深厚軟基深埋式承臺(tái)圍堰方案比選與分析

曾 健，賀希英，江曉陽，劉 鴿，胥雅韌

（中交第二航務(wù)工程局有限公司、長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430040）

1 工程概況

曹娥江大橋16#墩承臺(tái)為北岸主塔基礎(chǔ)，通過2 m 厚塔座與主塔連接，為八邊形深厚軟基承臺(tái)，承臺(tái)外輪廓尺寸為44.0 m×27.6 m，厚度為6 m，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)置30 根直徑為2.5 m 的鉆孔灌注樁，樁基呈梅花形交錯(cuò)布置，并設(shè)置永久鋼護(hù)筒。

16#主墩承臺(tái)為埋入泥面以下的低樁承臺(tái)，承臺(tái)所處地層從上至下依次為粉砂層、流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層及粉質(zhì)粘土層，薄弱層位于中間夾層，且淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層厚度達(dá)27.0 m，其中流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土粘聚力C值僅11～18 kPa，內(nèi)摩擦角僅3.1°～3.5°，類似于豆腐腦狀態(tài)，該類地層較為少見。16#主墩位于曹娥江水域中施工，對(duì)環(huán)境保護(hù)和施工環(huán)保管理要求高。每年3～9 月份的梅雨季與臺(tái)風(fēng)季，曹娥江大閘建成后，曹娥江成為內(nèi)河，正常高蓄水位3.9 m，航道內(nèi)水流流速小于2 m/s。16#主墩承臺(tái)地質(zhì)見圖1 所示。

圖1 16#主墩承臺(tái)地質(zhì)

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

曹娥江大橋?yàn)樵綎|路互通連接線關(guān)鍵控制性節(jié)點(diǎn)，145 m 水滴形索塔以及大跨度鋼混組合梁安裝等施工技術(shù)難度高，工序轉(zhuǎn)換頻繁，僅36 月施工期需具備通車條件，施工工期極為緊張。同時(shí)16#主墩在航道附近，等級(jí)為內(nèi)河Ш 級(jí)，有大型船只往來，施工風(fēng)險(xiǎn)性較高。而16#主墩承臺(tái)埋深大、所處地質(zhì)條件極差，該深厚軟基深埋式大體積承臺(tái)施工國(guó)內(nèi)罕見，存在基坑開挖難度大，基底隆起風(fēng)險(xiǎn)高，圍堰嵌固穩(wěn)定難以保障等難題，須選用合適的圍堰結(jié)構(gòu)[1]、合理的入土深度及必要的支撐結(jié)構(gòu)保證圍堰強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

3 設(shè)計(jì)方案

16#墩承臺(tái)體積大，基坑土抗剪強(qiáng)度低，開挖深度10 m，主動(dòng)區(qū)土壓力與被動(dòng)區(qū)土壓力相差大，導(dǎo)致基坑嵌固穩(wěn)定、隆起風(fēng)險(xiǎn)大，圍堰內(nèi)外水頭差12 m，使得基坑滲漏及安全風(fēng)險(xiǎn)高，開挖風(fēng)險(xiǎn)大。通常對(duì)于深水施工圍堰，可采用雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁圍堰及加強(qiáng)鋼板樁圍堰等結(jié)構(gòu)型式，本項(xiàng)目針對(duì)承臺(tái)特點(diǎn)及水文地質(zhì)條件，考慮以下三種方案施工：保持圍堰內(nèi)外水位平衡帶水開挖，淤泥質(zhì)土不做加固處理的PC 工法鋼圍堰（方案1）；對(duì)基坑內(nèi)淤泥質(zhì)土采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固，帶水開挖，考慮3 m 加固土與3 m 封底混凝土共同抵抗內(nèi)外水頭差的鋼板樁圍堰（方案2）；抽水干挖施工，對(duì)基坑內(nèi)土加固改良，加固厚度7 m 的鋼板樁圍堰（方案3）。圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

3.1 方案1

方案1 支護(hù)樁采用PC 樁（SP-IVw 鋼板樁與?820×14 鋼管樁組合），樁長(zhǎng)47 m，支護(hù)樁頂高程4.5 m，底高程-42.5 m。根據(jù)承臺(tái)尺寸及形狀圍堰設(shè)置為承臺(tái)外輪廓外擴(kuò)1.5 m 的矩形圍堰[2]，支護(hù)樁采用SP-IVw 鋼板樁，圍堰內(nèi)設(shè)置三道支撐體系，第一層圍檁采用2HN700×300 的型鋼，二、三層圍檁采用 4HN900×300 的型鋼，第一層角撐采用?609×16 的鋼管，二、三層采用?800×14 的鋼管，一至三層中間對(duì)撐均采用?800×14 的鋼管。

