基于强透水地层的新型堰模一体化结构和施工方法

江羽习, 张坤球, 黄 成, 黄文武, 黄 云

(广西路建工程集团有限公司, 南宁 530001)

培森柳江特大桥横跨柳江, 主桥为双塔单索面部分斜拉桥, 主桥长570 m, 中跨跨径280 m, 是世界第一跨径公路预应力钢筋混凝土部分斜拉桥, 也是贺州—巴马高速公路(象州—来宾段)的关键控制性工程。由于运营期河流通航和安全度汛的要求, 跨河桥梁涉水墩台的承台通常设计嵌入河床地层内。柳江流域河床常见松散状态的漂石, 间隙充填卵石、 砂砾等, 为典型的强透水地层[1]。此地层中采用传统的钢套箱围堰进行隔水施工, 施工工期长[2-3]。同时, 虽然钢套箱围堰也可作承台模板, 但因堰内支撑结构与承台钢筋存在位置冲突, 需将围堰尺寸加大来解决冲突以保证承台结构钢筋正确通过, 因而造成了承台实际尺寸和承台钢筋保护层的加大, 降低了施工精度。另外, 承台钢筋保护层加大还容易引起混凝土表面开裂。本文通过比选, 根据承台尺寸及桥位区水文地质情况, 提出一种新型堰模一体结构, 在隔水严密性、 结构施工快捷性、 材料节省、 结构施工精度承台施工零干扰和施工安全上均取得了良好的效果。

1 工程概况

培森柳江特大桥[4]是广西贺州—巴马高速公路象州—来宾段的控制性工程。桥位处, 象州岸岸顶高程为74 m, 来宾岸岸顶高程为72 m。培森柳江特大桥P2、P3主墩位于柳江主河道两侧, 主墩墩顶(主梁0#块底部)高程为119.568 m。主墩承台为整体式群桩基础承台, 承台底标高为50 m, 承台顶标高为56 m, 承台尺寸为长(横桥向)32.342 m×宽(顺桥向)19 m×高6 m。承台尺寸见图1。

图1 主墩承台构造及地质剖面图(单位:cm)

两桥墩承台区域河床覆盖大厚度漂石, 间隙充填卵石、 砂砾, 状态松散, 透水性强。P2主桥墩处覆盖层顶底高程为54.0～55.2 m,P3主桥墩处覆盖层顶底高程为55.1～56.4 m。承台底部未嵌岩。

桥位区每年5—9月为汛期, 10月至次年4月为枯水期, 枯水期水位在52～54.55 m内波动。进入汛期后, 水位波动较大, 5年一遇洪水位为68 m。根据施工进度计划, 将在枯水期进行承台施工。施工时考虑最高水位为55 m。

2 方案比选

进入汛期后, 河水水位涨落大, 水面宽度宽, 两岸滩涂被完全淹没。主墩墩身施工和大桥主梁施工合龙前工期较长, 需从两岸往主墩搭设栈桥作为施工通道。枯水期水位较低, 大部分时间仅两主墩之间的主河道部分有明流, 人员设备可直接进入主桥墩平面范围出露的河床卵漂石覆盖层进行施工。值得指出的是, 覆盖层顶面与水位高差仅1～2 m, 覆盖层下相对水位较高, 且覆盖层具有强透水性。上述复杂的水文地质情况增加了主桥墩承台施工的难度。为了科学快捷地完成主墩承台的施工, 并在汛期到来前使主桥墩墩身施工高出洪水位, 避免汛期对主墩施工的影响, 先进行了承台施工方案比选。

2.1 钢套箱围堰方案

钢套箱围堰[5-6]是水下承台最常用的隔水结构, 但在本桥水文地质条件并不适用, 主要原因在于: ①本桥主墩承台嵌入河床较深, 汛期洪水位又较高。为保证总体工期, 须在汛期内施工, 围堰顶部高程至少高于5年一遇水位, 从堰底水下混凝土封底层起算, 则围堰结构高达19 m。另外, 需搭设高大钢平台对围堰进行整体拼装、 整体下沉。同时主墩承台平面尺寸大, 因此钢套箱围堰的工程规模很大, 施工速度慢, 围堰钢结构材料用量及损耗大。②两主墩承台靠近主河道, 高大钢套箱围堰迎水面积大, 在汛期受洪水冲击力大, 围堰垮塌风险高。③ 因承台设计嵌入河床, 钢围堰亦需嵌入河床松散覆盖层, 很难解决围堰在堰内开挖, 下沉嵌入河床阶段地层的摩阻力和单侧土压力容易导致的下沉不顺利、 不均匀和不到位， 以及围堰底截面受土压力挤压变形、 失稳破坏等问题。

