風(fēng)積沙峽谷上架起西拉沐淪大橋

文/圖 中交路橋建設(shè)有限公司 常魁星 張錚

西拉沐淪大橋全長(zhǎng)2064米，跨越遼河源頭西拉沐淪河，橫亙?cè)跍喩七_(dá)克沙地上。主橋?yàn)?28+5×240+128米六塔七跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，采用單索面雙排斜拉索，主墩橋面高度170米，墩塔外觀形似寶劍，與古老的紅山文化交相輝映，串聯(lián)起了克什克騰世界地質(zhì)公園，彰顯人與自然和諧共生的建筑理念。

西拉沐淪大橋由中交路橋華北工程有限公司承建，從進(jìn)場(chǎng)一片荒蕪，到西拉沐淪大橋棧橋貫通；從超長(zhǎng)樁灌注，到超大體積圍堰承臺(tái)施工；從全封閉液壓爬模推進(jìn)，到寬幅掛籃推進(jìn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選定主攻方向，不斷探索，形成了一批在前瞻科技、核心領(lǐng)域具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果。

項(xiàng)目難點(diǎn)

渾善達(dá)克沙地是中國(guó)十大沙漠沙地之一，位于內(nèi)蒙古中部錫林郭勒草原南端。第四紀(jì)受東亞季風(fēng)及其變遷影響，環(huán)境在溫帶荒漠草原至森林草原之間波動(dòng)變化，沙漠?dāng)U展與沙丘固定，形成溫帶黃色季風(fēng)型沙漠沉積。

西拉沐淪河又名潢水，發(fā)源于渾善達(dá)克沙地邊緣的克什克騰旗境內(nèi)，全長(zhǎng)1250公里。中國(guó)考古學(xué)泰斗蘇秉琦先生曾說，如果說黃河是中華民族的母親河，那么西拉沐淪就是我們的祖母河。經(jīng)過億萬(wàn)年的流水侵蝕，在渾善達(dá)克沙地形成了西拉沐淪大峽谷。

風(fēng)積沙多見于沙漠、戈壁，粒徑主要分布在0.074毫米至0.25毫米之間，一般具有結(jié)構(gòu)松散、級(jí)配不良、孔隙率大、透水性強(qiáng)、保水性較差、水穩(wěn)性好、黏聚力小甚至無(wú)黏聚力、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，其礦物成分以石英、長(zhǎng)石、云母為主，易溶鹽含量很小，其化學(xué)性質(zhì)呈微堿性，無(wú)腐蝕性。

西拉沐淪大橋是目前國(guó)內(nèi)首座在風(fēng)積沙峽谷區(qū)建設(shè)的橋梁

在沙漠中建設(shè)大橋，基礎(chǔ)能否穩(wěn)固成型決定了建設(shè)走向，西拉沐淪大橋最長(zhǎng)樁基深度102米，大部分樁基都處于70米以上的風(fēng)積沙地層中，部分橋墩位于西拉沐淪河兩岸風(fēng)積沙山坡上，進(jìn)行岸坡開挖和樁基施工，事故發(fā)生率往往很高且速度慢。

首先，在施工建設(shè)過程中，必須搭設(shè)堅(jiān)實(shí)牢固的作業(yè)平臺(tái)，以滿足設(shè)備和勞動(dòng)力作業(yè)環(huán)境要求，而施工墩位處作業(yè)平臺(tái)需要對(duì)承臺(tái)周邊山體進(jìn)行切坡，墩位開挖防護(hù)難度大，極易造成岸坡面大面積滑塌。由于岸坡高差大，加之受雙向臨空面影響，上坡面主動(dòng)土壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)項(xiàng)目，岸坡支護(hù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、復(fù)雜性、可控制性超出預(yù)期。

其次，特種機(jī)械作業(yè)需要在堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固，保持一定水平位置的作業(yè)面，才能保證機(jī)械安全。目前修建鉆孔平臺(tái)、實(shí)施支護(hù)措施的施工機(jī)械在風(fēng)積沙坡面沒有穩(wěn)定的作業(yè)面，自身安全穩(wěn)定也無(wú)法保證。

