既有高速公路橋下深厚淤泥地層筑島關(guān)鍵技術(shù)

彭焱森

（深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

跨海通道是聯(lián)動(dòng)沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要紐帶，人工島作為以橋隧相結(jié)合的跨海通道重要組成部分，筑島及變形控制的成敗對(duì)整個(gè)工程的影響巨大。人工筑島一般地處深厚淤泥層海域，填筑施工對(duì)近接建構(gòu)筑物沉降影響巨大，控制人工筑島對(duì)近接建構(gòu)筑物的影響一直是工程界的難題。

針對(duì)該難題國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行系列研究，明廷濤等[1-2]針對(duì)填島工程不同的地基處理方法進(jìn)行了研究，以減少由于堆載造成的地基沉降。葛志平等[3]通過有限元軟件分析了堆載對(duì)橋梁樁基水平位移的影響。梁志浩[4]分析了橋梁周邊土體擾動(dòng)對(duì)橋梁樁基的影響。劉龍[5]通過有限元分析了基坑開挖對(duì)橋梁基礎(chǔ)沉降的影響。陳永紅等[6-7]通過有限元結(jié)合工程案例，分析了軟土地基橋梁基礎(chǔ)在偏載作用下的受力及變形，并提出了加固處理方案。余平等[8-9]通過有限元軟件分析了不同堆載大小、方式、位置，不同地基處理方式等因素對(duì)橋梁基礎(chǔ)的影響。李思江[10]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬的方法研究在深層軟弱土層上堆載工程對(duì)橋梁的樁柱及上部結(jié)構(gòu)的影響及控制措施。

上述研究多建立在理論建?；A(chǔ)上，并未涉及具體工程施工技術(shù)要點(diǎn)，及如何控制填筑施工對(duì)近接建構(gòu)筑物沉降影響。本文以深中通道東人工島為例，通過數(shù)值建模，施工關(guān)鍵工序控制、變形沉降監(jiān)測(cè)等多種措施對(duì)海域人工筑島進(jìn)行變形控制和監(jiān)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)了筑島施工時(shí)對(duì)橋梁安全的保障，研究成果可為后續(xù)人工島填筑對(duì)既有構(gòu)筑物保護(hù)的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

深中通道起自廣深沿江高速公路機(jī)場(chǎng)互通式立交，接廣深沿江高速公路，向西跨越珠江口，在中山馬鞍島登陸，止于橫門互通立交，順接中開高速公路，全長(zhǎng)24.03 km，自東向西分別設(shè)置東人工島、隧道、西人工島、伶仃航道懸索橋、中山大橋斜拉橋及非通航孔橋，是集“橋、島、隧、地下互通”為一體的系統(tǒng)集群工程[11]。其中東人工島東西向施工起訖里程為K5+630—K6+560，長(zhǎng)930 m，南北向沿江高速軸向1 136 m，陸域面積34.38 萬m2，海域使用面積47.63 萬m2，東人工島平面布置如圖1 所示。

圖1 東人工島平面布置圖Fig.1 Layout plan of east artificial island

東人工島位于40 跨廣深沿江高速高架橋下方，沿江高速為已通車雙向8 車道高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，橋梁允許沉降5 mm、側(cè)向位移5 mm，該區(qū)域淤泥層平均厚約8 m，最厚達(dá)15 m。海砂填筑可能引起橋梁墩臺(tái)樁基產(chǎn)生附加彎矩、變形沉降，降低承載能力，嚴(yán)重時(shí)樁基可能發(fā)生斷裂破壞，造成橋梁坍塌。如何在深厚淤泥層上填砂筑島，確保既有橋梁結(jié)構(gòu)安全是筑島難點(diǎn)。

2 高速公路橋變形控制分析

東人工島與既有廣深沿江高速橋梁存在重疊，為達(dá)到正常使用標(biāo)高，后期需填筑7 m 左右中粗砂，填砂區(qū)域存在厚度10 m 左右的軟土，填砂過程會(huì)導(dǎo)致軟土側(cè)向變形和沉降，將對(duì)沿江高速橋梁產(chǎn)生較大影響。以軟土厚度最大區(qū)域49 號(hào)、50號(hào)橋墩作為分析對(duì)象，該區(qū)域軟土厚度達(dá)到13 m?？紤]鋼板樁內(nèi)外順序、橫橋順橋填砂方向，選擇4 種工況模擬分析，如表1 所示。