2.2 钢板桩(钢管桩)围堰方案

钢板(钢管)桩围堰[7-8]施工速度快, 但地质适应性较差。在施打过程中容易因遇硬土、 孤石受阻不能到达设计深度。大周长施打时合龙精度差, 容易出现难以处理的楔形合拢缺口, 造成大渗水。在本桥采用时打入深度须达10 m， 但因覆盖层广泛分布形状不规则的漂石, 钢板(钢管)桩刃脚受漂石引导很容易产生偏位, 且极易变形， 施工现场试打时远达不到目标深度。

综上所述, 传统应用最多的钢套箱围堰和钢板(钢管)桩围堰并不适合于本桥主墩承台施工， 须因地制宜开发一套新型的围堰技术和工艺。

3 堰模一体结构设计

根据承台尺寸及桥位区水文地质情况, 承台围堰既要解决卵漂石强透水问题, 也要考虑围堰支撑与承台施工冲突问题, 同时兼顾施工便利和快速, 确保柳江进入汛期前完成承台施工, 因此提出一种新型堰模一体结构。该新型堰模一体结构, 采用外围稳固的方法替代传统内支撑设计, 即通过在钢围堰外侧设计两排型钢桩, 内排型桩作为堰模结构的支撑桩用于支撑固定围堰模板, 外排型钢桩作为加固桩对内排钢管桩起拉撑作用, 保证堰模结构在抽水和浇筑混凝土两种不同工况时稳固可靠。

堰模壁板(模板)采用大块钢模板设计, 结构简单, 加工、 运输、 安装方便, 壁板可直接兼作承台模板使用。

围堰模板在工厂定制, 其分块大小结合承台尺寸具体设计, 标准宽度为3 m, 既尽量减少了拼缝, 也满足运输条件。承台倒角为圆弧形, 拼缝设计在圆弧段中间, 可降低模板拼装合拢施工的控制难度。

围堰模板具体设计: 围堰模板分上下两节设计, 第一节高度4 m, 第二节高度3 m, 通用标准大块平面模板尺寸分3 m×4 m和3 m×3 m两种, 承台围堰直线段用标准平面模拼装, 长度不足处通过弧面模板的直线段进行调节, 面板采用6 mm钢板; 竖肋为8#槽钢, 间距为30 cm; 横肋为∠63 mm×5 mm角钢, 间距40 cm。

围檩支撑具体设计: 在距离承台边1.53 m处沿承台四周设置一圈钢管桩作为堰模结构的支撑桩, 桩间距为3 m; 在支撑桩上焊接牛腿, 用以安装围檩; 第一、 二节围堰模板分别设置2层围檩, 牛腿围檩层距下部为125 cm、 上部为150 cm。围檩兼作模板的大背楞, 水上围檩、 牛腿采用焊接形式, 水下围檩及牛腿无法进行焊接, 设计采用撑拉杆体系的形式, 其作用是: 围堰抽水时, 利用拉杆抵抗水压力对堰模的变形； 浇筑混凝土时, 利用撑杆抵抗混凝土压力对堰模的变形。钢管桩及牛腿作为模板支撑, 对应支撑桩外侧净距约7.7 m处(距开挖的基坑边坡2 m)设置一排加固桩, 在加固桩顶部设置3道横斜撑支撑于内侧钢管桩上牛腿围檩对应处, 斜撑与内、 外侧钢管桩焊接固定形成拉撑杆。钢管桩及围檩支撑充分利用现场钢平台及钢栈桥所剩型钢材料, 其中牛腿围檩采用I20a工字钢, 斜撑采用20#槽钢, 钢管桩采用Φ529 mm×10 mm螺旋钢管。堰模一体结构总体布置见图2。

