樁基和承臺水下施工方法分析

李世波

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 河北肅寧 062350）

1 概述

黃大線黃河特大橋位于山東省東北部，黃河下游魯北平原區(qū)，距離黃河入海口約100～120km，海拔高程9～26m（黃海高程，下同），地勢向東北微傾斜，總體較平緩。線路在山東省東營市西北的利津縣附近跨越黃河。該段黃河堤面高程19～22m，河灘洼地高程11～15m；河背槽狀洼地，沿大堤走向分布，地勢多呈帶狀洼地，海拔高程10m 左右。利津在大地構(gòu)造單元上屬華北臺地內(nèi)的遼冀向斜中的濟(jì)陽坳陷 ，南以齊河～廣饒大斷裂為界，北有臨邑～東營斷裂、陵縣～慶云～渤海農(nóng)場等斷裂，斷裂主要構(gòu)造先為北東至北北東，從濱州至黃河入海段，其次一級構(gòu)造單元可分為：濱縣凸起，東營凹陷，陳家莊凸起。

黃河特大橋主橋橋長1183.34m，包括跨河主橋一聯(lián)（120+4×180+120）m 連續(xù)鋼桁梁，以及跨越黃河大堤引橋兩孔108m 鋼桁梁。主橋中有4 個主墩在主河道內(nèi)（116#、117#、118#、119#）。114#、115#、120#、121#墩分別位于黃河左岸和右岸的漫灘中。引橋108m 鋼桁梁采用下承式明橋面簡支鋼桁梁。

根據(jù)橋梁選址與當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)情況調(diào)查，該橋梁施工過程中水是一很大難題，大部分工程在水下施工。因此本文重點(diǎn)分析樁基和承臺在水中施工的施工工藝，以及施工中的一些問題。

2 橋梁水中樁基和承臺施工

2.1 橋址范圍內(nèi)工程地質(zhì)和水力條件

1、工程地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探測試及取樣試驗(yàn)成果，橋址范圍內(nèi)地層巖性較為復(fù)雜，鉆探深度內(nèi)大致可以劃分為幾個工程地質(zhì)層如下：

第一層：第四系全新統(tǒng)人工填筑層，以人工填筑粉質(zhì)黏土為主，棕黃色～灰黃色，厚度約1～2m，為小溝渠堤壩、道路填料，土質(zhì)以粉質(zhì)黏土、粉土為主，土質(zhì)較均一，可塑，II 級普通土，不宜作基礎(chǔ)。

第二層：第四系全新統(tǒng)沖積層，以粉質(zhì)黏土、粉土為主，該層底高程范圍-2～+2m。

第三層，第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積層：以粉質(zhì)黏土（黏土）為主，其次為粉土，夾有粉砂，該層底高程范圍-16～-23.0m。

第四層，第四系上更新統(tǒng)海陸交互沉積層：以粉土為主，其次為粉質(zhì)黏土（黏土）、粉砂，該層底高程范圍-99～101m。

第五層，第四系中更新統(tǒng)海陸交互沉積層：以粉質(zhì)黏土（黏土）為主，其次為粉土、粉砂。

橋址范圍內(nèi)地形平緩開闊，根據(jù)鉆探揭示地表以下80m 范圍內(nèi)，地層以粉質(zhì)黏土、粉土為主，沒有良好的天然基礎(chǔ)持力層，基礎(chǔ)類型采用鉆孔灌注樁比較適宜，樁尖持力層宜在第四層上更新統(tǒng)海陸交互沉積（Q3mc）或第五層中更新統(tǒng)海陸交互沉積（Q2mc）的粉質(zhì)粘土、粉土、粉細(xì)砂層中。

