湖北宜昌香溪河大橋主橋4#橋墩深水基礎施工方案比選

摘 要：香溪河大橋工程4#橋墩施工區間水位變化幅度達30m，低水位時水深達15m，高水位時水深達45m左右，且橋位處地形傾斜，覆蓋層松散，巖面高低不平坦，施工條件困難。針對主橋墩基礎施工的平臺和圍堰，重點研究了先浮式平臺后鋼吊箱圍堰、先鋼護筒平臺后鋼吊箱圍堰、先鋼套箱圍堰后鉆孔平臺等3種方案。經過從工期、成本、安全等方面進行比選，最終確定采用先鋼護筒平臺后鋼吊箱圍堰的施工方法進行施工。

關鍵詞：斜拉橋；基礎施工；鉆孔平臺；鋼圍堰；方案比選

1 工程概況

1.1 橋梁概況

香溪長江公路大橋是擬建的湖北省骨架公路網中第六縱的第二條支線跨越長江的節點工程，路線全長5.419km，是由多座特大型橋梁、隧道、路基及大型滑坡處置組成的項目群，關鍵性控制工程為香溪長江公路大橋工程和香溪河大橋工程，其中香溪河大橋橋址位于香溪河口上游約2km處，橋位東岸為歸州鎮劉家壩，西岸為歸州鎮吳家溝，與峽堡公路（S255）相接，里程范圍為K3+217.184～K4+296.746，全長1079.6m，香溪河橋位置圖見圖1。

香溪河橋主橋采用主跨470m組合混合梁斜拉橋。橋跨布置為：20m（混凝土箱梁）+（48+48+78）m+470m+（78+48+48）m（組合混合梁雙塔雙索面斜拉橋）+（3×35+6×20）m（左幅預應力混凝土連續T梁）+（3×35+4×20）m（右幅預應力混凝土連續T梁）。主橋4#橋墩基礎采用19根直徑為3米的鉆孔灌注樁，樁長83m，承臺采用直徑為30米的圓形承臺，高度為7米，主橋結構圖見圖2。

1.2 水文情況

4#橋位位于三峽大壩庫區，每年6月至9月，整個汛期水庫維持低水位運行。水庫每年9月下旬開始蓄水，10月份壩前水位逐步升高+175.0m運行。11月份至次年4月底，水庫維持較高水位，但4月底之前壩前水位不低于+155.0。香溪河橋汛期的流速一般為0.05m/s～0.24m/s，流向一般為187.1°～191.5°，汛期后流速一般為0.00m/s～0.13m/s，流向一般為187.8°～190.9°。

1.3 地質條件

4#處地面標高為130m～140m，地形坡腳18°～20°，基巖大面積裸露，地層傾角大于地形傾角，斜坡整體穩定性較好。其中0～16m為粉砂質粘土巖夾極少量薄層砂巖，16～40m為中厚層砂巖夾極少量薄層粉砂質粘土巖，40～68m為薄層含炭質粘土巖，68～95m為粉砂質粘土巖。水文地質條件如圖3。

2 基礎施工方案比選

三峽庫區蓄水后，庫區水位變化從145m-175m（吳淞水位），施工區間水位變化幅度達30m，4#墩基礎施工期間，低水位時水深達15m，高水位時水深達45m左右，給主橋的基礎施工帶來很大的施工難度，且橋位處地形傾斜，覆蓋層松散，巖面高低不平坦，選擇基礎施工方案時應該根據水位變化和地質條件的特點，制定合理的水上施工方案，既要考慮適應水位變化，又要考慮結構安全，滿足工期的需要，同時降低施工成本。一般在深水基礎施工中，應該盡可能的安排在洪水期施工鉆孔樁，在枯水期施工承臺，同時要綜合考慮材料運輸、現場施工場地、大型水上吊裝設備的資源和進出場條件等因素，總體來說有先平臺后圍堰（圍堰和平臺分開）和先圍堰后平臺（圍堰平臺一體化）兩種大的施工思路。

4#橋墩承臺底面距離河床14m，屬于高樁承臺結構，其承臺施工一般采用鋼吊箱圍堰的方案，根據4#基礎設計特點和施工環境，可能用于高樁承臺基礎施工的施工方案有3種：（1）先浮式平臺后鋼吊箱圍堰方案；（2）先鋼護筒平臺后鋼吊箱圍堰方案；（3）先鋼套箱圍堰后鉆孔平臺方案。文章主要根據工期、成本、施工合理性、安全性等因素對以上3種方案進行比選，最終確定適合于本橋的最佳施工方案。