图2 堰模一体结构总体立面图(单位: mm)

4 堰模一体结构计算

本承台堰模一体结构采用MIDAS CIVIL进行分析计算, 模型如图3所示。

图3 堰模一体结构验算模型

计算参数如下: 围堰内总面积585.56 m2, 钢围堰结构自重1 900 kN, 围堰设计水位标高56.0 m, 承台底设计标高50.0 m, 围堰内外最大水头差6 m, 封底混凝土厚度1.0 m, 桩基础根数24根, 桩基钢护筒直径2.7 m, 桩基钢护筒与封底混凝土的摩阻力取200 kPa, 钢管桩桩侧土的摩阻力取90 kPa, 地基抗力系数的比例系数m取106kN/m4。主要计算两种工况下堰模一体结构的安全及稳定性, 工况一: 河水上涨至围堰设计水位时, 围堰内抽干水; 工况二: 浇筑承台混凝土。综合两种工况下的验算结果, 堰模结构最大组合应力为146.61 MPa, 最大剪应力为33.62 MPa, 出现在封底混凝土顶面位置的竖肋处, 均小于Q235钢材的强度设计值; 最大变形为1.46 mm, 满足《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2020)L/400=2.75 mm要求。另外， 对封底混凝土、 结构抗浮能力、 稳定性进行验算， 结果均满足规范(JTG/T F50—2020)要求。

5 堰模一体结构施工关键技术

5.1 施工工艺

总体施工工序: 测量放样→基坑开挖→打设内侧钢管桩→逐层焊接牛腿→安装围檩→安装下层围堰模板→打设外侧加固桩→安装上层围堰模板→斜撑连接→水下封底砼施工→围堰抽水→调平层施工→桩头清理→第一层承台施工→第二层承台施工→围堰拆除。

5.2 基坑开挖

基坑采用放坡开挖, 基坑底开挖尺寸按宽出承台2 m控制, 预留充足作业空间和钢围堰施工位置。采用长臂挖掘机从上游往下游阶梯式分层开挖, 从上往下层高分别为1.5、 1.5、 1.5 m, 竖向开挖至基底时, 边挖边检测基底标高, 用测绳或测杆逐点检测, 确保基坑底标高满足封底砼厚度要求。开挖至承台下游端部时, 将长臂挖掘机转至到筑岛平台上, 从上往下开挖至基坑底。开挖时尽量整平基底, 特别是钢围堰安装位置。

5.3 外围稳固支撑施工技术

距承台边1.53 m和基坑边2 m处, 沿承台周围插打内、 外两排钢管桩(即支撑桩和加固桩), 桩间距按3 m控制。内侧钢管桩入土深度不小于3 m, 外侧钢管桩入土深度不小于7 m, 深度严重不足的可通过加密布置以确保钢管桩的支撑效果[9]。外侧钢管桩单桩水平承载力满足围堰结构单桩所受水平力要求。

在内侧支撑桩上按设计逐层焊接牛腿围檩用于定位支撑围堰模板, 围檩可预先在场地分段拼装好再进行吊装。安装时, 牛腿围檩的标高和平面位置通过测量放样精准定位, 上下层围檩内侧面控制在同一竖直面上, 保证围檩线型顺直, 确保围堰模板安装时能与围檩平整贴合。围檩须形成闭环, 围檩兼作围堰模板的大背楞, 与牛腿及内侧钢管桩共同支撑围堰模板。

外侧加固桩与内侧钢管桩之间焊接横斜撑进行联结, 外侧钢管桩通过横斜撑对内侧钢管桩形成拉撑作用。横斜撑向外支撑于外侧钢管桩顶部, 向内支撑于焊接在内侧钢管桩上的②、 ③和④号围檩对应处, 见图2。

