何文濤，黃修平，付甦，庾焱秋，朱潤(rùn)華

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)橋梁建設(shè)水平飛速發(fā)展，大跨徑江河湖海通道越來(lái)越多，隨著橋梁跨徑的增大，往往要在水中設(shè)置超大型承臺(tái)，水中承臺(tái)施工需要選用合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及橋梁運(yùn)營(yíng)期橋墩防撞設(shè)施。張靖皋長(zhǎng)江大橋位于長(zhǎng)江下游澄通河段如皋沙群段，南航道橋跨越長(zhǎng)江福姜沙水道，主墩采用鋼管樁圍堰作為承臺(tái)施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)及后期永久沖刷防護(hù)和船撞消能設(shè)施，施工過(guò)程中存在以下難題：?jiǎn)胃i扣鋼管樁長(zhǎng)度達(dá)37 m，且作為永久結(jié)構(gòu)，樁身傾斜度及鋼管樁合龍精度要求極高；圍堰平面尺寸巨大，采用水下封底施工工藝，封底混凝土總方量超萬(wàn)方，現(xiàn)場(chǎng)組織及施工的難度極大。

1 工程概況

張靖皋長(zhǎng)江大橋南航道橋纜跨布置為（1 220+2 300+660）m，是世界最大跨徑懸索橋[1-2]，橋跨布置如圖1 所示。南主塔采用世界首創(chuàng)超高鋼箱-鋼管約束混凝土組合索塔，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為八邊形承臺(tái)，承臺(tái)高8.5m，頂標(biāo)高為+4.0m，底標(biāo)高為-4.5m，總體外輪廓尺寸為105.2 m×43.6 m，下設(shè)97 根直徑φ2.8 m 的鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 張靖皋長(zhǎng)江大橋南航道橋立面布置Fig.1 Vertical layout of the south channel bridge of Zhangjiagang-Jingjiang-Rugao Yangtze River Bridge

圖2 主墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（mm）Fig.2 Main pier foundation structure（mm）

主墩位于長(zhǎng)江航道南側(cè)淺水區(qū)，墩位處實(shí)測(cè)泥面高程為-2.0～-3.0 m，基巖埋深130 m 以下，其中0～60 m 為粉砂、粉質(zhì)黏土；60～70 m 為中砂，70～90 m 為粉砂、粗砂、粉質(zhì)黏土，90～115 m 為中砂、粗砂，115～130 m 為黏土。墩位處最高潮位一般出現(xiàn)在7—9 月份，20 a 一遇的最高潮位為+4.77 m（1985 國(guó)家高程），其余月份最高潮位一般不超過(guò)+4.0 m。

2 鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

主墩承臺(tái)采用鎖扣鋼管樁圍堰作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)在鋼管內(nèi)填筑混凝土、圍堰和承臺(tái)之間填入碎石、圍堰外側(cè)安裝軟體護(hù)舷的方式，將其作為大橋永久沖刷防護(hù)和船撞消能結(jié)構(gòu)。圍堰采用φ820×10 鎖扣鋼管樁，長(zhǎng)37 m，頂標(biāo)高+7.00 m，底標(biāo)高-30.00 m，鋼管樁頂口和底口均設(shè)置加強(qiáng)箍，鋼管樁之間采用CT 型鎖扣連接。鋼管樁圍堰高度范圍內(nèi)設(shè)置2 道支撐體系，標(biāo)高為+5.00 m、+2.30 m，圍檁采用2HN900×300 型鋼，支撐采用2HN900×300 型鋼、φ820 mm×10 mm 鋼管，圍堰基坑支護(hù)采用帶水開挖、水下澆筑封底混凝土的施工工藝，封底混凝土厚度為2.8 m。圍堰平面尺寸巨大，水下封底混凝土方量達(dá)11 797 m3，為確保水下封底混凝土的質(zhì)量，在圍堰橫橋向軸線方向設(shè)置分倉(cāng)隔板，采用分倉(cāng)獨(dú)立封底的方案。主墩鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)布置如圖3 所示。

圖3 主墩鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)（mm）Fig.3 Main pier steel pipe pile cofferdam structure（mm）

