V形大落差裸巖河床深水基礎雙壁鋼圍堰施工關鍵技術

梁之海

(中鐵二十局集團巴西建筑國際有限公司，江蘇 蘇州 212151)

1 工程概況

南龍鐵路合福聯絡線閩江特大橋位于福建省南平市延平區境內，橋梁跨越峰福鐵路、閩江和朱熹路，長891.211m，9～12號墩為主橋范圍，主橋為(118+216+118)m剛構連續梁，主跨216m為目前鐵路同類型剛構連續梁世界最大跨度。10，11號主墩位于閩江中，主墩高分別為61.5，60.0m，采用24根φ2.5m樁基，承臺尺寸為 30.25m×19.75m×5m，河道為Ⅳ級航道，最高通航水位69.02m，最低通航水位57.02m，施工水位為62.52m，設計流速V=3m/s，江面寬度420m，橋址平均水深17m。10號墩為V形大落差斜坡裸巖河床，無覆蓋層，承臺范圍內河床面高程為39.600～53.000m，最大高差13.4m，承臺底設計標高51.285m，承臺嵌入巖石河床內，靠近沖溝側存在懸空吊腳情況。樁基地質為弱風化花崗巖，巖石單軸飽和抗壓強度達160～220MPa。承臺采用雙壁鋼圍堰施工。

2 施工方案及關鍵技術

2.1 施工方案

根據河床掃測和地質綜合分析研究，10號墩承臺河床為V形高低不平裸露斜坡巖面河床，承臺大部分結構嵌入河床巖石內，另一部分承臺存在懸空，即承臺處于半嵌巖半懸空狀態，導致雙壁鋼圍堰存在“懸空吊腳”現象。雙壁鋼圍堰前側和右側懸空長度均為14m，懸空高度0.5～6.8m，在角點處懸空最大，給圍堰封底混凝土施工帶來極大困難。故鋼圍堰無法按常規采用吸泥出水下沉，雙壁鋼圍堰懸空吊腳結構設計及水下封堵施工、水下斜坡裸巖面基坑開挖、鋼圍堰錨固方法是V形斜坡巖河床嵌巖深水基礎施工及安全控制的關鍵。

深水基礎采用先堰后樁法施工，利用浮動鉆孔平臺進行基坑水下鉆孔爆破開挖后在水中下沉雙壁鋼圍堰，最大開挖深度7m(含封底層厚度)。V形斜坡巖大落差懸空吊腳處采用楔形塊+插板組合處理技術，鋼圍堰楔形塊、插槽與首節鋼圍堰同時拼裝焊接，首節鋼圍堰在岸邊搭設拼裝平臺分塊拼裝、下水、浮運至墩位處下沉，其余節段在墩位分塊拼裝、焊接接高、下沉到位，安裝插板、封堵及安裝鋼護筒，最后灌注鋼圍堰封底混凝土和隔倉混凝土，在鋼圍堰頂搭設鉆孔平臺進行鉆孔灌注樁施工，最后進行承臺、墩身施工。

2.2 施工關鍵技術

2.2.1雙壁鋼圍堰設計

2.2.1.1雙壁鋼圍堰標準節

水中墩鋼圍堰設計考慮通航安全影響，同時最大限度減少基坑水下爆破方量，減少承臺模板投入，方便鉆孔樁施工，鋼圍堰設計為矩形，圍堰內壁比承臺尺寸大25cm，即鋼圍堰內壁長30.75m，內壁寬20.25m，外壁長33.75m，外壁寬23.25m，內外壁之間相距1.5m。

鋼套底標高設計為48.000m，頂標高設計為66.000m，封底厚度為2.5m，鋼套箱全高為18.0m。將圍堰分成5節，底節4m(帶刃腳)，2～3節4m，第5節2m，內支撐2道。每節平面分成20塊，以便鋼圍堰拼組安裝，每塊質量控制在10t以內，便于設備吊裝。