2.1 方案一：先浮式平臺后鋼吊箱圍堰方案

該方案采用平臺和圍堰分離的施工方法，先進行浮式平臺施工，為鉆孔樁提供施工場地，后安裝鋼吊箱圍堰施工，完成承臺施工，先浮式平臺后吊箱圍堰施工示意見圖4。

2.1.1 平臺施工

浮式平臺在庫區內深水基礎的施工得到較大的運用，分別在忠縣長江大橋、千島湖上的江埠大橋、井田壩大橋、四川白龍湖水庫的白水大橋、洪湖上白沙湖大橋等橋梁基礎施工得到了運用。浮式平臺是利用水的浮力作為平臺的支承反力來承受豎向荷載的一種剛性浮體作業平臺，主要適用于深水基礎施工過程中水位較深、落差較大、水面平靜、流速小、無通航要求的情況，它最大的優點是在平臺形成過程中不需要設置支撐系統，大大加快了平臺的形成時間。香溪河橋4#主墩施工期間最深水深為45m左右，施工期間水位落差達30m，且河床覆蓋層較淺且松散，橋墩處流速較小，理論上可以采用該方案。

采用浮式平臺，由于取消了鋼管等支承樁結構材料，減少了部分成本的投入，同時由于鉆孔平臺和鋼護筒完全脫離，在鉆孔樁施工過程中不需要進行體系轉換，施工較為方便。但是浮式平臺要求浮體剛度要大，要有足夠的平面特性，不能有較大的傾角和晃動，因此在進行鉆機選型時，如采用沖擊鉆機，沖擊鉆機只生產豎向荷載，不產生水平附件荷載，因此平臺是穩定可靠的。如果采用旋轉鉆機，由于旋轉鉆機施工會產生較大水平附加扭矩，會對平臺的側向穩定性產生不利影響，導致平臺水平方向的晃動，因此如果采用浮式平臺，一般都配套采用沖擊鉆機，而不采用旋轉鉆機。

2.1.2 吊箱圍堰施工

鋼吊箱圍堰施工：和方案二類似，在此不再贅述，將在方案二詳細進行闡述，施工示意圖如下。

2.2 方案二：先鋼護筒平臺后鋼吊箱圍堰方案

該方案和方案一的區別在于采用鋼護筒平臺代替浮式平臺，吊箱圍堰的施工方法相同，由于施工水位較深，且落差較大，因此該平臺的施工難點在于如何確保平臺的側向穩定性，特別是在支撐樁的自由長度較大時，要充分考慮風荷載、龍門吊制動時產生的水平慣性力，鉆機鉆孔過程中產生的附加水平扭矩等對平臺側向穩定性的影響。

2.2.1 平臺施工

一般的鉆孔平臺主要有小樁平臺（鋼管樁）和大樁平臺（鋼護筒）兩種，分別采用鋼管樁和鋼護筒作為平臺的支撐樁。由于本橋橋墩處覆蓋層較松散，且地形存在一定的坡度，且平臺安裝期間正值高水位，安裝水下連接系較為困難，因此如何保證平臺支撐樁的剛度和入巖層深度是確保鉆孔平臺的關鍵。

如果選擇鋼管樁作為平臺的支撐系統，由于基巖標高+120m左右，河床標高+130m，施工期間最大水深45m左右，其平臺臨時樁的自由長度達55m，為確保平臺的穩定，鋼管樁不但數量較多，且必須形成群樁基礎，導致的鉆孔樁平臺工程數量很大。如選擇本橋3.4m的鋼護筒作為鉆孔平臺的支撐體系，由于其直徑較大，剛度足夠，且通過連接系將護筒群連成一個整體，可以增加平臺的穩定性，盡量減少水下聯結系的安裝，確保施工順利和平臺穩定。且為了保證平臺的安全，使得鋼護筒下口處于固結狀態，護筒穿過覆蓋層，進入巖層，且在護筒安裝到位后在護筒內灌注10m高的素混凝土，使得鋼護筒底部和巖面形成錨固結構。另外基礎施工期間需要布置龍門吊配合鉆孔樁及承臺、塔墩施工，因此在平臺設計時考慮將龍門吊的支撐樁同平臺結構合二為一進行考慮。

同時為了確保平臺的穩定，確保在施工期間平臺的晃動較小，因此在選擇平臺的主梁時，不選擇常用的貝雷梁結構，而是重新加工制造高度為2m的“工”字形焊接鋼板梁結構，形成一個穩定的板凳結構，同時通過分配梁把鋼護筒與平臺結構連為一體，增加平臺縱橋向穩定性；另外將門吊樁在橫橋向與鋼板梁及分配梁連為一整體，增加平臺橫橋向穩定性，鉆孔平臺結構圖如下。