2、水力條件

橋址處的地表水發(fā)育，為黃河河水，地下水為第四系潛水，主要賦存于第四系沖積、海陸交互沉積的粉質(zhì)粘土、粉土中，地下水位埋深1～3m，主要受大氣降水補(bǔ)給，地下水水質(zhì)較復(fù)雜，上部受黃河水影響為淡水，水質(zhì)較好，對圬工無侵蝕性，約為10～15m 左右，下部以咸水為主，礦化度較高，深部取水樣較為困難，根據(jù)水質(zhì)分析報(bào)告，綜合考慮地下水對圬工具有硫酸鹽弱侵蝕性，等級為H1。黃河每年有四汛，黃河下游汛期主要是伏秋大汛和凌汛。黃河凌汛期為每年12 月～次年2 月份。伏秋大汛期為6～8 月份進(jìn)入雨季，匯入黃河水量增加形成汛期。因此本橋梁施工過程中水是一很大難題，大部分工程在水下施工。本文重點(diǎn)分析樁基和承臺在水中施工的施工工藝，以及施工中的一些問題。

2.2 轉(zhuǎn)孔灌注樁水下施工

116#、117#、118#墩樁基為大直徑、超長樁施工（直徑1.8m），采用直徑2.1m 鋼護(hù)筒，壁厚14mm，護(hù)筒長度設(shè)計(jì)為20m，要求插入河床下黏土層不少于3m，保證定位、導(dǎo)向準(zhǔn)確，同時鉆進(jìn)中保證不穿孔。鉆機(jī)采用對土體擾動比較小的正循環(huán)鉆機(jī)。成孔澆筑之前做好準(zhǔn)備工作，要對導(dǎo)管進(jìn)行水密、承壓和接頭抗拉試驗(yàn)；水下混凝土摻入高效緩凝減水劑，保證混凝土初凝時間大于6 小時，確?；炷潦┕べ|(zhì)量。

2.2.1、水中鉆孔樁施工工藝如圖1 所示

2.2.2、水中鉆孔樁施工方法

水中鉆孔平臺搭設(shè)完成后，進(jìn)行水中鉆孔樁施工。

護(hù)筒埋設(shè)：鋼護(hù)筒分節(jié)制作，現(xiàn)場接長，護(hù)筒焊接采用坡口雙面焊，所有焊縫密實(shí)、連續(xù)，以保證不漏水。鋼護(hù)筒頂面標(biāo)高低于鉆機(jī)平臺1.0m，護(hù)筒頂面高程按照14.5m 進(jìn)行控制，比最高施工水位高出1.0m 以上。鋼護(hù)筒的搭設(shè)利用鉆機(jī)平臺先打設(shè)鋼管樁架設(shè)導(dǎo)向架，導(dǎo)向架高度為4m，垂直度控制在0.5%范圍以內(nèi)。

鉆機(jī)就位：要求鉆機(jī)頂部起吊滑輪輪緣、轉(zhuǎn)盤中心和樁孔中心三者應(yīng)在同一鉛垂線上，其偏差不大于10mm，同時為確保鉆機(jī)鉆進(jìn)的穩(wěn)定，水上平臺應(yīng)牢固、平穩(wěn)。

泥漿護(hù)壁：鉆進(jìn)過程中采用泥漿護(hù)壁，以保持孔壁不坍塌。泥漿采用膨潤土造漿,鉆孔過程中隨時檢測泥漿的指標(biāo)，以確?？妆诘姆€(wěn)定。護(hù)筒內(nèi)泥漿應(yīng)始終高出孔外水位1～1.5m。

鉆孔。開鉆前對護(hù)筒中心位置及傾斜度進(jìn)行復(fù)核，確保護(hù)筒位置偏差和傾斜度在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)（設(shè)計(jì)要求：中心偏差≤5cm，傾斜度≤1%）。鉆機(jī)就位后，再復(fù)核鉆桿中心位置和豎直度。所有檢查都符合要求并經(jīng)現(xiàn)場工程師和監(jiān)理工程師同意后，方可開鉆。