表1 計(jì)算工況Table 1 Calculation conditions

第1、2 種工況鋼板樁內(nèi)填砂為一次性填筑，鋼板樁外填砂為每次1 m 對(duì)稱填筑，工況1 為順橋向左右交替回填，工況2 為橫橋向左右交替回填；第3、4 種工況鋼板樁外先填砂，每次左右交替對(duì)稱回填1 m，當(dāng)外側(cè)填砂高度達(dá)到5 m 時(shí)，進(jìn)行鋼板樁內(nèi)一次性填筑。左右對(duì)稱交替回填1 m 砂至7 m，共需15 次交替回填。

利用有限元模擬軟件對(duì)49 號(hào)、50 號(hào)橋墩數(shù)值建模，如圖2 所示。

圖2 49 號(hào)橋墩有限元模型Fig.2 Finite element model of No.49 pier

填砂模型為實(shí)體施加到初始地表，地基土體采用實(shí)體單元模擬，沿江高速橋梁的樁基采用Embedded beam 樁單元。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，35 號(hào)—74 號(hào)橋墩采用鋼板樁加固，鋼板樁樁頂標(biāo)高為+3.0 m，樁頂以下3 m 位置布置200 mm×200 mm的工字鋼橫撐，水平間距1 370 mm 布置1 根橫撐。模型尺寸為100 m×100 m×50 m，模型前后左右約束相應(yīng)的側(cè)向位移，底部約束豎向位移，流固耦合計(jì)算時(shí)四周及底部采用不透水邊界，地表面為自由透水面。根據(jù)廣深沿江高速橋梁設(shè)計(jì)要求，49 號(hào)橋墩樁基設(shè)計(jì)荷載為713～753 t，建模中采用單樁樁頂荷載為750 t。

橋墩樁基最大水平位移值與施工步的曲線關(guān)系，如圖3 所示。隨著施工步進(jìn)行，橋樁最大水平位移整體呈逐步增大趨勢(shì)，其中，鋼板樁內(nèi)先填砂引起的橋樁位移增長(zhǎng)要明顯弱于鋼板樁外先填砂，填筑完成后，工況1、2 中引起橋樁的位移分別為7.4 mm、4.5 mm，工況3、4 中引起橋樁的位移分別為11.8 mm、14.4 mm。由于采用對(duì)稱填筑，橋樁水平位移曲線呈波動(dòng)狀，但橫橋向?qū)ΨQ填筑引起的位移波動(dòng)明顯較順橋向小，工況1、3 中相鄰施工步對(duì)稱填筑引起橋樁的最大位移差分別為3.2 mm、2.2 mm，工況2、4 中相鄰施工步引起橋樁的最大位移差分別為2.7 mm、2.1 mm。橋梁樁基彎矩值與施工步的關(guān)系如圖4 所示。

圖3 橋樁最大水平位移與施工步關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum horizontal displacement of bridge pile and construction steps

圖4 橋樁最大彎矩與施工步關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum bending moment of bridge pile and construction steps

隨著施工步的進(jìn)行，橋樁最大彎矩值呈先穩(wěn)定后逐步增大的趨勢(shì)。當(dāng)采用鋼板樁內(nèi)先填砂時(shí)，橫橋向與順橋向填砂對(duì)橋樁彎矩影響趨于一致；但當(dāng)采用鋼板樁外先填砂時(shí)，順橋向填砂引起的橋樁彎矩增幅較橫橋向大。鋼板樁內(nèi)先填砂引起的橋樁最大彎矩增長(zhǎng)明顯弱于鋼板樁外先填砂，工況1、2 橋樁的最大彎矩分別為2 333 kN·m、2 290 kN·m，工況3、4 橋樁的最大彎矩分別為5 119 kN·m、4 275 kN·m。

