高落差河段桥梁深水基础快速施工技术

高落差河段桥梁深水基础快速施工技术

李强,张泥,李兴斌

四川公路桥梁建设集团有限公司 四川成都610000

【摘要】大跨径桥梁的技术的不断成熟和完善为横跨大江大河提供了有力的保证，基础建设的提速为新技术的研发提供了有利的空间，近些年极端天气的影响导致河道内枯水期的施工提出了更高的要求。筑岛围堰配合咬合桩施工技术作为高落差深水位水中基础施工的一项日益成熟的技术，对促进桥梁工程的良好发展具有积极意义。尤其是我国跨江跨河大桥的建设使筑岛围堰配合咬合桩施工在桥梁工程的建设中获得了广泛的应用。本文结合成金简快速路金堂段二期沱江大桥的施工经验，详细阐述有关高落差河段深水位水下基础快速施工技术。

【关键词】围堰构造；同步施工工艺；基坑精准开挖、水下承台装配式流水作业、墩柱挂模施工、基坑数据监测分析。

1.引言

高落差河段桥梁深水基础快速施工技术针对围堰构造优化、咬合桩和主桥桩基同步作业、基坑精准开挖、水下承台平行流水作业、墩柱挂模施工和数据监测整理分析综合研究在施工同类型高落差河道桥梁的深水基础时具有比较高的参考价值，传统的桥梁深水基础的施工主要讨论了咬合桩的施工机械的选择、施工顺序、施工精度的控制、施工事故的处理方面。 但是对高落差河段桥梁深水基础快速施工鲜有研究，传统的国内外的施工方法为单钢壁围堰、双钢壁围堰、钢套箱、由于传统的钢围堰从设计、钢结构加工、钢围堰安装 施工周期一般在6个月左右，项目从3月8日进场施工，如果选择钢围堰那在6-9月间基本就处于停工状态，施工周期长是钢围堰的缺点之一。针对特殊的水文地质和紧张的合同工期，选择采用筑岛围堰整体开挖、整体支护具有较高的可行性。探讨咬合桩在深水基础快速施工围堰中的应用，具有一定的理论意义与实用价值。本文结合成金简快速路金堂段二期沱江大桥的施工过程，具体探究高落差河段桥梁深水基础位快速施工相关技术。

2.工程概况：

成金简快速路金堂段二期沱江大桥，桥位处沱江实测水位413.52m，主桥4#主墩中心位于沱江河心距简阳岸50m，4号墩柱承台上游侧水深3～7m；主桥4号主墩中心位于距成都岸110m河床上。针对水深在5-7m之间，流速在1.5～2m/s的水中基础，施工的桥位上游450m位置有电站一座，设计岛体围堰的平面尺寸为90×40m。施工4#墩4个独立式承台的咬合桩基坑支护结构为直径1.2m/1.5m咬合桩配合I45b、I36b和Ф630mm钢管工字钢形成的内支撑基坑防护结构，基坑支护尺寸为64.92×12.8×12m。

3.施工工艺流程：

围堰填筑→咬合桩、主桥桩基同步施工→基坑精准开挖→装配式平行流水作业承台施工→墩柱挂模施工→基坑变形监测和数据整理分析

4、围堰填筑

4.1、室内液塑限检测的黏土的研究

黏土主要来源为场地内清理的亚黏土。该黏土的主要特性为：塑性指数：10

4.2、夹心式亚黏土围堰在是基于分层分部实施的围堰填筑工艺的施工的理论模拟和现场填筑过程研究

亚黏土的封水效果是几种黏土中效果较好者。主要成分为起到堵水防水作用。墩袋主要装填是现场的中风化页岩。墩袋码砌主要分为两个阶段，水面以下，水面以上。水面以下采用460挖掘机甩码，水面以上采用吊车依次错分堆码。黏土的阻水层采用随岛体的填筑高度同步填筑。

5、桥梁桩基与咬合桩围堰同步施工

不同桩径的咬合桩和主桥桩基同步施工工艺，采用迈达斯CIVIL和迈达斯FEA软件进行结构和现场受力的模拟分析验证后期的不同咬合桩的在保证结构受力情况下的围堰内的桩径大小、嵌岩深度、内支撑设置调整，保证最低成本最大效益施工咬合桩围堰。在2021年3月27日完成下游区域筑岛围堰时，3月28日开始在下游区域开始咬合桩、主墩桩基的同步钻进工作。第一根咬合桩于3月20日上午9时开孔，19时成孔，孔深：16.2m。第一根主桥桩基主墩4-12#桩基于3月28日上午8时开孔，23时成孔，孔深：18.1m。160根咬合桩于4月14日全部浇筑完成，用时18天；24根主墩桩基于4月10日全部浇筑完成，用时14天。

