V形大落差裸岩河床深水基础双壁钢围堰施工关键技术

梁之海

(中铁二十局集团巴西建筑国际有限公司，江苏 苏州 212151)

1 工程概况

南龙铁路合福联络线闽江特大桥位于福建省南平市延平区境内，桥梁跨越峰福铁路、闽江和朱熹路，长891.211m，9～12号墩为主桥范围，主桥为(118+216+118)m刚构连续梁，主跨216m为目前铁路同类型刚构连续梁世界最大跨度。10，11号主墩位于闽江中，主墩高分别为61.5，60.0m，采用24根φ2.5m桩基，承台尺寸为 30.25m×19.75m×5m，河道为Ⅳ级航道，最高通航水位69.02m，最低通航水位57.02m，施工水位为62.52m，设计流速V=3m/s，江面宽度420m，桥址平均水深17m。10号墩为V形大落差斜坡裸岩河床，无覆盖层，承台范围内河床面高程为39.600～53.000m，最大高差13.4m，承台底设计标高51.285m，承台嵌入岩石河床内，靠近冲沟侧存在悬空吊脚情况。桩基地质为弱风化花岗岩，岩石单轴饱和抗压强度达160～220MPa。承台采用双壁钢围堰施工。

2 施工方案及关键技术

2.1 施工方案

根据河床扫测和地质综合分析研究，10号墩承台河床为V形高低不平裸露斜坡岩面河床，承台大部分结构嵌入河床岩石内，另一部分承台存在悬空，即承台处于半嵌岩半悬空状态，导致双壁钢围堰存在“悬空吊脚”现象。双壁钢围堰前侧和右侧悬空长度均为14m，悬空高度0.5～6.8m，在角点处悬空最大，给围堰封底混凝土施工带来极大困难。故钢围堰无法按常规采用吸泥出水下沉，双壁钢围堰悬空吊脚结构设计及水下封堵施工、水下斜坡裸岩面基坑开挖、钢围堰锚固方法是V形斜坡岩河床嵌岩深水基础施工及安全控制的关键。

深水基础采用先堰后桩法施工，利用浮动钻孔平台进行基坑水下钻孔爆破开挖后在水中下沉双壁钢围堰，最大开挖深度7m(含封底层厚度)。V形斜坡岩大落差悬空吊脚处采用楔形块+插板组合处理技术，钢围堰楔形块、插槽与首节钢围堰同时拼装焊接，首节钢围堰在岸边搭设拼装平台分块拼装、下水、浮运至墩位处下沉，其余节段在墩位分块拼装、焊接接高、下沉到位，安装插板、封堵及安装钢护筒，最后灌注钢围堰封底混凝土和隔仓混凝土，在钢围堰顶搭设钻孔平台进行钻孔灌注桩施工，最后进行承台、墩身施工。

2.2 施工关键技术

2.2.1双壁钢围堰设计

2.2.1.1双壁钢围堰标准节

水中墩钢围堰设计考虑通航安全影响，同时最大限度减少基坑水下爆破方量，减少承台模板投入，方便钻孔桩施工，钢围堰设计为矩形，围堰内壁比承台尺寸大25cm，即钢围堰内壁长30.75m，内壁宽20.25m，外壁长33.75m，外壁宽23.25m，内外壁之间相距1.5m。

钢套底标高设计为48.000m，顶标高设计为66.000m，封底厚度为2.5m，钢套箱全高为18.0m。将围堰分成5节，底节4m(带刃脚)，2～3节4m，第5节2m，内支撑2道。每节平面分成20块，以便钢围堰拼组安装，每块质量控制在10t以内，便于设备吊装。

