復雜環境條件下水中墩基礎施工技術

李勤良

(中鐵城市發展投資集團有限公司，成都 610015)

當今國內外橋梁水中基礎施工技術已取得了很大的發展，并在跨大河、深水湖泊庫區或海域的大型橋梁基礎施工中均有了不同程度的應用，也積累了一些成功經驗[1-2]。在覆蓋層較厚的河床施工時，主要采用搭設鋼管樁或筑島形成鉆機施工平臺，這需要投入大型施工機械設備；在深水河床面裸巖施工時，主要采用水下爆破、浮式平臺、人造基床等施工方案，這也需要投入大型施工機械設備，這對生態環境有嚴重破壞。目前針對處在庫區大型起吊設備和駁船無法進入、水域網箱養殖生態要求高、深水、裸巖無覆蓋層、巖面傾斜不規則復雜環境條件下的水中墩大直徑群樁基礎施工技術研究積累很少，特別是在浮式平臺與大噸位起吊系統進行綜合設計和大直徑鋼護筒在傾斜裸巖上的埋設技術研究方面還不系統和不完善[3]，未能給此類大橋水中基礎施工提供有效的經驗借鑒。古田溪特大橋7號水中墩集以上不利因素于一體，因此結合本工程項目結構特點和施工環境實際情況，對該墩關鍵施工技術進行研究，在實施中攻堅克難，取得了突破性技術成果。

1 工程概況

京福客專是第一條貫穿我國南北的高速鐵路大通道，古田溪特大橋位于合福客專古田縣，主要跨越閩江水口電站上游古田溪庫區而設，全長588 m，橋跨布置為(5×32)m簡支箱梁+(60+100+100+60)m連續梁+(2×32+24)m簡支箱梁，橋型總體布置如圖1所示。

其中連續梁7號主墩位于古田溪庫區中央，承臺設計為八邊形結構，結構尺寸為20.7 m×32 m×6 m，承臺底面位于最高施工水位以下6 m左右，承臺下設18根Φ2.8 m鉆孔樁。受下游水口電站泄洪及蓄水需要，庫區水位變化頻繁，經常急漲急落，最大水位落差達10.4 m。橋位處有網箱養魚，橋址處為裸露巖層，地形起伏較大，施工水深約43 m。鑒于以上復雜條件，7號墩是該橋施工重難點。

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2 施工方案

2.1 施工難點

分析7號墩施工有以下幾個難點：1) 7號墩位于古田溪庫區，受橋址下游水口電站影響，施工區域不通航，水庫區域大型起吊設備和駁船無法進入，施工設備選擇困難，深水套箱圍堰下沉困難。2) 庫區水域為網箱養殖，生態環保要求高，不能采取水下爆破，施工方法選擇受限大。3) 水文地質條件復雜，庫區最大水深43 m，水位落差最大10.4 m，水位變化頻繁且無規律，水中墩施工難度大。4) 庫區河床面為裸巖無覆蓋層、巖面傾斜不規則，鋼護筒、鋼管樁插打困難，施工平臺生根困難，樁基施工平臺方案選擇難度大。

2.2 基礎施工平臺方案比選

目前，國內水中墩基礎施工平臺方案主要有：1) 鋼圍堰平臺方案，即采用鋼圍堰沉放到河床上并灌筑封底混凝土進行穩固，在圍堰上搭設鋼結構平臺以構建基礎施工平臺[4-5]。2) 浮式平臺方案，即通過軍用浮箱等拼組浮體，拋錨定位后形成基礎施工平臺。3) 鋼管樁支架平臺方案，即通過施工鋼管樁，在樁頂安裝縱橫向分配梁、鋼平臺面板，形成基礎施工平臺[6]。4) 固腳鋼圍堰+鋼護筒支撐樁平臺方案，即根據水下河床面地形，設置高低刃角鋼圍堰及鋼護筒，利用起重提升設備，將圍堰及護筒下放至設計位置后，進行水下封底混凝土灌注穩固護筒，利用護筒支撐鋼結構平臺，形成基礎施工平臺[7-8]。各方案比選見表1。

2.3 施工方案確定

基于7號墩位處特殊的地形、地質和水文條件，針對7號墩基礎施工平臺方案，對表1中的4個平臺方案進行綜合比選，決定采用“固腳鋼圍堰+鋼護筒支撐樁”的基礎施工平臺方案。方案主要施工內容：1) 在橋墩位設置浮式平臺和水上浮式龍門吊機作臨時施工平臺及起重設備。2) 固腳鋼圍堰在陸上分塊加工、水上原位組拼、利用浮式龍門吊整體下放、封底混凝土分區灌注[9-10]。3) 鋼護筒陸上分節加工、現場采用浮式龍門吊逐根下放，鋼護筒兼作平臺支撐樁，浮吊配合人工安裝貝雷梁和型鋼作平臺上部結構,形成基礎施工平臺。

