近海淺覆蓋層中橋梁基礎(chǔ)設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)

王 鑫，閆 宇，周生建，佟明利

（1.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市 100082；2.中建橋梁有限公司，重慶市 402260；3.秦皇島秦正旅游房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引 言

跨海橋梁的基礎(chǔ)選取受地質(zhì)與水文等因素影響較大，而海中基礎(chǔ)施工與河道施工不同，難以采用導(dǎo)改、斷流等常規(guī)的施工方案，因此施工措施的成本很高。選取合適的基礎(chǔ)形式，直接決定了施工是否順利，也對整個工程造價有著較大的影響。我國近海區(qū)域地層覆蓋層多為砂層，在這樣的地層中如何考慮橋梁基礎(chǔ)形式，是本文需要研究探討的問題。

1 工程概況

1.1 項目簡介

海螺島位于秦皇島市金夢海灣南側(cè)、湯河入海口處的海域，是圍填海形成的人工島嶼，圍海造陸面積為47.82 萬m2。跨海大橋全長1.53 km，面積約3.8 萬m2，作為海螺島連接陸地的唯一交通通道，也是保障島內(nèi)生產(chǎn)、生活水源和能源補給的輸送通道。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察結(jié)果表明，在勘探深度范圍內(nèi)，上部為第四系全新統(tǒng)海陸交互相（Q4mc）沉積的粉質(zhì)、粉細砂和中粗砂,中部為第四系全新統(tǒng)沖洪積成因（Q4al+pl）的中粗砂和粉質(zhì)黏土，下伏基巖為太古界（Ar）花崗巖、片麻巖（局部穿插偉晶巖脈）。由淺至深的土層分別如圖1 至圖3 所示。樁基設(shè)計的參數(shù)詳見表1。

表1 樁基設(shè)計參數(shù)表

圖1 孔位中的淺層砂土

圖2 孔位中的強風化花崗巖

圖3 孔位中的中風化花崗巖

1.3 海洋水文

1.3.1 潮汐、潮位[1]

（1）基面關(guān)系

秦皇島海區(qū)為規(guī)則日潮，其（HK1+H01）/HM2=3.73。

以秦皇島港理論最低潮面（與85 高程的關(guān)系見圖4）為基準，潮汐特征值為：

圖4 秦皇島港理論最低潮面與85 高程的關(guān)系

極端高潮位+2.66 m，極端低潮位-1.71 m；設(shè)計高潮位+1.76 m，設(shè)計低潮位-0.15 m；平均高潮位+1.24 m，平均低潮位+0.51 m；平均海平面0.87 m，平均潮差0.73 m，最大潮差2.63 m。

（2）波浪

根據(jù)秦皇島海洋站9 a 波浪10 次資料統(tǒng)計分析得：常浪向為S 向，出現(xiàn)頻率為18.69%，次常浪向為SSW 向，出現(xiàn)頻率為11.87%。強浪向為ENE 向，該向H4%≥1.5 m 的出現(xiàn)頻率為0.27%，次強浪向S向，其H4%≥1.5 m 的出現(xiàn)頻率為0.16%。

（3）潮流

根據(jù)該海域內(nèi)9 個測點資料，計算出（WK1+W01）/WM2 值，K 小于0.25 且K 值為負，說明秦皇島灣的潮流為往復(fù)流，并且潮流沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。大致漲潮為W、WSW 方向，落潮為E、ENE 方向。各測站漲、落潮流方向基本與岸線、等深線垂直。最大流速為0.4 m/s。

（4）水深

項目區(qū)域水深約3 m，最大水深為10 m，透明度為3 m。

（5）水溫

春季表層水溫為10.5℃～20.5℃，夏季表層水溫為27℃～28℃，秋季表層水溫為13.0℃～13.5℃，冬季表層水溫-1.2℃～0.9℃，年最大值31℃出現(xiàn)在7月底8 月初，年最小值-20℃出現(xiàn)在1 月底2 月初。海水增溫在3—8 月份，降溫在當年9 月至次年2 月份。

（6）鹽度

受氣候和大陸徑流影響，海水鹽度表層平均值為28.5～30.5，全年最高值為33.5，以夏季最低，冬季最高，近岸鹽度隨入海徑流的變化而不同。

2 基礎(chǔ)的比選

2.1 自然條件分析

上覆蓋層厚度約10～15 m，常水位水深2～3 m，近島處水深7～8 m。

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件、擬建（構(gòu)）筑物荷載和使用功能，該工程宜采用樁基礎(chǔ)方案。根據(jù)當?shù)匾延惺┕そ?jīng)驗，采用鉆（沖）孔灌注樁方案，以第⑥、⑥1層強風化混合花崗巖、⑥2層強風化混合片麻巖或第⑦層中風化混合花崗巖、第⑦1層中風化混合片麻巖作為樁端持力層[1]。