5.1、咬合桩围堰及实验桩基平台布置图如下：

5.2、迈达斯CIVIL整体性建模验算结果见下图：

5.3、采用多通道振弦采集仪对咬合桩和内支撑应力应变变化图：

5.5主桥桩基成桩质量分析表：

在迎水面采用桩径1.5m的咬合桩（80根），有利于围堰稳定性；背水面采用桩径1.2m的咬合桩（80根），不仅满足围堰稳定性，而且降低成本。若全部采用桩径1.5m的咬合桩，围堰稳定性好，与本项目采用的1.2m、1.5m混合式咬合桩相比，约多花费45万元；若采用桩径1.2m的咬合桩，成本降低，但围堰稳定性不够达到技术要求。

6、基坑精准开挖

现场基岩裸露，由于常年受沱江水流冲刷，基岩强度在50-90Mpa。在水面下3～7m位置，由于4号墩周围100m范围内有当地居民，当地政府和金堂县河道管理处不准4号墩基坑采用爆破开挖，由于开挖的断面尺寸大，长×宽×高：64.9×12.8×14m；采用旋挖取芯配合破锤开挖的方式施工时间长，根据现场实际采用大功率勾机配合破碎锤进行基坑精准定型开挖，现场配合基于GPS的精准测绘数据收集和反馈系统，坑下作业的破碎锤和勾机同GPS组成网状动态预警系统，当破碎锤或勾机的动态感应系统对定于桩顶侧的毫秒差分解预警，减少了人员的静态和动态的坑下联合测量。

6.1、围堰开挖

第一层开挖完成后，基坑内土体形成新的开挖面。当第一层围檩施工完成后开始下一层开挖，从下游方向向上游进行开挖，开挖高度为围堰顶下8m。此层先行施工咬合桩内的围檩，采用钢管、型钢和钢筋及时做好围檩施工，然后从上游向下游依次反向开挖，开挖的土石方通过挖掘机转运至下游侧，下游侧的挖掘机配合基坑顶的挖掘机进行土石方的转运；当开挖至下游侧时，将开挖的土石方转运至上游侧，采用基坑内挖掘机和基坑顶挖掘机配合进行土石方转运。

第二层围檩以下部分采用从下游分承台开挖。一次开挖至承台底下30cm位置，确保承台垫层高程。下游侧开挖的中风化岩层依次采用长臂挖掘机进行挖除并装运至弃土场，上游侧开挖的岩层土块通过基坑内的两台挖掘机转运至下游侧，在基坑内形成上基坑的斜坡。

6.2、动态监测的平面偏位如下图（mm）

数据分析表明：这种基于GPS的精准测绘数据收集和反馈系统在深水基坑开挖过程中的控制预警应用对于提高基坑开挖的尺寸准确度有着明显的技术质量控制优势。

基坑开挖从上游侧向下游侧开挖，先行开挖4m深。搭设架管和施工作业平台施工第一层围檩支撑，第一层围檩采用I36b工字钢，作业平台采用采用Ø48×3mm钢管、L125角钢、L75角钢和直径14mm的钢筋焊接成作业平台。由于4号墩基坑的内部开挖尺寸为63.715×11.6m。开挖完左幅（上游）后，挖掘机施工作业右幅（下游）。围檩支撑采用Φ32mm的螺纹钢设置成围檩的下钢支架，第二层采用I45b工字钢、I36b工字钢、Ø630×10mm钢管形成组合支撑构件同咬合桩共同受力。共使用I45b工字钢65吨、I36b工字钢190吨，约160万元。对比传统工艺全部使用I45b工字钢（195万元），约节约成本35万元。

7、水下承台和墩柱施工

7.1装配式承台钢筋的快速施工研究

4#墩共计4个承台。1#承台采用传统施工方式进行作业，2#、3#、4#承台采用后场完成钢材加工与骨架拼装、前场焊接安装定位的方式进行作业。、累计节省工期12天，节省管理成本约30万元。

相较于传统施工方式，本项目采用的后场完成钢材加工与骨架拼装、前场焊接安装定位的施工方式，节约人工、工时、机械费用约一倍。不仅在经济性方面优于传统施工方式，完成同一部位的施工任务用时也优于传统施工方式，为在汛期前完成水中墩柱的施工任务奠定了基础