3 施工工藝

根據選定施工方案，確定7號墩基礎施工流程，如圖2所示。

表1 7號墩施工平臺方案比選

圖2 7號墩基礎施工工藝流程

3.1 水下地形測量

1) 將測量區域按照50 cm×50 cm間距劃分成虛擬平面網格，采用水中組拼軍用浮箱形成浮式平臺。2) 全站儀精確放樣，通過調整浮式平臺四角設置的錨機上錨繩的松緊，將浮式平臺精確、牢固錨定在測量區域作為測量操作平臺。3) 浮吊吊鋼管測釬入水測定位網格上各點處水深，并隨時觀測、記錄水位標高，并用水位標高(測時)減去水面位置刻度值即得到河床面各點地形標高。網格釬探裝置如圖3(a)所示，實測河床地形示意如圖3(b)所示。

3.2 水上簡易浮式龍門吊拼組

根據固腳圍堰的大小和鋼護筒的重量，設計拼組水上簡易浮式龍門吊，其結構如圖4所示，它既可用于圍堰的拼組、下沉，又可用于鋼護筒的接高、下沉和定位。

(a) 平面

(b) 立面

簡易浮式龍門吊主體結構由下部浮體和拼裝龍門2部分組成。其中下部浮體由軍用浮箱拼組而成，浮體前、后兩端均布置連接梁，并采用搶修高墩桿件將2組浮箱連接成一個整體，保證浮體的穩定性。連接梁使用貝雷梁，與浮箱通過精軋螺栓和壓板連接。在連接梁與浮箱之間，通過工字鋼形成“八字撐”，使浮體的平面結構達到穩定狀態。拼裝龍門結構由鋼支墩、縱梁、橫梁及頂面天車等設備組成，鋼支墩由搶修器材高墩 D 系列桿件器材拼組而成，縱梁、橫梁由貝雷梁拼組而成。水上簡易浮式龍門吊拼組工藝流程如圖5所示。

3.3 固腳鋼圍堰安裝

固腳鋼圍堰采用單壁鋼圍堰，由壁板、隔艙板、橫橋向主桁架、縱橋向次桁架、鋼護筒定位架和沉放系統組成；平面尺寸為21 m×32.3 m，與鋼護筒凈距大于0.5 m。固腳鋼圍堰安裝要點如下：1) 通過掌握浮式龍門吊和固腳鋼圍堰之間的相互關系，有效控制鋼圍堰下放過程中的平面位置。2) 通過在鋼圍堰頂部布置的多個測繩點，實時監控鋼圍堰下放過程中的平面高差及頂面高程。3) 精確的水下地形測量數據，鋼圍堰底部高低刃腳的合理設計，為固腳鋼圍堰準確著床提供了有利保障。固腳圍堰拼裝就位及下放如圖6所示。

圖5 水上簡易浮式龍門吊拼組工藝流程

3.4 固腳圍堰封底

根據河床地形情況，將鋼圍堰劃分成3 個混凝土灌筑艙區，如圖7所示。Ⅰ區圍堰頂設計標高+25 m，Ⅱ區、Ⅲ區圍堰頂設計標高+29.50 m；3個艙區之間用鋼桁架和鋼板構成的隔艙板隔斷，既減少圍堰內封底混凝土數量，又保證每根鋼護筒埋入封底混凝土長度。鋼圍堰和鋼護筒下端都切割成與河床地形基本吻合的高低刃腳[11-12]。

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固腳圍堰封底混凝土灌注施工步驟如下：1) 潛水員下水對固腳鋼圍堰投影范圍內河床面清淤，確保封底混凝土與河床面之間的粘結力。2) 用袋裝速凝混凝土封堵圍堰與河床之間空隙，以免封底混凝土流失。3) 根據河床地形及現場混凝土泵送能力，分區灌注封底混凝土[13-14]。

3.5 樁基施工平臺頂部結構施工

固腳圍堰封底混凝土灌注完成后，鋼護筒的穩定性得到可靠保障，隨后拆除浮式龍門吊，并利用浮吊依次安裝樁基施工平臺牛腿、貝雷梁、工字鋼、鋼板等結構，完成樁基施工平臺頂部結構安裝。

4 結束語

通過綜合對比選擇 “固腳鋼圍堰+鋼護筒支撐樁”基礎施工方案，解決了古田溪特大橋復雜環境條件下水中墩基礎施工的技術難題，主要認識如下：

1) 采用拼組式簡易浮式龍門吊，避免了傳統施工方案中大型設備投入，降低了工程施工成本。

2) 通過精確測量水下地形，設置高低刃腳鋼圍堰以固定主墩樁基鋼護筒，避免了水下爆破，最大限度減少了對生態的破壞，保護了庫區網箱養殖生態環境。

3) 采用主墩樁基鋼護筒支撐基礎作為施工平臺，大大降低了基礎平臺施工成本。

4) 施工過程中采用環保的施工理念和方案，取得了良好的經濟效益與社會效益，供類似工程參考。