根據施工水位情況決定最上部一節鋼套箱塊件是否安裝，如果過了汛期施工鋼套箱，鋼套箱上面一節不安裝，套箱頂標高為+64.000m。

側壁板內外殼板厚均為6mm，豎向加勁角鋼└75×75×8，間距為400，600mm，內外側壁板轉角處設角鋼連接。豎向加勁角鋼兩端均與水平桁架弦桿圍焊連接。

刃腳鋼板厚δ=6mm，頂面順坡度方向布置加勁肋角鋼，加勁肋角鋼兩端與內壁板水平桁架弦桿及外壁板加勁角鋼焊接，加勁肋中部焊接斜桿及水平桿支撐到外壁板加勁角鋼。

雙壁鋼圍堰標準節結構如圖1所示。

圖1 鋼圍堰標準節結構

2.2.1.2鋼圍堰懸空吊腳封堵結構

根據基坑開挖后河床地形掃測情況，鋼圍堰懸空段長度為28m，懸空高度為0.5～6.8m，鋼圍堰懸空吊腳結構設計分3種情況，具體如下。

1)懸空高度>3m 采用楔形塊+插板組合，充分適應地形變化，采用砂袋和隧道防水板進行水下封堵，懸空吊腳處分3次灌注封底混凝土。①楔形塊結構 楔形塊內外壁寬度等同標準節寬度，長度和高度通過實際地形確定，采用直角梯形結構，上口水平尺寸與標準節段一致。其中上游側(右側)設計1道楔形塊，高2.0～3.5m，長6.38m；大里程側(前側)設計2道楔形塊，高2.0～2.68m和2.68～3.5m，長分別為5.25m和6.38m。楔形塊雙壁厚度為1.5m，角點連接同標準節四角結構。②插板結構 插板能較好適應地形變化，單根工字鋼插板能夠與河床接觸，起到支擋防漏作用。插板采用I25b，長3～6m，工字鋼腹板與鋼圍堰外壁平行放置。插孔尺寸29cm×20cm，采用20mm厚鋼板與雙壁鋼圍堰外壁焊接而成，每根插板豎直方向設置2個插孔，插孔間距為1.3m。每2根插板之間中心間距40cm，空隙為15cm，插板空隙采用砂袋和防水板進行水下封堵。

2)懸空高度0.5～3m 直接采用插板處理。在標準節底節外壁焊接插孔，插孔尺寸29cm×20cm，采用20mm厚鋼板焊接在雙壁鋼圍堰外壁上,采用I25b插板作為骨架，采用砂袋及隧道防水板進行水下封堵，吊腳處分兩次灌注封底混凝土。

3)懸空高度0～0.5m 直接采用砂袋進行雙壁鋼圍堰外側封堵。

鋼圍堰懸空吊腳楔形塊結構如圖2所示。

圖2 雙壁鋼圍堰懸空吊腳處理結構(單位：cm)

2.2.2雙壁鋼圍堰施工

2.2.2.1基坑開挖及河床掃測

基坑水下鉆孔爆破開挖采用浮平臺配潛孔鉆鉆孔，孔徑為138mm，利用浮平臺配長臂挖機清碴，鉆爆平臺船采用RTK-DGPS定位。鉆孔爆破順序應根據V形河床的高程走向確定，從河床面底的一側向另一側分區域順序推進，炮孔一次鉆至設計要求高程(包括超深)，待基坑鉆孔爆破全部完成后一次性清渣，可減小分層爆破鉆孔卡鉆和跑鉆的風險。采用微差控制爆破技術，需進行專門的鉆爆設計。河床掃測及基坑測量采用多波束測深系統和回聲測深儀全覆蓋水深測量?；颖萍扒逶瓿珊?，對基坑進行硬式定深掃海或多波速掃海檢測驗收，確?；訚M足設計要求，并按照基坑掃測實際數據設計鋼圍堰懸空吊腳楔形塊和插板組合結構。

2.2.2.2雙壁鋼圍堰拼裝

雙壁鋼圍堰按照鋼結構加工標準制作，焊接需進行水密試驗。采用φ630×10鋼管樁搭設圍堰拼裝平臺，在鋼管樁上焊接I25b作為聯結系和承重梁，承重梁比現場水位高約50cm，在承重梁上鋪放木板搭設焊接作業平臺。鋼圍堰拼裝誤差應符合規定，內側平面尺寸偏差應不大于長、寬的1/500，曲線部分不大于半徑的1/500；相鄰隔艙頂面高差<100mm。

鋼圍堰楔形塊拼裝：由于鋼圍堰楔形塊部分高差懸殊較大，考慮到受力平衡，首先利用手拉葫蘆懸掛上、下游兩側楔形單元塊，再吊裝靠最低部分單元塊進行對接，逐節進行首節雙壁鋼圍堰拼裝，然后鎖定焊接，直到首節鋼圍堰頂部形成一個矩形平面后，方可進行楔形塊的焊接拼裝工作。鋼圍堰楔形塊拼裝完成后，需全面仔細檢查各焊縫有無氣孔、夾碴、漏焊等，并進行油密試驗，確認焊接良好并不漏水后方可下水。

2.2.2.3雙壁鋼圍堰底節下水及浮運

鋼圍堰底節下水需設置懸吊系統，包括承重梁和扁擔梁，利用鋼管樁作為承重柱，在鋼管樁上設置單層3×I50a作為承重梁，在每個承重梁上設置2個100t千斤頂。在千斤頂上設置2×I50a扁擔梁。精軋螺紋鋼下部和鋼圍堰連接，上部和扁擔梁固定。鋼圍堰底節楔形塊導致四周質量不平衡，可通過不平衡注水措施進行調節，保證首節下水后在浮運過程中保持平衡。鋼圍堰底節浮運過程中，利用機動舟與浮運船四角錨機，將圍堰浮運至墩位處。鋼圍堰浮運水域必須進行水深掃測，特別注意楔形塊部位的潛入深度，防止鋼圍堰擱淺導致損壞。