根据施工水位情况决定最上部一节钢套箱块件是否安装，如果过了汛期施工钢套箱，钢套箱上面一节不安装，套箱顶标高为+64.000m。

侧壁板内外壳板厚均为6mm，竖向加劲角钢└75×75×8，间距为400，600mm，内外侧壁板转角处设角钢连接。竖向加劲角钢两端均与水平桁架弦杆围焊连接。

刃脚钢板厚δ=6mm，顶面顺坡度方向布置加劲肋角钢，加劲肋角钢两端与内壁板水平桁架弦杆及外壁板加劲角钢焊接，加劲肋中部焊接斜杆及水平杆支撑到外壁板加劲角钢。

双壁钢围堰标准节结构如图1所示。

图1 钢围堰标准节结构

2.2.1.2钢围堰悬空吊脚封堵结构

根据基坑开挖后河床地形扫测情况，钢围堰悬空段长度为28m，悬空高度为0.5～6.8m，钢围堰悬空吊脚结构设计分3种情况，具体如下。

1)悬空高度>3m 采用楔形块+插板组合，充分适应地形变化，采用砂袋和隧道防水板进行水下封堵，悬空吊脚处分3次灌注封底混凝土。①楔形块结构 楔形块内外壁宽度等同标准节宽度，长度和高度通过实际地形确定，采用直角梯形结构，上口水平尺寸与标准节段一致。其中上游侧(右侧)设计1道楔形块，高2.0～3.5m，长6.38m；大里程侧(前侧)设计2道楔形块，高2.0～2.68m和2.68～3.5m，长分别为5.25m和6.38m。楔形块双壁厚度为1.5m，角点连接同标准节四角结构。②插板结构 插板能较好适应地形变化，单根工字钢插板能够与河床接触，起到支挡防漏作用。插板采用I25b，长3～6m，工字钢腹板与钢围堰外壁平行放置。插孔尺寸29cm×20cm，采用20mm厚钢板与双壁钢围堰外壁焊接而成，每根插板竖直方向设置2个插孔，插孔间距为1.3m。每2根插板之间中心间距40cm，空隙为15cm，插板空隙采用砂袋和防水板进行水下封堵。

2)悬空高度0.5～3m 直接采用插板处理。在标准节底节外壁焊接插孔，插孔尺寸29cm×20cm，采用20mm厚钢板焊接在双壁钢围堰外壁上,采用I25b插板作为骨架，采用砂袋及隧道防水板进行水下封堵，吊脚处分两次灌注封底混凝土。

3)悬空高度0～0.5m 直接采用砂袋进行双壁钢围堰外侧封堵。

钢围堰悬空吊脚楔形块结构如图2所示。

图2 双壁钢围堰悬空吊脚处理结构(单位：cm)

2.2.2双壁钢围堰施工

2.2.2.1基坑开挖及河床扫测

基坑水下钻孔爆破开挖采用浮平台配潜孔钻钻孔，孔径为138mm，利用浮平台配长臂挖机清碴，钻爆平台船采用RTK-DGPS定位。钻孔爆破顺序应根据V形河床的高程走向确定，从河床面底的一侧向另一侧分区域顺序推进，炮孔一次钻至设计要求高程(包括超深)，待基坑钻孔爆破全部完成后一次性清渣，可减小分层爆破钻孔卡钻和跑钻的风险。采用微差控制爆破技术，需进行专门的钻爆设计。河床扫测及基坑测量采用多波束测深系统和回声测深仪全覆盖水深测量。基坑爆破及清渣完成后，对基坑进行硬式定深扫海或多波速扫海检测验收，确保基坑满足设计要求，并按照基坑扫测实际数据设计钢围堰悬空吊脚楔形块和插板组合结构。

2.2.2.2双壁钢围堰拼装

双壁钢围堰按照钢结构加工标准制作，焊接需进行水密试验。采用φ630×10钢管桩搭设围堰拼装平台，在钢管桩上焊接I25b作为联结系和承重梁，承重梁比现场水位高约50cm，在承重梁上铺放木板搭设焊接作业平台。钢围堰拼装误差应符合规定，内侧平面尺寸偏差应不大于长、宽的1/500，曲线部分不大于半径的1/500；相邻隔舱顶面高差<100mm。

钢围堰楔形块拼装：由于钢围堰楔形块部分高差悬殊较大，考虑到受力平衡，首先利用手拉葫芦悬挂上、下游两侧楔形单元块，再吊装靠最低部分单元块进行对接，逐节进行首节双壁钢围堰拼装，然后锁定焊接，直到首节钢围堰顶部形成一个矩形平面后，方可进行楔形块的焊接拼装工作。钢围堰楔形块拼装完成后，需全面仔细检查各焊缝有无气孔、夹碴、漏焊等，并进行油密试验，确认焊接良好并不漏水后方可下水。

2.2.2.3双壁钢围堰底节下水及浮运

钢围堰底节下水需设置悬吊系统，包括承重梁和扁担梁，利用钢管桩作为承重柱，在钢管桩上设置单层3×I50a作为承重梁，在每个承重梁上设置2个100t千斤顶。在千斤顶上设置2×I50a扁担梁。精轧螺纹钢下部和钢围堰连接，上部和扁担梁固定。钢围堰底节楔形块导致四周质量不平衡，可通过不平衡注水措施进行调节，保证首节下水后在浮运过程中保持平衡。钢围堰底节浮运过程中，利用机动舟与浮运船四角锚机，将围堰浮运至墩位处。钢围堰浮运水域必须进行水深扫测，特别注意楔形块部位的潜入深度，防止钢围堰搁浅导致损坏。