施工步驟為：①制作導(dǎo)梁插打支護(hù)樁，確保支護(hù)樁間連接牢靠；②抽水至第一層圍檁下1 m，安裝第一層支撐；③回灌水保持內(nèi)外水位平衡，帶水開挖至基坑底；④澆筑水下3.8 m 封底混凝土；⑤抽水至第二層圍檁下1 m，安裝第二層支撐；⑥抽水至第三層圍檁下1 m，安裝第三層支撐；⑦抽水至基坑底分層澆筑承臺(tái)；⑧待塔座施工完畢，進(jìn)行土體回填，平衡內(nèi)外水位，拔出支護(hù)樁。圍堰立面布置見圖2 所示。

圖2 方案1 圍堰立面布置

3.2 方案2

方案2 采用高壓旋噴樁行地基加固處理，加固深度3 m，然后澆筑3 m 封底混凝土與加固土共同抵抗基坑內(nèi)外水頭差產(chǎn)生的浮托力。圍堰立面布置見圖3。

圖3 方案2 圍堰立面布置

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層采用二重管高壓旋噴樁加固，樁徑?800 采用梅花型布置，樁數(shù)約3 500 根。加固機(jī)理：利用旋噴鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)底高程后，通過高壓旋噴設(shè)備將鉆桿下放到設(shè)計(jì)底高程，然后通過高壓旋噴設(shè)備使噴嘴以一定的壓力把漿液噴射出去，高壓射流沖擊切割土體，使土體結(jié)構(gòu)破壞，漿液與土體攪拌混合固化，然后隨著注漿管的旋轉(zhuǎn)和提升而形成圓柱形樁體，凝固后便在土體中形成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體，具有止水與土體加固的作用。二重管高壓旋噴樁加固如圖4 所示。方案2 施工步驟為：①制作導(dǎo)梁插打支護(hù)樁，確保鋼板樁間連接牢靠；②高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固，加固厚度為3m；③抽水至第一層圍檁下1 m，安裝第一層支撐；④開挖并抽水至第二層圍檁下1 m 安裝第二層支撐；⑤加固土體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，回灌水保持內(nèi)外水位平衡并繼續(xù)開挖至基坑底；⑥澆筑水下3.0 m 封底混凝土；⑦抽水至第三層圍檁下1 m 安裝第三層支撐；⑧抽水至基坑底分層澆筑承臺(tái)；⑨待塔座浮出水面，進(jìn)行土體回填，平衡內(nèi)外水位，拔出鋼板樁。

圖4 二重管高壓旋噴加固示意

3.3 方案3

方案3 圍堰結(jié)構(gòu)布置同方案2，同樣采用高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固，加固厚度增加為7 m，抽水干挖施工，由改良后的加固土抵抗內(nèi)外水頭差。施工步驟為：①制作導(dǎo)梁插打支護(hù)樁，確保鋼板樁間連接牢靠；②高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固，加固厚度為7 m；③抽水至第一層圍檁下1 m，安裝第一層支撐；④加固土體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開挖并抽水至泥面線，安裝第二層支撐；⑤開挖并安裝第三層支撐；⑥開挖至基坑底，澆筑0.2 m 混凝土墊層；⑦分層施工承臺(tái)，并拆除影響承臺(tái)施工的支撐；⑧待塔座施工完畢，進(jìn)行土體回填，平衡內(nèi)外水位，拔出鋼板樁。圍堰結(jié)構(gòu)布置見圖5。

圖5 方案3 圍堰立面布置示意

4 設(shè)計(jì)方案比選

圍堰基坑安全等級(jí)按一級(jí)控制[3]。模型計(jì)算考慮基本組合與標(biāo)準(zhǔn)組合兩種工況，水土壓力采用水土分算，經(jīng)計(jì)算分析，三種圍堰設(shè)計(jì)方案各施工控制工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范[4]要求，結(jié)構(gòu)可靠。各個(gè)方案圍堰嵌固穩(wěn)定性系數(shù)、隆起穩(wěn)定系數(shù)及主要構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 圍堰主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

各個(gè)設(shè)計(jì)方案工程量及造價(jià)統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 圍堰工程量對(duì)比

4.1 隆起及嵌固穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)

