張靖皋長江大橋南航道橋主墩圍堰施工關鍵技術

何文濤，黃修平，付甦，庾焱秋，朱潤華

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

近年來，我國橋梁建設水平飛速發展，大跨徑江河湖海通道越來越多，隨著橋梁跨徑的增大，往往要在水中設置超大型承臺，水中承臺施工需要選用合理的圍護結構及橋梁運營期橋墩防撞設施。張靖皋長江大橋位于長江下游澄通河段如皋沙群段，南航道橋跨越長江福姜沙水道，主墩采用鋼管樁圍堰作為承臺施工圍護結構及后期永久沖刷防護和船撞消能設施，施工過程中存在以下難題：單根鎖扣鋼管樁長度達37 m，且作為永久結構，樁身傾斜度及鋼管樁合龍精度要求極高；圍堰平面尺寸巨大，采用水下封底施工工藝，封底混凝土總方量超萬方，現場組織及施工的難度極大。

1 工程概況

張靖皋長江大橋南航道橋纜跨布置為（1 220+2 300+660）m，是世界最大跨徑懸索橋[1-2]，橋跨布置如圖1 所示。南主塔采用世界首創超高鋼箱-鋼管約束混凝土組合索塔，基礎結構為八邊形承臺，承臺高8.5m，頂標高為+4.0m，底標高為-4.5m，總體外輪廓尺寸為105.2 m×43.6 m，下設97 根直徑φ2.8 m 的鉆孔灌注樁，基礎結構如圖2 所示。

圖1 張靖皋長江大橋南航道橋立面布置Fig.1 Vertical layout of the south channel bridge of Zhangjiagang-Jingjiang-Rugao Yangtze River Bridge

圖2 主墩基礎結構（mm）Fig.2 Main pier foundation structure（mm）

主墩位于長江航道南側淺水區，墩位處實測泥面高程為-2.0～-3.0 m，基巖埋深130 m 以下，其中0～60 m 為粉砂、粉質黏土；60～70 m 為中砂，70～90 m 為粉砂、粗砂、粉質黏土，90～115 m 為中砂、粗砂，115～130 m 為黏土。墩位處最高潮位一般出現在7—9 月份，20 a 一遇的最高潮位為+4.77 m（1985 國家高程），其余月份最高潮位一般不超過+4.0 m。

2 鋼圍堰結構設計

2.1 總體設計

主墩承臺采用鎖扣鋼管樁圍堰作為支護結構，通過在鋼管內填筑混凝土、圍堰和承臺之間填入碎石、圍堰外側安裝軟體護舷的方式，將其作為大橋永久沖刷防護和船撞消能結構。圍堰采用φ820×10 鎖扣鋼管樁，長37 m，頂標高+7.00 m，底標高-30.00 m，鋼管樁頂口和底口均設置加強箍，鋼管樁之間采用CT 型鎖扣連接。鋼管樁圍堰高度范圍內設置2 道支撐體系，標高為+5.00 m、+2.30 m，圍檁采用2HN900×300 型鋼，支撐采用2HN900×300 型鋼、φ820 mm×10 mm 鋼管，圍堰基坑支護采用帶水開挖、水下澆筑封底混凝土的施工工藝，封底混凝土厚度為2.8 m。圍堰平面尺寸巨大，水下封底混凝土方量達11 797 m3，為確保水下封底混凝土的質量，在圍堰橫橋向軸線方向設置分倉隔板，采用分倉獨立封底的方案。主墩鋼管樁圍堰結構布置如圖3 所示。

圖3 主墩鋼管樁圍堰結構（mm）Fig.3 Main pier steel pipe pile cofferdam structure（mm）

2.2 結構驗算

圍堰基坑支護施工采用帶水開挖、水下澆筑封底混凝土的施工工藝，根據施工工藝流程，將圍堰計算工況分為5 個：1） 支護樁插打完成后，帶水開挖至基坑底；2） 圍堰內第1 次抽水至第2層內支撐下1.00 m（+1.30 m）；3） 圍堰內抽水至承臺底（-4.50 m）；4） 拆除第2 層內支撐系統；5）拆除第1 層內支撐系統。本文僅列出工況3） 圍堰內抽水至承臺底（-4.50 m）的計算工況。

采用MIDAS 有限元軟件進行圍堰的計算分析，鋼管樁、圍檁、內支撐均采用梁單元模擬，鋼管樁底部約束豎向位移，被動土壓力采用只受壓土彈簧模擬，支撐與圍檁鉸接，圍檁與鋼管樁之間采用只受壓彈簧模擬，在牛腿處約束豎向位移模擬其對圍檁的支撐作用[3-5]，鋼圍堰有限元模型如圖4 所示。圍堰內抽水至承臺底（-4.50 m）工況荷載如圖5 所示。