2.2.2.4双壁钢围堰下沉及着床

双壁钢围堰首节浮运到墩位后，设置下沉定位导向平台，安装限位系统，在四角分别安装1台3t锚机，采用抛掷重力锚进行锚固，使围堰稳定垂直自浮，通过调整导向平台四角锚机，使钢围堰精确就位，并稳定于墩位中心。按照设计插孔位置将I25b插板安插在插孔内，并采用铁丝固定在钢围堰外壁上，然后依次进行2，3，4，5号节钢围堰分块焊接、分节接高下沉。注意每节段接高时要随拼装，随调整，待全部点焊成型后，方可全面焊接，先焊水平弦板，后焊内壁，再焊外壁，并按对称施焊要求进行。

钢围堰的着床定位是施工中的关键工序，直接影响围堰最终的定位质量，特别是钢围堰存在悬空吊脚情况，存在钢围堰着床倾覆的风险。围堰着床前采用GPS定位系统进行测量定位，调整围堰的倾斜和偏位。钢围堰下沉至基坑面0.5m时，再次进行精确测量定位，采用10台抽水机向10个隔仓同时注水，使围堰迅速下沉着床。

钢围堰平稳着床后，立即将非悬空部位钢围堰隔仓注满水压实，并及时灌注嵌岩侧隔仓混凝土，外壁与基坑壁之间抛填片石或砂袋进行封堵，悬空部分钢围堰隔仓混凝土需待封底混凝土灌注完成后进行灌注，可有效防止钢围堰悬空而导致钢围堰倾覆。双壁钢围堰下沉导向定位平台如图3所示。

图3 钢围堰下沉导向定位平台

2.2.2.5钢围堰插板下放着床及封堵

钢围堰插板着床是钢围堰施工的重要工序，关系到围堰的封底质量乃至整个钢围堰的稳定及系统安全。钢围堰整体着床就位后，采用导链和潜水员水下配合下放插板着床，由专业潜水员进行水下摸探封堵，同排插板采用型钢连接成整体增大其横向刚度，插板内壁采用δ=5mm钢板、隧道防水板、砂袋组合进行封堵，确保封底混凝土不外流或少外流。

2.2.2.6钢围堰封底

钢围堰着床隔仓混凝土灌注后，在钢围堰顶搭设钻孔平台贝雷梁，在贝雷梁上部安装I22b并铺装木板，使其满足钢护筒下沉和灌注封底混凝土的施工空间。在平台上部搭设钢护筒导向架，利用浮吊配合安设钢护筒，为防止斜坡岩面封底过程中钢护筒移位，在护筒内部抛掷砂袋。钢护筒设置2层横向连接杆，上层横向连接杆采用在安装钻孔平台贝雷梁底部标高位置焊接I40b联结系，工字钢顶面与贝雷梁底部密贴，工字钢联结系兼作贝雷梁的承重梁；下层横向连接杆接采用φ200×8钢管纵横向连接，设置在距离水面50cm位置处。两层横向连接将24个钢护筒和钢围堰连接成一个整体。

灌注水下封底混凝土是双壁钢围堰施工的重要环节，钢围堰悬空吊脚处的封底质量是控制重点。采用C25混凝土进行封底，封底顺序：先分次灌注悬空吊脚处封底混凝土，后灌注其他正常部位，最后灌注悬空吊脚处隔仓混凝土。具体施工工艺要求如下。

1)水下混凝土封底前，对围堰内基底河床标高进行详细测量，每隔1～1.5m测量1个点位，重点对护筒周围和围堰四角加密测量，不宜出现严重超挖或欠挖区域。对钢围堰悬空吊脚处插板封堵进行潜水摸探检查，确保封堵严密，尽量减少封底混凝土外流。

2)钢围堰悬空吊脚处采用楔形块+插板组合围挡，插板的水平抵抗承载能力相对较弱，为减少新浇混凝土对插板的侧压力，先分两次灌注钢围堰悬空吊脚处封底混凝土至插板顶覆盖楔形块100cm左右，需等下一层混凝土凝固后方可灌注上一层混凝土，然后间隔24h后方可进行全断面正常封底。灌注过程中由潜水员配合进行探摸，确保悬空部位的封底质量。

