深水裸岩大体积承台基坑预封底反开挖施工技术

李 伟

(中铁十六局集团第三工程有限公司 浙江湖州 313000)

1 前言

近年来我国桥梁建设发展迅速，跨水域桥梁的修建尤为突出，因此深水承台的施工案例也层出不穷。其中，长江及沿海流域是桥梁水中基础工程施工的集中区域，设计水中承台形式也各有不同[1]。目前国内深水低桩承台多采用围堰、沉井等方法进行施工[2-3]，尤其以围堰较为常见。围堰施工受水流及地质条件影响较大，施工时主要是通过插打钢管桩或钢板桩使承台区域形成不透水空间，从而为承台施工提供安全稳定的作业区间，其中钢管桩插打顺序及插打深度应符合相关规范要求[4-6]。深水基础施工常采用锁扣钢管桩[7-8]、双壁钢围堰、低水位期填土筑岛[9-12]等施工技术。传统水中低桩承台施工时，围堰施工完成后即可进行承台施工相关工作，本项目由于河床底面为基岩，且承台位于基岩面以下，围堰施工后如果直接下挖，会对围堰稳定性和密闭性造成较大影响，因此本项目提出预封底反开挖的方法进行施工，很好地解决承台嵌入岩面下层施工的难题。

2 工程概况及基坑防护方案

2.1 工程概况

昌赣客专泰和赣江特大桥位于吉安市泰和县，桥梁全长6.84 km，与既有京九铁路泰和赣江桥相邻，两桥净间距不足30 m。该主桥基础施工具有以下难点:(1)2＃墩河床为裸露基岩，承台下卧裸露基岩约1.7 m；3＃墩河床覆盖层厚约4.6 m，承台下卧约4.38 m，锁扣钢管桩围堰生根固结难度大、引孔工程量大，控制精度高。(2)根据设计计算封底混凝土厚度达2 m，以2＃墩为例，开挖深度约4.3 m，工程量(约2 200 m3)大，开挖高度19.5 m，基岩硬度300 kPa，邻近既有线无法采取水下爆破，基岩水下开挖难度极大。(3)施工水位深度达14.8 m，流速快(v＝3.68 m/s)，围堰支护、防水处理难度极大，工序、工况阶段控制要求极其准确；同时围堰、河床等监控测量精度和频率要求高。(4)邻近既有线平台空间受限，确保工程工期，加大了交叉同步施工组织难度和安全风险。

2.2 水中深基坑防护方案

(1)总体施工方案

本桥部分桥墩位于赣江河道中间，根据现场环境和地质情况，承台围护结构采用锁扣式钢管桩围堰。因邻近既有线禁止爆破，围堰内基坑开挖采用预封底反开挖作业法(机械干挖)，承台采用水下预封底，形成强度后进行抽水反开挖施工。主桥承台2＃、3＃同步施工，合理安排工期，在保证施工质量的前提下按时完成。

(2)主墩钢围堰构造及布置

围堰采用ϕ820×10 mm钢管桩，两侧分别焊接18型钢及ϕ159×7 mm钢管，如图1所示。工程中所用钢管桩单根长度为18.2 m，为保证围堰的整体稳定，要求管桩下部嵌入基岩面下3 m以上，且设置钢筋混凝土锚固桩对每根钢管桩均进行锚固处理。锚固桩直径0.7 m，一端伸入钢管3.0 m以上，另一端嵌入基岩4 m以上。单个承台围堰平面尺寸28.72×21.03 m，经计算围堰从上至下设四层内支撑:第一层内支撑设置在高程59.3 m处，第二层内支撑设置在高程56.3 m处，第三层内支撑设置在高程53.3 m处，第四层内支撑设置在高程50.8 m处。围堰内支撑腰梁全部由2HW400H型钢制作而成，斜向及纵向撑杆均由ϕ630×10 mm钢管构成，竖向支撑杆和加强连接杆均由ϕ500×8 mm钢管组成。为避免钢管出现应力集中，造成局部受力过大，在钢管与腰梁接触位置焊接加劲板。整个锁扣钢管桩围堰各构件布置如图2所示。

图1 锁扣钢管桩截面

图2 3＃墩围堰横断面布置

3 承台基坑水下混凝土预封底施工技术

3.1 水下吸砂施工

在进行混凝土预封底施工前，首先应保证第一道支撑安装到位，且保持围堰内外水位一致，再对围堰内部砂(砾石)采用水下导管泵吸法进行抽排处理。为实现围堰内外水位高度保持一致，在钢管桩插打施工前，根据常水位的标高选择4根钢管桩进行开孔，围堰内外水位高差可通过该孔进行调节，从而保证围堰内水位不受吸砂施工的影响。吸砂施工采用高压气泵吸砂机，主要用于清理围堰内基底表面覆盖层。水下吸砂施工现场见图3。为了确保封底混凝土高度范围内钢管桩及钢护筒与封底混凝土形成有效连接，吸砂施工完成后，潜水员下潜至底部利用高压水枪将钢管桩及钢护筒冲洗干净。

图3 水下吸砂施工现场

3.2 水下混凝土预封底

3.2.1 总体方案

在邻近既有线和通航并存条件下，禁止水下爆破和大型浮吊船作业，结合现场实际情况，采用预先封底再反开挖的施工方案。采用预封底最主要作用是经反开挖留置的混凝土圈梁，在达到强度后对钢管桩下部形成有效支撑，提升围堰基底稳定性和防水性；其次基岩渗水系数较小，通过混凝土压力和增加渗透长度抵抗压力水头差，便于基底干挖作业。封底采用梯形断面推进法，封底顺序为从低至高、从周边至中间逐个进行，直至封底全部完成。