除此之外，在巨厚砂層中鉆孔灌注樁施工易造成塌孔、埋鉆事故，嚴(yán)重者易出現(xiàn)塌串孔；砂粒細(xì)度細(xì)，清孔難度大，澆筑過程中沉淀快,易引起孔內(nèi)沉渣厚、樁底有缺陷；灌注混凝土?xí)r局部孔壁坍塌造成樁身“夾心”的缺陷。

如何因地制宜，確定可行、可靠的風(fēng)積沙岸坡注漿加固方法和超長(zhǎng)大直徑樁成孔工藝，又好、又快、又安全地完成橋梁基礎(chǔ)施工，一直是工程建設(shè)者努力的方向和追求的目標(biāo)。

西拉沐淪大橋，跨越遼河源頭西拉沐淪河，橫亙?cè)跍喩七_(dá)克沙地上。

在大量工程背景下，風(fēng)積沙的研究主要集中在風(fēng)積沙化學(xué)和礦物成分、顆粒組成、基本的物理性質(zhì)、施工工藝和質(zhì)量檢測(cè)方法等，對(duì)風(fēng)積沙岸坡的加固效果和機(jī)理的研究仍是空白。國(guó)內(nèi)對(duì)于巨厚風(fēng)積沙層大直徑長(zhǎng)樁的研究很少，只是就厚砂層鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量控制病害防治有部分研究，尤其是對(duì)于風(fēng)積沙層大直徑樁，細(xì)沙層在40米以上的長(zhǎng)樁、超長(zhǎng)樁國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)研究先例。

施工工藝探索

第一步 風(fēng)積沙岸坡安全穩(wěn)定性分析

針對(duì)風(fēng)積沙岸坡施工，西拉沐淪大橋項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)首先開展了風(fēng)積沙岸坡的安全穩(wěn)定性分析。通過建立精細(xì)化的分析模型，考慮砂土層界面的力學(xué)特性、水位變化等因素，計(jì)算分析邊坡的滑動(dòng)面深度及安全系數(shù)，獲得對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響極大的潛在滑動(dòng)面，為邊坡的加固范圍和加固方法提供依據(jù)。

綜合考慮諸多規(guī)范規(guī)定及大橋施工期及長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求，選定西拉沐淪大橋岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)?？紤]施工工序?qū)Π镀路€(wěn)定性的影響，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從多墩同時(shí)施工、從上往下施工、從下往上施工、單墩施工等方面分別進(jìn)行了分析，除單墩施工以自然邊坡進(jìn)行放坡開挖處于基本穩(wěn)定外，按其余工序施工要求，岸坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)均不能滿足施工要求，但單墩施工削坡方量太大，最大達(dá)69625立方米。通過對(duì)風(fēng)積沙岸坡進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)得出多墩施工，穩(wěn)定性難以滿足要求；單墩施工，削坡方量巨大；放坡開挖難以在項(xiàng)目中實(shí)施；岸坡施工前需進(jìn)行支護(hù)加固的結(jié)論。

第二步 擬定加固方案

項(xiàng)目初步擬定了兩個(gè)加固施工方案（鋼平臺(tái)、注漿防護(hù)）進(jìn)行比選。

采用鋼平臺(tái)施工時(shí)，鋼板樁、鋼管樁振沉施工時(shí)的激振力對(duì)岸坡穩(wěn)定的影響無(wú)法避免，且極易出現(xiàn)邊護(hù)邊塌的情形，對(duì)作業(yè)人員、機(jī)械帶來安全隱患極大。施工工期長(zhǎng)，岸坡面上各墩位需要等便道初步成型后依次自下而上施工，單個(gè)平臺(tái)搭設(shè)處理時(shí)間在1個(gè)月左右，且需要待所有岸坡面鋼平臺(tái)搭設(shè)完畢，觀測(cè)穩(wěn)定后再進(jìn)行樁基施工。平臺(tái)搭設(shè)完成后仍然有可能受雨水沖刷和鉆機(jī)作業(yè)時(shí)振動(dòng)、施工引發(fā)山體應(yīng)力狀態(tài)變化，導(dǎo)致整體失穩(wěn)，需要密切進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè)。樁基施工完畢，破除樁頭需拆除平臺(tái)、割除護(hù)筒后施工，而后續(xù)承臺(tái)沒有基底作業(yè)面，無(wú)法施工。