2.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

圍堰基坑支護(hù)施工采用帶水開挖、水下澆筑封底混凝土的施工工藝，根據(jù)施工工藝流程，將圍堰計(jì)算工況分為5 個(gè)：1） 支護(hù)樁插打完成后，帶水開挖至基坑底；2） 圍堰內(nèi)第1 次抽水至第2層內(nèi)支撐下1.00 m（+1.30 m）；3） 圍堰內(nèi)抽水至承臺(tái)底（-4.50 m）；4） 拆除第2 層內(nèi)支撐系統(tǒng)；5）拆除第1 層內(nèi)支撐系統(tǒng)。本文僅列出工況3） 圍堰內(nèi)抽水至承臺(tái)底（-4.50 m）的計(jì)算工況。

采用MIDAS 有限元軟件進(jìn)行圍堰的計(jì)算分析，鋼管樁、圍檁、內(nèi)支撐均采用梁?jiǎn)卧M，鋼管樁底部約束豎向位移，被動(dòng)土壓力采用只受壓土彈簧模擬，支撐與圍檁鉸接，圍檁與鋼管樁之間采用只受壓彈簧模擬，在牛腿處約束豎向位移模擬其對(duì)圍檁的支撐作用[3-5]，鋼圍堰有限元模型如圖4 所示。圍堰內(nèi)抽水至承臺(tái)底（-4.50 m）工況荷載如圖5 所示。

圖4 鋼圍堰有限元模型Fig.4 Finite element model of steel cofferdam

圖5 抽水至承臺(tái)底荷載Fig.5 Load of pumping to the bottom of the bearing platform

計(jì)算可知：該工況鋼管樁最大應(yīng)力值為56 MPa＜215 MPa，圍檁最大應(yīng)力值為95 MPa＜205 MPa，支撐（φ820×10）最大應(yīng)力值為80 MPa＜215 MPa，支撐（2HN900×300）最大應(yīng)力值為107 MPa＜205 MPa，鋼管樁水平位移為26 mm＜80 mm，故圍堰各構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度均滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過(guò)分析，帶水開挖至基坑底工況下基坑抗隆起穩(wěn)定性、嵌固穩(wěn)定性最不利，對(duì)該工況下鋼管樁嵌固深度及基坑抗隆起進(jìn)行計(jì)算，基坑抗隆起穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)3.18＞1.8，基坑嵌固穩(wěn)定性系數(shù)1.51＞1.25，即基坑抗隆起穩(wěn)定性和嵌固穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求[6]。

圍堰采用帶水開挖、水下澆筑封底混凝土的施工工藝，需對(duì)封底混凝土進(jìn)行計(jì)算，取最不利的澆筑承臺(tái)前工況，封底混凝土對(duì)φ3.2 m 鋼護(hù)筒最大反力為3 488 kN，取2.7 m 有效封底厚度計(jì)算（考慮0.1 m 找平及失效層），握裹力為129 kPa＜135 kPa，滿足規(guī)范要求[6]。

3 鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超長(zhǎng)鎖扣鋼管樁施沉及合龍

傳統(tǒng)鎖扣鋼管樁采用導(dǎo)向架進(jìn)行施工，對(duì)于沿鎖扣軸線方向較長(zhǎng)的圍堰，只有單個(gè)方向的精度好，且誤差的累計(jì)使得鋼圍堰線形差、合龍困難；施打過(guò)程中由于鎖扣間的摩擦力大，振動(dòng)錘施工效率低，難以滿足進(jìn)度要求。本項(xiàng)目參考類似工程施工方案[7-8]，加以改進(jìn)優(yōu)化及創(chuàng)新，設(shè)計(jì)特制導(dǎo)向架，采用履帶吊配合振動(dòng)錘初沉、履帶吊配合沖擊錘隔孔施沉的施工工藝，成功實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)鎖扣鋼管樁的快速施沉和精準(zhǔn)合龍。

首先利用鋼護(hù)筒設(shè)置雙層擱置平臺(tái)，與鋼護(hù)筒焊接牢固，利用擱置平臺(tái)將圍檁安裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高，平臺(tái)外側(cè)設(shè)置型鋼。起吊首根鎖扣鋼管樁，利用圍檁及型鋼作為首根鎖扣鋼管樁的初始導(dǎo)向，采用履帶吊+振動(dòng)錘對(duì)首根鋼管樁進(jìn)行定位施沉，施打過(guò)程中測(cè)量全程觀測(cè)，確保首根鎖扣鋼管樁垂直度滿足要求。