3)钢围堰全断面封底混凝土灌注顺序：从上游角点开始，按顺序往下游方向进行，确保围堰内水位高于围堰外约1m。一般导管封底作用半径按2.5m控制，导管底部应高出基底20～30cm，每个部位一次灌注至设计高程。

2.2.2.7汛期双壁钢围堰防洪度汛措施

双壁钢围堰有两个最不利工况：①钢围堰封底钻孔桩施工过程中，由于桩基未施工完成，桩基与封底混凝土还未形成稳定锚固结构，遇到特大洪水时，钢围堰处于不利因素；②在承台施工中，钢围堰内水抽干，此时钢围堰浮力最大，钢围堰封底混凝土质量及封底混凝土与桩体锚固质量是关键，遇到特大洪水时，浮力增大，存在钢围堰倾覆的危险。

主墩承台施工位于闽江主汛期，为保证双壁钢围堰安全度汛，除了按照常规设计及施工技术方法度汛外，还采用预应力锚固技术措施，具体如下：在靠近钢围堰内壁(四角)桥梁桩基水下混凝土灌注中埋设2根预应力精轧螺纹钢筋，锚固长度≥5m，精轧螺纹钢筋底端设置下垫板+螺母，在桩身混凝土强度达到85%后，在围堰顶设置反压梁，采用2×I40b，张拉精轧螺纹预应力筋,单根张拉控制力500kN，共增加2 000kN锚固力将钢围堰与桩体进行锚固，增加了防止钢围堰上浮及抗倾覆安全系数，确保汛期施工安全。钢围堰预应力锚固平面布置如图4所示。

图4 双壁钢围堰预应力锚固平面布置

3 质量控制要点

1)采用先进水下测量设备，严格控制基坑开挖质量。基坑爆破及清渣完成后，对基坑进行硬式定深扫海或多波速扫海检测验收，对河床地形详细了解，确保基坑满足设计要求。

2)基坑边坡不得有大体积的孤石悬挑，以防孤石滑落影响钢围堰着床就位，个别孤石由潜水员潜水采用裸露爆破消除。

3)围堰在接高、灌水、填充混凝土及注水下沉时，应严格控制围堰内、外水头差，保证隔舱内混凝土面与水面差及河水面与围堰内水面之差在设计范围内；同时注意围堰顶露出水面高度在1.5m左右以满足汛期影响。

4)由于围堰第1次接高时，底节还没有下沉至河床稳定深度，为此，接高后应迅速使其下沉至稳定深度。切忌在下沉至稳定深度前，使围堰露出水面的高度过大，并及时调整各仓水位，防止围堰重心偏大而发生意外。

5)围堰接高下沉时，应有足够的自重力，其沉降系数应≥1.2；采用仓内灌水增加自重下沉时应注意对称加载，并注意因悬空吊脚处楔形块导致钢围堰不平衡浮力的影响，严防围堰发生倾斜。

6)严格按照设计顺序进行封底混凝土和隔仓混凝土的灌注施工，特别注意钢围堰悬空吊脚部位的封堵和封底质量控制，防止钢围堰倾覆，保证封底质量，施工过程中需要潜水员进行探摸监控。

4 结语

1)V形斜坡岩河床深深水基础采用先堰后桩法施工，即“先水下爆破、清基，然后下沉双壁钢围堰，最后再施工钻孔桩”的施工方法。爆破开挖比冲击钻机锤击开挖速度快，避免出现冲击盲点影响钢围堰下沉及封底质量，基坑开挖质量可靠。

2)双壁钢围堰全部为水中下沉至基坑底面，着床容易准确定位，一般钢围堰平面尺寸与承台基本保持一致(可适当加大)，采用钢围堰内壁作为承台模板，减少基坑开挖方量，加快进度，可降低施工成本。

3)钢围堰底节采用楔形块+插板组合形式，解决了V形斜坡岩河床深水基础大落差悬空吊脚钢围堰浮运、下沉及封底施工技术难题，克服了常规双壁钢围堰底节形状规则的缺点。该结构形式新颖、操作方便，能充分适应地形变化，无需水下焊接，保证了钢围堰与河床紧密结合，封底效果较好。

4)采用预应力锚固技术措施锚固钢围堰，大大增加了山区河流斜坡岩河床双壁钢围堰的防洪度汛安全系数，施工方便，安全可靠。