5.4 堰模安装技术

堰模采用定制大块钢模, 工厂加工好试拼合格后, 运输至现场安装。安装前, 围堰模板先在岸上两块一组拼装成型, 减少水下拼装作业。同时预先在围堰模板上焊接钢板卡扣(图4a)及内外底围檩支腿(图5), 便于模板安装时临时固定及内外底围檩定位支撑。围堰模板拼接时拼缝需粘贴止水条, 止水条通长设置, 防止接口渗漏。围堰模板整体安装顺序从直线段向圆弧段进行, 最终在圆角处合拢。依次吊装好的模板及时拧紧法兰螺栓夹紧止水条。

图4 局部大样图

采用吊车在承台两侧作业平台逐一吊装组拼好的模板, 模板紧靠围檩就位, 并沿围檩逐块拼接,模板与围檩临时焊接固定, 模板底部支垫牢靠, 相邻模板及时上螺栓拧紧, 同时在内侧用I20a工字钢斜撑顶撑模板。斜撑顶部支撑在首节钢围堰最上面一道围檩对应处, 并在斜撑工字钢上翼板与模板临时焊接固定, 底部支撑在桩头上。斜撑设置见图5。

图5 内外底围檩支腿及斜撑设置示意图

采用吊锤线检查模板竖直度, 拉设水平线严格控制模板顶面标高。模板拼接时, 在已安装定位好的模板顶部设置定位角钢, 定位角钢用螺栓与模板连接牢固, 沿模板拼接方向伸出10 cm, 用以定位下一块吊装的模板, 确保模板顶面标高一致。模板就位后要及时上螺栓拧紧。连接螺栓先在上、 下部初步紧固模板, 待模板调整竖直、 顶部水平后, 逐孔上紧螺栓。位于水下部分, 需潜水员在水下安装并检查螺栓上满上紧, 防止水下砼浇筑时涨模挤开。模板调整好后, 与围檩点焊固定。

模板安装固定好后, 吊装内外底围檩于预焊在模板上的支腿上, 由潜水员水下调整就位。内底围檩采用I20a工字钢, 外底围檩采用双拼20#槽钢。先安装内底围檩及其支撑, 内底围檩支撑用可调节螺杆作顶撑杆, 一端顶撑在钢护筒侧壁上, 另一端顶撑内底围檩； 后安装外底围檩及拉箍装置。拉箍装置由JZ-16精轧螺纹钢筋拉杆、 ф16 mm螺纹钢筋加工成的余留50 cm直线段的半圆箍及焊接在半圆箍上的钢筋套筒组成。内外底围檩可调顶撑及拉箍装置见图4b、 图6。安装外底围檩及拉箍, 施工时, 半圆箍套在钢护筒上, 由潜水员在水下穿设拉杆, 先穿出模板孔, 再穿钢筋箍接头处套筒, 在拉杆两头上紧螺帽, 通过拧紧拉杆螺帽, 可以实现调整拉箍装置的箍紧力和拉力。

内底围檩的顶撑杆和外底围檩的拉箍装置发挥各自受力特性形成抗拉压体系, 保证钢护筒与钢模板之间的相对位置不发生变化, 达到高精度目的。其原理为: 钢围堰封底施工时, 封底混凝土向外挤压壁板, 易造成堰模壁板变形, 围堰尺寸精度降低。承台混凝土浇筑时, 承台混凝土向外挤压模板, 使堰模壁板底部与封底混凝土脱离产生缝隙, 易导致渗水。为保证水下堰模底部封水效果, 同时控制堰模壁板底部变形和精度, 在堰模底部对应各桩基处设置拉撑结构装置; 利用套在桩身上的半圆箍与拉杆连接, 拉杆穿过堰模壁板与外底围檩拉结, 同时在内侧桩基对应处设置可调顶撑支撑于内底围檩上, 通过撑拉作用使堰模壁板稳固牢靠。拉撑结构见图5、 图6。

图6 内外底围檩顶撑及拉箍示意图

拉箍在封底混凝土施工时能抵抗围堰底部的模板变形, 封底后, 埋入封底混凝土, 抵抗浇筑承台混凝土时的压力, 有效解决模板底部变形问题。

水下围檩及牛腿无法进行焊接, 设计采用撑拉杆体系的形式, 其结构由拉杆、 撑杆以及设置在钢管桩上的横梁组成, 横梁位于水面之上, 围檩位于水下; 拉杆采用精轧螺纹钢, 连接横梁及围檩, 形成拉杆体系; 撑杆采用工字钢, 安装在横梁与围檩之间, 与拉杆共同形成撑拉体系。施工时, 在横梁及围檩所用的工字钢翼板上开孔, 用拉杆连接; 撑杆两端切割成一个梯形缺口, 放置在横梁与围檩之间, 水面上的横梁与撑杆点焊固定。在抽水阶段, 拉杆发挥作用, 而在浇筑承台混凝土时, 撑杆起到支撑模板作用。