根據(jù)已有鉆孔資料進行單樁承載力估算（主要樁徑為2 m），采用⑦層中風化巖做樁端持力層時，完全滿足承載力的設(shè)計要求；采用⑥1層和⑥2層強風化巖做樁端持力層時，樁端進入強風化層（⑥層、⑥1層和⑥2層）不少于20～25 m 時，可以滿足承載力的設(shè)計要求。為了減少沉降，應(yīng)首先采用⑦層中風化巖或⑥1層和⑥2層強風化巖做樁端持力層。

該場地上部地層主要為松散、飽和的粉細砂和中粗砂，且分布有灰黑色流塑至軟塑的粉質(zhì)黏土，該地層均易塌孔和縮頸，如采用鉆（沖）孔灌注樁必須進行護壁，并妥善處理泥漿，以防海（河）水污染。

在鉆（沖）孔灌注樁成孔過程中，強風化混合花崗巖中下部及中風化巖層中會遇到成孔進尺困難，進度較慢的情況，同時強風化混合花崗巖和中風化混合花崗巖層中均穿插有堅硬的偉晶巖脈。

2.2 方案比選

海中施工基礎(chǔ)施工難度大、成本高，施工措施在總造價中占很大的比重，因此應(yīng)根據(jù)各外部條件對施工方案進行選取，最終確定基礎(chǔ)形式。常用的水中基礎(chǔ)形式施工主要有以下幾種，根據(jù)該項目情況對各方案進行適用性比較。

（1）土圍堰

如圖5 所示，土圍堰應(yīng)用廣、成本低、施工簡單，但受到風浪和水深影響，在海中施工難以實現(xiàn)。

圖5 土圍堰施工示意圖

（2）鋼板樁圍堰

如圖6 所示，鋼板樁圍堰常在河道與海中有所應(yīng)用，但深水基礎(chǔ)中尚需采用雙排鋼板樁，造價較高。

圖6 鋼板樁圍堰施工示意圖

（3）鋼套箱圍堰

如圖7 所示，鋼套箱圍堰在海中基礎(chǔ)施工時應(yīng)用較多，整體性強，適用于大多情況，造價較高。

圖7 鋼套箱圍堰施工示意圖

（4）樁基鋼護筒（無圍堰）

如圖8 所示，鋼護筒施工應(yīng)用廣、成本低、施工簡單，但僅能實施樁基，難以實現(xiàn)承臺施工。

（5）基礎(chǔ)形式選取

綜合該項目造價及施工難度考慮，土圍堰基本不可行，而樁基鋼護筒造價遠低于其余兩種圍堰形式。

考慮到下伏基巖為花崗巖，其承載能力較強，因此考慮用樁接柱基礎(chǔ)，采用搭設(shè)鋼棧橋做為施工便道及施工平臺，樁基施工采用鋼套筒，省去圍堰的施工方式。

下伏基巖中的中風化花崗巖層承載能力很強，但該層距海底約25～50 m，采用樁間嵌入該層的嵌巖樁不夠經(jīng)濟；如采用摩擦樁形式，將樁尖放在強風化花崗巖層中，則承載能力略小于上部反力。綜合這兩層的特點，將樁長設(shè)置為20～25 m，采用樁端后壓漿技術(shù)以增加樁端部承載力及樁端附近的側(cè)摩阻，即可滿足承載力要求，還能做到每根樁平均減少10～20 m 樁長。近島處水深7～8 m，考慮加大灌注樁直徑。經(jīng)反復(fù)試算及比選，該方案可實施性強，且極大節(jié)約了工程造價，最終得到采用。

3 實施中的問題及對策

3.1 鋼護筒的設(shè)置

根據(jù)人民交通出版社出版的《公路施工手冊橋涵（上冊）》[2]第七章鉆（挖）孔樁基礎(chǔ)中：

鋼護筒長度取值計算公式為

式中：L 為護筒埋置深度，m；H 為施工水位至河床表面深度，m；h 為護筒內(nèi)水頭，即護筒內(nèi)水位與施工水位之差，m；γw為護筒內(nèi)泥漿容重，kN/m3；γo為水的容重，10 kN/m3；γd為護筒外河床土的飽和容重，kN/m3。

式中：Δ 為土粒的相對密度；砂土平均取2.5，黏性土平均取2.70；e 為飽和土的孔隙比；砂土為0.33～1.0，黏性土為0.17～0.43，軟土為1～2.3；

該項目覆蓋層以砂層為主，Δ=2.5，e=0.6。根據(jù)以上算式得出各鋼護筒的埋深及總長,并制定相應(yīng)施工專項方案。工藝流程圖如9 所示。

圖9 工藝流程圖

3.2 發(fā)現(xiàn)問題

在樁基鉆孔施工過程中，發(fā)生部分鋼護筒下沉的現(xiàn)象，多表現(xiàn)為旋挖鉆終孔、一次清孔作業(yè)完成后鋼護筒均勻下沉一段距離，導(dǎo)致樁基塌孔、鋼護筒偏位，如圖10（a）、（b）所示。