2.2.2 鋼吊箱圍堰施工

步驟1：在鉆孔樁施工期間，在平臺下方安裝圍堰拼裝吊車（電動葫蘆），在鋼護筒上焊接圍堰拼裝平臺，并在平臺上拼裝底節吊箱圍堰，實現鉆孔樁施工和圍堰施工同步進行；

步驟：2：底節圍堰拼裝完畢后，在鉆孔平臺上安裝圍堰下放系統，利用下放系統將底節圍堰提升并下放至自浮狀態，下放過程中需安裝導向。

步驟3：在底節圍堰處于自浮狀態下繼續在其上拼裝第二節圍堰，拼裝完成后使圍堰處于自浮狀態。

步驟4：鉆孔樁施工完畢后拆除鉆機，同時吊箱圍堰隨庫區水位下下降，通過調整圍堰壁艙內水位，使圍堰下沉至設計位置處，并安裝底板吊桿，澆筑水下封底砼。

步驟5：待封底砼達到設計強度后拆除鉆孔平臺并割除多余鋼護筒結構，在低水位狀態下（水位不得高于+160.0m）完成承臺砼澆筑，承臺分兩次澆筑，塔墩施工期間可根據實際情況進行雙臂圍堰的接高，保證施工連續進行。

方案二的具體施工步驟如下：在2臺2000噸駁船上拼裝鋼板梁形成鉆孔平臺→浮運并拋錨定位→高水位插打深水定位樁→在鋼管樁內施作鉆孔樁→插打中間三個護筒→平臺掛樁轉換→退出駁船→拼裝100噸龍門吊機→鋼護筒插打→鉆孔，同時護筒跟進穿過斷層和卵石層→采用KTY4000型液壓動力頭鉆機進行鉆孔灌注樁施工，樁基施工完成后→割除多余高度的護筒→拆除鉆孔平臺→安裝鋼吊箱拼裝及下放平臺→拼裝鋼吊箱底板及首節段→液壓系統同步下放→拼裝其余節段鋼吊箱→鋼吊箱下放到位，固定→潛水工堵漏，澆筑封底砼→圍堰內抽水，剝除樁頭→澆筑承臺墊層→承臺分層施工→塔墩采用整體預扎整體模板快速施工出水。

采用該方案的優點是可快速施工，進場后即可在附近水域利用駁船拼裝鉆孔平臺，在拼裝鉆孔平臺的同時可同時進行水上棧橋等其他工作，最后采用TKY4000液壓動力頭鉆機進行鉆孔灌注樁施工，能最快形成生產能力，有利于在明年的下一個枯水期來臨之前完成鉆孔樁施工，有利于利用枯水期間進行承臺施工。且該方案采用龍門吊支撐樁和鋼護筒作為鉆孔平臺的基礎，采用鋼板梁作為平臺的主梁，結構穩定，可以滿足大扭矩鉆機作業是產生的附加水平扭矩，平臺的側向穩定性也有保證，且永臨結合，充分利用護筒的作用，能夠節省較多的臨時工程量。但是該方案受水位影響較大，該方案只適用于在枯水期施工承臺，不具備在洪水期進行承臺施工，在洪水期水位達175m，鋼吊箱圍堰需要承受30多米水頭差，經過計算，圍堰底板受力要求不能通過。因此要求承臺必須在低水位狀態下（水位不得高于+160.0m）完成砼澆筑，也就是說從形成鉆孔樁的生產能力開始，所有的鉆孔樁必須在明年的下一個枯水期來臨之前完成。

2.3 方案三：先鋼套箱圍堰后鉆孔平臺方案

采用圍堰平臺一體化設計，鋼套箱圍堰既是鉆孔平臺的承重結構，也是承臺施工的擋水結構，施工時先形成圍堰，在圍堰內安裝護筒群后進行圍堰封底，利用護筒群作為鉆孔平臺的支撐樁，在其上形成鉆孔平臺，進行鉆孔樁施工，鉆孔施工完成后進行抽水，進行承臺和下塔墩施工，直到結構出水。該方案在寧安鐵路安慶長江鐵路大橋的3#和4#墩的基礎施工中得到了運用，可以適用于庫區內深水、覆蓋層較淺、巖面傾斜的深水基礎工程，理論上也能用于本橋4#施工，采用該方案的優點是圍堰下放到位后，其后期鉆孔樁和承臺施工就不再受水位影響，后期可控，但是清理河床、水下爆破、圍堰就位等步驟較為復雜，不可預見的因素較多，在施工前需要對河床斷面進行詳細的測量，否則對圍堰就位和堵漏封底將產生重大影響。且4#原設計為高樁承臺，采用套箱圍堰也意味著其鋼結構加工量要比鋼吊箱圍堰多，對施工成本有著較大影響。

