淮河复杂地质条件下的深水墩施工技术

康一诚

中铁六局集团 北京 100000

摘要：随着国家经济的发展，国家基础建设力度的加大，跨越大江大河的桥梁也越来越多，而我国幅员辽阔，水文、地质复杂多变，水下基础工程施工不可预见因素多，施工难度大，因而复杂水文地质条件下的桥梁水下基础施工技术已经成为大型跨江、跨河桥梁施工中的关键技术。如何通过技术手段突破跨河、跨海桥梁的选址限制，实现在复杂地质条件下的水中墩施工已迫在眉睫。本文通过淮南孔李淮河大桥主航道桥深水墩施工，阐述了在淮河复杂地质条件下施工深水墩的施工技术要点。

关键词：复杂地质；深水墩；钻孔桩；双壁钢围堰；施工技术

1工程概况

淮南孔李淮河大桥主航道桥梁为三跨钢箱下承式连续系杆拱桥，跨径布置为11m0+180m+110m，主墩承台横桥向宽度为13.6m，顺桥向长度为18.6m，承台厚度为5.5m。主墩基础采用钻孔灌注桩，每个承台下设12根直径2m、桩长75m的钻孔灌注桩。

该水中墩桩基分别穿过黏土层、中砂层、粉砂质泥岩层。受淮河长期采砂作业影响，中砂层地质较为松散，钻进成孔过程中极易发生塌孔；而水敏性粉砂质泥岩在机械钻进前异常坚硬，扰动后受泥浆浸泡极易软化，产生胶凝状物质附着于钻头，沉积于孔底难以排出，并且强度降低以后极易发生塌孔。两个主墩采用双壁钢围堰围护进行施工，双壁钢围堰平面尺寸为22.8m×17.8m，高度：24.2m，水深达到12m，围堰入土深度达到10m。

2工艺原理

工程所面临的地质是软弱的中砂和水敏性的泥岩，施工过程中极易造成塌孔，而避免桩基塌孔最有效的措施就是提高泥浆护壁质量。钻进时通过钻头下部的合金钢牙将土体扰动粉碎，通过反循环方式将泥浆排除孔外，钻头即可下沉、钻进。在孔壁内外土压力差作用下容易造成塌孔。使用压轮钻头后，通过稳定围壁外侧的压轮与孔壁接触，滚动压实孔壁土体，提高了土体密实度、增加了土体强度，从而提高了泥浆护壁质量（一方面压轮可以压实孔壁土体，另一方面滚动的方式不会损伤护壁质量），避免塌孔现象的出现。

双壁钢围堰可以为施工提供无水环境，具有制造方便、施工迅速、安全可靠的特点，在特定的工程环境下，具有其他围堰无法比拟的优越性，适用于深水基础施工。

针对河床中存在板结的黏土层，其塑性强、流动性差、具很强粘聚性的特点，吸泥下沉困难很大。先采用旋挖钻清理围堰下沉范围内的硬壳黏土层。尽可能减少围堰下沉过程中的障碍，提高了围堰的下沉速度。下沉过程中使用的水刀吸泥设备主要由水压系统和气压系统两部分组成。水压室内高压水通过水压喷头射出，形成的高速水流切割破坏板结的土体结构，在水流的扰动作用下，吸泥设备下方的粘土被切割成碎块或与水混合形成泥浆，使河床土体逐步转变成为具有流动性、可被排出的状态。

3施工工艺流程及操作要点

3.1施工工艺流程

施工工艺流程：栈桥及钻孔平台施工→水中钻孔桩施工→河床黏土层清理施工→双壁钢围堰加工→双壁钢围堰拼装施工→双壁钢围堰下沉施工→双壁钢围堰混凝土封底施工→承台及墩柱施工。

3.2施工操作要点

3.2.1栈桥及钻孔平台施工

水中墩施工以栈桥作为临时运输通道。栈桥以钢管桩为基础，采用直径630mm及800mm钢管桩，桩长以打入河床深度不小于15m考虑，采用80T履带吊配合DZ90振动锤打入河床。每排钢管桩设计为三根，相邻两根桩之间用槽钢[20作斜撑连接。钢管桩桩顶垫梁均采用2I45b工字钢，栈桥主梁采用四组贝雷梁，中间组梁贝雷梁每两片为一组，两侧组梁贝雷梁每三片为一组，中间用90花架连接。纵梁中间墩跨径为12m，每6孔设一排双排桩墩，每两组贝雷梁间用[8槽钢进行剪刀撑连接，栈桥桥面系采用钢筋混凝土预制块，平放在贝雷梁顶面。