采用正循環(huán)鉆機(jī)成孔，選取優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁。鉆機(jī)就位后，對鉆頭位置進(jìn)行復(fù)測，底座和頂端應(yīng)平穩(wěn)，在鉆進(jìn)施工中不應(yīng)產(chǎn)生位移或沉陷。泥漿經(jīng)過循環(huán)池及沉淀池后，流回孔中，注入孔口泥漿比重根據(jù)不同地質(zhì)條件進(jìn)行即時調(diào)整，確?？妆诜€(wěn)定，隨時注意記錄地層變化情況。在鉆進(jìn)時，要適當(dāng)降低成孔鉆速，成孔過快易坍孔。鉆孔過程中要做好鉆孔記錄，對各土層資料與設(shè)計(jì)資料進(jìn)行對比，對不同地質(zhì)類型的樁基應(yīng)留置足夠鉆渣樣放置于鉆渣盒中,在鉆渣盒中標(biāo)記出鉆進(jìn)深度，并在鉆孔記錄中如實(shí)記錄鉆渣類型和鉆進(jìn)深度,若發(fā)現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)情況不符時，應(yīng)及時報(bào)告監(jiān)理工程師,以供設(shè)計(jì)單位確認(rèn)地質(zhì)情況。

檢孔及清孔。當(dāng)鉆到設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高后，即可開始清孔，沉渣厚度不大于設(shè)計(jì)要求，清孔后，對泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)及孔內(nèi)沉淀物進(jìn)行檢測，使用檢孔器檢查孔徑、垂直度。清孔時，保持孔內(nèi)泥漿面高度在地下水位或河流水位以上1.0～1.5m，防止坍孔?；\式檢孔器應(yīng)有足夠的剛度，外徑應(yīng)與設(shè)計(jì)樁徑相同，檢孔器長度易為4-5 倍樁徑，且不小于1.5m，籠式檢孔器底部宜制作成錐形，錐形高度不小于檢孔器半徑。在鋼筋籠、導(dǎo)管安放完畢后，用導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔。清孔時，保持孔內(nèi)泥漿面高度在地下水位或河流水位以上1.0～1.5m，防止坍孔。

鋼筋籠加工及水下砼灌注同陸上樁基施工，這里就不再贅述。

2.3 水中承臺工施

主橋116#-119#主墩承臺采用雙壁鋼圍堰維護(hù)施工，雙壁鋼圍堰通過內(nèi)外雙層型鋼焊接成骨架,利用型鋼骨架承受圍堰水土壓力,面層鋼板封擋水土的一種圍堰設(shè)計(jì)。雙壁鋼圍堰具有施工操作空間大，圓形雙壁鋼圍堰無需內(nèi)支撐等先天性的優(yōu)點(diǎn)，具有其他圍堰形式不可比擬的優(yōu)勢。

圖1 轉(zhuǎn)孔灌注樁施工工藝流程圖

2.3.1、雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)

雙壁鋼圍堰設(shè)計(jì)厚度為120cm，外徑為37.2m，內(nèi)徑為34.8m，圍堰內(nèi)保證承臺施工尺寸，117#承臺平面尺寸為26.75m×17.25m，臨時支墩承臺平面尺寸為25m×18m，確保承臺外圍有1.5m 以上的施工空間。主墩圍堰長度18m，各節(jié)組合情況由下到上分別為4m、4m、5m、5m，臨時墩圍堰長度15m，各節(jié)組合情況由下到上分別為4m、3m、3m、5m。

雙壁鋼圍堰內(nèi)外壁鋼板均采用8mm 鋼板，支撐采用∠100×80×8mm 不等邊角鋼，環(huán)向按照0.5m設(shè)置支撐一道，豎向按照約1.5m 一道支撐。雙壁鋼圍堰采用在岸上加工，然后運(yùn)至鉆孔平臺上,環(huán)向分成8 塊，每塊分別設(shè)置隔艙，節(jié)間采用螺栓連接，頂節(jié)以下8m 需要灌注C25 混凝土，以增加雙壁鋼圍堰的剛度。

