深水庫區軟巖地質水下承臺基坑開挖施工技術

秦 林

（中鐵四局集團第三建設有限公司，天津 300163）

當橋梁基礎位于深水、巖石地層時，多采用雙壁鋼圍堰作為基礎開挖臨時支護結構[1～3]，水下基坑開挖多采用水下爆破或沖擊取孔工藝；采用爆破施工的，多為硬質巖[4～5]。國內已有文獻未見關于深水軟巖地質基坑施工技術的研究，也未見深水庫區橋梁基礎開挖施工技術的有關報道。

為此，本文以遂寧農村路網一期工程船山段田家渡特大橋水中主墩基坑開挖施工為例，開展軟巖地質庫區水下承臺基坑開挖施工技術研究。

1 工程概況

田家渡特大橋主橋為102 m+170 m+102 m預應力混凝土連續剛構，其主墩位于涪江主河道中，上下游均建有電站大壩，屬庫區管理；最大施工水深達19.5 m，河床自上而下依次為卵石和強中風化泥巖。主墩承臺尺寸為17.1 m×12.6 m×5 m，承臺底位于河床面以下，設計利用雙壁鋼圍堰支護施工。根據實際河床高程以及圍堰封底混凝土的要求，主墩水下基坑開挖深度6～8 m，總土方量超過10 000 m3。見圖1。

圖1 主墩處河床縱斷面

根據工程勘測和室內巖石試驗結果，卵石和強風化泥巖巖體為Ⅲ類硬土，中風化泥巖巖體為Ⅳ類軟石。見表1和表2。

表1 墩位處河床基巖地質層強度參數

表2 墩位處河床各地質層物理力學指標

2 施工技術

戴長冰等[6]通過巖性因素對巖石爆破的影響研究，指出了軟質巖石的黑頁巖和云母頁巖硬度要比石英巖和閃長巖硬度小得多，卻更不容易爆破。水下承臺基坑開挖施工采用旋挖鉆機和沖擊鉆機的組合工藝：先通過旋挖鉆孔開挖，剩余區域利用沖擊鉆機沖擊破碎，清渣采用伸縮臂抓斗與氣舉反循環組合工藝。

2.1 鉆孔和沖孔點位布設

通過理論分析和現場試驗，對鉆孔和沖孔點位進行合理設計和布置，保證基坑開挖效果。

2.1.1 旋挖鉆機鉆孔點位設計和布置

根據水下基坑大小對旋挖鉆機鉆孔點位進行設計和布置，見圖2。

圖2 旋挖鉆機鉆孔點位布置

鉆孔范圍的外邊線較雙壁鋼圍堰四周外緣邊線各外擴1.5 m。根據巖土特性參數、鉆機型號、鉆進深度、水上定位偏差等因素，為保證順利、垂直成孔，在總結長期施工經驗的基礎上確定布孔方式，鉆孔直徑D1為2.0 m，孔位凈距L為0.6 m。

2.1.2 沖擊鉆機沖擊點位設計和布置

旋挖鉆孔完成后，剩余的巖層形成蜂窩狀地層狀態，采用沖擊鉆機沖擊、破碎、切削基坑內剩余巖體。剩余巖層區域沖孔點位咬合重疊布設，沖孔直徑D2為2.2 m，孔距W為1.8 m。見圖3。

圖3 沖擊鉆機沖擊點位布置

2.2 旋挖鉆機間隔鉆孔施工

1）單個孔位旋挖鉆孔工藝。根據巖層分布情況，選擇不同形式的鉆頭鉆進。單個孔位采用“先截齒筒鉆、后雙底撈渣斗”方式鉆進，截齒筒鉆和雙底撈渣斗直徑均為2.0 m。先通過截齒筒鉆進行開孔定位，待鉆進深度達2～4 m且能保證鉆頭在鉆進過程中不發生偏位、跑位或傾斜后將截齒筒鉆更換為雙底撈渣斗，不斷進行鉆深取渣、提鉆棄渣，直至鉆進至設計深度。終孔后將雙底撈渣斗再更換為截齒筒鉆并將水上移動施工平臺移位至下一鉆孔點位。

