近海淺覆蓋層中橋梁基礎(chǔ)設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)

王 鑫，閆 宇，周生建，佟明利

（1.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市 100082；2.中建橋梁有限公司，重慶市 402260；3.秦皇島秦正旅游房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引 言

跨海橋梁的基礎(chǔ)選取受地質(zhì)與水文等因素影響較大，而海中基礎(chǔ)施工與河道施工不同，難以采用導(dǎo)改、斷流等常規(guī)的施工方案，因此施工措施的成本很高。選取合適的基礎(chǔ)形式，直接決定了施工是否順利，也對整個工程造價有著較大的影響。我國近海區(qū)域地層覆蓋層多為砂層，在這樣的地層中如何考慮橋梁基礎(chǔ)形式，是本文需要研究探討的問題。

1 工程概況

1.1 項目簡介

海螺島位于秦皇島市金夢海灣南側(cè)、湯河入?？谔幍暮Ｓ颍菄詈Ｐ纬傻娜斯u嶼，圍海造陸面積為47.82 萬m2?？绾４髽蛉L1.53 km，面積約3.8 萬m2，作為海螺島連接陸地的唯一交通通道，也是保障島內(nèi)生產(chǎn)、生活水源和能源補給的輸送通道。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察結(jié)果表明，在勘探深度范圍內(nèi)，上部為第四系全新統(tǒng)海陸交互相（Q4mc）沉積的粉質(zhì)、粉細(xì)砂和中粗砂,中部為第四系全新統(tǒng)沖洪積成因（Q4al+pl）的中粗砂和粉質(zhì)黏土，下伏基巖為太古界（Ar）花崗巖、片麻巖（局部穿插偉晶巖脈）。由淺至深的土層分別如圖1 至圖3 所示。樁基設(shè)計的參數(shù)詳見表1。

表1 樁基設(shè)計參數(shù)表

圖1 孔位中的淺層砂土

圖2 孔位中的強風(fēng)化花崗巖

圖3 孔位中的中風(fēng)化花崗巖

1.3 海洋水文

1.3.1 潮汐、潮位[1]

（1）基面關(guān)系

秦皇島海區(qū)為規(guī)則日潮，其（HK1+H01）/HM2=3.73。

以秦皇島港理論最低潮面（與85 高程的關(guān)系見圖4）為基準(zhǔn)，潮汐特征值為：

圖4 秦皇島港理論最低潮面與85 高程的關(guān)系

極端高潮位+2.66 m，極端低潮位-1.71 m；設(shè)計高潮位+1.76 m，設(shè)計低潮位-0.15 m；平均高潮位+1.24 m，平均低潮位+0.51 m；平均海平面0.87 m，平均潮差0.73 m，最大潮差2.63 m。

（2）波浪

根據(jù)秦皇島海洋站9 a 波浪10 次資料統(tǒng)計分析得：常浪向為S 向，出現(xiàn)頻率為18.69%，次常浪向為SSW 向，出現(xiàn)頻率為11.87%。強浪向為ENE 向，該向H4%≥1.5 m 的出現(xiàn)頻率為0.27%，次強浪向S向，其H4%≥1.5 m 的出現(xiàn)頻率為0.16%。

（3）潮流

根據(jù)該海域內(nèi)9 個測點資料，計算出（WK1+W01）/WM2 值，K 小于0.25 且K 值為負(fù)，說明秦皇島灣的潮流為往復(fù)流，并且潮流沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。大致漲潮為W、WSW 方向，落潮為E、ENE 方向。各測站漲、落潮流方向基本與岸線、等深線垂直。最大流速為0.4 m/s。

（4）水深

項目區(qū)域水深約3 m，最大水深為10 m，透明度為3 m。

（5）水溫

春季表層水溫為10.5℃～20.5℃，夏季表層水溫為27℃～28℃，秋季表層水溫為13.0℃～13.5℃，冬季表層水溫-1.2℃～0.9℃，年最大值31℃出現(xiàn)在7月底8 月初，年最小值-20℃出現(xiàn)在1 月底2 月初。海水增溫在3—8 月份，降溫在當(dāng)年9 月至次年2 月份。