圖2 雙壁鋼圍堰

2.3.2、雙壁鋼圍堰加工制作及運(yùn)輸

雙壁鋼圍堰在岸上加工廠分塊加工，加工完成并經(jīng)試拼檢驗(yàn)合格后，分塊裝車運(yùn)至鉆孔平臺，然后利用吊車在鉆孔平臺上進(jìn)行拼裝。

利用鋼圍堰作為承臺施工開挖的圍水結(jié)構(gòu)，根據(jù)水上50t 汽車吊的起重能力，將圍堰高分成三節(jié)：底節(jié)高4m，第二節(jié)4m，第三節(jié)5m 及第四節(jié)5m，每節(jié)平面按隔艙劃分成8 塊，每塊最大重量限制在20t 以內(nèi)，塊的大小是根據(jù)現(xiàn)場制造設(shè)備、運(yùn)輸和墩平臺上組拼時的起吊能力確定。

在圍堰鋼塊件加工場組裝工作平臺，桿件集中下料，在平臺上放樣后焊接塊件骨架，安裝隔艙板、焊接內(nèi)外壁板檢查節(jié)間、塊間接縫及艙板是否滲水、漏水并及時處理滲水部位，確保鋼圍堰的嚴(yán)密性。

組拼工序?yàn)椋和獗诎遑Q向加勁角鋼、水平桁架弦板、水平撐、隔艙板、內(nèi)壁加勁角鋼、內(nèi)壁板、脫胎模翻身、焊接成件。

拼裝時要求：上下隔艙板對齊，各相鄰水平桁架弦板對齊，上、下豎向加勁角鋼允許不對準(zhǔn)，但必須和水平桁架弦板焊牢。內(nèi)外壁鋼板拼縫不能對接焊時，允許采用搭接焊或貼板焊接，但必須滿焊，并保證全焊水密結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.3.3、墩位平臺上鋼圍堰的組拼及下放水

鋼套箱在鉆孔平臺上組拼，在鉆孔平臺上畫出鋼套箱底層的安裝位置，做好組拼前的準(zhǔn)備工作。先要進(jìn)行水中墩平臺的部分拆除，底層圍堰高4m，圍堰刃角底標(biāo)高采用水準(zhǔn)儀抄平。所有連接均可正常進(jìn)行，鋼圍堰節(jié)間連接采用螺栓栓接，接口位置墊設(shè)5mm 橡膠條。

2.3.4、底節(jié)圍堰組拼完成后下放入水作業(yè)，做法如下：

（1）在雙壁圍堰側(cè)壁上焊牢帶有豎直孔眼的牛腿，牛腿與堰壁的連接抗剪能力達(dá)到30t。全圍堰共有吊點(diǎn)16 處，內(nèi)吊點(diǎn)8 處、外吊點(diǎn)8 處，以防止圍堰偏載承力。底層圍堰重134.5t，每個吊平均為8.4t，不均勻時最大吊點(diǎn)的受力不超過20t，采用φ32 直徑的精軋螺紋粗鋼筋作吊桿，吊桿上有三個特制螺帽及扁擔(dān)梁。

（2）內(nèi)側(cè)在鋼護(hù)筒上，外側(cè)在鋼管樁上或鋼管樁組成橫擔(dān)梁上，安設(shè)帶有懸出的扁擔(dān)梁（由兩根工36-a 工鋼組成）

（3）每處用兩臺32t 機(jī)械螺旋千斤頂，共32 臺，上述工具設(shè)備安裝到位后，通過千斤頂與φ32直徑的精軋螺紋粗鋼筋上兩個特制螺帽的相互交替作用把底節(jié)鋼套箱下放入水。

