深厚軟基深埋式承臺圍堰方案比選與分析

曾 健，賀希英，江曉陽，劉 鴿，胥雅韌

（中交第二航務工程局有限公司、長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北武漢 430040）

1 工程概況

曹娥江大橋16#墩承臺為北岸主塔基礎，通過2 m 厚塔座與主塔連接，為八邊形深厚軟基承臺，承臺外輪廓尺寸為44.0 m×27.6 m，厚度為6 m，每個承臺下設置30 根直徑為2.5 m 的鉆孔灌注樁，樁基呈梅花形交錯布置，并設置永久鋼護筒。

16#主墩承臺為埋入泥面以下的低樁承臺，承臺所處地層從上至下依次為粉砂層、流塑狀淤泥質粉質粘土層及粉質粘土層，薄弱層位于中間夾層，且淤泥質粉質粘土層厚度達27.0 m，其中流塑狀淤泥質粉質粘土粘聚力C值僅11～18 kPa，內摩擦角僅3.1°～3.5°，類似于豆腐腦狀態，該類地層較為少見。16#主墩位于曹娥江水域中施工，對環境保護和施工環保管理要求高。每年3～9 月份的梅雨季與臺風季，曹娥江大閘建成后，曹娥江成為內河，正常高蓄水位3.9 m，航道內水流流速小于2 m/s。16#主墩承臺地質見圖1 所示。

圖1 16#主墩承臺地質

2 設計難點

曹娥江大橋為越東路互通連接線關鍵控制性節點，145 m 水滴形索塔以及大跨度鋼混組合梁安裝等施工技術難度高，工序轉換頻繁，僅36 月施工期需具備通車條件，施工工期極為緊張。同時16#主墩在航道附近，等級為內河Ш 級，有大型船只往來，施工風險性較高。而16#主墩承臺埋深大、所處地質條件極差，該深厚軟基深埋式大體積承臺施工國內罕見，存在基坑開挖難度大，基底隆起風險高，圍堰嵌固穩定難以保障等難題，須選用合適的圍堰結構[1]、合理的入土深度及必要的支撐結構保證圍堰強度、剛度和穩定性。

3 設計方案

16#墩承臺體積大，基坑土抗剪強度低，開挖深度10 m，主動區土壓力與被動區土壓力相差大，導致基坑嵌固穩定、隆起風險大，圍堰內外水頭差12 m，使得基坑滲漏及安全風險高，開挖風險大。通常對于深水施工圍堰，可采用雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁圍堰及加強鋼板樁圍堰等結構型式，本項目針對承臺特點及水文地質條件，考慮以下三種方案施工：保持圍堰內外水位平衡帶水開挖，淤泥質土不做加固處理的PC 工法鋼圍堰（方案1）；對基坑內淤泥質土采用高壓旋噴樁進行加固，帶水開挖，考慮3 m 加固土與3 m 封底混凝土共同抵抗內外水頭差的鋼板樁圍堰（方案2）；抽水干挖施工，對基坑內土加固改良，加固厚度7 m 的鋼板樁圍堰（方案3）。圍堰設計參數見表1。

表1 圍堰設計參數對比

3.1 方案1

方案1 支護樁采用PC 樁（SP-IVw 鋼板樁與?820×14 鋼管樁組合），樁長47 m，支護樁頂高程4.5 m，底高程-42.5 m。根據承臺尺寸及形狀圍堰設置為承臺外輪廓外擴1.5 m 的矩形圍堰[2]，支護樁采用SP-IVw 鋼板樁，圍堰內設置三道支撐體系，第一層圍檁采用2HN700×300 的型鋼，二、三層圍檁采用 4HN900×300 的型鋼，第一層角撐采用?609×16 的鋼管，二、三層采用?800×14 的鋼管，一至三層中間對撐均采用?800×14 的鋼管。

施工步驟為：①制作導梁插打支護樁，確保支護樁間連接牢靠；②抽水至第一層圍檁下1 m，安裝第一層支撐；③回灌水保持內外水位平衡，帶水開挖至基坑底；④澆筑水下3.8 m 封底混凝土；⑤抽水至第二層圍檁下1 m，安裝第二層支撐；⑥抽水至第三層圍檁下1 m，安裝第三層支撐；⑦抽水至基坑底分層澆筑承臺；⑧待塔座施工完畢，進行土體回填，平衡內外水位，拔出支護樁。圍堰立面布置見圖2 所示。

圖2 方案1 圍堰立面布置

3.2 方案2

方案2 采用高壓旋噴樁行地基加固處理，加固深度3 m，然后澆筑3 m 封底混凝土與加固土共同抵抗基坑內外水頭差產生的浮托力。圍堰立面布置見圖3。

圖3 方案2 圍堰立面布置

淤泥質粉質黏土層采用二重管高壓旋噴樁加固，樁徑?800 采用梅花型布置，樁數約3 500 根。加固機理：利用旋噴鉆機鉆孔至設計底高程后，通過高壓旋噴設備將鉆桿下放到設計底高程，然后通過高壓旋噴設備使噴嘴以一定的壓力把漿液噴射出去，高壓射流沖擊切割土體，使土體結構破壞，漿液與土體攪拌混合固化，然后隨著注漿管的旋轉和提升而形成圓柱形樁體，凝固后便在土體中形成具有一定強度的固結體，具有止水與土體加固的作用。二重管高壓旋噴樁加固如圖4 所示。方案2 施工步驟為：①制作導梁插打支護樁，確保鋼板樁間連接牢靠；②高壓旋噴樁進行地基加固，加固厚度為3m；③抽水至第一層圍檁下1 m，安裝第一層支撐；④開挖并抽水至第二層圍檁下1 m 安裝第二層支撐；⑤加固土體達到設計強度后，回灌水保持內外水位平衡并繼續開挖至基坑底；⑥澆筑水下3.0 m 封底混凝土；⑦抽水至第三層圍檁下1 m 安裝第三層支撐；⑧抽水至基坑底分層澆筑承臺；⑨待塔座浮出水面，進行土體回填，平衡內外水位，拔出鋼板樁。