圖10 鋼護筒打入后明顯下沉

樁基鋼護筒按計算長度制作，打設(shè)時均以振動錘錘擊貫入至不再下沉為止。樁基采用旋挖鉆作業(yè)成孔，鉆孔過程產(chǎn)生輕微擾動。通過對下沉鋼護筒樁基再次清渣時發(fā)現(xiàn)，孔底沉渣多為卵石結(jié)構(gòu)，屬中粗砂、粗粒砂層構(gòu)造，如圖11 所示。

圖11 鋼護筒孔底沉渣

3.3 問題分析

對出現(xiàn)問題的樁基鋼護筒參數(shù)及地質(zhì)情況進行復(fù)核，做出各樁基與地層對比參照圖12。

根據(jù)式（3）對樁基鋼護筒受地層土的側(cè)摩阻力進行計算，某樁鋼護筒側(cè)摩阻力計算結(jié)果見表2，各鋼護筒側(cè)摩阻力遠大于鋼護筒本身重量，即按原設(shè)計埋深長度打設(shè)鋼護筒符合受力要求。

表2 鋼護筒側(cè)摩阻力計算例表

式中：Qsk 為樁基鋼護筒受地層土的側(cè)摩阻力，kPa；k 為系數(shù)；L 為樁基周長，m；Lsi 為地質(zhì)土層長度，m；q 對應(yīng)極限摩擦阻力，kPa。

鋼護筒打設(shè)時已進入③中粗砂或⑤粗粒砂層，且驗算數(shù)據(jù)表明地層側(cè)阻力足以維持鋼護筒穩(wěn)定。但通過隨護筒下沉掉落孔底的沉渣來看，原設(shè)計護筒底部砂層夾雜卵石，判斷是阻礙護筒連續(xù)錘擊貫入不下沉的原因，成孔后護筒底部所處地層不穩(wěn)定，產(chǎn)生局部塌孔，海水裹著砂層流入孔內(nèi)造成鋼護筒下沉，應(yīng)為主要原因。對下沉鋼護筒的樁位地層對比發(fā)現(xiàn)，砂層實際側(cè)阻力不足，與理論計算有誤差，判斷該處海域因曾進行過臨時填筑工程，所以部分海底覆蓋層受到過擾動，非原狀砂層，密實度不夠，在水中的側(cè)摩阻力未達到其理論值。此外，采用旋挖鉆一次清孔作業(yè)過程中，鉆頭的擾動對鋼護筒產(chǎn)生影響，也是誘發(fā)護筒底部地層不穩(wěn)和溜塌的因素之一。

3.4 解決方案

為確保鋼護筒垂直度及偏位情況滿足設(shè)計要求，需要對產(chǎn)生下沉的鋼護筒重新拔出、接長并按設(shè)計樁位坐標重新打設(shè)。為避免再次出現(xiàn)下沉，此次護筒底須嵌入強風化層，直至振動錘擊貫入不再下沉為止。鉆孔及清孔作業(yè)過程中盡量減少對鋼護筒及樁位地質(zhì)條件的擾動，施工作業(yè)操作須規(guī)范。

經(jīng)現(xiàn)場實際接長鋼護筒的處理結(jié)果看，樁基鋼護筒打設(shè)嵌入強風化層后，處于比較穩(wěn)定狀態(tài)。個別樁基鋼護筒二次接長后護筒底部仍位于⑤粗粒砂層，距離強風化層仍有一段距離，此時錘擊鋼護筒已不再下沉。雖能成孔，但在孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)與泥漿顏色不符的黑色泥狀物，經(jīng)現(xiàn)場實測，護筒外壁存在空洞，判斷黑色淤泥為孔外滲入，即從接長后的鋼護筒底部泄漏流入孔內(nèi)，此時孔內(nèi)、外有連通，成樁風險大。現(xiàn)場采取將成孔樁基回填至護筒底部，從護筒外向護筒底部注入混凝土的方式封堵空洞泄漏處，待封堵混凝土凝固后再進行后續(xù)施工。此現(xiàn)象的發(fā)生也證明了鋼護筒須一次連續(xù)打設(shè)嵌入強風化穩(wěn)定層才能保證樁基質(zhì)量，出現(xiàn)問題再接長、復(fù)打只會造成地質(zhì)條件的二次破壞，對樁基質(zhì)量無益。

對于尚未施工的樁基，鋼護筒擬打設(shè)長度按嵌入強風化層考慮。一次難以打設(shè)嵌入強風化層的，采用旋挖鉆引孔的方式輔助鋼護筒打設(shè)，直至鋼護筒嵌入強風化層為止。

4 結(jié) 語

橋梁在海中施工，由于環(huán)境因素的影響，施工措施成本很高。能否選取合適的基礎(chǔ)形式直接決定了施工是否順利，也對整個工程造價有著較大的影響。在該項目中，針對擬建場區(qū)上部覆蓋層為砂層、下伏基巖為花崗巖的特點，制定了樁接柱的基礎(chǔ)方案結(jié)合鋼護筒海中成孔的施工措施，避免了海中圍堰施工，極大節(jié)約了工程造價，降低了施工難度。針對施工中出現(xiàn)的鋼護筒下沉問題，予以充分分析、徹底解決，并取得了良好的效果。