高落差河段橋梁深水基礎快速施工技術

李強

摘要 大跨徑橋梁技術的不斷發(fā)展為橫跨大江大河提供了有力保證，基礎建設的提速為新技術的研發(fā)提供了有利空間。筑島圍堰配合咬合樁施工技術，作為高落差深水位水中基礎施工的一項技術日益成熟，但是針對高落差河段橋梁深水基礎的快速施工卻鮮有研究。文章結合成金簡快速路金堂段二期沱江大橋的施工經驗，詳細闡述有關高落差河段深水位水下基礎快速施工的關鍵技術研究。

關鍵詞 圍堰構造；同步施工工藝；基坑精準開挖；水下承臺裝配式流水作業(yè)；墩柱掛模施工；基坑數據監(jiān)測分析

中圖分類號 U445.556文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0136-03

0 引言

高落差河段橋梁深水基礎快速施工技術，是針對圍堰構造優(yōu)化、咬合樁和主橋樁基同步作業(yè)、基坑精準開挖、水下承臺平行流水作業(yè)、墩柱掛模施工和數據監(jiān)測整理分析的綜合研究，在施工同類型高落差河道橋梁的深水基礎時具有比較高的參考價值[1]。傳統(tǒng)的橋梁深水基礎施工主要討論咬合樁的施工機械選擇、施工順序、施工精度的控制、施工事故的處理等方面，但是對高落差河段橋梁深水基礎的快速施工鮮有研究。項目從2021年3月8日進場施工，如果選擇鋼圍堰施工，那么在6—9月間基本處于停工狀態(tài)，施工周期長是鋼圍堰的缺點之一。該文結合成金簡快速路金堂段二期沱江大橋的施工過程，具體探究高落差河段橋梁深水基礎快速施工的相關技術。

1 工程概況

成金簡快速路金堂段二期沱江大橋，橋位處的沱江實測水位為413.52 m，主橋4#主墩中心位于沱江河心距簡陽岸50 m，4號墩柱承臺上游側水深3～7 m，4號墩柱位于距成都岸110 m河床上。針對水深在5～7 m之間、流速在1.5～

2 m/s的水中基礎，施工的橋位上游450 m位置有電站一座，設計島體圍堰的平面尺寸為90 m×40 m。施工4#墩4個獨立式承臺的咬合樁基坑支護結構為直徑1.2 m/1.5 m咬合樁配合I45b、I36b和Ф630 mm鋼管工字鋼形成的內支撐基坑防護結構，基坑支護尺寸為64.92 m×12.8 m×12 m。

2 施工工藝流程

圍堰填筑—咬合樁、主橋樁基同步施工—基坑精準開挖—裝配式平行流水作業(yè)承臺施工—墩柱掛模施工—基坑變形監(jiān)測和數據整理分析。

3 圍堰填筑

3.1 室內液塑限檢測的黏土研究

黏土主要來源為場地內清理的亞黏土。該黏土的主要特性為：塑性指數為10

3.2 夾心式亞黏土圍堰基于分層分部實施的圍堰填筑工藝施工的理論模擬和現場填筑過程研究

亞黏土的封水效果是幾種黏土中的較好者，其主要成分可起到堵水防水作用。墩袋主要裝填的是現場的中風化頁巖。黏土的阻水層采用隨島體的填筑高度同步填筑。夾心式亞黏土圍堰截面如圖1所示。

4 橋梁樁基與咬合樁圍堰同步施工

不同樁徑的咬合樁和主橋樁基采用同步的施工工藝，通過邁達斯CIVIL和邁達斯FEA軟件進行結構和現場受力的模擬分析驗證，以對后期的不同咬合樁在保證結構受力情況下圍堰內的樁徑大小、嵌巖深度、內支撐設置進行調整，保證最低成本、最大效益地進行咬合樁圍堰施工。在2021年3月27日完成下游區(qū)域筑島圍堰時，3月28日開始在下游區(qū)域進行咬合樁、主墩樁基的同步鉆進工作。第一根咬合樁于3月20日上午9時開孔、19時成孔，孔深為16.2 m；第一根主橋樁基主墩4-12#樁基于3月28日上午8時開孔、23時成孔，孔深為18.1 m。160根咬合樁于4月14日全部澆筑完成，用時18 d；24根主墩樁基于4月10日全部澆筑完成，用時14 d。

在迎水面采用樁徑為1.5 m的咬合樁（80根），有利于圍堰穩(wěn)定性；背水面采用樁徑為1.2 m的咬合樁（80根），不僅能滿足圍堰穩(wěn)定性，而且降低成本。若全部采用樁徑為1.5 m的咬合樁，圍堰穩(wěn)定性好，但與該項目采用的1.2 m、1.5 m混合式咬合樁相比，約多花費45萬元；若全部采用樁徑為1.2 m的咬合樁，雖然成本能降低，但圍堰穩(wěn)定性卻達不到技術要求。