导管分布计算:单根导管作用有效半径为2.5 m，要求所有导管作用有效面积必须全部覆盖围堰底部。每个导管作用面积:π×R2＝3.14×2.52＝19.625 m2。钢管桩围堰底面积:19.4×25.9＝502.46 m2，则至少需要导管根数:502.46/19.625≈26根。导管下放时与钢护筒外侧保持一定距离，以便混凝土均匀扩散。根据作业平台及布置原则，现场设置28根导管，同时备用一套导管。施工时导管位置根据实际情况进行微调，避开钢护筒及内支撑。导管布置见图4。

图4 导管平面布置

3.2.2 封底混凝土浇筑施工布置

(1)利用钢护筒、钻孔平台定位桩搭设封底混凝土平台，作为封底混凝土施工过程中人员操作、小型机具的堆放平台。

(2)为保证混凝土顺利灌注，避免导管堵管现象的发生，所选用的导管内径为300 mm，并进行相应水密性及抗拉强度试验。所有导管的内径要确保一致，保证误差在±2 mm之内，导管内壁要光滑无阻，管体不漏浆且无裂痕。

3.2.3 封底混凝土施工

将泵车停在2＃、3＃墩南北两侧，浇筑过程中实行从围堰两边向中间对称浇筑，且从上游向下游对称推进的浇筑顺序。分两层进行浇筑，每层浇筑1 m，待第一层浇筑完成后重复第一层浇筑顺序完成第二层浇筑。

(1)在设计下料点垂直下放内径300 mm的钢制导管，准备12个1.5 m3漏斗，导管底口距离基底面30 cm。

图5 封底混凝土浇筑顺序

(2)在 2＃、3＃墩南北两侧1号导管安装1.5 m3漏斗。待浇筑完成后将第一排漏斗拆除安装至2号导管位置，最后进行 3、4号导管浇筑(浇筑顺序见图5)。待第一层浇筑完成后，依次对称进行第二层浇筑至设计标高(封底混凝土成型见图6)。

图6 预封底施工完成

4 承台基坑反开挖技术

4.1 封底混凝土反开挖总体方案

桥址处设计施工水位标高为58.8 m，围堰内外水位差深达14.8 m，水下岩石开挖难度极大，开挖方式是决定开挖成败的第一要素。结合运砂船通航、既有京九铁路运营安全、围堰底部稳定等多种因素，取消原水下爆破方案。根据现场邻近既有线、开挖深度及基底地质等多方面条件考虑，选择小型挖掘机(自带炮头)干挖作业的方式开挖。3＃墩设计承台底标高为44.019 m，河床标高为48.4 m(砂石覆盖层4.6 m)，岩层顶标高约43.8 m，封底混凝土底标高与岩层顶标高一致(厚2 m)；2＃墩设计承台底标高为44.579 m，河床为裸露泥质粉砂岩层(300 kPa)，基面标高约46.3 m，承台下卧基岩约1.72 m，基坑封底混凝土底标高与裸露基岩面标高一致(厚2 m)。

4.2 反开挖施工

第一步:抽水至封底混凝土顶，采用大型吊车吊放4台PC-60型小型炮机及1台120型挖掘机至基坑内，测放承台边线，每边外扩40 cm，作为开挖边线；每侧预留0.8 m宽混凝土作为圈梁，加强围堰根部稳定性和防水性。

第二步:由中间向两边分段、分层对称开挖，保证开挖期间基底和围堰根部稳定，每层由中间开挖至围堰边80 cm后再进行下一层开挖，最终开挖至承台底标高下50 cm处。2＃墩开挖基坑底标高为44 m，开挖深度4.3 m；3＃墩开挖基坑底标高为43.5 m，开挖深度2.3 m(见图7)。

图7 开挖至承台底50 cm后留置混凝土圈梁

第三步:分别浇筑50 cm厚调平垫层(见图8)，保证承台底平整度。同时封闭围堰底局部裂隙水，在裂隙水处四周设置暗管，引流至集水井，利用抽水机强排至围堰外。

图8 浇筑50 cm厚混凝土调平垫层

5 水下封底混凝土灌注要求及注意事项

(1)由于承台体积大，在浇筑封底混凝土时无法实现一次同时“冲灌”灌注，应采取从低至高、从周边至中间顺序进行灌注的方式。该方式一方面避免高处混凝土向低处扩散；另一方面避免基底浮泥及封底混凝土顶面的浮浆集中在基础边缘。

(2)混凝土浇筑前应进行配合比设计，可增加适量水泥或粉煤灰确保混凝土的流动性，使其具有良好的和易性，避免在灌注过程中产生离析。由于封底混凝土体积大，应在混凝土中加入适量缓凝剂，确保初凝时间在10 h以上。

(3)首批混凝土的数量必须进行计算，计算公式:v＝π×R2×h/3＝5 m3，其中h为导管底口处混凝土埋高，h＝0.3 m；R为扩散半径，测得最大为4 m。

(4)施工中安排专人精确探明基坑底标高、混凝土表面标高，同时严格控制导管埋深。

6 结论

本文以昌赣客专泰和赣江特大桥为例，介绍了如何在邻近既有线和通航并存条件下进行裸露基岩深水大体积承台施工。针对邻近既有线禁止爆破及施工水域涡流冲击等不利条件，利用预封底反开挖作业法，对钢管桩下部形成有效支撑，提升围堰基底稳定性，同时通过混凝土压力和增加渗透长度来抵抗水头压力差，便于基底干挖作业，成功解决了深水域基岩开挖及围堰稳定控制等难题。该施工技术可为今后类似工程提供宝贵经验，具有一定的参考价值。