2.3.5、鋼圍堰的接高

在首節(jié)鋼圍堰鎖定后，向其隔倉內(nèi)灌注混凝土和向夾壁內(nèi)加抽水等措施以調(diào)平圍堰，并予留一定的干舷高度，使其處于待拼次節(jié)圍堰的狀態(tài)。以后每一節(jié)段運(yùn)到便橋，利用吊車吊至鋼平臺，由汽車吊起吊與首節(jié)或上一節(jié)進(jìn)行栓接，每接高一節(jié)既均勻下沉，并予留相應(yīng)的干舷高度，以便接高下一節(jié)時施焊作業(yè)。

2.3.6、鋼圍堰的下沉和著床穩(wěn)定

雙壁鋼圍堰在水中是以隔艙內(nèi)灌水下沉，圍堰隔艙灌水時需要注意間隔進(jìn)行，控制水量，對稱注水。

圍堰下沉至河床不能依靠自重自然下沉?xí)r，需要采用水下吸泥設(shè)備進(jìn)行水下吸泥，水下吸泥時需要注意對稱、四周均衡進(jìn)行，防止圍堰傾斜。如遇到刃角下沉至河床面以下，不能順利下沉?xí)r，開始在隔艙內(nèi)灌注水下混凝土4m。

2.3.7、鋼圍堰的豎向定向：

在圍堰的內(nèi)壁面上對應(yīng)承臺的四只角鋼護(hù)筒的位置，上下各安放用型鋼制作鋼套箱下沉?xí)r豎向定位系統(tǒng)。即橫縱向的水平限位系統(tǒng)豎向起著導(dǎo)向作用。如果圍堰偏時在用50t 油壓千斤頂進(jìn)行調(diào)控，同時在對應(yīng)的位置進(jìn)行抽水或注水，調(diào)節(jié)圍堰重心，達(dá)到糾偏目的。

鋼圍堰著床是鋼圍堰施工中的一道重要關(guān)鍵工序，鋼圍堰著床后的位置和傾斜率對鋼圍堰以后的下沉，乃至鋼圍堰落到設(shè)計(jì)高程時的質(zhì)量都有重要影響。不過本橋可選擇在沒有多大流速的條件下著床。通過在鋼圍堰的隔艙內(nèi)灌水以調(diào)平圍堰這樣可以反復(fù)幾次。

當(dāng)圍堰接高下沉至刃尖距河床0.5 米左右即停灌水下沉，通過反復(fù)糾偏以實(shí)現(xiàn)圍堰的精確定位。然后均勻灌水，快速實(shí)現(xiàn)圍堰刃腳的著床，繼之以均勻吸泥下沉使圍堰下沉到位。

若圍堰著床后發(fā)現(xiàn)偏位較大，可排除隔倉內(nèi)的水使圍堰上浮再進(jìn)行第二次準(zhǔn)確著床，直到精度符合設(shè)計(jì)要求。

2.3.8、雙壁鋼圍堰施工完畢之后，承臺具體施工工藝同陸地施工，這里也不再贅述。

3 總結(jié)

樁基和承臺水中工程主要存在的三個問題：一是黃河水流含泥量高，基礎(chǔ)施工處于洪水汛期，深水基礎(chǔ)及圍堰施工風(fēng)險(xiǎn)極高；二是水中大直徑超長鉆孔樁施工，地層為粉砂、粉土，穩(wěn)定性差且軟硬不均，易出現(xiàn)串孔、塌孔、偏孔等問題，質(zhì)量控制難度大；三是橋址處在黃河最下游，河床為新沉積粉細(xì)沙，汛期局部沖刷23 米左右,對鋼便橋、施工平臺等臨建施工影響很大。因此施工時這三個方面是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。根據(jù)上述分析，對于本工程而言，首先采用深水大直徑鉆孔灌注樁，嚴(yán)格控制泥漿質(zhì)量和抗腐蝕性強(qiáng)的水下混凝土；其次整體式承臺施工采用雙壁鋼圍堰，有效解決了樁基和承臺在水中施工所遇到的這些問題。