沱江特大橋鋼板樁圍堰及埋置式承臺(tái)施工關(guān)鍵技術(shù)*

萬(wàn)世成,劉 穎,胡 航,孫才志,蘇懷平

(1.成都交通投資集團(tuán)有限公司,四川 成都 610041; 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 3.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610041)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市建設(shè)開始注重文化、生態(tài)、工程與環(huán)境的關(guān)系[1]。除滿足基本的交通功能外,橋梁被賦予更多的景觀功能。2020年,在經(jīng)過橋型調(diào)整和方案優(yōu)化后,成都金簡(jiǎn)仁快速路沱江特大橋采用“傾斜鋼拱塔+空間扭索面+超寬鋼箱梁”的結(jié)構(gòu)體系,有別于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的異形鋼塔斜拉橋[2],具有更強(qiáng)烈的空間立體感和視覺沖擊力,建成后將成為都市圈新地標(biāo)。但計(jì)算表明,獨(dú)特的索塔構(gòu)造和拉索布置方式導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,塔底存在可觀的扭矩和水平推力,使主塔基礎(chǔ)不得不采用較保守的結(jié)構(gòu)尺寸,同時(shí)結(jié)合行洪要求進(jìn)行整體埋置式設(shè)計(jì)。水中承臺(tái)體積大、埋置深、地質(zhì)條件特殊,施工必須采用超大型圍堰結(jié)構(gòu)和超長(zhǎng)鋼板樁,在西南地區(qū)內(nèi)河建設(shè)環(huán)境中無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可循。本文以沱江特大橋主墩承臺(tái)施工為背景,介紹“鋼板樁+巖壁”新型組合圍堰及相關(guān)技術(shù)工藝,依托監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性。

1 工程概況

成都金簡(jiǎn)仁快速路全長(zhǎng)67.5km,起于金堂縣,途經(jīng)簡(jiǎn)陽(yáng)市,止于仁壽縣,道路等級(jí)為一級(jí)公路。沱江特大橋是金簡(jiǎn)仁快速路的控制性工程,全長(zhǎng)963m,主橋?yàn)槌鞘芯坝^橋梁,采用(45+185+238+45)m空間曲線獨(dú)塔扭索面斜拉橋;引橋采用30m跨徑簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力小箱梁結(jié)構(gòu)。主橋受力體系為塔-梁-墩固結(jié),塔柱由六邊形鋼箱截面沿空間曲線旋轉(zhuǎn)而成,整體向東傾斜17.3°,垂直高度173m。主橋雙向10車道跨越沱江,鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)寬64m,最寬處達(dá)86.7m(塔梁固結(jié)段)。全橋68根斜拉索按“低索遠(yuǎn)拉,高索近拉”的扭曲面布置。大橋空間效應(yīng)顯著,其立面布置如圖1所示。

圖1 沱江特大橋立面布置(單位:m)

沱江特大橋位于長(zhǎng)江一級(jí)支流沱江中游,建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)以沖積平壩、淺丘地貌為主,地層為新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積層,地勢(shì)低平開闊。橋址斷面河寬約280m,左側(cè)主河槽水深5～6m,水流較緩;右側(cè)河道因常年激流沖刷,最大水深約13m。覆蓋層為厚度僅0.4～0.6m的卵石、粉土和粉質(zhì)黏土;下臥層為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖,呈豎向間隔分布,基巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度較高,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)達(dá)38MPa。

沱江特大橋主墩(14號(hào)墩)位于主河槽,啞鈴型承臺(tái)橫向?qū)挾?1.4m,縱向長(zhǎng)度34.6m,埋入河床基巖內(nèi)以減小基礎(chǔ)阻水率。單個(gè)承臺(tái)尺寸為23m×34.6m(橫橋向×縱橋向),左、右承臺(tái)間通過系梁相連,系梁長(zhǎng)45.4m、寬8～16m;承臺(tái)與系梁等高,為5.5m。承臺(tái)上設(shè)變截面六棱臺(tái)體塔座,下設(shè)40根φ2.8m鉆孔灌注樁,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)分別為14m(左承臺(tái))和18.5m(右承臺(tái)),均為端承樁,以中風(fēng)化粉砂巖作為樁端持力層。由于上部結(jié)構(gòu)為非對(duì)稱布置,根據(jù)計(jì)算分析,左、右承臺(tái)各設(shè)有200mm和1 000mm的縱向偏心距。主塔基礎(chǔ)平面布置如圖2所示。