由于橋墩四周采用對(duì)稱布置鋼板樁，橫橋向和順橋向的橋墩水平位移小于10 mm，大部分回填階段小于5 mm，對(duì)稱布置方案有利于橋墩兩側(cè)回填平衡。左右兩側(cè)回填始終保持最大1 m 高差時(shí)，橫橋向左右兩側(cè)回填對(duì)鄰近橋樁影響更小。采取鋼板樁加固時(shí)，先填筑鋼板樁內(nèi)回填，再施工鋼板樁外側(cè)回填更加有利于對(duì)鄰近橋樁的保護(hù)作用。因此為保障橋墩安全，確定回填施工時(shí)按橫橋向?qū)ΨQ回填、“先內(nèi)后外”、“內(nèi)高外低”、“分層、對(duì)稱、均勻”原則進(jìn)行控制，分層厚度不大于1 m。

3 橋下筑島施工

3.1 隔離樁施工

東人工島在填筑前對(duì)影響范圍內(nèi)的沿江高速橋40個(gè)墩臺(tái)采用“鋼板樁+導(dǎo)梁+內(nèi)支撐+內(nèi)外部中粗砂分層回填”進(jìn)行保護(hù)，如圖5 所示。

圖5 鋼板樁墩臺(tái)保護(hù)平面圖Fig.5 Plan of steel sheet pile pier protection

為減少打樁振動(dòng)對(duì)橋墩安全的不利影響，鋼板樁采用靜壓沉樁工藝，分節(jié)施工，節(jié)段長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)橋梁凈空，以方便現(xiàn)場(chǎng)操作。鋼板樁沉樁前先施工導(dǎo)向架，鋼板樁分為引樁和正樁。施工前先采用機(jī)械臂插打4 根第1 節(jié)鋼板樁引樁，為靜壓植樁機(jī)提供反力及承載平臺(tái)，引樁與導(dǎo)向架焊接牢固。引樁施工完畢后，將靜壓植樁機(jī)安裝到引樁上，施工其余鋼板樁，鋼板樁分節(jié)進(jìn)行施工，并錯(cuò)開長(zhǎng)度，焊接驗(yàn)收完成后，沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高；除引樁外其余鋼板樁完成后，再將4 根引樁接長(zhǎng)沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。沉樁過程，利用全站儀全程測(cè)量鋼板樁垂直度，同時(shí)施工期間對(duì)橋墩進(jìn)行振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)，以測(cè)定靜壓植樁對(duì)橋墩承臺(tái)的振動(dòng)。

3.2 砂被施工

鋼板樁圍堰施工完成，橋墩保護(hù)樁內(nèi)分層回填至承臺(tái)底高程以下后，因深水區(qū)淤泥層較厚，為防止橋下區(qū)域回填時(shí)大面積拱淤，橋墩保護(hù)樁外回填施工前先在橋下范圍內(nèi)鋪設(shè)砂被，鋪設(shè)厚度為1 m，分2 層施工，每層0.5 m，如圖6 所示。

圖6 橋下深水區(qū)回填施工Fig.6 Backfilling construction along the deep water area under the bridge

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隔離樁間距，加工好“實(shí)寬等厚”膜袋，測(cè)量原海床面后，利用鋪設(shè)船鋪設(shè)膜袋，確保膜袋平坦鋪開，通過抽砂泵，將砂水混合物泵送入膜袋，每個(gè)泵砂口等時(shí)間充填，充填過程中采用水坨或竹竿對(duì)充填區(qū)域標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，確保充填平整均勻。

3.3 海砂吹填

考慮沿江高速橋墩安全等因素，將場(chǎng)地劃分為3個(gè)區(qū)，分時(shí)分段進(jìn)行回填，首先回填遠(yuǎn)離沿江橋1 區(qū)，再回填沿江高速橋下2 區(qū)，最后對(duì)稱回填3 區(qū)。橋下2 區(qū)回填砂采用橫橋向，按照“先內(nèi)后外”“內(nèi)高外低”、“分層、對(duì)稱、均勻”原則控制。沿江高速橋下回填分為橋墩保護(hù)樁內(nèi)回填及保護(hù)樁外回填2 部分，回填順序?yàn)? 區(qū)→2區(qū)→3 區(qū)，填砂時(shí)采用橫橋向分層對(duì)稱回填，每跨由橋中心線向兩側(cè)方向開始回填施工。

