臨近既有建筑物深水植樁復合圍堰施工技術

李二偉 趙少強

(中鐵七局集團有限公司勘測設計研究院 河南鄭州 450016）

1 引言

傳統水中圍堰常用形式為鋼板樁與鎖口鋼管樁，前者為定型產品，施工工藝簡單；后者加工速度快，可結合受力需求選用不同直徑規格鋼管，強度高，二者均易于重復利用，故應用廣泛。隨著深水大跨橋梁技術的發展，傳統圍堰已越來越不能滿足深水復雜地質條件的要求，越來越多的水中基礎采用沉井或雙壁鋼圍堰進行施工，此二者的特點是強度、剛度更大，適應地層能力更強，但施工工藝也相應難度增大。

新建漢十高鐵浪河特大橋地處國家一級水源保護區丹江口水庫常年庫區內，且15#主墩臨近航道和既有建筑物漢十高速浪河大橋，其水文因蓄水原因逐年增高、年際變化大，地層條件因位于航道處，地勢一角高差大，河床覆蓋層較薄，承臺下巖層傾斜陡峭等不利因素，其水域禁止水下爆破清基給水中基礎施工帶來極大挑戰。特別是近年來環境保護的重視和執法力度的加強，也給在建工程帶來較大難題。

為克服雙壁鋼圍堰因尺寸較大、水下清基范圍廣等對既有建筑物的不利影響，合理利用傳統鎖口鋼管樁圍堰[1-3]的優勢，采用了深水植樁復合圍堰施工技術[4-5]，利用銑孔植樁、鋼管樁內施作錨固樁和無封底排水開挖工藝[6-7]，在保護既有建筑物安全的前提下，成功實施了水中基礎。

2 工程概況

如圖1所示，浪河特大橋15#主墩位于一聯連續梁(75+2×135+75）m中部，小里程側上跨既有漢十高速浪河大橋，夾角31°，大里程側跨越浪河航道，夾角 143°。15#主墩矩形承臺尺寸為23.2 m(長）×16.8 m(寬）×4.5 m(高）。 因漢十高鐵浪河特大橋與既有漢十高速浪河大橋斜交夾角較小，導致15#主墩與既有漢十高速浪河大橋8號墩立柱距離較近，其平面凈距為6.6 m，既有建筑物樁基底部僅比15#主墩承臺底部低5.543 m，見圖2。

圖1 15#主墩平面布置

承臺施工期間，高水位期最高水位為160.0 m，最大水深16.4 m；低水位期最高水位為153.0 m，最大水深9.4 m。

圖2 15#主墩立面圖

3 技術重難點分析

3.1 既有建筑物安全

漢十高速浪河大橋為左右幅分離布置，其下部結構采用樁柱式橋墩+蓋梁形式，鉆孔樁長度9.5 m，此類型結構的缺點是剛度小、柔性大。15#主墩承臺施工時要確保既有建筑物的正常使用。

由于15#主墩承臺與既有建筑物平面與立面高程距離均較近，故圍堰選型時平面尺寸要小且不能大面積清基與深挖，以避免地層擾動造成的既有建筑物沉降及變位，保證既有建筑物安全。

3.2 圍堰設計及施工

承臺位置處地層從河床往下依次為沖填土、粉質黏土、粗圓礫土、強風化云母石英片巖和弱風化云母石英片巖，其中:粗圓礫土地基基本承載力400 kPa，強風化云母石英片巖地基基本承載力450 kPa，弱風化云母石英片巖地基基本承載力800 kPa。由圖3可知:承臺局部進入強風化云母石英片巖內最大埋深1.31 m，埋置長度38.91 m，其余位于粗圓礫土層中，埋置長度41.09 m，承臺下粗圓礫土層厚度為0～1.99 m；河床覆蓋層較薄，位于浪河航道附近的承臺一角地勢低洼，位于既有漢十高速浪河大橋8號墩立柱附近的承臺一角地勢陡峭，導致圍堰結構承受較高的不平衡土壓力，帶來結構失穩方面的隱患；巖面在浪河航道附近呈較大傾斜走勢，也給圍堰定位、安裝造成極大困難。