圖4 鋼圍堰有限元模型Fig.4 Finite element model of steel cofferdam

圖5 抽水至承臺底荷載Fig.5 Load of pumping to the bottom of the bearing platform

計算可知：該工況鋼管樁最大應力值為56 MPa＜215 MPa，圍檁最大應力值為95 MPa＜205 MPa，支撐（φ820×10）最大應力值為80 MPa＜215 MPa，支撐（2HN900×300）最大應力值為107 MPa＜205 MPa，鋼管樁水平位移為26 mm＜80 mm，故圍堰各構件的強度和剛度均滿足規范要求。

經過分析，帶水開挖至基坑底工況下基坑抗隆起穩定性、嵌固穩定性最不利，對該工況下鋼管樁嵌固深度及基坑抗隆起進行計算，基坑抗隆起穩定性評價系數3.18＞1.8，基坑嵌固穩定性系數1.51＞1.25，即基坑抗隆起穩定性和嵌固穩定性均滿足規范要求[6]。

圍堰采用帶水開挖、水下澆筑封底混凝土的施工工藝，需對封底混凝土進行計算，取最不利的澆筑承臺前工況，封底混凝土對φ3.2 m 鋼護筒最大反力為3 488 kN，取2.7 m 有效封底厚度計算（考慮0.1 m 找平及失效層），握裹力為129 kPa＜135 kPa，滿足規范要求[6]。

3 鋼圍堰施工關鍵技術

3.1 超長鎖扣鋼管樁施沉及合龍

傳統鎖扣鋼管樁采用導向架進行施工，對于沿鎖扣軸線方向較長的圍堰，只有單個方向的精度好，且誤差的累計使得鋼圍堰線形差、合龍困難；施打過程中由于鎖扣間的摩擦力大，振動錘施工效率低，難以滿足進度要求。本項目參考類似工程施工方案[7-8]，加以改進優化及創新，設計特制導向架，采用履帶吊配合振動錘初沉、履帶吊配合沖擊錘隔孔施沉的施工工藝，成功實現超長鎖扣鋼管樁的快速施沉和精準合龍。

首先利用鋼護筒設置雙層擱置平臺，與鋼護筒焊接牢固，利用擱置平臺將圍檁安裝至設計標高，平臺外側設置型鋼。起吊首根鎖扣鋼管樁，利用圍檁及型鋼作為首根鎖扣鋼管樁的初始導向，采用履帶吊+振動錘對首根鋼管樁進行定位施沉，施打過程中測量全程觀測，確保首根鎖扣鋼管樁垂直度滿足要求。

首根鎖扣鋼管樁施打完成后，利用該樁與輔助樁安裝固定特制導向架，輔助樁與首根鋼管樁施工工藝相同。具體固定方式為：特制導向架一側架在首根鎖扣鋼管樁、一側架在輔助樁上，焊接牢固，中間布置與鋼管樁等間距的匹配導向節，匹配導向節長約1.5 m，焊接在導向架上，導向架結構如圖6 所示。導向架安裝完成后，在匹配導向節空余位置放置鎖扣鋼管樁，采用履帶吊+振動錘施打，施打方式為隔孔插打，該部分樁施打到位后拆除導向架，利用已施沉鋼管樁的鎖扣作導向，采用履帶吊+沖擊錘施沉空缺處鋼管樁，保證空缺處鋼管樁不會發生偏位，由于沖擊錘受鎖扣間摩擦力影響小，能夠將鎖扣鋼管樁順利快速施沉到位。

圖6 特制導向架結構Fig.6 Special guide frame structure

該節段鋼管樁施沉完成后，移動安裝特制導向架至下一節段，逐步完成所有鎖扣鋼管樁的施工。主墩圍堰共278 根鎖扣鋼管樁，采用上述新工藝施工，僅歷時60 d，所有鋼管樁均施沉到位、精確合龍，樁身垂直度及圍堰線形滿足要求，圍堰合龍后如圖7 所示。

圖7 主墩鎖扣鋼管樁圍堰合龍Fig.7 Main pier lock buckle steel pipe pile cofferdam closure

3.2 鋼管樁鎖扣防滲堵漏

鎖扣鋼管樁施打完成并驗收合格后，在頂部搭設操作平臺，利用高壓水槍對鎖扣內泥沙進行沖洗，然后用土工布、石粉、膠泥及沙土將鎖扣填滿并及時振搗密實，圍堰抽水完成后，對漏水處鎖扣外部利用麻絮和發泡膠針對性堵漏。鎖扣堵漏控制關鍵點為：在鎖扣內泥沙清洗完成后，對鎖扣底高程進行嚴格控制，利用測繩對兩側鎖扣進行測量，防止兩側高度不統一。