首根鎖扣鋼管樁施打完成后，利用該樁與輔助樁安裝固定特制導(dǎo)向架，輔助樁與首根鋼管樁施工工藝相同。具體固定方式為：特制導(dǎo)向架一側(cè)架在首根鎖扣鋼管樁、一側(cè)架在輔助樁上，焊接牢固，中間布置與鋼管樁等間距的匹配導(dǎo)向節(jié)，匹配導(dǎo)向節(jié)長(zhǎng)約1.5 m，焊接在導(dǎo)向架上，導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)如圖6 所示。導(dǎo)向架安裝完成后，在匹配導(dǎo)向節(jié)空余位置放置鎖扣鋼管樁，采用履帶吊+振動(dòng)錘施打，施打方式為隔孔插打，該部分樁施打到位后拆除導(dǎo)向架，利用已施沉鋼管樁的鎖扣作導(dǎo)向，采用履帶吊+沖擊錘施沉空缺處鋼管樁，保證空缺處鋼管樁不會(huì)發(fā)生偏位，由于沖擊錘受鎖扣間摩擦力影響小，能夠?qū)㈡i扣鋼管樁順利快速施沉到位。

圖6 特制導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)Fig.6 Special guide frame structure

該節(jié)段鋼管樁施沉完成后，移動(dòng)安裝特制導(dǎo)向架至下一節(jié)段，逐步完成所有鎖扣鋼管樁的施工。主墩圍堰共278 根鎖扣鋼管樁，采用上述新工藝施工，僅歷時(shí)60 d，所有鋼管樁均施沉到位、精確合龍，樁身垂直度及圍堰線形滿足要求，圍堰合龍后如圖7 所示。

圖7 主墩鎖扣鋼管樁圍堰合龍F(tuán)ig.7 Main pier lock buckle steel pipe pile cofferdam closure

3.2 鋼管樁鎖扣防滲堵漏

鎖扣鋼管樁施打完成并驗(yàn)收合格后，在頂部搭設(shè)操作平臺(tái)，利用高壓水槍對(duì)鎖扣內(nèi)泥沙進(jìn)行沖洗，然后用土工布、石粉、膠泥及沙土將鎖扣填滿并及時(shí)振搗密實(shí)，圍堰抽水完成后，對(duì)漏水處鎖扣外部利用麻絮和發(fā)泡膠針對(duì)性堵漏。鎖扣堵漏控制關(guān)鍵點(diǎn)為：在鎖扣內(nèi)泥沙清洗完成后，對(duì)鎖扣底高程進(jìn)行嚴(yán)格控制，利用測(cè)繩對(duì)兩側(cè)鎖扣進(jìn)行測(cè)量，防止兩側(cè)高度不統(tǒng)一。

3.3 樁芯混凝土澆筑

輔塔鎖扣樁圍堰兼作后期永久沖刷防護(hù)和船撞消能設(shè)施，需要在鋼管樁內(nèi)澆筑填芯混凝土以增加結(jié)構(gòu)的剛度。在鎖扣鋼管樁施工完成并檢驗(yàn)合格后，采用砂石泵將鎖扣樁內(nèi)的泥面標(biāo)高降至填芯設(shè)計(jì)標(biāo)高，無(wú)法清理到位的及時(shí)采用高壓射水裝置清理，泥面清理到位后，采用泵車+小料斗在鋼管樁內(nèi)澆筑水下混凝土，混凝土澆筑完成后在鋼管樁頂部設(shè)置型鋼進(jìn)行覆蓋保護(hù)，樁芯混凝土達(dá)到強(qiáng)度后在圍堰內(nèi)進(jìn)行帶水開挖、水下澆筑封底混凝土等。

3.4 內(nèi)支撐系統(tǒng)安裝

為便于安裝，將上、下兩層內(nèi)支撐系統(tǒng)采用豎撐連接形成桁架結(jié)構(gòu)，同步安裝。為確保下層對(duì)撐能夠順利吊裝，加工時(shí)下層對(duì)撐兩側(cè)各減少10 mm 空間，后期通過(guò)塞墊厚鋼板+焊縫將對(duì)撐與圍檁焊接牢固形成整體。

采用履帶吊+鋼絲繩吊裝內(nèi)支撐系統(tǒng)，由于圍堰尺寸大、對(duì)撐跨徑大，需要進(jìn)行豎向約束以減小自重作用下的撓度。抽水前，在鋼護(hù)筒之間焊接支撐梁，采用支撐梁作為對(duì)撐的豎向約束；抽水后封底混凝土初凝前，將立柱打入封底混凝土，封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在打入的2 根鋼立柱之間焊接2 層支撐橫梁，替換鋼護(hù)筒之間的支撐梁，鋼護(hù)筒割除后，完成對(duì)撐的體系轉(zhuǎn)換。