方案1 中基坑開挖底高程為-11.8 m，流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層頂高程為-12.37 m，承臺(tái)基坑近乎坐落在軟基土層。為有效降低基坑開挖過程中的風(fēng)險(xiǎn)，方案1 需采取措施降低圍堰內(nèi)外壓力差?？稍诤罄m(xù)圍堰開挖過程，采取圍堰內(nèi)注水及圍堰外側(cè)吸泥盡量降低基坑開挖時(shí)圍堰內(nèi)外壓力差，降低基坑坑底隆起風(fēng)險(xiǎn)及圍堰底部嵌固問題。同時(shí)方案1 為滿足圍堰基坑隆起及圍堰嵌固穩(wěn)定性條件，鎖口鋼管樁需穿透淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，進(jìn)入粉質(zhì)粘土層，底高程-42.5 m，鎖口鋼管樁長(zhǎng)度達(dá)47 m。而47 m超長(zhǎng)鎖扣鋼管樁圍堰目前國(guó)內(nèi)很少有實(shí)施案例，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為：①支護(hù)樁需現(xiàn)場(chǎng)接長(zhǎng)，接樁后47 m 超長(zhǎng)鎖扣鋼管樁垂直度難以控制，后期鎖口咬合質(zhì)量無法控制；②47 m 超長(zhǎng)鎖扣鋼管樁入泥約42 m，沉放精度難以控制，且沉放設(shè)備要求高，易造成鋼管樁變形。以上兩點(diǎn)易導(dǎo)致圍堰內(nèi)抽水環(huán)節(jié)及承臺(tái)干作業(yè)過程中圍堰滲水甚至涌砂，導(dǎo)致圍堰施工失敗。

方案2 與方案3 采用高壓旋噴樁對(duì)基坑內(nèi)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層加固，被動(dòng)區(qū)土壓力得到增強(qiáng)，消除了深厚軟基產(chǎn)生的不利影響，解決基坑隆起及支護(hù)樁傾覆風(fēng)險(xiǎn)。高壓旋噴樁施工技術(shù)在地基加固過程中，能提升地基整體質(zhì)量，具有施工方便、適用范圍廣、耐久性良好等特點(diǎn)[5～8]。但方案3 相對(duì)于方案2，土體加固范圍大，鉆桿需至少鉆進(jìn)12 m 到達(dá)加固土層，高壓旋噴樁加固效果難以保證，對(duì)施工質(zhì)量要求高。

4.2 封底混凝土及握裹力

方案1 中為抵抗施工中產(chǎn)生的水頭差，需遵循上游到下游的順序[9]澆筑3.8 m 厚約4 700 m3的混凝土，澆筑體量大，封底質(zhì)量及握裹力無法保障，后期可能存在封底滲漏及抗浮不滿足規(guī)范要求等問題；方案2 中采用旋噴樁加固3 m 與水下澆筑3 m封底混凝土處理，提取模型結(jié)果計(jì)算護(hù)筒握裹力最大值為95＜120 kPa，混凝土強(qiáng)度1.22＜1.43 MPa，滿足規(guī)范要求；方案3 加固厚度7 m，不澆筑混凝土?xí)r，存在旋噴樁與鋼護(hù)筒、鋼板樁貼合部位施工質(zhì)量難以保證的問題。

4.3 施工周期

方案1 中47 m 超長(zhǎng)鋼管樁圍堰，施工周期長(zhǎng)，工期137 天左右并且工期難以保證；方案2 與方案3 采用鋼板樁作為支護(hù)樁，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕型設(shè)備即可施工，鋼板裝拆方便，可周轉(zhuǎn)使用，施工過程較為流暢高效，方案2 與方案3 工期總計(jì)約120 天左右。

通過以上三種方案比選，結(jié)合造價(jià)、施工風(fēng)險(xiǎn)及工期等因素曹娥江16#主墩圍堰采用方案2 進(jìn)行施工，先插打鋼板樁進(jìn)行地基加固，隨后帶水分層開挖并安裝內(nèi)支撐。方案2 采用21 m 鋼板樁且僅需加固3 m 淤泥質(zhì)土可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省工程造價(jià)及工期，增加工作效率。但實(shí)際項(xiàng)目中地質(zhì)情況復(fù)雜，需加強(qiáng)對(duì)加固后土體質(zhì)量檢測(cè)，以便及時(shí)調(diào)整施工工藝。

5 結(jié)語

曹娥江大橋16#主墩承臺(tái)位于主河道中，承臺(tái)水面下埋深達(dá)12 m，基底為淤泥質(zhì)黏土層，采用高壓旋噴樁結(jié)合封底混凝土加固成功的解決了深厚軟基中大體積承臺(tái)施工難題。方案1 施工相對(duì)簡(jiǎn)單，工期短，造價(jià)低，對(duì)深水軟基中圍堰設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。