（6）鹽度

受氣候和大陸徑流影響，海水鹽度表層平均值為28.5～30.5，全年最高值為33.5，以夏季最低，冬季最高，近岸鹽度隨入海徑流的變化而不同。

2 基礎(chǔ)的比選

2.1 自然條件分析

上覆蓋層厚度約10～15 m，常水位水深2～3 m，近島處水深7～8 m。

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件、擬建（構(gòu)）筑物荷載和使用功能，該工程宜采用樁基礎(chǔ)方案。根據(jù)當(dāng)?shù)匾延惺┕そ?jīng)驗，采用鉆（沖）孔灌注樁方案，以第⑥、⑥1層強風(fēng)化混合花崗巖、⑥2層強風(fēng)化混合片麻巖或第⑦層中風(fēng)化混合花崗巖、第⑦1層中風(fēng)化混合片麻巖作為樁端持力層[1]。

根據(jù)已有鉆孔資料進(jìn)行單樁承載力估算（主要樁徑為2 m），采用⑦層中風(fēng)化巖做樁端持力層時，完全滿足承載力的設(shè)計要求；采用⑥1層和⑥2層強風(fēng)化巖做樁端持力層時，樁端進(jìn)入強風(fēng)化層（⑥層、⑥1層和⑥2層）不少于20～25 m 時，可以滿足承載力的設(shè)計要求。為了減少沉降，應(yīng)首先采用⑦層中風(fēng)化巖或⑥1層和⑥2層強風(fēng)化巖做樁端持力層。

該場地上部地層主要為松散、飽和的粉細(xì)砂和中粗砂，且分布有灰黑色流塑至軟塑的粉質(zhì)黏土，該地層均易塌孔和縮頸，如采用鉆（沖）孔灌注樁必須進(jìn)行護(hù)壁，并妥善處理泥漿，以防海（河）水污染。

在鉆（沖）孔灌注樁成孔過程中，強風(fēng)化混合花崗巖中下部及中風(fēng)化巖層中會遇到成孔進(jìn)尺困難，進(jìn)度較慢的情況，同時強風(fēng)化混合花崗巖和中風(fēng)化混合花崗巖層中均穿插有堅硬的偉晶巖脈。

2.2 方案比選

海中施工基礎(chǔ)施工難度大、成本高，施工措施在總造價中占很大的比重，因此應(yīng)根據(jù)各外部條件對施工方案進(jìn)行選取，最終確定基礎(chǔ)形式。常用的水中基礎(chǔ)形式施工主要有以下幾種，根據(jù)該項目情況對各方案進(jìn)行適用性比較。