圖4 二重管高壓旋噴加固示意

3.3 方案3

方案3 圍堰結構布置同方案2，同樣采用高壓旋噴樁進行地基加固，加固厚度增加為7 m，抽水干挖施工，由改良后的加固土抵抗內外水頭差。施工步驟為：①制作導梁插打支護樁，確保鋼板樁間連接牢靠；②高壓旋噴樁進行地基加固，加固厚度為7 m；③抽水至第一層圍檁下1 m，安裝第一層支撐；④加固土體達到設計強度后，開挖并抽水至泥面線，安裝第二層支撐；⑤開挖并安裝第三層支撐；⑥開挖至基坑底，澆筑0.2 m 混凝土墊層；⑦分層施工承臺，并拆除影響承臺施工的支撐；⑧待塔座施工完畢，進行土體回填，平衡內外水位，拔出鋼板樁。圍堰結構布置見圖5。

圖5 方案3 圍堰立面布置示意

4 設計方案比選

圍堰基坑安全等級按一級控制[3]。模型計算考慮基本組合與標準組合兩種工況，水土壓力采用水土分算，經計算分析，三種圍堰設計方案各施工控制工況下結構應力、變形及穩定性均滿足規范[4]要求，結構可靠。各個方案圍堰嵌固穩定性系數、隆起穩定系數及主要構件應力計算結果見表2。

表2 圍堰主要計算結果對比

各個設計方案工程量及造價統計見表3。

表3 圍堰工程量對比

4.1 隆起及嵌固穩定風險

方案1 中基坑開挖底高程為-11.8 m，流塑狀淤泥質粉質黏土層頂高程為-12.37 m，承臺基坑近乎坐落在軟基土層。為有效降低基坑開挖過程中的風險，方案1 需采取措施降低圍堰內外壓力差。可在后續圍堰開挖過程，采取圍堰內注水及圍堰外側吸泥盡量降低基坑開挖時圍堰內外壓力差，降低基坑坑底隆起風險及圍堰底部嵌固問題。同時方案1 為滿足圍堰基坑隆起及圍堰嵌固穩定性條件，鎖口鋼管樁需穿透淤泥質粉質粘土層，進入粉質粘土層，底高程-42.5 m，鎖口鋼管樁長度達47 m。而47 m超長鎖扣鋼管樁圍堰目前國內很少有實施案例，施工風險較大，主要風險點為：①支護樁需現場接長，接樁后47 m 超長鎖扣鋼管樁垂直度難以控制，后期鎖口咬合質量無法控制；②47 m 超長鎖扣鋼管樁入泥約42 m，沉放精度難以控制，且沉放設備要求高，易造成鋼管樁變形。以上兩點易導致圍堰內抽水環節及承臺干作業過程中圍堰滲水甚至涌砂，導致圍堰施工失敗。

方案2 與方案3 采用高壓旋噴樁對基坑內淤泥質粉質黏土層加固，被動區土壓力得到增強，消除了深厚軟基產生的不利影響，解決基坑隆起及支護樁傾覆風險。高壓旋噴樁施工技術在地基加固過程中，能提升地基整體質量，具有施工方便、適用范圍廣、耐久性良好等特點[5～8]。但方案3 相對于方案2，土體加固范圍大，鉆桿需至少鉆進12 m 到達加固土層，高壓旋噴樁加固效果難以保證，對施工質量要求高。

4.2 封底混凝土及握裹力

方案1 中為抵抗施工中產生的水頭差，需遵循上游到下游的順序[9]澆筑3.8 m 厚約4 700 m3的混凝土，澆筑體量大，封底質量及握裹力無法保障，后期可能存在封底滲漏及抗浮不滿足規范要求等問題；方案2 中采用旋噴樁加固3 m 與水下澆筑3 m封底混凝土處理，提取模型結果計算護筒握裹力最大值為95＜120 kPa，混凝土強度1.22＜1.43 MPa，滿足規范要求；方案3 加固厚度7 m，不澆筑混凝土時，存在旋噴樁與鋼護筒、鋼板樁貼合部位施工質量難以保證的問題。

4.3 施工周期

方案1 中47 m 超長鋼管樁圍堰，施工周期長，工期137 天左右并且工期難以保證；方案2 與方案3 采用鋼板樁作為支護樁，結構簡單，輕型設備即可施工，鋼板裝拆方便，可周轉使用，施工過程較為流暢高效，方案2 與方案3 工期總計約120 天左右。

通過以上三種方案比選，結合造價、施工風險及工期等因素曹娥江16#主墩圍堰采用方案2 進行施工，先插打鋼板樁進行地基加固，隨后帶水分層開挖并安裝內支撐。方案2 采用21 m 鋼板樁且僅需加固3 m 淤泥質土可有效降低施工風險，節省工程造價及工期，增加工作效率。但實際項目中地質情況復雜，需加強對加固后土體質量檢測，以便及時調整施工工藝。

5 結語

曹娥江大橋16#主墩承臺位于主河道中，承臺水面下埋深達12 m，基底為淤泥質黏土層，采用高壓旋噴樁結合封底混凝土加固成功的解決了深厚軟基中大體積承臺施工難題。方案1 施工相對簡單，工期短，造價低，對深水軟基中圍堰設計具有一定的參考意義。