圖2 沱江特大橋主塔基礎(chǔ)平面布置

2 施工難點(diǎn)

1)河床基巖強(qiáng)度>30MPa,圍堰嵌巖深度>10m,常規(guī)的鋼套箱、鋼管樁及鋼板樁圍堰工藝均無(wú)法實(shí)現(xiàn)順利入巖并達(dá)到精度控制要求,基礎(chǔ)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工難度大。

2)圍堰止水要求極高: ①度汛施工; ②樁基采用干作業(yè)成孔,承臺(tái)采用干封底施工; ③圍堰占地面積大,深基坑內(nèi)作業(yè)人員和設(shè)備多。傳統(tǒng)圍堰的止水效果不能滿足施工要求。

3)承臺(tái)及系梁混凝土>1.1萬(wàn)m3,水化熱高,須采取科學(xué)有效的溫控措施防止危害性裂縫產(chǎn)生;在入冬前澆筑或?qū)⒃庥鰵鉁伢E降,溫度測(cè)控和養(yǎng)護(hù)技術(shù)要求高。

3 鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 組合圍堰總體設(shè)計(jì)

采用“先圍堰后樁基”施工工序。地質(zhì)勘察資料顯示,下伏基巖節(jié)理裂隙不發(fā)育、巖體較完整,樁基施工可在圍堰抽水后形成的干環(huán)境中進(jìn)行;基坑內(nèi)巖體為干開挖,快速清除底部淤泥后,可在干環(huán)境中施工極平整的封底層,便于承臺(tái)施工質(zhì)量控制。

綜合考慮承臺(tái)形式及埋深、水文地質(zhì)條件、施工周期、止水效果、環(huán)保要求、鋼材用量及回收利用率,選擇鋼板樁圍堰作為擋水圍護(hù)方案[3-4]。經(jīng)驗(yàn)算巖體強(qiáng)度,提出一種“鋼板樁+巖壁”組合圍堰(見圖3):在基坑開挖過程中將夾壁巖體保留,使得鋼板樁圍堰受力更均勻,且滲流路徑增大,涌水風(fēng)險(xiǎn)降低;同時(shí),保留巖體能減小開挖工程量和降低夾壁混凝土用量,從而經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

圖3 組合圍堰方案設(shè)計(jì)

3.2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)形式

沱江汛期為每年5—9月,圍堰施工正值沱江汛期。大橋上游6.1km、下游8.3km各有1座水力發(fā)電站,圍堰施工期間的水位變化幅度可預(yù)報(bào)。經(jīng)調(diào)查論證選取21m長(zhǎng)SP-IVw型600mm×210mm鋼板樁[5-6],滿足圍堰頂標(biāo)高(395.500m)超過預(yù)測(cè)洪水位1m的設(shè)計(jì)要求。圍堰呈矩形布置,平面尺寸為95m×38.2m(承臺(tái)外側(cè)平均操作凈寬為1.8m),共計(jì)使用鋼板樁472根,樁底嵌入河床面深度為12.5m(低于承臺(tái)底標(biāo)高5.5m),基坑最大開挖深度約8m。為提高圍堰結(jié)構(gòu)的空間剛度和整體穩(wěn)定性,設(shè)置4道腰梁和內(nèi)支撐(見表1)。腰梁采用2HN700×300型鋼,對(duì)撐和斜撐采用裝配式φ609×16鋼管,斜拋撐采用2I56c。因?qū)慰缍容^大,使用鋼立柱和鋼平聯(lián)進(jìn)行豎向和水平約束。主墩鋼板樁圍堰布置如圖4所示。

