长白山国际旅游度假区北区1#桥深水筑岛施工与实践

中国建筑土木建设有限公司路桥分公司 上海 200122

0 前言

在桥梁工程施工中，筑岛法常用于浅水区域的桩基工作平台或沉井、无底钢套箱等的工作平台。一般而言，纯土或草袋筑岛施工适用于水深小于3.5 m，流速小于2 m/s的河岸浅滩地区。然而，在一些交通条件、施工条件限制较大的区域进行桥梁施工时，尽管水深、地形、地质等条件都不利，筑岛施工也是一种可能的选择。我公司在长白山国际旅游度假区北区1#桥施工时，在桥梁跨跃水库库区、河岸边坡陡峭、岩层出露且水深极大的施工条件下，进行了深水筑岛围堰施工的尝试，取得了部分成功。

1 工程概况

长白山国际旅游度假区北区1#桥位于吉林省抚松县小山水库库区，该桥跨越小山水库库区位置的红泥河，桥长409 m，桥型布置为3×23 m+(90 m+160 m+90 m)，主桥为刚构-连续梁桥。具体桥梁布置如图1所示。

1.1 设计概况

1#桥主墩均位于河岸边，其4#、5#桥墩均采用矩形截面双薄壁墩，截面尺寸为9 m×2 m，墩高为32 m，承台截面尺寸采用17.3 m×12.8 m×4.5 m，下设置厚10 cm C15混凝土垫层，基础采用12 根Φ1.8 m的钻孔灌注桩，设计桩长15 m。

图1 长白山国际旅游度假区北区1#桥桥型布置

1.2 地形地貌

本桥处于河谷之间，现场地主要为林地，该区域受峡谷切割影响，山势陡峭，交通闭塞。河谷呈近似对称U形，西岸坡度大于45°，东岸坡度约40°，坡面中上部残破积层覆盖，下部基岩裸露。水位678 m时，河面宽约167 m，水库水深35 m。两岸岸边高程大于715 m，河床底面高程643 m。河床水流平稳为深潭，底部大部分是水库形成后淹没的河滩地，土质、砂砾和卵石的覆盖层很薄。常用水位时，4#主墩位承台水深6.1 m，5#主墩位于水下10.2 m。两主墩位置水下地形如图2所示。

图2 主墩处水下地形

1.3 水文地质

本桥位于吉林省抚松县境内的长白山西坡，属于长白山低山丘陵地貌单元。原地面除0.3～0.7 m的黏土碎石层外，其下均为强风化玄武岩。其水下部分有0.5～1.0 m的卵砾石层，渗透系数K=80 m/d。

本工程处于红泥河下游，小山水电站上游支汊内，距离水库大坝1 km，水流速度较小，施工水位受到冬季蓄水、春季发电放水、雨季洪水的三重影响：即冬季为了保持库容，小山水电站从9月下旬开始下闸蓄水，一直到次年3月，在此期间，水位标高保持在正常蓄水位681 m左右（2010年实测平均值），水深达到37 m；每年春季3月开闸放水发电，一直到10月，水库内水位反而降低，保持在676～680 m之间（6月10日至8月15日）。雨季（从7月到9月）受松花江上游的降水、泄洪和发电放水的相互影响，9月最高洪水位达到683.5 m，泄洪后死水位达到约为674 m（2010年水位最低值），水位高差达9.5 m。水库水位变化频繁，有时日落差超过3 m，严重制约了桩基、承台和墩身的施工组织。

红泥河为松花江流域的一条小河，平均流量约5 m3/s，洪水出现在春季和8～9月，洪水时流量较大，约30 m3/s。

2 施工方案研究

深水、陡坡、浅履盖层桥梁基础是桥梁的施工难点，多出现在长江、水库地形的桥梁设计中，其施工方法主要以围堰法、固定平台法和浮式平台法为主。根据本工程的特点，我们针对以上施工方法进行了技术、经济对比。

根据本桥的施工条件，我们根据经验和初步方案对土石围堰法、深水护筒组合平台+钢吊箱法、双壁钢套箱围堰法和浮式平台+钢吊箱法共4 种施工方案进行了经济分析，其工期约分别为4.5 个月、7 个月、9.5 个月和7 个月，相应的费用分别为455 万元（不含基坑）、1 024 万元、1 532 万元和1 377 万元。

据上述分析，由于当地填料较充分，土石围堰筑岛施工在经济上和施工时间上具有较大的优势，但在环境保护和适用性上具有较大的制约。本工程开工时间为8月，长白山地区的年可施工时间一般为4～10月，而桥梁基础施工平台预计需用时间约4 个月。采用筑岛施工可在当年内完成平台施工，有效利用第2年可施工时间，经过专家论证，采取了此实施方案。

3 筑岛方案设计[1-5]