采用注漿防護(hù)施工時(shí)，注漿鉆機(jī)振動(dòng)小，施工時(shí)對(duì)岸坡的影響較小，能有效避免出現(xiàn)岸坡滑塌的問題。施工工期短，因注漿鉆機(jī)對(duì)岸坡擾動(dòng)小，各墩位注漿加固可以同時(shí)進(jìn)行。施工完成后，岸坡整體穩(wěn)定性得到了改善，后續(xù)施工發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性較小。注漿完成后，樁基及承臺(tái)施工作業(yè)面充足，不再需要二次防護(hù)。通過比選發(fā)現(xiàn)注漿防護(hù)更加安全可靠，可行性較高，且對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響較小，因此選擇注漿防護(hù)繼續(xù)開展研究。

第三步 現(xiàn)場(chǎng)沙樣測(cè)試

研究團(tuán)隊(duì)采取現(xiàn)場(chǎng)沙樣，開展了室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試、滲透性質(zhì)測(cè)試等試驗(yàn)工作。室內(nèi)基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試表明，西拉沐淪特大橋風(fēng)積沙天然密度為每立方米1.71克至1.73克，天然含水率為0.73%至2.84%；常水頭滲透試驗(yàn)表明，風(fēng)積沙滲透系數(shù)為每秒3.42×10-5至2.18×10-4厘米；顆粒級(jí)配分析結(jié)果表明，風(fēng)積沙顆粒級(jí)配不良，顆粒較均勻；不固結(jié)不排水試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)積沙黏聚力較低，φ取值在30.9度至37.2度。在進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)前研究人員比選普通水泥漿、超細(xì)水泥漿、改性水玻璃漿液、聚氨酯類等注漿材料，最終選定價(jià)格最低的普通水泥漿液和價(jià)格適中的改性水玻璃漿作為注漿材料，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。

通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水泥漿液由于風(fēng)積沙較為密實(shí)，孔隙率較小，水泥漿液顆粒較大，較難通過滲透的方式注漿，可注性弱于改性水玻璃，但其對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行加固后，加固體黏聚力能達(dá)到702千帕，摩擦角能達(dá)到57.8度，加固效果強(qiáng)于改性水玻璃，且水泥漿液造價(jià)僅為改性水玻璃的三分之一，考慮到可注性可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)選擇合理的施工工藝來改善，因此選取水泥漿液作為最終的注漿材料。

第四步 現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)

根據(jù)確定的注漿材料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)：注漿的工藝選取了常見的袖閥管注漿和高壓旋噴注漿，袖閥管注漿屬于劈裂注漿的一種，基本原理是先通過鉆機(jī)成孔，然后灌注由水泥和黏土構(gòu)成的套殼料至孔內(nèi)置換出泥漿并封閉注漿孔，再將前端封閉的袖閥管式注漿管下入孔內(nèi)，待套殼料凝固一段時(shí)間后采用分段進(jìn)行注漿的工藝，使水泥漿液在壓力條件下沖破套殼料，較均勻地進(jìn)入土層，達(dá)到增強(qiáng)土體穩(wěn)定性，加固土體的目的。但由于地層風(fēng)積沙密實(shí)、孔隙率低，滲透系數(shù)小，使得水泥漿液在袖閥管附近聚集，隨著漿液積累量的逐漸增加，袖閥管附近壓力增大，注漿口附近出現(xiàn)了頂升的現(xiàn)象，實(shí)施效果較差，不適合該項(xiàng)目施工。