钻孔施工平台尺寸为23.6×17.0m，平台采用8根φ800和8根φ630钢管桩做为基础管桩，钢管桩之间平联采用φ325钢管连接，钢管桩上分配梁采用2根I45b工字钢双拼，与钢管桩桩帽焊接在一起，主纵梁为单层贝雷梁桁架，平台面为I20工字钢及δ10mm钢板组成。

3.2.2水中钻孔桩施工

水中钻孔桩施工施工工艺流程为：钢护筒安装→钻机钻进成孔→钢筋笼的加工与安装施工→桩基混凝土施工。

桩基钢护筒采用内径2.3m，壁厚20mm的螺旋铁皮管，插入设计桩顶以下20m的河床。钢护筒采用振动锤插打，钢护筒的最终入土深度采用护筒底设计标高和最终贯入度双控的办法来确定。钻孔泥浆的制配采取在平台上造浆机内造浆，利用未开孔的钢护筒作为泥浆池。针对该地质情况，采用了在钻头外缘增设压轮的反循环钻机进行钻进成孔。

图3.2.2 压轮钻头构造图（单位：cm）

3.2.3河床黏土层清理施工

施工区域河床土体中存在板结的黏土层，塑性强、流动性差、吸泥效率低下，并且围堰四角地质不一致，这将导致围堰四角下沉情况不一，无法做到均匀整体下沉。故必须在双壁钢围堰施工以前尽可能地清除掉这些板结的土体。具体做法是利用已有桩基钢护筒搭设施工平台，使用旋挖钻机对围堰施工范围内的河床硬塑粘土层进行清理，装载机等其他运输机械配合将清理出的钻渣外运。

3.2.4双壁钢围堰加工

双壁钢围堰的加工选择在钢结构加工厂进行，整个围堰分三节，每节围堰分为14块，最大节块重量为20t。各块构件在预制胎架上进行，围堰节块各构件组装顺序为：胎架平台制作→铺设外圍壁板→安装外围壁板竖肋→安装水平环板→安装内隔舱板→铺设内围壁板→安装内围壁板竖肋→焊接内部构件。

3.2.5双壁钢围堰拼装施工

首节双壁钢围堰的拼装必须为其提供一个稳固可靠的施工平台，即拼装平台，以确保首节钢围堰的尺寸及垂直度满足要求。拼装平台可利用已有的桩基钢护筒为基础进行搭设，平台顶面要求必须处于同一水平面，并可承受底节双壁钢围堰的重量。

拼装平台施工完成后精确定位双壁钢围堰的平面位置，在拼装过程中注意控制钢围堰的垂直度及焊缝对接位置，先将围堰临时固定，待围堰全部拼装完成后再根据尺寸偏差情况调整各块钢围堰位置，以确保相邻两块钢围堰对接过程中焊缝宽度满足要求。拼装完成后对整个底节双壁钢围堰焊缝进行煤油渗透试验及超声波检测，检测结果合格后方可进入下道工序。

由于本工程所使用的双壁钢围堰高度达到24.2m，其下沉过程中的限位控制极为困难，故使用了“内岛式导向装置”。该装置以桩基钢护筒为基础，导向钢管通过测量精确定位以后临时固定，然后根据导向管距离已施工完成的桩基钢护筒之间的距离确定上下连接件的尺寸大小，最后将上下连接件焊接固定于钢护筒上。

3.2.6双壁钢围堰配重下沉及接高施工

双壁钢围堰正式起吊入水前应进行试吊，以检验起吊系统是否能满足正常工作。试吊必须在有经验人员的统一指挥下进行，保持八台YCW60B型千斤顶同步进行，确保钢围堰保持同步缓慢提升，在提升过程中安排专人实时观察起吊系统、精轧螺纹钢以及各结构物的状态，确保提升的安全；在提升10cm后停止，检查双壁结构，然后拆除拼装平台，下放围堰入水。在围堰靠自重下沉到一定的位置后，向双壁钢围堰隔舱内浇筑第一次配重混凝土，直至围堰顶标高高于水面标高2.5-3m。紧接着在底节围堰上方进行中节和顶节围堰的拼装，其施工要点与底节拼装相同。

3.2.7双壁钢围堰入土下沉施工

中节双壁钢围堰拼装完成后进行第二次配重混凝土浇筑，浇筑过程同第一次相同，但当围堰刃角部位接触河床时，注意控制各个隔舱内所浇筑的混凝土数量并不相同甚至差异很大，依然以围堰四角保持同步平稳下沉为标准。待双壁钢围堰入土深度大于2m或整个刃角全部进入河床时，围堰着床成功。

双壁钢围堰着床成功后采用吸泥下沉方式继续进行。吸泥下沉采用四套吸泥设备对双壁钢围堰四角同时进行吸泥作业，过程中随时测量围堰四角顶面到水面的距离，尽量保证围堰四角同步下沉、避免偏位。

