深水湖區深大橋梁承臺基坑施工技術探析

肖雨晨 （北京化建建筑工程有限公司，北京 102300）

1 引言

在常規橋梁基坑施工中，一般采取坑內排水機械干法作業進行坑內土方開挖，同時針對深度較大的基坑設置內支撐對圍護結構進行支撐。基坑開挖、支護遵循先支撐后開挖、隨挖隨支的原則進行施工，以確保支護結構安全。但由于特殊的橋位水文特點、地質條件及作業環境，給挖掘機械直接開挖及保障支護結構安全帶來了極大的難度。然而采取鎖口鋼管樁進行基坑支護，機械挖掘配合坑內回灌水，潛水員水下吸泥的組合開挖方式，為深大基坑安全施工創造了有利條件。

2 工程概況

2.1 橋梁結構概況

本工程橋主橋跨越安慶市石門湖航道，主橋設計采用3跨1聯81+148+81m連續剛構。主墩P54、P55#墩位于安慶市石門湖現狀航道兩側。連續梁主墩設計采用鉆孔灌注樁基礎，主橋主墩設計樁徑φ2m，樁長57.5m，共計28根。主橋主墩承臺長寬高截面尺寸為46.9×13.2×5m，承臺頂標高5.7m，主橋承臺采用C35混凝土澆筑。主橋墩柱采用Y型結構設計，墩柱全高19.7m，分為下部“一字型”及上部“V字型”兩部分。主橋墩柱、承臺結構尺寸如圖1所示。

圖1 主橋墩柱、承臺尺寸構造圖（單位：mm）

2.2 橋位處地質、水文情況

擬建承臺處地質主要為粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、卵石土、強風化巖及中風化巖。根據建設工程勘察報告，主橋P54#墩位處自上而下土層物理力學性質見表1。

土層物理力學性質 表1

擬建主橋P54#主墩承臺處位于石門湖航道K8里程段，經對近5年石門湖航道水位情況分析，2016年7月航道水位達到最高值16.513m，與當地水利局提供洪評文件中20年一遇洪水位16.231m大致相一致。通過對水位變化情況分析，每年4月至10月間，石門湖航道水位已超過擬建承臺處原地面，主橋承臺開挖計劃于7～8月進行施工，均為水中作業。航道近5年水位變化見圖2。

圖2 石門湖航道五年水位變化曲線圖

3 支護結構設計

主橋P54#墩承臺基坑圍堰采用長度32m鎖口鋼管樁進行止水支護，鋼管樁選用直徑φ710mm壁厚10mm材質Q355螺旋鋼管制作，鋼管間采用“CO”套型鎖口進行連接，圍堰平面尺寸為51.1×16.4m。基坑圍堰防洪標準按20年一遇洪水位計算，最大抽水及開挖合計深度達17.8m，結合支護結構受力分析，圍堰內共布置三道內支撐，第一道對撐及斜角撐均采用直徑φ426mm，壁厚10mm材質Q235螺旋鋼管，對撐長度15.43m，橫向間距為6@5m，單個斜角共設置三道斜角撐。第一道圍檁采用單根HW400×400型鋼。第二道對撐采用直徑φ609，壁厚16mm材質Q235鋼支撐，對撐長度14.83m，橫向間距為6@5m，四角斜撐共設置三道，采用直徑φ 609、壁厚16mm鋼支撐及雙拼2-HN700×300型鋼。第二道圍檁采用雙拼2-HN700×300型鋼。第三道對撐采用直徑φ820mm，壁厚12mm材質Q235螺旋鋼管，對撐長度14.83m，橫向間距為6@5m，四角斜撐共設置三道，采用直徑φ820mm、壁厚12mm螺旋鋼管及三拼3-HN700×300型鋼。第三道圍檁采用三拼3-HN700×300型鋼。圍堰內封底混凝土強度為C35，設計封底厚度2m。主墩鎖口鋼管樁圍堰設計如圖3、圖4，縱立面布置見圖5。

圖3 主墩鎖口鋼管樁圍堰設計平面圖（單位：m）

圖4 主墩鎖口鋼管樁圍堰設計立面圖（單位：m）

圖5 主墩縱立面布置圖（單位：m）

鎖口連接大樣圖

4 施工工藝流程

①橋梁鉆孔樁施工完成后，拆除鉆孔平臺→②借助于樁基鋼護筒焊接定位導向架→③利用85t履帶吊及DZ150型振動錘打入鎖口鋼管→④安裝首道內支撐→⑤第一次抽水（抽水深度5.5m）→⑥安裝第二道內支撐→⑦抽水2.032m，長臂挖機機械開挖1.468m→⑧回灌坑內水位至坑外水位標高，水下開挖至設計封底底→⑨澆筑封底混凝土→⑩坑內抽水至封底頂。