高壓旋噴注漿屬于噴射注漿的一種，基本原理是鉆機(jī)將前端帶噴嘴的鉆頭和注漿管旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至土層下相應(yīng)位置后，利用高壓設(shè)備將漿液或水以20兆帕至40兆帕的高壓射流從噴嘴中噴射出來，通過旋轉(zhuǎn)切削、擾動(dòng)、分離破壞土體，同時(shí)將鉆桿以預(yù)先設(shè)定的速度緩慢提升，使?jié){液與土粒強(qiáng)制攪拌混合，當(dāng)漿液凝固后，在土中形成圓柱狀較為規(guī)則的固結(jié)體，以達(dá)到加固地基的目的?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后開挖發(fā)現(xiàn)其成樁較為規(guī)則，加固效果好，適合項(xiàng)目施工，取得了突破性成果。

創(chuàng)新成果

旋噴注漿多臺(tái)階加固

在風(fēng)積沙陡坡進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)施工前，先對(duì)風(fēng)積沙岸坡分級(jí)進(jìn)行垂直注漿加固，當(dāng)上一級(jí)加固樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施工下一級(jí)加固樁，使得已施工的加固樁發(fā)揮穩(wěn)固岸坡的作用，進(jìn)而降低臨空面高度，降低滑坡風(fēng)險(xiǎn)，確保施工平臺(tái)的穩(wěn)定，保證平臺(tái)施工順利完成。

風(fēng)積沙岸坡12米至15米以下進(jìn)入密實(shí)砂層，為保證旋噴樁的穩(wěn)定，應(yīng)深入密實(shí)砂層，故選取旋噴樁長(zhǎng)度為15米。旋噴樁加固范圍為承臺(tái)向四周擴(kuò)大3米。根據(jù)岸坡實(shí)際情況在不同的墩位靠山側(cè)設(shè)置多級(jí)旋噴樁平臺(tái)進(jìn)行防護(hù)，旋噴樁按間距0.4米，梅花形緊密布置，施工平臺(tái)內(nèi)旋噴樁按間距1.5米，梅花形布置。

旋噴樁布置：卸載平臺(tái)每級(jí)寬2米，高3米，根據(jù)不同墩位岸坡情況劃分不等數(shù)量的臺(tái)階；每級(jí)平臺(tái)設(shè)置兩排旋噴樁，單根長(zhǎng)度為12米，直徑50厘米，旋噴樁按梅花型進(jìn)行布置，間距0.4米。平臺(tái)內(nèi)旋噴樁采用等邊三角形（梅花形）布設(shè)，旋噴樁加固間距1.5米，旋噴樁長(zhǎng)度15米，直徑50厘米，平臺(tái)加固范圍為承臺(tái)向四周擴(kuò)大3米。

開挖過程中，開挖和高壓旋噴樁加固同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)開挖的部分土體能形成旋噴樁施工需要的平臺(tái)且場(chǎng)地初平后，在平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行高壓旋噴樁加固。最上級(jí)平臺(tái)僅起到保證岸坡的穩(wěn)定性的作用，只需在靠山側(cè)和臺(tái)階分級(jí)處進(jìn)行高壓旋噴樁加固，平臺(tái)加固按岸坡開挖的順序從上往下進(jìn)行施工，待上一級(jí)臺(tái)階旋噴樁施工完畢達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行下一階平臺(tái)開挖和高壓旋噴樁加固，待岸坡多臺(tái)階旋噴注漿施工完成后進(jìn)行平臺(tái)內(nèi)旋噴樁施工。

創(chuàng)新旋噴樁帷幕式護(hù)筒

西拉沐淪大橋樁基處于巨厚風(fēng)積沙地層，兩岸岸坡較陡，在風(fēng)積沙地層陡坡上進(jìn)行鋼護(hù)筒振設(shè)易發(fā)生滑坡、坍塌等。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明旋噴樁帷幕式護(hù)筒的施工方法，避免了常規(guī)鋼護(hù)筒在風(fēng)積沙丘地層施工的弊端。

旋噴樁護(hù)筒施工采用高壓旋噴樁連續(xù)施工，旋噴樁直徑為50厘米,相鄰旋噴樁之間咬合10厘米,相互緊密結(jié)合，最終形成密閉的環(huán)形空間，需保證相鄰旋噴樁之間部分重合，形成的護(hù)筒密閉且內(nèi)徑比樁基直徑大30厘米；根據(jù)風(fēng)積沙稍密、中密層厚度12米至15米，旋噴樁帷幕護(hù)筒需起到穩(wěn)固平臺(tái)的作用，選取旋噴樁護(hù)筒的埋置深度為15米。