首节堰模安装完成后, 安装第二层模板对应的牛腿及围檩, 按同样的安装顺序进行第二节堰模安装。安装前, 先在模板边安装粘贴好止水条, 再进行模板安装。

5.5 封底混凝土关键技术

模板安装完成后, 在模板外侧基底堆叠土袋封堵围堰底部空隙, 防止浇筑水下封底混凝土时外流。水下封底混凝土施工要求一次性完成, 避免冷缝形成断板。水下封底施工采用混凝土泵车浇筑, 利用泵车泵管连续移动完成水下砼封底。泵管口插入水下距离基底约15～30 cm, 灌注时从下游侧向上游侧方向进行。水下封底施工, 混凝土顶面平整较难控制, 因此需预留10～20 cm作为调平层, 封底厚度控制在80～90 cm。封底施工过程中要多点测量, 时刻掌握封底混凝土的流动方向及高程, 确保封底厚度达到设计要求[10-11]。

封底混凝土、 抽水施工后, 再进行封底调平层施工， 同时拆除首节堰模斜撑及内底围檩支撑, 即可以得到一个对承台施工零干扰零冲突的施工环境, 大大提高承台施工效率, 加快施工进度。

5.6 围堰模板拆除及周转

承台浇筑及养护完成后, 即可进行堰模一体结构拆除。 拆除时, 首先进行水下拉箍装置的螺栓解除后, 拆除外底围檩; 然后依次分段拆除围檩, 解除模板连接螺栓, 用吊车配合, 将上、 下节两块模板整体拆除吊出, 直至拆除所有模板； 最后进行内、 外侧型钢桩及桩间横斜撑的拆除。拆除的模板、 型钢、 钢管等可以周转到其他临时工程结构。

6 结束语

(1)堰模一体结构有别于传统钢板桩围堰、 锁口钢管桩围堰等围堰形式, 传统钢板桩、 钢管桩围堰壁不能同时兼作承台模板用, 需另外加工安装模板。而本堰模一体结构将围堰及模板的功能通过堰模一体来实现, 大幅减少了施工环节、 施工时间和施工费用。

(2)堰模的支撑和稳固构造主要通过外部钢管桩及各道围檩支撑进行支撑固定。内部支撑仅在堰模安装时作临时支撑作用, 且在堰模内封底混凝土施工完成并抽水后, 即可将内部支撑拆除, 内部完全处于空箱状态, 实现承台构造与围堰构造的零冲突、 零干扰, 可以保证承台构造完全满足设计要求。

(3)在堰模一体结构精度方面, 通过在承台边线外围打设钢管桩, 在钢管桩水面以上部分准确放样并焊接定位牛腿围檩, 精准控制堰模安装的平面位置, 而堰模在水下部分的定位, 通过内、 外底围檩及其顶撑杆和拉箍装置形成的抗拉压体系, 可保证堰模定位的精确性及稳固性, 最终达到堰模按承台设计边线精确安装就位的效果。

(4)在围堰拆除及周转利用方面, 本堰模一体结构水下各结构构件与堰模的连接均采用非固结形式, 无需采用水下焊接工艺。拆除时, 拧松拉箍的螺丝拆除外底围檩非固结的连接形式， 安装拆除方便, 且最大限度保证了堰模结构的完整性, 除内底拉箍装置埋在封底混凝土内无法再次周转利用外, 其他结构均能周转使用。高周转利用率能创造良好的经济效益、 节约成本, 符合绿色施工理念。

实践表明, 该堰模一体结构设计施工成套技术为在浅水强透水地层内水下承台的施工提供了诸多有利条件, 安全、 经济、 环保、 高效, 可为类似工程项目提供参考。