表1 內(nèi)支撐系統(tǒng)構(gòu)件組成及位置

圖4 主墩鋼板樁圍堰布置(單位:m)

3.3 全護(hù)筒跟進(jìn)引孔工藝

引孔工藝設(shè)計(jì)是鋼板樁圍堰止水成敗的關(guān)鍵。本工程引孔數(shù)量360個(gè),成槽深度12.5m,需解決:①鉆進(jìn)過程中,因地層堅(jiān)硬或孔位存在漂石和卵石而發(fā)生卡鉆,導(dǎo)致護(hù)筒跟進(jìn)不到位、孔底質(zhì)量欠佳問題;②引孔偏斜過大或咬合不足導(dǎo)致成槽不連續(xù)或線形較差,造成鋼板樁無(wú)法施沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高,增加圍堰涌水風(fēng)險(xiǎn)問題。國(guó)內(nèi)目前常用引孔工藝難以滿足施工要求[7-8],為實(shí)現(xiàn)水下硬質(zhì)巖層一次性精確成孔,采用“全護(hù)筒跟進(jìn)引孔”工藝,在保證引孔施工質(zhì)量的前提下縮短工期、減少河流污染。

引孔設(shè)計(jì)為2類,即A類(完整斷面)和B類(咬合斷面),孔深12.5m,直徑1.2m,間距0.8m,咬合0.4m。遵循“隨鉆隨護(hù),跳孔施工,咬合成槽”的原則,交替鉆進(jìn)A類和B類孔(見圖5)。對(duì)于淺覆蓋層,為防止松散卵石滑落至孔內(nèi)影響鋼板樁打入,引孔前先將孔位外1m范圍的覆蓋層清理干凈;此外,借助防沖刷套箱避免引孔過程中及后續(xù)由于河床沖刷導(dǎo)致的孔內(nèi)充填。特制4臺(tái)護(hù)筒跟進(jìn)式套管機(jī)(見圖6),分上下游、東西側(cè)4個(gè)作業(yè)面開展引孔施工,每臺(tái)設(shè)備由320型全液壓旋挖鉆機(jī)和3m×7節(jié)裝配式鋼護(hù)筒組成,配直徑1.2m鈦合金截齒筒鉆。臨空面對(duì)B類孔影響很大,鉆進(jìn)過程中需根據(jù)地層巖性控制進(jìn)尺速度,同時(shí)利用鉆桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控其垂直度,再使用超聲波檢孔儀逐一檢測(cè)成孔質(zhì)量,嚴(yán)格控制深度、垂直度、咬合度3項(xiàng)指標(biāo),將底節(jié)護(hù)筒跟進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

圖5 引孔分類示意(單位:m)

圖6 護(hù)筒跟進(jìn)式套管機(jī)引孔施工

3.4 回填砂注漿止水工藝

通過首次清孔、二次清孔將沉渣全部清除,孔形、孔徑、孔深滿足要求后置換細(xì)度模數(shù)適宜的回填料?；靥盍线x取優(yōu)質(zhì)細(xì)砂,按分層回填、分層壓實(shí)的方式進(jìn)行,每層回填3～4m,逐步提升導(dǎo)管,最終回填至河床面,回填高度12.5m。細(xì)砂經(jīng)過振沖密實(shí)后,滲透系數(shù)小且方便鋼板樁打入和拆除。

首根鋼板樁的施工精度至關(guān)重要,其打入位置、雙向垂直度和樁頂高程必須從嚴(yán)控制。采用“屏風(fēng)式分級(jí)插打”工藝,先將鋼板樁并排打入一定深度,再由屏風(fēng)墻兩端向中間打入,每級(jí)施打2～3m,施打時(shí)因鋼板樁兩側(cè)摩阻力平衡,鎖口相互咬合,從而最大限度確保施工精度?？紤]到任何傾斜、偏位都可能導(dǎo)致鎖口拉裂或嵌巖深度不足,每級(jí)施打完成后復(fù)核垂直度偏差,一旦>0.5%即采取措施予以糾偏[9],必要時(shí)將鋼板樁振松拔起后原位重新插打。本工程圍堰采用中間合攏,鋼板樁施工標(biāo)高誤差約±20cm。