為保證連續(xù)施工順利進(jìn)行，樁位采用間隔方式分批次進(jìn)行施工，每次順時(shí)針間隔施工4根旋噴樁，下一次從前面未施工的孔位處再次間隔施工4根，如此循環(huán)至形成密閉的環(huán)狀空間。旋噴樁圍合成的環(huán)形空間設(shè)置，等同于常規(guī)的鋼護(hù)筒具體位置布局。

具體的旋噴樁施工，可先進(jìn)行標(biāo)號(hào)為1-4的旋噴樁設(shè)置，等成型后，再在1-4旋噴樁的間隔位置中設(shè)置標(biāo)號(hào)為5-8的旋噴樁，同理先設(shè)置編號(hào)為9-13的旋噴樁，再在其間隔位置中設(shè)置標(biāo)號(hào)為14-17的旋噴樁。直至設(shè)置的旋噴樁收尾連接拼合成密閉的環(huán)形空間。

創(chuàng)新解決巨厚風(fēng)積沙地層大直徑長(zhǎng)樁施工難題

旋噴樁護(hù)筒實(shí)景圖

針對(duì)巨厚風(fēng)積沙地層大直徑長(zhǎng)樁施工，項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)通過孔壁穩(wěn)定性理論、抗管涌穩(wěn)定性計(jì)算方法及泥漿組正交試驗(yàn)，首次推導(dǎo)出鋼護(hù)筒埋深、開孔安全距離計(jì)算公式和給出最佳泥漿配比及控制參數(shù)，提出了適用于巨厚風(fēng)積沙復(fù)合地層大直徑長(zhǎng)樁施工技術(shù)及成孔可行性綜合評(píng)價(jià)方法，切實(shí)提高了各墩位樁基成孔效率及成孔質(zhì)量。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了巨厚風(fēng)積沙復(fù)合地層鋼護(hù)筒埋深計(jì)算公式和開孔安全距離計(jì)算公式；研發(fā)了一種適宜于巨厚風(fēng)積沙復(fù)合地層鉆孔的最佳泥漿配比及控制參數(shù)；研發(fā)了一種巨厚風(fēng)積沙復(fù)合地層大直徑長(zhǎng)樁施工技術(shù)。為了確保二次擴(kuò)孔孔身的垂直度，避免因二次擴(kuò)孔偏位受力不均而導(dǎo)致鉆桿斷裂，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)了一種旋挖鉆分級(jí)成孔的導(dǎo)向鉆頭，保證了樁基垂直度，提高了鉆進(jìn)效率，解決了在擴(kuò)孔時(shí)筒鉆的軸線容易與小孔的軸線產(chǎn)生偏移孔深垂直度偏差較大及二次擴(kuò)孔偏位后易因受力不均導(dǎo)致的鉆桿斷裂問題。

2021年6月，全橋352根樁基全部完成，樁檢報(bào)告結(jié)果表明均為I類樁，I類樁占全橋樁基比例為100%，說明西拉沐淪大橋風(fēng)積沙地層基礎(chǔ)關(guān)鍵施工技術(shù)切實(shí)可行。技術(shù)研究已取得授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)、實(shí)用新型專利13項(xiàng)，形成省部級(jí)工法4項(xiàng)、發(fā)表核心期刊論文4篇，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。2022年3月，研究核心成果被中國(guó)公路學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)為國(guó)際先進(jìn)水平，一定程度上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在沙漠深谷橋梁基礎(chǔ)施工方面的空白，推動(dòng)了交通強(qiáng)國(guó)的步伐。該項(xiàng)目結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求開展技術(shù)交流、成果轉(zhuǎn)化和技術(shù)服務(wù)，建立產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制，引導(dǎo)技術(shù)人員把技術(shù)創(chuàng)新成果應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)一線，取得了良好成果。