2.2.2.4雙壁鋼圍堰下沉及著床

雙壁鋼圍堰首節浮運到墩位后，設置下沉定位導向平臺，安裝限位系統，在四角分別安裝1臺3t錨機，采用拋擲重力錨進行錨固，使圍堰穩定垂直自浮，通過調整導向平臺四角錨機，使鋼圍堰精確就位，并穩定于墩位中心。按照設計插孔位置將I25b插板安插在插孔內，并采用鐵絲固定在鋼圍堰外壁上，然后依次進行2，3，4，5號節鋼圍堰分塊焊接、分節接高下沉。注意每節段接高時要隨拼裝，隨調整，待全部點焊成型后，方可全面焊接，先焊水平弦板，后焊內壁，再焊外壁，并按對稱施焊要求進行。

鋼圍堰的著床定位是施工中的關鍵工序，直接影響圍堰最終的定位質量，特別是鋼圍堰存在懸空吊腳情況，存在鋼圍堰著床傾覆的風險。圍堰著床前采用GPS定位系統進行測量定位，調整圍堰的傾斜和偏位。鋼圍堰下沉至基坑面0.5m時，再次進行精確測量定位，采用10臺抽水機向10個隔倉同時注水，使圍堰迅速下沉著床。

鋼圍堰平穩著床后，立即將非懸空部位鋼圍堰隔倉注滿水壓實，并及時灌注嵌巖側隔倉混凝土，外壁與基坑壁之間拋填片石或砂袋進行封堵，懸空部分鋼圍堰隔倉混凝土需待封底混凝土灌注完成后進行灌注，可有效防止鋼圍堰懸空而導致鋼圍堰傾覆。雙壁鋼圍堰下沉導向定位平臺如圖3所示。

圖3 鋼圍堰下沉導向定位平臺

2.2.2.5鋼圍堰插板下放著床及封堵

鋼圍堰插板著床是鋼圍堰施工的重要工序，關系到圍堰的封底質量乃至整個鋼圍堰的穩定及系統安全。鋼圍堰整體著床就位后，采用導鏈和潛水員水下配合下放插板著床，由專業潛水員進行水下摸探封堵，同排插板采用型鋼連接成整體增大其橫向剛度，插板內壁采用δ=5mm鋼板、隧道防水板、砂袋組合進行封堵，確保封底混凝土不外流或少外流。

2.2.2.6鋼圍堰封底

鋼圍堰著床隔倉混凝土灌注后，在鋼圍堰頂搭設鉆孔平臺貝雷梁，在貝雷梁上部安裝I22b并鋪裝木板，使其滿足鋼護筒下沉和灌注封底混凝土的施工空間。在平臺上部搭設鋼護筒導向架，利用浮吊配合安設鋼護筒，為防止斜坡巖面封底過程中鋼護筒移位，在護筒內部拋擲砂袋。鋼護筒設置2層橫向連接桿，上層橫向連接桿采用在安裝鉆孔平臺貝雷梁底部標高位置焊接I40b聯結系，工字鋼頂面與貝雷梁底部密貼，工字鋼聯結系兼作貝雷梁的承重梁；下層橫向連接桿接采用φ200×8鋼管縱橫向連接，設置在距離水面50cm位置處。兩層橫向連接將24個鋼護筒和鋼圍堰連接成一個整體。

灌注水下封底混凝土是雙壁鋼圍堰施工的重要環節，鋼圍堰懸空吊腳處的封底質量是控制重點。采用C25混凝土進行封底，封底順序：先分次灌注懸空吊腳處封底混凝土，后灌注其他正常部位，最后灌注懸空吊腳處隔倉混凝土。具體施工工藝要求如下。

1)水下混凝土封底前，對圍堰內基底河床標高進行詳細測量，每隔1～1.5m測量1個點位，重點對護筒周圍和圍堰四角加密測量，不宜出現嚴重超挖或欠挖區域。對鋼圍堰懸空吊腳處插板封堵進行潛水摸探檢查，確保封堵嚴密，盡量減少封底混凝土外流。

2)鋼圍堰懸空吊腳處采用楔形塊+插板組合圍擋，插板的水平抵抗承載能力相對較弱，為減少新澆混凝土對插板的側壓力，先分兩次灌注鋼圍堰懸空吊腳處封底混凝土至插板頂覆蓋楔形塊100cm左右，需等下一層混凝土凝固后方可灌注上一層混凝土，然后間隔24h后方可進行全斷面正常封底。灌注過程中由潛水員配合進行探摸，確保懸空部位的封底質量。