5 基坑開挖支護關鍵技術

5.1 基坑支護設計要點

基坑最大抽水及開挖深度達17.8m，河床上部水深7.5m，河床下部開挖10.3m。考慮挖掘機械在坑內作業空間限制及在開挖過程中支護結構安全，結合地質土層特性，提出在基坑開挖過程中，最大限度地采取機械挖掘作業，以提高基坑開挖效率，為此在長臂挖掘機械最大開挖深度以上50cm處設置第三道鋼支撐。支撐完成安裝后，由于無法繼續采取長臂挖掘機械開挖，若采取常規人工內部沖泥或機械抓斗干法開挖作業，一是降低施工工效，二是隨著基坑深度增加，需增加內支撐層數，增大深大基坑內支撐安裝難度及作業安全風險。為此提出采取坑內回灌水，潛水員水下射水吸泥的開挖方式，以平衡支護結構坑內外壓力，同時在基坑開挖至設計坑底標高后，采取水下封底工藝，利用封底混凝土的抗壓強度作為支護結構內支撐，并充分利用鎖口鋼管樁強大的抗彎剪能力，減少基坑內支撐層數，為下一步橋梁承臺結構施工創造了大空間的作業環境，同時提高基坑施工效率及支護結構安全性。

圖6 主墩鎖口鋼管樁圍堰總體施工流程圖

5.2 支護樁受力分析

基坑開挖深度一定，支護結構坑外主動土壓力一定，為減少支護結構內力變化，保證支護結構安全，采取措施一是增加內撐層數，減小支護樁計算跨度，二是支護結構選用抗彎、剪能力強的材料，三是減小支護結構坑內外主被動壓力差，盡量做到平衡，四是增加坑底被動土抗力。鑒于以上措施，該基坑在完成第三道內支撐安裝后，采取回灌水以平衡坑內外水土壓力，利用混凝土封底作為支護結構剛性鉸支點，并采用抗彎剪能力強的鎖口鋼管樁作為支護材料，保證了基坑開挖過程中的安全性，并為下步承臺一次性施工提供空間。以下針對帶水及不帶水開挖工況做對比分析，支護結構內力按彈性支點法計算、穩定性按經典法計算。

圖7 基坑帶水開挖土壓力計算簡圖（單位：m）

圖8 基坑帶水開挖嵌固穩定性計算簡圖（單位：m）

圖9 基坑帶水開挖鎖口鋼管樁彎曲應力（單位：MPa）

圖10 基坑不帶水開挖鎖口鋼管樁彎曲應力（單位：MPa）

圖11 開挖工況支護管樁最大應（反）力

圖12 開挖工況支護結構穩定性

經對比分析，在相同支護結構設計及不同開挖方式條件下，基坑在回灌水作業工況下，相較干法開挖作業，支護結構應力有較大程度降低，并滿足鋼材應力取值要求，同時基坑穩定性也有較大安全保證，滿足規范中一級基坑安全系數要求。

5.3 水下吸泥工藝簡述

第三道圍檁及內支撐安裝完成后，首先對坑內進行回灌水，坑內回灌水位標高13.8m，再采用潛水員水下吸泥作業，直至清淤至承臺底設計標高下2.0m處。

吸泥設備使用3臺型號XP950E額定功率160kW空壓機和6臺9.2kW內裝式高壓潛水泵組合為自制吸泥機進行水下吸泥作業。由于該地層土質特性為高粘聚力淤泥質粉質黏土及粉質黏土，需采取潛水員水下作業。潛水員利用9.2kW內裝式高壓潛水泵由坑外抽水，形成高壓射水，沖擊河床淤泥，使淤泥打散成堆，再利用直徑φ50mm高壓氣管將160kW空壓機產生的高壓氣體由直徑φ273mm排渣管底部向上鼓入，充分利用氣體逃逸產生的動能，帶動已打散的松軟土體進入直徑φ273mm排渣鋼管，排出基坑外。在排渣過程中，持續利用潛水泵向坑內回灌水，保證坑內水位標高不低于坑外水位，以減小支護結構內外壓力差。排渣鋼管采用起重設備吊掛，汽車吊站位于基坑兩側支棧橋。排渣管出口位于航道側，以利于泥漿船停泊，進行儲渣外運。

圖13 水下開挖原理圖

圖14 水下開挖實景圖

圖15 基坑水下封底

圖16 橋梁承臺施工

6 結語

在深水湖區施工中，應充分對基坑所處地質、水文情況進行充分調查，并結合基坑開挖深度及作業環境合理選擇支護結構材料及開挖方式，對超深基坑圍堰支護材料盡量選用截面剛度較大的支護材料，并可采用回灌水配合潛水員水下開挖及水下封底的方式，在確保基坑安全前提下，盡可能減少支撐層數，為主體結構施工帶來便利。

勇進路大橋主橋已完成承臺施工，施工中基坑支護結構各監控指標數據正常，承臺施工安全、質量均可控，為其他同類型深水湖區承臺施工提供了借鑒經驗。