由于河床土体中存在含锰铁结核硬的硬塑黏土层，流动性差、具很强粘聚性，并且围堰四角地质不一致，故设计并采用了“水刀”吸泥设备。“水刀”吸泥设备由水压管、气压管、水压泵、空气压缩机、水压室、气压室、排泥管、气压喷嘴、水压喷浆、稳定架腿等结构组成，具体结构如下：

图3.2.7 水刀吸泥设备构造图（单位：mm）

“水刀”吸泥设备工作时先将设备下落，稳定架腿插入至河床，然后启动水压泵和空气压缩机。水压室内高压水通过水压喷头射出，形成的高速水流切割破坏板结的土体结构，使河床土体逐步转变成为具有流动性、可被排出的状态。气压室内高压气体通过气压喷嘴斜向上射入吸泥管道，高速流动的空气在气压喷嘴附近形成真空负压，排泥管道下方被水流切割成碎块的粘土或与水混合形成的泥浆通过排泥管道向上输送，最终排出钢围堰。

在吸泥下沉过程中可采用加配重的方式配合围堰的下沉。具体做法是向双壁钢围堰的隔舱内对称等量加入河砂、水，也可继续浇筑配重混凝土，但围堰隔舱内配重混凝土顶面标高不得高于河床标高或承台顶面标高。

3.2.8双壁钢围堰混凝土封底施工

围堰下沉到位后进行检查验收，主要检查围堰垂直度、平面位置、标高等。潜水员水下检查围堰底河床的平整度以及围堰内壁和钢护筒外壁的清洁度，不得附有泥土。围堰检查合格后，即可进行封底，封底采用“导管法”进行，封底顺序从一侧向另一侧进行，连续灌注不得中断。

施工前先利用桩基钢护筒放置贝雷梁，其上铺设脚手板作为封底施工平台。封底混凝土灌注前，把储料斗装满混凝土。一切准备工作就绪后，利用吊机“拔球”使混凝土瞬间通过导管压向基底，在导管周围堆成一混凝土圆锥体，然后利用履带吊吊运混凝土漏斗通过导管源源不断地灌入，混凝土在水下摊开和升高，直至达到承台底设计标高以下30cm。水下混凝土封底采用导管逐根灌注，其灌注顺序应从低至高逐个连续进行。最后一根导管灌注前要用泥浆泵将挤至导管外的泥浆或杂物清除，然后再进行混凝土浇注。当最后一根导管混凝土灌注完成后，使用尖锤测量各个导管处混凝土顶面标高，按照由低到高的顺序向各个导管灌注混凝土，直至各点均达到设计标高。

封底砼完成浇筑后，潜水员沿围堰外壁检查，如发现存留漏缝时及时补漏确保封底砼的完整性。待封底砼达到设计强度时将双壁钢围堰内水抽出，清除淤积在封底混凝土上方的淤泥，形成干法作业空间。

3.2.9承台及墩柱施工

承台施工前采用风镐凿除桩头，并清理围堰内部的淤泥和混凝土渣，采用超声波对混凝土桩基进行检测。

由于双壁钢围堰内壁尺寸比承台外边宽10cm，故直接以双壁钢围堰作为模板。由于主航道主墩承台为大体积混凝土浇筑施工，为防止温度不均匀引起的收缩裂缝，特在承台内部敷设4层冷却水管。墩柱采用爬模施工进行，其他施工与陆地普通墩台施工相同。

4新技术的使用

4.1带压轮钻头的反循环钻机施工复杂地质钻孔桩技术

在反循环钻机钻头外缘增设的压轮，钻进时压轮滚动压实孔壁，提高泥浆护壁质量，成功在含有较松散的中砂和水敏性粉砂质泥岩的地质条件下钻进成孔，大大降低了塌孔频率。

4.2采用旋挖钻机预先处理河床硬壳层技术

双壁钢围堰拼装前通过已施工完成的桩基钢护筒搭设施工平台，在施工拼装平台上布置旋挖钻机清理含锰铁结核的硬塑黏土河床土體。尽可能减少围堰下沉过程中的障碍，减小入土深度，尽量排除河床对围堰下沉的障碍，提高了双壁钢围堰的下沉速度。

4.3围堰着床及下沉过程内岛式导向装置定位技术

双壁钢围堰下沉着床采用千斤顶吊挂系统、双壁隔舱内浇筑混凝土、加水等配重方式实现，为保证对围堰下沉过程中平面位置及垂直度的精确定位，在底节围堰拼装完成后在围堰内四角桩基钢护筒外侧安装内岛式导向装置。该装置通过精确定位安装后位置固定不变，形成一条竖直的定位轴线，扩大了与围堰的接触面积，有效避免了导向装置被挤压变形，大大提高了双壁钢围堰定位精度和稳定性。