍檁→第二層(3 m高)承臺混凝土澆筑及養(yǎng)生→拆除圍堰第二層內(nèi)支撐及圍檁→塔座鋼筋安裝(下橫梁支架預(yù)埋件及預(yù)壓反拉精軋螺紋鋼埋設(shè))→塔座混凝土澆筑及養(yǎng)生→拆除圍堰。

圖5 承臺大體積混凝土澆筑

(2)本橋承臺截面尺寸大，大體積混凝土澆筑過程中，由于水泥等膠凝材料的水化放熱，會使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度迅速上升，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度較高。此外，由于混凝土內(nèi)部與表面溫差大，容易產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，從而引起混凝土結(jié)構(gòu)開裂[13]。根據(jù)澆筑施工時期，采取預(yù)埋冷卻管、減少水泥用量、降低骨料入倉溫度、加適量外加劑和精心養(yǎng)生等有效措施減小水化熱的影響；并在承臺內(nèi)預(yù)埋溫度計，隨時監(jiān)測承臺內(nèi)混凝土溫度，便于調(diào)節(jié)冷卻管的通水流量和通水時間等，保證承臺大體積混凝土的施工質(zhì)量。

6 結(jié)束語

東升大橋P3＃主墩基礎(chǔ)選取“先平臺后圍堰”方案，經(jīng)技術(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了施工安全可控、質(zhì)量可靠、有效提高施工工效、節(jié)約成本的目的。

(1)棧橋及鉆孔平臺采用“漫水”結(jié)構(gòu)形式，并與鋼護筒及后續(xù)墩身連在一起，截止目前，2年內(nèi)已安全度汛5次(其中2020年8月16日洪水漫過平臺高約4 m)，驗證了方案設(shè)計的合理性。

(2)采用旋挖鉆機進行大直徑樁基的施工，并采取鋼護筒跟進插打避免細砂及松散卵石在施鉆及灌注混凝土時塌孔、掉渣等引起樁基質(zhì)量缺陷，平均一根樁用時2 d，施工快捷且環(huán)保。

(3)經(jīng)對比研究，采用雙壁鋼混組合吊箱圍堰作為承臺防水圍堰結(jié)構(gòu)，利用30 cm厚的預(yù)制底板替代2 m厚的封底混凝土、鋼板樁與內(nèi)外層鋼板組拼作為圍堰壁體及模板結(jié)構(gòu)、千斤頂同步下放等工藝實施，有效降低圍堰高度、減輕材料用量及重量、減少施工難度、降低成本、縮短施工工期，設(shè)計與應(yīng)用取得了成功。

(4)經(jīng)采取有效措施，避免了承臺大體積混凝土開裂，保證了施工質(zhì)量。