（1）土圍堰

如圖5 所示，土圍堰應(yīng)用廣、成本低、施工簡單，但受到風(fēng)浪和水深影響，在海中施工難以實現(xiàn)。

圖5 土圍堰施工示意圖

（2）鋼板樁圍堰

如圖6 所示，鋼板樁圍堰常在河道與海中有所應(yīng)用，但深水基礎(chǔ)中尚需采用雙排鋼板樁，造價較高。

圖6 鋼板樁圍堰施工示意圖

（3）鋼套箱圍堰

如圖7 所示，鋼套箱圍堰在海中基礎(chǔ)施工時應(yīng)用較多，整體性強，適用于大多情況，造價較高。

圖7 鋼套箱圍堰施工示意圖

（4）樁基鋼護(hù)筒（無圍堰）

如圖8 所示，鋼護(hù)筒施工應(yīng)用廣、成本低、施工簡單，但僅能實施樁基，難以實現(xiàn)承臺施工。

（5）基礎(chǔ)形式選取

綜合該項目造價及施工難度考慮，土圍堰基本不可行，而樁基鋼護(hù)筒造價遠(yuǎn)低于其余兩種圍堰形式。

考慮到下伏基巖為花崗巖，其承載能力較強，因此考慮用樁接柱基礎(chǔ)，采用搭設(shè)鋼棧橋做為施工便道及施工平臺，樁基施工采用鋼套筒，省去圍堰的施工方式。

下伏基巖中的中風(fēng)化花崗巖層承載能力很強，但該層距海底約25～50 m，采用樁間嵌入該層的嵌巖樁不夠經(jīng)濟(jì)；如采用摩擦樁形式，將樁尖放在強風(fēng)化花崗巖層中，則承載能力略小于上部反力。綜合這兩層的特點，將樁長設(shè)置為20～25 m，采用樁端后壓漿技術(shù)以增加樁端部承載力及樁端附近的側(cè)摩阻，即可滿足承載力要求，還能做到每根樁平均減少10～20 m 樁長。近島處水深7～8 m，考慮加大灌注樁直徑。經(jīng)反復(fù)試算及比選，該方案可實施性強，且極大節(jié)約了工程造價，最終得到采用。

3 實施中的問題及對策

3.1 鋼護(hù)筒的設(shè)置

根據(jù)人民交通出版社出版的《公路施工手冊橋涵（上冊）》[2]第七章鉆（挖）孔樁基礎(chǔ)中：

鋼護(hù)筒長度取值計算公式為

式中：L 為護(hù)筒埋置深度，m；H 為施工水位至河床表面深度，m；h 為護(hù)筒內(nèi)水頭，即護(hù)筒內(nèi)水位與施工水位之差，m；γw為護(hù)筒內(nèi)泥漿容重，kN/m3；γo為水的容重，10 kN/m3；γd為護(hù)筒外河床土的飽和容重，kN/m3。

式中：Δ 為土粒的相對密度；砂土平均取2.5，黏性土平均取2.70；e 為飽和土的孔隙比；砂土為0.33～1.0，黏性土為0.17～0.43，軟土為1～2.3；

該項目覆蓋層以砂層為主，Δ=2.5，e=0.6。根據(jù)以上算式得出各鋼護(hù)筒的埋深及總長,并制定相應(yīng)施工專項方案。工藝流程圖如9 所示。

圖9 工藝流程圖

3.2 發(fā)現(xiàn)問題

在樁基鉆孔施工過程中，發(fā)生部分鋼護(hù)筒下沉的現(xiàn)象，多表現(xiàn)為旋挖鉆終孔、一次清孔作業(yè)完成后鋼護(hù)筒均勻下沉一段距離，導(dǎo)致樁基塌孔、鋼護(hù)筒偏位，如圖10（a）、（b）所示。

圖10 鋼護(hù)筒打入后明顯下沉

樁基鋼護(hù)筒按計算長度制作，打設(shè)時均以振動錘錘擊貫入至不再下沉為止。樁基采用旋挖鉆作業(yè)成孔，鉆孔過程產(chǎn)生輕微擾動。通過對下沉鋼護(hù)筒樁基再次清渣時發(fā)現(xiàn)，孔底沉渣多為卵石結(jié)構(gòu)，屬中粗砂、粗粒砂層構(gòu)造，如圖11 所示。

圖11 鋼護(hù)筒孔底沉渣

3.3 問題分析

對出現(xiàn)問題的樁基鋼護(hù)筒參數(shù)及地質(zhì)情況進(jìn)行復(fù)核，做出各樁基與地層對比參照圖12。

根據(jù)式（3）對樁基鋼護(hù)筒受地層土的側(cè)摩阻力進(jìn)行計算，某樁鋼護(hù)筒側(cè)摩阻力計算結(jié)果見表2，各鋼護(hù)筒側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于鋼護(hù)筒本身重量，即按原設(shè)計埋深長度打設(shè)鋼護(hù)筒符合受力要求。

表2 鋼護(hù)筒側(cè)摩阻力計算例表

式中：Qsk 為樁基鋼護(hù)筒受地層土的側(cè)摩阻力，kPa；k 為系數(shù)；L 為樁基周長，m；Lsi 為地質(zhì)土層長度，m；q 對應(yīng)極限摩擦阻力，kPa。