由于桥梁基础工程施工期已经进入当地汛期，为保证主墩的基础及下部结构施工，其筑岛围堰必须考虑水库5 年的设计水位、流速和因洪水迅速涨落对筑岛的影响，同时必须保证施工期的边坡稳定。

由于当地为山岭水库库区，交通闭塞，大型机械设备和水上施工设备无法进入，筑岛施工采用水中进占法进行。

3.1 筑岛平面设计

筑岛的平面尺寸应为结构开挖所需的尺寸外加护坡道宽度。根据公路施工手册有关筑岛围堰护坡道的要求，护坡道宽度可按下式计算：

式中：H——筑岛高度，按10 m计算（承台外缘2 m处水深）；

φ——填土的内摩擦角（饱和状态），填黏土取15°，填石取35°。

计算得出B在填土和填石条件下分别为7.3 m和5.4 m。

考虑施工工作面每边1.6 m，本工程筑岛的平面尺寸为31.3 m×26.8 m。

3.2 标高设计

根据设计图纸，小山水库设计常水位为676.4 m，设计高水位为683.5 m，考虑到安全超高、风浪爬高等要求，筑岛标高选择685 m。

3.3 填料选择

由于本工程4#墩侧正在进行市政道路工程，有较多的石质弃方可以利用，为降低工程造价，初步选择采用该石方为主要填料。5#墩侧考虑以黏土填料为主。

3.4 水力计算

筑岛围堰的水力计算主要是确定迎水面的坡度和防护处理。

3.4.1 采用经验法计算

参考国内若干已建工程水中抛土特性[3]以及水中抛填土的稳定边坡进行坡度估算公式为：

式中：α—— 围堰坡角角度（°），cotα=X（水平边长）/Y（纵高度）；

K——边坡稳定安全系数；

φ——土料内摩擦角值（°）。

根据对填料的土工试验结果，按最小安全系数取值K=1.15，按上式计算求得坡角值如下：填石：cotα=K/tanφ=1.15/tan35=1.64填土：cotα=K/tanφ=1.15/tan15=4.29

3.4.2 边坡稳定性验算

采用理正软件对筑岛施工的边坡稳定性进行验算，经过多次试算，确定坡角值为1∶2.3。通过对现场模拟，确定计算边坡形状如图3所示。在图中，边坡形状可以分成4 个区域：其中，①区为填土区；②区为强风化和中风化玄武岩区；③区为碎石和卵石层；④区为黏土和淤泥质土层。采用圆弧滑动法进行其边坡安全系数的计算。

图3 筑岛边坡模型

经计算，填石边坡的安全系数为K=1.965，其滑动面简图如图4。填土边坡的安全系数为K=1.212，其滑动面简图如图5。均满足稳定性要求。

图4 填石筑岛边坡滑动面

图5 填土筑岛边坡滑动面

通过上述分析，选择深水筑岛围堰的坡比为1∶2.3。4#墩填筑方量为33 658 m3，5#墩填筑方量为36 541 m3。

4 筑岛实施情况及分析

方案确定后，开始进行围堰筑岛施工。4#墩采用现场的碎石土填筑，5#墩采用黏土填筑，每15 d对水库下的断面进行对比测量。

4#墩筑岛9月20日先行施工，40 d后，填筑3.1万 m3，岸边未推进，经水下测量，部分填土已堆至边坡，实际有效方量1.7万 m3，流失率达到46％。

5#墩从10月16日填筑，填料采用黏土，施工过程中由于水位变化频繁，日落差达4 m，筑岛时常出现坍塌现象，往往前进几米，第二天又全部滑落水中。15 d后填筑3.1万 m3，经水下原地面测量，5#墩边坡未见土方，所填土方已滑落河底，形成淤泥，实际有效填方不到5 000 m3，逾2万 m3不知去向。桥两侧筑岛土方在河底中心已经合拢，并已填高逾4 m。

通过对水文、地形情况的观测，施工暂时停工，再次对筑岛方案进行论证分析。筑岛方案未达到预期主要有以下原因：

（a）施工期间，因当地洪水库区水位变化频繁，水位骤降对填土造成了较大的影响；

（b）筑岛设计时填料的内摩擦角仅考虑了饱和状态时的数值，但未考虑到抛填土时迎水面内摩擦角的降低，根据国内相关资料，土质填料时，抛填土时迎水面内摩擦角仅为饱和状态时数值的一半。填黏土时，迎水面抛填时其内摩擦角一般为9°～10°，按经验公式计算其坡角值为7.26，远大于施工取用的2.3。

（c）采用理正边坡稳定性计算时，坡面模型与实际有所差距，安全系数偏低。

经上述分析，对筑岛施工方案进行了调整，4#墩填石方案继续施工，5#墩填土方案变更为钢平台。4#墩又经过20 d填筑，顺利形成了筑岛平台，实际总填方量为6.4万 m3，为当初设计值的1.9 倍。5#墩因筑岛使坡面覆盖土层加厚，钢平台得以顺利实施。