4 圍堰施工關鍵技術

4.1 銑孔植樁施工

為避免大面積開挖造成的地層擾動，以及解決傾斜巖面圍堰的定位、安裝難題，采取深水銑孔植入鎖口鋼管樁的施工工藝。

圖3 15#主墩地質剖面展開圖

首先:搭設銑孔平臺。由于旋挖鉆機活動范圍廣、作業時間長，為確保作業平臺的安全，原安裝于鋼管樁上的鉆孔平臺已不能滿足受力要求，故鉆孔樁施工完畢后，對鉆孔平臺進行改造，并支撐于鋼護筒頂面的分配梁上，為保證角部銑孔的正常進行，將平臺沿承臺長邊加長至承臺短邊附近的鋼管樁上，見圖4。

圖4 銑孔平臺

其次:銑孔。考慮承臺范圍埋置于粗圓礫土與強風化云母石英片巖內，且承臺下粗圓礫土層厚度較薄，將銑孔底定于承臺下0.5 m處。采用兩臺旋挖鉆機沿鎖口鋼管樁投影位置先長邊后短邊銑孔，每臺鉆機以兩鋼護筒間距范圍內5根孔為一組，該組結束后轉移至對稱位置繼續銑孔。長邊施工時鉆機沿短邊方向站位，短邊施工時鉆機沿長邊方向站位，其中短邊角點位置4根孔施工時，旋挖鉆機沿短邊方向站位，拆除角點附近平臺，待鉆機施工完成后再轉換方向，施工剩余部分孔位，見圖5。

圖5 旋挖鉆機銑孔

最后:植樁。為防止銑孔后停滯時間較長產生塌孔，待一組孔位施工完成后，在兩護筒間焊接雙層導向架，底層位于水面以上1.0 m，兩層凈距1.5 m。導向架安裝完畢后，采用DZ120振動錘將鎖口鋼管樁安裝至對應孔位處。安裝前恢復樁位中心，將樁位中心引至導向架限位槽鋼上，鎖口鋼管樁側壁標示管中心線，管中心對齊樁位中心后，先緩慢壓入孔內，然后振動錘振動至孔底，見圖6。

圖6 植入鎖口鋼管樁

4.2 復合圍堰施工

為提高圍堰穩定性，增強圍堰結構承受不平衡土壓力時的安全儲備，選用復合圍堰的施工工藝。

首先:復合圍堰選型。考慮深水植樁錨固深度有限，為保證土層小擾動情況下的圍堰穩定，提出鎖口鋼管樁+鉆孔錨固樁的組合形式，即以φ1.0 m鎖口鋼管樁作為鋼護筒，樁內旋挖φ0.8 m孔位，之后施作錨固樁，其中錨固樁長度15.4 m，鎖口鋼管樁底以下鋼筋混凝土樁長度8 m，鎖口鋼管樁內素混凝土長度5.4 m，鋼筋混凝土長度2 m。錨固樁頂面與河床面平齊，底部除少量位于強風化云母石英片巖層外其余均進入弱風化云母石英片巖層。為提高圍堰抵抗不平衡土壓力時的穩定性，確保臨近建筑物安全，要求鎖口鋼管樁內逐根施作錨固樁。

其次:提高設計安全儲備。鎖口鋼管樁主管選用直徑1.0 m，壁厚12 mm，材質Q345B鋼板卷焊而成。圍堰選擇在153.0 m水位時施工，此時鋼管樁最大允許彎曲應力為74 MPa，滿足容許應力210 MPa[8]的要求；鋼筋混凝土樁采用14根HRB400φ22主筋，其抗彎計算值為385 kN·m，滿足抗彎設計值511 kN·m的要求；復合圍堰在地勢低洼處的坑底位移最大值2.8 mm，地勢陡峭處坑底位移最大值4.3 mm，均滿足采用m法[9-10]計算時坑底水平位移不超過6 mm的要求。

最后:復合圍堰施工。采用旋挖鉆機鉆孔，為避免鉆孔完成時孔壁長時間暴露導致塌孔，結合灌注效率，每鉆孔5根灌注一次。鉆孔完成，采用反循環清空，清空后立即安裝鋼筋籠，下放導管灌注混凝土。

4.3 銑孔孔隙封閉

復合圍堰漏水的風險點主要在于:鋼管樁與錨固樁結合處、樁底以下地層透水性能以及鎖口位置處。經試驗樁底以下巖層為不透水層，鎖口位置處可采用常規工藝填塞止水材料[11-12]進行封閉，則鋼管樁與錨固樁結合處為漏水的最大風險點，需對此位置進行封閉止水處理。具體工藝如下:

錨固樁全部施工完成后，在圍堰外側堆碼砂袋。砂袋底部距離鎖口鋼管樁0.5 m，頂部距離鎖口鋼管樁0.9 m，砂袋豎直高度1.3 m。砂袋堆碼完后，用吸泥機對銑孔外側孔隙、砂袋與鎖口鋼管樁形成的槽口進行清理。清理完成經潛水員檢查完畢后，對槽口和銑孔孔隙進行水下混凝土封堵。混凝土采用導管水下灌注，具體采用一根導管沿槽口四周按間距4 m均勻移動灌注。混凝土灌注過程中，安排潛水員實時監控混凝土面。當混凝土灌注至設計高程時，由潛水員向地面發出移動導管指令，直至槽口完全封堵完成，見圖7。

圖7 銑孔孔隙封閉立面圖

4.4 無封底排水開挖

針對本圍堰施工情況，若采用傳統深水圍堰施工流程，則需水下清基與封底砼施工。其具體施工工藝為:采用旋挖鉆機站位于銑孔平臺上進行清基施工。清基鉆孔從大里程側沿橫橋向倒退進行，鉆孔清基前拆除橫橋向貝雷片及以上的平臺部分，每次拆除1.8 m寬度的平臺。護筒與鎖口鋼管樁之間采用φ1.0 m鉆頭，護筒之間采用φ2.0 m鉆頭。旋挖鉆每鉆完一檔后采用長臂挖機清理一遍，由潛水員水下檢查是否清理徹底，確保清理干凈后方可后退拆除下一循環平臺。完成圍堰基底鉆孔清基工作后，再采用吸泥機對基底清理一遍。封底前安排潛水員對封底范圍內的鋼護筒四周、鋼管樁基坑內壁進行清理，確保表面清潔。然后布置水封導管，共布置7排，每排6個點，合計42個點。每排同時布置6根導管，沿橫橋向依次移動進行封底施工。每排移動之前用測繩檢查封底厚度，測點間距2.0 m。經檢查封底厚度達到設計要求后，方可移至下一排布置點，若檢查厚度不夠，則調整導管位置補灰直至達到設計要求。此種工藝雖能保證圍堰成功實施，但存在以下缺點:(1）耗時長。從清基到封底砼施工結束，工期3個月。(2）機械設備投入多。需要旋挖鉆機、長臂挖掘機、砼泵車等設備，以及封底施工平臺等設施。(3）封底砼方量大。按153.0 m低水位期施工考慮，仍需C30砼1 495 m3。

經分析:復合圍堰通過鎖口鋼管樁+錨固樁、不透水云母石英片巖、銑孔孔隙混凝土三者構成隔水空間，形成良好的四周止水帷幕，施工時不進行水下封底混凝土施工即能有效地阻止和減少周圍水流入，故對傳統深水圍堰施工流程進行優化是可行的。優化后采用無封底排水開挖工藝，直接抽水后利用挖掘機進入圍堰內部進行清基開挖，改善了施工作業環境，極大提高了工效，節約了成本與工期，用時1個月即完成了圍堰清基及承臺墊層砼施工，且圍堰止水性能優越，清基開挖過程中基本無滲水情況。

5 結束語

本文通過對臨近既有建筑物的15#主墩圍堰施工關鍵技術的分析，得出以下結論:(1）結合地層情況采用無鋼護筒護壁的銑孔施工，加快了銑孔速度，減少了孔壁暴露時間，降低了塌孔風險對地層產生擾動的可能。(2）采用淺銑孔深水植樁工藝，旋挖鉆機銑孔深度小，對地層擾動小，避免大面積開挖導致的坑壁坍塌，有效保護了既有柔性建筑物的結構安全。同時解決了傾斜巖面圍堰定位、安裝難題。(3）有效利用旋挖鉆機銑孔后的孔內松散渣土，一方面保護孔壁不坍塌，另一方面易于振動錘振動植樁，便于定位及垂直度控制。(4）采用鎖口鋼管樁+鉆孔錨固樁形式的復合圍堰，提高了圍堰穩定性，進一步降低了清基工作對既有建筑物的不利影響，增強了既有建筑物的運營安全。(5）銑孔孔隙混凝土封閉處理，使復合圍堰、不透水巖層與銑孔孔隙混凝土三者形成良好的止水帷幕，優化了圍堰傳統施工工序，采取無封底排水開挖施工深水圍堰取得了成功，且較之傳統工序，極大提高了施工效率，顯著降低了成本。