2）按設計鉆孔點位依次鉆進。旋挖鉆機鉆孔開挖自水下基坑的邊角處開始，按照預設點位置依次進行鉆孔。由第一個孔位按行或列依次鉆孔成水下基槽，再由水下基槽擴展鉆孔成水下基坑并在水下基坑的邊角處結束。見圖4。

圖4 旋挖鉆機鉆孔順序

2.3 沖擊鉆機咬合沖擊及清渣施工

2.3.1 沖擊鉆機按預設孔位咬合沖擊施工

沖擊鉆機沖孔采用十字形直徑2.2 m的沖擊錘頭，質量為8 t。沖孔施工采用重錘輕擊開孔，待沖擊錘頭保持穩定狀態后，再逐漸增加沖程至3.0 m進行沖孔。沖擊過程中，應注意觀測沖擊錘頭的穩定性及鋼絲繩的垂直度，確保施工平臺和沖擊鉆機安全穩定。同時，沖擊鉆機操作人員應根據沖擊深度實時調整沖擊錘頭的收放時機。

沖孔自水下基坑的上游向下游方向整體依次推進，沖孔點位順序為先四周后中間、由外及內，以保證水下基坑四周坑壁的垂直度和沖孔施工效率。見圖5。

圖5 沖擊鉆機沖擊作業順序

水下基坑沖孔作業中利用液壓伸縮臂抓斗配合，同步進行清渣作業，清渣中對淺點或不平整區域重新進行沖擊找平作業，沖孔和清渣作業交替進行，保障施工工期。

2.3.2 液壓伸縮臂抓斗清渣作業

液壓伸縮臂抓斗采用卡斯特330D型，整機為油缸外置式伸縮臂，配置1.5 m3的貝殼式抓斗。液壓伸縮臂抓斗就位至浮式施工平臺后進行清渣作業，將水下基坑內經沖擊破碎的大顆粒巖渣和巖塊抓取出，清理出的巖渣和巖塊倒運至運輸船上并清運至規定的棄渣場地。清渣過程中加強對水深及清渣深度的量測，確保各點位的深度滿足要求，保證清理效果。清渣施工與沖孔作業交替進行，兩者互不干擾且減少了后期清渣工程量；清渣順序自上游向下游依次推進，降低因水流攜裹沙石回流至已清理完成的水下基坑造成的影響。

2.4 導管和空壓機二次清渣

在沖擊鉆機和液壓伸縮臂抓斗將水下基坑中大部分巖塊和較大顆粒巖渣破碎、清理完成后，剩余的細顆粒巖渣和泥質類通過采用導管和空壓機氣舉反循環方式二次清渣。

自水下基坑中心開始，逐漸由中心向外呈反射狀圓環移動清渣。在清渣導管上標注刻度，控制入水深度大致相等，逐層逐步進行清理；每層清渣厚度控制在30～50 cm，通過測繩進行量測控制。

2.5 水下測量及基坑成型檢查

清渣完成后，對水下基坑開挖尺寸及成型效果進行水下測量、檢查。采用帶模擬記錄功能的回聲測深儀測量并采集水深、水位等數據，配備GPS移動站測量出平面坐標位置。原始數據采集記錄后，利用BIM技術進行數據處理和成圖，生成可視化的水下基坑河床地形的等高線圖及三維勢圖、模型。見圖6

圖6 水下基坑開挖后

根據實測圖形、模型的數值結果，局部區域再通過水下機器人探測或潛水員下水摸探，對水下基坑的尺寸、深度、邊坡和基底平整度等進行檢查、判斷，如有不平整區域重新采用沖擊鉆機進行沖擊找平，直至水下基坑開挖完成。

3 結論

1）采用旋挖鉆機和沖擊鉆機結合的組合工藝進行水下承臺基坑鉆孔開挖，解決了單一鉆機鉆進易傾斜跑位、卡鉆的難題，施工效率高。

2）通過對鉆孔和沖擊點位合理地設計和布置，施工過程穩定可靠、速度快、成本低、精度和成型質量高。

3）沖擊鉆機沖孔與伸縮臂抓斗清渣交替作業，鉆進效率高，后期清渣工作量少，保證了工期。

4）采用回聲測深儀與GPS結合測量水下基坑地形，BIM技術協同數據處理，測量精度高、速度快、工作量小，可讀性強，有利于基坑開挖精度控制。