7.2、挂模施工研究

悬挂式爬模施工：是充分借鉴了水利工程的施工经验结合翻模施工的优点。由于4号墩的承台在河床下，为了迅速将墩柱提高到水面以上的位置，墩柱施工采用挂模施工。

胎型螺栓现场布置见下图：

7.3、采用传统施工方式施工：

传统的墩柱施工采用翻模施工需要2.25m作为基础模板箍在下层已浇筑的混凝土上，浇筑4.5m一模的墩柱，每根墩柱需要6.75m墩柱模板（共计三层模板）。2021年5月11日开始施工，现场1台25T吊车配合，于5月22日完成两模(0-9m）墩柱施工，用时12天，机械费用12000元（12个台班）。

7.4采用挂模施工研究经济效益分析：

直接在第一层混凝土顶预埋胎型螺栓，第二层模板直接安装在胎型螺栓上进行作业。浇筑4.5m一模的墩柱，每根墩柱只需4.5m墩柱模板（共计两层模板）。挂模施工通过直接挂设在同层底部的胎型螺栓安装孔内的胎型螺栓承担模板的重量，浇筑4.5m一模的墩柱只需在每节墩柱底增加0.1m的高度来预留爬锥的安装孔，减少了墩柱模板用量和传统翻模施工的翻模施工的安装和拆除工序。2021年5月11日开始施工，现场1台25T吊车配合，于5月20日完成两模(0-9m）墩柱施工，用时10天，机械费用10000元（10个台班）。

8、基坑变形监测和数据整理分析

咬合桩围堰和内支撑在枯水位、洪水位、洪水退水后的位移变形量的比对研究，为研究期末提出咬合桩围堰和内支撑的经济性方案的创新提供数据分析的基础。

3月30日完成筑岛围堰平台填筑后，科研人员对平台沉降进行定期监测。填筑完成后平台标高418.2m，设计标高417.52m。

8.1咬合桩围堰沉降、位移监测   

在咬合桩施工完毕，准备开挖基坑前，在咬合桩四角和长边的中间设置的位移监测点、采用静态、动态相结合的测量办法进行监测。

8.2钢支撑的蠕变变形

在对围檩和内支撑施工完毕后，在每层围檩上设置观测点，监测每层围檩的变形和位移状况。基于免棱镜无干扰静态测量技术的应用保证在任何时候都可以对既定点位的测量的数据采集。

8.2.1咬合桩

咬合桩四角和长边的中间设置的位移监测点的监测结果：静态的偏差为5-10mm之间，动态监测的偏差在5-15mm之间；符合水中深基坑的安全控制要求。 对在洪水期的咬合桩桩顶在洪水前后的位移变化显示位移在10-30mm之间，在洪水退后又恢复到平常的状态。

咬合桩围堰在20年一遇的洪水冲击下，咬合桩整体结构能承受住变形，变形在洪水退后逐渐恢复，满足结构受力要求，证明在高落差深水位的这种复合式咬合桩具有研究推广的意义。

8.2.2围檩

在开挖、承台施工水下墩柱施工过程中监测的结果显示钢支撑的蠕变变形基本控制在3-5mm之间，满足钢结构支护的安全要求。基坑在墩柱伸出水面后持续对咬合桩围堰在汛期、基坑内满水后的监测表明，咬合桩和钢结构的整体稳定性满足到要求，不致因为钢结构的失稳损坏主体墩柱结构。在枯水期，对基坑内的水进行抽除后同频率对咬合桩和围檩进行监测，监测咬合桩和钢支撑组成的支护结构在汛期后的变形情况，经过10-12月的连续监测，咬合桩和钢支撑在迎水面的动态变形在15-35mm之间，在背水面的动态变形在10-20mm之间，钢结构的焊接焊缝无开裂现象，基坑的整体性完整。

监测总结：后期的监测数据表明，咬合桩和围檩的整体稳定性好，具有保证安全的要求，经受住了洪水的考验。本研究项目的目标已经达到，证明高落差深水位的此种支护型式的监测方法具有推广的应用的经济和社会效益。

8.结语

综上所述，成金简快速路金堂段二期沱江大桥立足于实际情况，对高落差河段桥梁深水基础采的围堰结构、主桥桩基和咬合桩同步施工、基坑精准开挖、承台装配式平行流水作业、墩柱挂模施工、基坑监测数据整理分析等工艺进行了深入研究，不仅缩短了工期，减少了支护结构的钢材用量和咬合桩的混凝土用量，提高了工效。产生了很好的经济和社会效益。