3 施工方案的綜合比較

根據4#基礎施工特點和現場條件，對以上3種施工方案進行比較，具體見表1。

本橋業主批復的開工日期為2015年8月28日，正是低水位的尾期，水位開始上漲，因此如果要保證在明年的枯水期能夠進行承臺施工，降低圍堰施工的設防水位，減少圍堰封底厚度，必須在明年5月底之前完成鉆孔樁的施工，才能保證在明年低水位期間完成承臺施工，這是工期的目標要求，方案比選時要重點考慮工期的因素。

方案一雖然成本較低，但是由于不能采用旋轉鉆機，只能采用沖擊鉆機，從以往的施工經驗來看，深水基礎沖擊鉆機鉆孔巖層的施工效率不高，工期較長，采用多個循環，影響更大，不具備在下一個枯水期來臨之前完成鉆孔樁施工，后續的吊箱圍堰只能在洪水期施工，條件不具備，因此方案一不宜采用。

方案三必須先進行圍堰加工，周期較長，壓縮了鉆孔樁的施工時間，而且香溪河附近無適合圍堰加工的場地和下河碼頭，大型水上吊機也難于進入長江上游地區，且由于河床傾斜，覆蓋成較淺，要提前進行河床平整和爆破，圍堰下沉到位后堵漏施工難度也很大，且由于是高樁承臺，采用套箱圍堰意味比吊箱圍堰要多做15m左右的鋼圍堰，用鋼量大大增加，大大增加了施工成本，雖然具有一旦形成圍堰，不受施工水位影響的優點，但是從工期角度考慮，需要在下一個枯水期來臨之前完成鉆孔樁施工才具備承臺低水位施工的條件，這樣工期目標和成本目標都能實現，因此從這個角度，方案三也不適合本橋施工。

方案二能快速形成鉆孔樁的生產能力，根據鉆孔平臺形成的時間和旋轉鉆機的施工周期（每根樁的施工周期為40天），具備在明年枯水期來臨之前完成鉆孔樁的條件，從工期角度來講，是可行的。同時方案二采用先鋼護筒平臺后鋼吊箱圍堰方案，不需要額外采用臨時鋼管樁作為支撐樁，充分利用永臨結合，利用主體結構的鋼護筒作為鉆孔平臺的支撐體系，大大減少了臨時工程量，降低了施工成本，也考慮了現場施工場地位置狹小、長江上游地區大型浮吊難以進入的實際情況。

且該方案還有一個優點是可以根據鉆孔樁實際進度來考慮是否鉆孔樁施工和圍堰拼裝同步進行，該鉆孔平臺的標高設置是178m，在后期進度滯后時，在明年3月份水位降至160m左右的時候，在平臺下方有接近14m的操作空間，可以通過設置環形走道和卷揚機等起升裝置，在護筒上設置牛腿搭設圍堰拼裝平臺，在鉆孔樁施工的同時，在平臺的下方拼裝圍堰，做到圍堰拼裝和鉆孔樁施工同步進行，確保了施工工期，以保證明年低水位期間完成承臺施工。因此綜上所述，方案二既能快速形成鉆孔平臺，又考慮后期的實際施工需要，且成本較低，是適合本橋基礎施工的較好方法，但是要求在形成鉆孔樁的生產能力后，必須確保鉆孔樁的生產進度，保證在明年枯水期來臨之前完成所有鉆孔樁的施工。

4 結語

湖北宜昌香溪河大橋的4#橋墩基礎施工采用先鋼護筒平臺后鋼吊箱圍堰的施工方法，利用鐵駁在岸邊進行平臺拼裝，解決了現場施工場地狹小不足的問題，充分利用了大直徑的鋼護筒作為鉆孔平臺，節省了用鋼量，同時在平臺設計的時候充分考慮后期增加鉆機數量時結構承載力的需要和明年3月底水位下降后在鉆孔平臺下方拼裝圍堰結構的需要，做到了鉆孔樁施工和鋼圍堰拼裝同步進行，節省了工期，以保證明年低水位期間完成承臺施工，可為三峽庫區內的深水基礎施工提供借鑒和參考。

參考文獻

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作者簡介：陳佛賜（1978.12- ），男，本科，中鐵大橋局第七工程有限公司，高級工程師，研究方向：橋梁施工與結構設計。