3.5 基底開挖及護(hù)筒圍堰壁清理

圍堰施打完成后，對(duì)圍堰內(nèi)基底進(jìn)行清理整平。測(cè)量護(hù)筒邊及相鄰護(hù)筒中點(diǎn)標(biāo)高，高出基底標(biāo)高面采用空氣吸泥機(jī)吸除，對(duì)于低于基底標(biāo)高面，采用回填砂填平。

由于鉆孔樁及鋼圍堰下沉施工時(shí)間較長(zhǎng)，在鋼護(hù)筒的外壁及鋼圍堰內(nèi)壁上會(huì)存有水銹或其他雜物。為了保證混凝土質(zhì)量以及混凝土與鋼護(hù)筒之間的握裹力，對(duì)封底混凝土區(qū)域的圍堰壁體內(nèi)側(cè)以及鋼護(hù)筒外壁上的淤泥雜物用高壓水槍和鋼絲刷上下來(lái)回進(jìn)行清理[9-10]。

3.6 超大型圍堰水下封底施工

圍堰采用水下混凝土封底工藝，封底厚度為2.8 m，總方量為11 797 m3。根據(jù)鎖扣鋼圍堰尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工組織難度及混凝土生產(chǎn)能力，在圍堰中間橫橋向軸線方向設(shè)置分倉(cāng)鋼板樁，將封底分成2 個(gè)區(qū)域（上游側(cè)6 139 m3+下游側(cè)5 658 m3）分次單獨(dú)澆筑，先下游側(cè)后上游側(cè)，由中間向兩邊分次進(jìn)行澆筑，下游側(cè)封底混凝土澆筑完成且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拔除分倉(cāng)鋼板樁，對(duì)下游側(cè)與鋼板樁接觸面?zhèn)缺诨炷吝M(jìn)行粗糙面處理，保證與上游封底混凝土有效粘結(jié)。根據(jù)水下封底混凝土的特性，其流動(dòng)半徑按照不超過(guò)6 m考慮，整個(gè)圍堰內(nèi)共設(shè)置114 個(gè)布料點(diǎn)，根據(jù)布料點(diǎn)的布置，利用鋼護(hù)筒搭設(shè)封底平臺(tái)及臨時(shí)走道，走道兩側(cè)設(shè)防護(hù)欄桿，保證施工人員安全，封底平臺(tái)及布料點(diǎn)如圖8 所示。

圖8 封底平臺(tái)及布料點(diǎn)布置Fig.8 Layout of sealing platform and fabric points

單個(gè)倉(cāng)室首封時(shí)，采用18 m3兩個(gè)大料斗，大料斗擱置在封底平臺(tái)上，大料斗下方設(shè)置分料斗，底口設(shè)置5 個(gè)出料口，通過(guò)溜槽分別向各個(gè)首封點(diǎn)位導(dǎo)管上口的小料斗灌料。首封結(jié)束后，使用0.5 m3的小料斗進(jìn)行后續(xù)導(dǎo)管的布料，導(dǎo)管底口離圍堰基坑底部20～30 cm。首封導(dǎo)管底口鋪設(shè)10 mm 厚鋼板，有效地解決了混凝土快速下落時(shí)對(duì)基底面沖擊形成大坑、導(dǎo)管埋置深度不足的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

張靖皋長(zhǎng)江大橋南航道橋主墩承臺(tái)結(jié)合墩位處水文地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)要求，采用永臨結(jié)合鎖扣鋼管樁圍堰進(jìn)行深基坑支護(hù)，基坑支護(hù)采用帶水開挖、水下澆筑封底混凝土的施工工藝。施工過(guò)程中采用履帶吊+振動(dòng)錘+沖擊錘并配合特制導(dǎo)向架隔孔插打的全新工藝保證了鎖扣鋼管樁的垂直度、圍堰的合龍精度及線形，有效地加快了施工進(jìn)度，為后續(xù)類似超長(zhǎng)鎖扣樁施工提供了借鑒；利用對(duì)撐加工成桁架整體安裝、基底開挖及護(hù)筒圍堰壁清理、分倉(cāng)澆筑水下封底混凝土、導(dǎo)管底口鋪設(shè)鋼板等工藝，極大地降低了封底混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工組織難度，提高了水下封底混凝土的澆筑質(zhì)量，為后續(xù)主墩承臺(tái)施工提供了可靠保障。