為增強(qiáng)圍堰止水效果,采用高壓旋噴注漿法對(duì)鋼板樁內(nèi)、外側(cè)進(jìn)行加固,引孔回填料固結(jié)后封閉滲水通道,與鋼板樁形成復(fù)合式止水帷幕。注漿高度為內(nèi)側(cè)孔底以上6m(超過承臺(tái)底標(biāo)高0.5m)、外側(cè)孔底以上2m。鉆孔取芯結(jié)果表明,高壓旋噴施工質(zhì)量較理想,為汛期深基坑安全施工創(chuàng)造了條件。

3.5 圍堰監(jiān)測(cè)結(jié)果

在抽水、開挖和承臺(tái)澆筑期間,全過程監(jiān)測(cè)鋼板樁位移、內(nèi)支撐應(yīng)力和撓度及水位變化,實(shí)現(xiàn)超前預(yù)報(bào),用于評(píng)價(jià)圍堰支護(hù)體系的安全性(見表2)。結(jié)果表明,各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在合理可控范圍內(nèi)波動(dòng),累計(jì)值均小于預(yù)警值且無(wú)持續(xù)上升趨勢(shì),鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定,表2中應(yīng)力值以受拉為正、受壓為負(fù)。

4 主墩承臺(tái)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基坑開挖與巖壁處理

依次開展基坑分級(jí)降水、基底清淤、腰梁安裝等工作。少量裂隙水通過設(shè)置排水溝和集水井引排,同時(shí)仔細(xì)排查鋼板樁鎖口滲漏點(diǎn),及時(shí)填充過篩爐渣、木屑與黏土拌合物作局部封堵。最后進(jìn)行清底找平,澆筑50cm厚混凝土墊層作為圍堰內(nèi)機(jī)械設(shè)備站位平臺(tái),在干環(huán)境中完成鉆孔灌注樁施工。

潛孔鉆機(jī)沿承臺(tái)輪廓線鉆孔,隔離出需保留的巖體,基坑采用盤鋸法逐層開挖并依次安裝內(nèi)支撐。位于系梁區(qū)的巖體不挖除,且保留承臺(tái)區(qū)3m高度范圍的巖壁,巖壁(巖體)與內(nèi)支撐系統(tǒng)、止水加固后的鋼板樁共同構(gòu)成“組合圍堰”。經(jīng)巖面修邊和掛網(wǎng)噴漿后的主墩基坑如圖7所示,此時(shí)巖壁可以直接作為第1層承臺(tái)澆筑的模板。最后在基底鋪設(shè)1層碎石并澆筑1m厚C30封底混凝土(承臺(tái)墊層)。

圖7 承臺(tái)基坑開挖與巖壁處理

4.2 綜合溫控抗裂方法

1)選用低熱膨脹系數(shù)、低吸水率的優(yōu)質(zhì)骨料及高性能聚羧酸減水劑,確?；炷辆哂辛己玫目沽研浴Ⅲw積穩(wěn)定性和抗?jié)B性;在澆筑前完成C35緩凝低水化熱混凝土配合比優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,并調(diào)控入模溫度在合適區(qū)間。

2)主墩承臺(tái)分2層澆筑(2.0m+3.5m),每層澆筑時(shí)采用厚約30cm薄層連續(xù)澆筑以進(jìn)一步減小里表溫差,并在系梁中部設(shè)置后澆帶。

3)根據(jù)大體積混凝土溫度測(cè)控技術(shù)要求并結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)制訂“內(nèi)降外?！钡臏乜胤桨?對(duì)承臺(tái)與系梁進(jìn)行內(nèi)部強(qiáng)制降溫和外部保溫保濕,若遇氣溫驟降,則加強(qiáng)表面覆蓋蓄熱并適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

4.3 水冷卻系統(tǒng)與溫度測(cè)點(diǎn)