5 基坑精準開挖

施工現場基巖裸露，由于常年受沱江水流沖刷，基巖強度在50～90 MPa。在水面下3～7 m位置，由于4號墩周圍100 m范圍內有當地居民，當地政府和金堂縣河道管理處不允許4號墩基坑采用爆破開挖；由于開挖的斷面尺寸大，長×寬×高為64.9 m×12.8 m×14 m；若采用旋挖取芯配合破錘開挖的方式，則施工時間長。根據現場實際采用大功率勾機配合破碎錘進行基坑精準定型開挖，現場配合基于GPS的精準測繪數據收集和反饋系統(tǒng)，以及坑下作業(yè)的破碎錘和勾機同GPS組成的網狀動態(tài)預警系統(tǒng)；在破碎錘或勾機上設置固定式的GPS測點和樁頂處固定式GPS測點組成網狀動態(tài)預警系統(tǒng)，通過機械上固定式GPS測點和樁頂處固定式GPS監(jiān)測點的點位差來確定基坑開挖的界限是否到位。破碎錘或勾機的開挖界限達到預先設定的基坑邊和深度時，設置在作業(yè)機械上的毫秒差分解預警系統(tǒng)自動報警即可停止開挖，減少了人員靜態(tài)和動態(tài)的坑下聯合測量。

5.1 圍堰開挖

第一層開挖完成后，基坑內土體形成新的開挖面。當第一層圍檁施工完成后開始下一層開挖，從下游方向向上游進行開挖，開挖高度為圍堰頂下8 m。此層先行施工咬合樁內的圍檁，采用鋼管、型鋼和鋼筋及時做好圍檁施工，然后從上游向下游依次反向開挖，開挖的土石方通過挖掘機轉運至下游側，下游側的挖掘機配合基坑頂的挖掘機進行土石方的轉運；當開挖至下游側時，將開挖的土石方轉運至上游側，采用基坑內挖掘機和基坑頂挖掘機配合進行土石方的轉運[3]。

第二層圍檁以下部分采用從下游分承臺開挖。一次開挖至承臺底下30 cm位置，確保承臺墊層高程。下游側開挖的中風化巖層依次采用長臂挖掘機進行挖除并裝運至棄土場，上游側開挖的巖層土塊通過基坑內的兩臺挖掘機轉運至下游側，在基坑內形成上基坑的斜坡。

5.2 動態(tài)監(jiān)測的平面偏位波動圖

基坑開挖過程中，動態(tài)監(jiān)測的平面偏位波動圖如圖2所示。

數據分析表明，這種基于GPS的精準測繪數據收集和反饋系統(tǒng)在深水基坑開挖過程中的控制預警應用，對于提高基坑開挖的尺寸準確度有著明顯的技術質量控制優(yōu)勢。

基坑第一層圍檁采用I36b工字鋼，作業(yè)平臺采用?48×3 mm鋼管、L125角鋼、L75角鋼和直徑14 mm的鋼筋焊接而成的作業(yè)平臺。第二層采用I45b工字鋼、I36b工字鋼、?630×10 mm鋼管形成組合支撐構件與咬合樁共同受力。共使用I45b工字鋼65 t、I36b工字鋼190 t，約160萬元。對比傳統(tǒng)工藝全部使用的I45b工字鋼（195萬元），約節(jié)約成本35萬元。

6 水下承臺和墩柱施工

6.1 裝配式承臺鋼筋的快速施工研究

4#墩共計4個承臺。1#承臺采用傳統(tǒng)施工方式進行作業(yè)，2#、3#、4#承臺采用后場完成鋼材加工與骨架拼裝、前場焊接安裝定位的方式進行作業(yè)，累計節(jié)省工期12 d，節(jié)省管理成本約30萬元。

相較于傳統(tǒng)施工方式，該項目采用的后場完成鋼材加工與骨架拼裝、前場焊接安裝定位的施工方式，節(jié)約的人工、工時、機械費用約一半[4]。不僅在經濟性方面優(yōu)于傳統(tǒng)施工方式，完成同一部位的施工任務用時也同樣優(yōu)于傳統(tǒng)施工方式，為在汛期前完成水中墩柱的施工任務奠定了基礎。

6.2 掛模施工研究

懸掛式爬模施工，充分借鑒了水利工程的施工經驗，并結合了翻模施工的優(yōu)點。由于4號墩的承臺在河床下，為了迅速將墩柱提高到水面以上的位置，墩柱施工采用掛模施工。