3.3 樁芯混凝土澆筑

輔塔鎖扣樁圍堰兼作后期永久沖刷防護和船撞消能設施，需要在鋼管樁內澆筑填芯混凝土以增加結構的剛度。在鎖扣鋼管樁施工完成并檢驗合格后，采用砂石泵將鎖扣樁內的泥面標高降至填芯設計標高，無法清理到位的及時采用高壓射水裝置清理，泥面清理到位后，采用泵車+小料斗在鋼管樁內澆筑水下混凝土，混凝土澆筑完成后在鋼管樁頂部設置型鋼進行覆蓋保護，樁芯混凝土達到強度后在圍堰內進行帶水開挖、水下澆筑封底混凝土等。

3.4 內支撐系統安裝

為便于安裝，將上、下兩層內支撐系統采用豎撐連接形成桁架結構，同步安裝。為確保下層對撐能夠順利吊裝，加工時下層對撐兩側各減少10 mm 空間，后期通過塞墊厚鋼板+焊縫將對撐與圍檁焊接牢固形成整體。

采用履帶吊+鋼絲繩吊裝內支撐系統，由于圍堰尺寸大、對撐跨徑大，需要進行豎向約束以減小自重作用下的撓度。抽水前，在鋼護筒之間焊接支撐梁，采用支撐梁作為對撐的豎向約束；抽水后封底混凝土初凝前，將立柱打入封底混凝土，封底混凝土達到設計強度后，在打入的2 根鋼立柱之間焊接2 層支撐橫梁，替換鋼護筒之間的支撐梁，鋼護筒割除后，完成對撐的體系轉換。

3.5 基底開挖及護筒圍堰壁清理

圍堰施打完成后，對圍堰內基底進行清理整平。測量護筒邊及相鄰護筒中點標高，高出基底標高面采用空氣吸泥機吸除，對于低于基底標高面，采用回填砂填平。

由于鉆孔樁及鋼圍堰下沉施工時間較長，在鋼護筒的外壁及鋼圍堰內壁上會存有水銹或其他雜物。為了保證混凝土質量以及混凝土與鋼護筒之間的握裹力，對封底混凝土區域的圍堰壁體內側以及鋼護筒外壁上的淤泥雜物用高壓水槍和鋼絲刷上下來回進行清理[9-10]。

3.6 超大型圍堰水下封底施工

圍堰采用水下混凝土封底工藝，封底厚度為2.8 m，總方量為11 797 m3。根據鎖扣鋼圍堰尺寸、結構特點、現場施工組織難度及混凝土生產能力，在圍堰中間橫橋向軸線方向設置分倉鋼板樁，將封底分成2 個區域（上游側6 139 m3+下游側5 658 m3）分次單獨澆筑，先下游側后上游側，由中間向兩邊分次進行澆筑，下游側封底混凝土澆筑完成且達到設計強度后，拔除分倉鋼板樁，對下游側與鋼板樁接觸面側壁混凝土進行粗糙面處理，保證與上游封底混凝土有效粘結。根據水下封底混凝土的特性，其流動半徑按照不超過6 m考慮，整個圍堰內共設置114 個布料點，根據布料點的布置，利用鋼護筒搭設封底平臺及臨時走道，走道兩側設防護欄桿，保證施工人員安全，封底平臺及布料點如圖8 所示。

圖8 封底平臺及布料點布置Fig.8 Layout of sealing platform and fabric points

單個倉室首封時，采用18 m3兩個大料斗，大料斗擱置在封底平臺上，大料斗下方設置分料斗，底口設置5 個出料口，通過溜槽分別向各個首封點位導管上口的小料斗灌料。首封結束后，使用0.5 m3的小料斗進行后續導管的布料，導管底口離圍堰基坑底部20～30 cm。首封導管底口鋪設10 mm 厚鋼板，有效地解決了混凝土快速下落時對基底面沖擊形成大坑、導管埋置深度不足的問題。

4 結語

張靖皋長江大橋南航道橋主墩承臺結合墩位處水文地質條件及設計要求，采用永臨結合鎖扣鋼管樁圍堰進行深基坑支護，基坑支護采用帶水開挖、水下澆筑封底混凝土的施工工藝。施工過程中采用履帶吊+振動錘+沖擊錘并配合特制導向架隔孔插打的全新工藝保證了鎖扣鋼管樁的垂直度、圍堰的合龍精度及線形，有效地加快了施工進度，為后續類似超長鎖扣樁施工提供了借鑒；利用對撐加工成桁架整體安裝、基底開挖及護筒圍堰壁清理、分倉澆筑水下封底混凝土、導管底口鋪設鋼板等工藝，極大地降低了封底混凝土現場施工組織難度，提高了水下封底混凝土的澆筑質量，為后續主墩承臺施工提供了可靠保障。