內(nèi)部強(qiáng)制降溫采用水冷卻工藝[10-11],在承臺(tái)及系梁內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管,按蛇形布置3層,水平間距為1.5m。每層水管距承臺(tái)底面分別為1,3,4.5m,相鄰層的冷卻管在水平投影面上相互垂直(見圖8)。管內(nèi)預(yù)先注滿冷卻水,被混凝土覆蓋并初凝后及時(shí)啟動(dòng)水冷卻系統(tǒng)。

圖8 承臺(tái)冷卻管平面布置

在承臺(tái)對(duì)角線、系梁中軸線布設(shè)6層、106個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),如圖9所示,實(shí)時(shí)掌握混凝土內(nèi)外溫度和進(jìn)出水溫度;6個(gè)環(huán)境測(cè)點(diǎn)布置在棧橋平臺(tái)上無(wú)日照處。當(dāng)水溫升高較快時(shí)(出水與進(jìn)水溫度差>10℃),提高循環(huán)水流速;反之,當(dāng)混凝土降溫較快時(shí)(降溫速率>2℃/d),則降低循環(huán)水流速。在混凝土達(dá)到溫峰前通入最大水流量,盡量削減溫峰值。通水冷卻和表面保溫持續(xù)14～18d,結(jié)束后壓出管內(nèi)殘余水,吹干管道并壓注同強(qiáng)度等級(jí)水泥漿以封閉管路。

圖9 承臺(tái)及系梁溫度測(cè)點(diǎn)布置

4.4 溫度測(cè)控結(jié)果

承臺(tái)及系梁混凝土入模溫度控制在15～28℃。在承臺(tái)及系梁施工期間,實(shí)測(cè)混凝土溫度峰值(<75℃)、最高溫升(<50℃)均滿足規(guī)范要求(見表3);實(shí)測(cè)最大里表溫差:第1層(2.0m)為22.3℃<25℃,滿足規(guī)范要求;第2層(3.5m)為29.4℃>28℃[12],受短期寒潮影響,超過控制值1.4℃,最終通過覆蓋保溫、調(diào)節(jié)通水速率等措施使之平穩(wěn)降至控制值以下,如圖10所示。

表3 溫度峰值和最高溫升監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖10 主墩大體積混凝土內(nèi)部和表面溫度變化曲線

4.5 承臺(tái)及系梁澆筑

沱江特大橋主墩承臺(tái)及系梁的澆筑與養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10—11月, 每幅承臺(tái)與系梁同步澆筑,按“多點(diǎn)布料,分層攤鋪,高頻振搗”的方式分4次澆筑成型,共計(jì)澆筑混凝土11 103m3,單次最大澆筑方量3 700m3, 利用無(wú)線自動(dòng)化采集系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)云端系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理,多措并舉解決了早期水化熱開裂問題。養(yǎng)護(hù)完成后全面檢查,主墩承臺(tái)及系梁結(jié)構(gòu)無(wú)表面裂紋或深層裂縫,施工質(zhì)量?jī)?yōu)良,達(dá)到無(wú)縫品質(zhì)工程要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1)超長(zhǎng)鋼板樁在水中大型嵌巖基礎(chǔ)的施工中發(fā)揮了重要作用,組合圍堰由止水加固后的鋼板樁、內(nèi)支撐系統(tǒng)、巖壁(巖體)3部分構(gòu)成,有助于提升圍堰的抗?jié)B能力,有利于降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)和施工成本。

2)采用“全護(hù)筒跟進(jìn)引孔”“屏風(fēng)式分級(jí)插打”工藝解決了傳統(tǒng)鋼板樁入巖難度大、施工工效低和施工精度難以保證的問題;采用“回填砂注漿止水”工藝減小了回填材料滲透系數(shù),大幅度提高了鋼圍堰的封水性能。

3)通過配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、分幅分層澆筑、“內(nèi)降外保”的綜合溫控抗裂方法控制絕熱溫升和降溫速率,并針對(duì)環(huán)境氣溫驟降采取有效調(diào)控措施,成功解決了大體積混凝土早期水化熱開裂問題,實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫承臺(tái)的質(zhì)量控制目標(biāo)。