6.3 采用傳統(tǒng)施工方式施工

傳統(tǒng)的墩柱施工采用翻模施工，需要2.25 m的基礎模板箍在下層已澆筑的混凝土上，澆筑4.5 m一模的墩柱，每根墩柱需要6.75 m墩柱模板（共計三層模板）。2021年5月11日開始施工，現場1臺25 t吊車配合，于5月22日完成兩模（0～9 m）的墩柱施工，用時12 d，機械費用為1.2萬元（12個臺班）。

6.4 采用掛模施工研究經濟效益分析

直接在第一層混凝土頂預埋胎型螺栓，第二層模板直接安裝在胎型螺栓上進行作業(yè)。澆筑4.5 m一模的墩柱，每根墩柱只需4.5 m墩柱模板（共計兩層模板）。掛模施工通過直接掛設在同層底部、安裝在孔內的胎型螺栓承擔模板的重量，澆筑4.5 m一模的墩柱只需在每節(jié)墩柱底增加0.1 m的高度以預留爬錐的安裝孔，減少了墩柱模板用量和傳統(tǒng)翻模施工的翻模安裝和拆除工序。2021年5月11日開始施工，現場1臺25 t吊車配合，于5月20日完成兩模（0～9 m）的墩柱施工，用時10 d，機械費用為1萬元（10個臺班）。

7 基坑變形監(jiān)測和數據整理分析

咬合樁圍堰和內支撐在枯水位、洪水位、洪水退水后位移變形量的比對研究，為研究期末提出的咬合樁圍堰和內支撐經濟性方案的創(chuàng)新，提供了數據分析的基礎[5]。

7.1 咬合樁

在咬合樁四角和長邊的中間設置了位移監(jiān)測點，其監(jiān)測結果為：靜態(tài)偏差為5～10 mm之間，動態(tài)偏差在5～15 mm之間；符合水中深基坑的安全控制要求。在洪水期的咬合樁樁頂在洪水前后的位移變化顯示在10～30 mm之間，在洪水退后又恢復到平常狀態(tài)。

咬合樁圍堰在20年一遇的洪水沖擊下，咬合樁整體結構能承受住變形；變形在洪水退后逐漸恢復，滿足結構受力要求；證明在高落差深水位應用的這種復合式咬合樁，具有研究推廣意義。

7.2 圍檁

在開挖、承臺施工水下墩柱施工過程中監(jiān)測的結果顯示，鋼支撐的蠕變變形基本控制在3～5 mm之間，滿足鋼結構支護的安全要求。基坑在墩柱伸出水面后持續(xù)對咬合樁圍堰在汛期、基坑內滿水后的監(jiān)測表明，咬合樁和鋼結構的整體穩(wěn)定性滿足要求。在枯水期，對基坑內的水進行抽除后對咬合樁和圍檁進行同頻率監(jiān)測，監(jiān)測咬合樁和鋼支撐組成的支護結構在汛期后的變形情況；經過10～12月的連續(xù)監(jiān)測，咬合樁和鋼支撐在迎水面的動態(tài)變形在15～35 mm之間，在背水面的動態(tài)變形在10～20 mm之間，鋼結構的焊接焊縫無開裂現象，基坑的整體性完整。圍檁在全過程周期中的監(jiān)測數據如圖3所示。

監(jiān)測總結：后期的監(jiān)測數據表明，咬合樁和圍檁的整體穩(wěn)定性好，具有保證安全的要求，經受住了洪水的考驗。該研究項目的目標已經達到，證明高落差深水位應用的此種支護型式的監(jiān)測方法，具有推廣應用的經濟和社會效益。

8 結語

綜上所述，成金簡快速路金堂段二期沱江大橋立足于實際情況，對高落差河段橋梁深水基礎的圍堰結構、主橋樁基和咬合樁同步施工、基坑精準開挖、裝配式平行流水作業(yè)承臺施工、墩柱掛模施工、基坑變形監(jiān)測和數據整理分析等工藝進行了深入研究，不僅縮短了工期，減少了支護結構的鋼材用量和咬合樁的混凝土用量，還提高了工效，產生了很好的經濟和社會效益。

參考文獻

[1]駱偉. 主墩承臺大體積混凝土溫控措施分析[J]. 科學技術創(chuàng)新， 2023（12）： 162-165.

[2]崔保軍， 李愛民. 橋梁工程大體積混凝土施工技術及溫控措施[J]. 工程技術研究， 2022（7）： 112-144.

[3]張永成. 橋梁深水基礎雙壁鋼套箱圍堰施工技術[J]. 交通世界， 2020（36）： 52-53.

[4]張松. 橋梁深水基礎施工中鋼護筒變形的原因及對策實踐分析[J]. 交通世界， 2019（30）： 94-95.

[5]肖林生. 橋梁工程樁基礎施工技術[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2020（4）： 18-19.