3)鋼圍堰全斷面封底混凝土灌注順序：從上游角點開始，按順序往下游方向進行，確保圍堰內水位高于圍堰外約1m。一般導管封底作用半徑按2.5m控制，導管底部應高出基底20～30cm，每個部位一次灌注至設計高程。

2.2.2.7汛期雙壁鋼圍堰防洪度汛措施

雙壁鋼圍堰有兩個最不利工況：①鋼圍堰封底鉆孔樁施工過程中，由于樁基未施工完成，樁基與封底混凝土還未形成穩定錨固結構，遇到特大洪水時，鋼圍堰處于不利因素；②在承臺施工中，鋼圍堰內水抽干，此時鋼圍堰浮力最大，鋼圍堰封底混凝土質量及封底混凝土與樁體錨固質量是關鍵，遇到特大洪水時，浮力增大，存在鋼圍堰傾覆的危險。

主墩承臺施工位于閩江主汛期，為保證雙壁鋼圍堰安全度汛，除了按照常規設計及施工技術方法度汛外，還采用預應力錨固技術措施，具體如下：在靠近鋼圍堰內壁(四角)橋梁樁基水下混凝土灌注中埋設2根預應力精軋螺紋鋼筋，錨固長度≥5m，精軋螺紋鋼筋底端設置下墊板+螺母，在樁身混凝土強度達到85%后，在圍堰頂設置反壓梁，采用2×I40b，張拉精軋螺紋預應力筋,單根張拉控制力500kN，共增加2 000kN錨固力將鋼圍堰與樁體進行錨固，增加了防止鋼圍堰上浮及抗傾覆安全系數，確保汛期施工安全。鋼圍堰預應力錨固平面布置如圖4所示。

圖4 雙壁鋼圍堰預應力錨固平面布置

3 質量控制要點

1)采用先進水下測量設備，嚴格控制基坑開挖質量。基坑爆破及清渣完成后，對基坑進行硬式定深掃?；蚨嗖ㄋ賿吆z測驗收，對河床地形詳細了解，確保基坑滿足設計要求。

2)基坑邊坡不得有大體積的孤石懸挑，以防孤石滑落影響鋼圍堰著床就位，個別孤石由潛水員潛水采用裸露爆破消除。

3)圍堰在接高、灌水、填充混凝土及注水下沉時，應嚴格控制圍堰內、外水頭差，保證隔艙內混凝土面與水面差及河水面與圍堰內水面之差在設計范圍內；同時注意圍堰頂露出水面高度在1.5m左右以滿足汛期影響。

4)由于圍堰第1次接高時，底節還沒有下沉至河床穩定深度，為此，接高后應迅速使其下沉至穩定深度。切忌在下沉至穩定深度前，使圍堰露出水面的高度過大，并及時調整各倉水位，防止圍堰重心偏大而發生意外。

5)圍堰接高下沉時，應有足夠的自重力，其沉降系數應≥1.2；采用倉內灌水增加自重下沉時應注意對稱加載，并注意因懸空吊腳處楔形塊導致鋼圍堰不平衡浮力的影響，嚴防圍堰發生傾斜。

6)嚴格按照設計順序進行封底混凝土和隔倉混凝土的灌注施工，特別注意鋼圍堰懸空吊腳部位的封堵和封底質量控制，防止鋼圍堰傾覆，保證封底質量，施工過程中需要潛水員進行探摸監控。

4 結語

1)V形斜坡巖河床深深水基礎采用先堰后樁法施工，即“先水下爆破、清基，然后下沉雙壁鋼圍堰，最后再施工鉆孔樁”的施工方法。爆破開挖比沖擊鉆機錘擊開挖速度快，避免出現沖擊盲點影響鋼圍堰下沉及封底質量，基坑開挖質量可靠。

2)雙壁鋼圍堰全部為水中下沉至基坑底面，著床容易準確定位，一般鋼圍堰平面尺寸與承臺基本保持一致(可適當加大)，采用鋼圍堰內壁作為承臺模板，減少基坑開挖方量，加快進度，可降低施工成本。

3)鋼圍堰底節采用楔形塊+插板組合形式，解決了V形斜坡巖河床深水基礎大落差懸空吊腳鋼圍堰浮運、下沉及封底施工技術難題，克服了常規雙壁鋼圍堰底節形狀規則的缺點。該結構形式新穎、操作方便，能充分適應地形變化，無需水下焊接，保證了鋼圍堰與河床緊密結合，封底效果較好。

4)采用預應力錨固技術措施錨固鋼圍堰，大大增加了山區河流斜坡巖河床雙壁鋼圍堰的防洪度汛安全系數，施工方便，安全可靠。