鋼護(hù)筒打設(shè)時已進(jìn)入③中粗砂或⑤粗粒砂層，且驗算數(shù)據(jù)表明地層側(cè)阻力足以維持鋼護(hù)筒穩(wěn)定。但通過隨護(hù)筒下沉掉落孔底的沉渣來看，原設(shè)計護(hù)筒底部砂層夾雜卵石，判斷是阻礙護(hù)筒連續(xù)錘擊貫入不下沉的原因，成孔后護(hù)筒底部所處地層不穩(wěn)定，產(chǎn)生局部塌孔，海水裹著砂層流入孔內(nèi)造成鋼護(hù)筒下沉，應(yīng)為主要原因。對下沉鋼護(hù)筒的樁位地層對比發(fā)現(xiàn)，砂層實際側(cè)阻力不足，與理論計算有誤差，判斷該處海域因曾進(jìn)行過臨時填筑工程，所以部分海底覆蓋層受到過擾動，非原狀砂層，密實度不夠，在水中的側(cè)摩阻力未達(dá)到其理論值。此外，采用旋挖鉆一次清孔作業(yè)過程中，鉆頭的擾動對鋼護(hù)筒產(chǎn)生影響，也是誘發(fā)護(hù)筒底部地層不穩(wěn)和溜塌的因素之一。

3.4 解決方案

為確保鋼護(hù)筒垂直度及偏位情況滿足設(shè)計要求，需要對產(chǎn)生下沉的鋼護(hù)筒重新拔出、接長并按設(shè)計樁位坐標(biāo)重新打設(shè)。為避免再次出現(xiàn)下沉，此次護(hù)筒底須嵌入強風(fēng)化層，直至振動錘擊貫入不再下沉為止。鉆孔及清孔作業(yè)過程中盡量減少對鋼護(hù)筒及樁位地質(zhì)條件的擾動，施工作業(yè)操作須規(guī)范。

經(jīng)現(xiàn)場實際接長鋼護(hù)筒的處理結(jié)果看，樁基鋼護(hù)筒打設(shè)嵌入強風(fēng)化層后，處于比較穩(wěn)定狀態(tài)。個別樁基鋼護(hù)筒二次接長后護(hù)筒底部仍位于⑤粗粒砂層，距離強風(fēng)化層仍有一段距離，此時錘擊鋼護(hù)筒已不再下沉。雖能成孔，但在孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)與泥漿顏色不符的黑色泥狀物，經(jīng)現(xiàn)場實測，護(hù)筒外壁存在空洞，判斷黑色淤泥為孔外滲入，即從接長后的鋼護(hù)筒底部泄漏流入孔內(nèi)，此時孔內(nèi)、外有連通，成樁風(fēng)險大?，F(xiàn)場采取將成孔樁基回填至護(hù)筒底部，從護(hù)筒外向護(hù)筒底部注入混凝土的方式封堵空洞泄漏處，待封堵混凝土凝固后再進(jìn)行后續(xù)施工。此現(xiàn)象的發(fā)生也證明了鋼護(hù)筒須一次連續(xù)打設(shè)嵌入強風(fēng)化穩(wěn)定層才能保證樁基質(zhì)量，出現(xiàn)問題再接長、復(fù)打只會造成地質(zhì)條件的二次破壞，對樁基質(zhì)量無益。

對于尚未施工的樁基，鋼護(hù)筒擬打設(shè)長度按嵌入強風(fēng)化層考慮。一次難以打設(shè)嵌入強風(fēng)化層的，采用旋挖鉆引孔的方式輔助鋼護(hù)筒打設(shè)，直至鋼護(hù)筒嵌入強風(fēng)化層為止。

4 結(jié) 語

橋梁在海中施工，由于環(huán)境因素的影響，施工措施成本很高。能否選取合適的基礎(chǔ)形式直接決定了施工是否順利，也對整個工程造價有著較大的影響。在該項目中，針對擬建場區(qū)上部覆蓋層為砂層、下伏基巖為花崗巖的特點，制定了樁接柱的基礎(chǔ)方案結(jié)合鋼護(hù)筒海中成孔的施工措施，避免了海中圍堰施工，極大節(jié)約了工程造價，降低了施工難度。針對施工中出現(xiàn)的鋼護(hù)筒下沉問題，予以充分分析、徹底解決，并取得了良好的效果。