回填時(shí)首先在橋墩保護(hù)樁內(nèi)分層回填至承臺(tái)底高程以下，插打塑料排水板后，再分層回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高。然后橋墩保護(hù)樁內(nèi)外對(duì)稱填筑至1.0 m高程，插打塑料排水板后，再分層回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，如圖6 所示。為保證分層對(duì)稱回填，水下部分橋墩保護(hù)樁內(nèi)采用絞吸船+吹砂管、水上挖機(jī)拋填2 種方式配合回填；保護(hù)樁外淺水區(qū)采用泵砂船+分散裝置回填施工，深水區(qū)保護(hù)樁外采用泵船+吹砂管吹填，水上挖機(jī)及水陸兩用挖機(jī)配合。水上采用陸域或泵砂船2 種方式回填，運(yùn)輸車與挖機(jī)、裝載機(jī)配合?；靥钸^程中利用人工打水砣方式實(shí)時(shí)測(cè)量，控制分層厚度，并趁低水位在保護(hù)樁的外側(cè)標(biāo)上刻度，為回填高度提供參考，保證回填均勻性及相鄰橋跨高差。

4 變形監(jiān)測(cè)

橋墩沉降和位移監(jiān)測(cè)利用2個(gè)海上測(cè)量平臺(tái)和平面控制網(wǎng)作為基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括沿江高速橋墩沉降、水平位移、傾斜、周邊土體深層水平位移以及施工過程中的振動(dòng)測(cè)試。施工開始前采集各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的靜態(tài)初始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下。

1）橋墩沉降和水平位移。測(cè)點(diǎn)布置采用鉆孔安裝圓棱鏡的方式，每個(gè)墩柱布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)儀器采用TM50 進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，控制值為±5 mm。未施工時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果為沉降值和水平位移值均在-0.3～0.3 mm 之間波動(dòng)。

2）橋墩傾斜。測(cè)點(diǎn)布置于墩橋柱的下部，選擇盒式固定測(cè)斜儀進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度0.001°。傾斜值變化量在±0.003°之間。

3）振動(dòng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器選擇加速度計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置于橋墩承臺(tái)上，利用多通道振動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。未施工時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果為加速度0～0.002g，最大振幅0.004 mm，最大頻率266 Hz。

4）土體深層水平位移。布置2個(gè)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)孔，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距鋼板樁1 m，孔底均進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖巖層。用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)，頻率每天2 次。未施工時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果為土體深層水平位移最大變化量1.3 mm，深度位于淤泥面以下0.5 m 處。

通過鋼板樁施工、砂被施工和回填砂施工期間監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，沿江高速橋墩沉降和位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)變化量均小于1 mm，其波動(dòng)曲線與施工前波動(dòng)曲線基本一致，說明靜壓植樁施工對(duì)沿江高速橋墩位移影響極小。靜壓植樁機(jī)施工期間橋墩各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化量很小，說明靜壓植樁機(jī)對(duì)橋墩下部的樁基礎(chǔ)幾乎沒有產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用，砂被、回填砂期間橋墩豎向位移和水平位移曲線均變化穩(wěn)定，施工安全可控。

5 結(jié)語

1）在橋下深厚淤泥層中筑島時(shí)，采用“鋼板樁圍堰隔離+砂被+控制回填”工藝能有效控制筑島過程橋墩變形。

2）淤泥層上鋪設(shè)砂被能有效控制回填過程中的拱淤，研發(fā)的分散裝置能有效控制回填層厚度，在類似筑島工程中可借鑒采用。

3）回填砂過程中，橫橋向左右兩側(cè)對(duì)稱回填，“先內(nèi)后外”、“內(nèi)高外低”、“分層、對(duì)稱、均勻”的填筑方式能夠有效減少填島施工對(duì)橋梁的影響，建議對(duì)稱回填分層厚度宜不超過1 m。

4）施工全過程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)能及時(shí)反饋橋梁變形狀態(tài)，依據(jù)變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)整施工措施是風(fēng)險(xiǎn)控制的關(guān)鍵。

5）基于廣深既有高速公路橋下深厚淤泥地層填海筑島關(guān)鍵技術(shù)研究，在海域淤泥深厚地質(zhì)筑島，該技術(shù)成果可為類似工程提供參考。