深水浅覆盖地层桥墩基础PLC工法桩围堰施工技术*

杨金龙，曾华新，韩 珂

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040； 2.长沙市城市建设投资开发集团有限公司，湖南 长沙 410100)

0 引言

随着我国基础设施建设的快速发展及施工技术水平的不断提高，众多跨河、跨江甚至跨海大桥应运而生，桥梁自建造至竣工通车需克服重重难题，如深水基础施工、防腐养护等。目前，国内用于解决深水基础施工难题的方法通常包括双壁钢围堰法、钢管桩围堰法及钢吊箱围堰法等。双壁钢围堰法具有整体刚度大、工期短、止水效果好等优点，但用钢量大，制作工艺复杂，施工过程复杂，且大型钢围堰运输、下放、定位及封底施工难度均较大。钢管桩围堰法具有安拆便利、可重复使用率高等优点，但锁口质量不易保证，且整体刚度较差。钢吊箱围堰法加工难度大，用钢量较大，且施工工艺复杂，主要用于解决深水高桩承台施工。需结合地质条件、水头差、水流流速及工程实际情况等选择合适的施工方法。

1 工程概况

暮坪湘江特大桥横跨湘江两岸，是湖南省重点建设项目之一，作为连接东、西两岸的重要过江通道，对于促进区域化快速发展具有重要意义。暮坪湘江特大桥主桥为中承式钢桁架系杆拱桥，主跨径布置为(70+2×180+70)m，平面与立面布置如图1所示。主拱矢高36m，矢跨比为1/5，主梁采用叠合梁结构。

图1 主桥平面与立面布置(单位：m)

主桥采用承台+群桩基础，其中主墩承台均为八角形截面，横桥向长19m，顺桥向宽14m，高4.5m，采用C35混凝土浇筑，桩基直径2m，桩长20m，承台结构布置如图2所示。

图2 承台结构布置(单位：m)

2 工程地质及水文地质条件

主墩承台顶标高为18.491m，底标高为13.991m，主墩处河床标高为18.820～19.440m。钻孔资料揭示，主墩处地层主要由第四系全新统河流冲积层与白垩系上统泥质粉砂岩组成。地层自上而下依次为0.4m厚细砂(层顶标高为18.740～19.140m)、0.4m厚粉质黏土(层顶标高为18.340～18.740m，硬塑～坚硬，局部可塑)、1.4m厚强风化泥质粉砂岩(层顶标高为16.940～18.340m，褐红色，大部分矿物已风化变质，泥质胶结，节理裂隙发育，遇水易崩解软化)、80.8m厚中风化泥质粉砂岩(层顶标高为-63.860～16.940m，褐红色，节理裂隙发育，遇水易崩解软化)。

本工程所在地跨越湖南省最大河流，河面宽200～1 250m，历史最高水位39.180m，历史最低水位26.350m，年平均水位29.480m，最大流速1.26m/s，最小流速0.12m/s。

3 围堰设计

主墩基础所在位置水头差为18.41m，最大流速为1.26m/s，中风化泥质粉砂岩抗压强度约为8.5MPa。因工期短，主墩及辅助墩基础需同步施工。考虑到钢套箱围堰加工复杂、制作周期长、可重复使用率低，且运输、下放及定位难度大等，若单一使用钢管桩围堰，因锁口与钢管桩刚度及变形不协调，在钢管桩施打过程中如遇坚硬岩层，会出现锁口撕裂的情况，从而影响整个围堰的止水效果。若采用锁口钢管桩+柔性较强的锁口钢板桩组合围堰(PLC工法桩)，可在较大程度上避免上述情况的发生，且钢管桩与钢板桩组合的方式减少了总体用钢量，进一步节约了施工成本。因此，本工程深水浅覆盖地层桥墩基础最终选用PLC工法桩施工。

3.1 围堰布置

为满足施工要求，围堰内截面尺寸设计为21.53m×17.06m(长×宽)。围堰整体由钢管桩、拉森Ⅳ型钢板桩、围檩及内支撑组成，其中钢管桩采用Q345φ820×14钢管，第1，3，4道围檩采用双拼I56C，第2道围檩采用双拼HN700×300×13×24，第1，3，4道内支撑采用Q235φ800×16钢管，第2道内支撑采用Q235φ609×16钢管。PLC工法桩构造如图3所示，围堰总体布置如图4所示。

图3 PLC工法桩构造

图4 围堰总体布置

3.2 围堰力学性能验算

1)计算方法

采用有限元软件Midas/Civil对主墩基础施工过程进行模拟分析，因锁口钢管桩与拉森钢板桩截面形状并非轴对称，弯曲变形时受力不协调，钢板桩抗弯强度远小于钢管桩，且钢板桩主要起挡水和连接作用，所以建模分析时不考虑拉森钢板的抗弯承载力，仅考虑钢管的抗弯承载力。

建立计算模型时，钢管桩之间通过钢板进行连接，便于施加静水压力、土压力和模拟拉森钢板的横向连接。钢管桩、围檩、内支撑均采用梁单元模拟，槽内的封底混凝土采用实体单元模拟，回填砂采用土弹簧模拟。

计算荷载考虑水压力与流水冲击力，约束考虑围堰底部铰接。

2)计算工况

模拟主墩基础施工时，自PLC工法桩施打至承台基础开挖共分10余种工况，其中不利工况为：封底完成后抽水至第2道内支撑标高以下1m；抽水至第3道内支撑标高以下1m；抽水至河床，开挖至第4道内支撑标高以下1m；开挖至承台和封底混凝土底部。

3)结果分析

计算结果表明，开挖至承台和封底混凝土底部为最不利工况。最不利工况下钢管桩最大应力标准值为211MPa(见图5)，最大应力设计值为278.5MPa，小于控制应力；钢管桩最大变形为33mm，小于允许值，说明钢管桩强度与刚度均满足结构受力要求。

图5 最不利工况下钢管桩应力云图(单位：MPa)

此外，对最不利工况下钢板桩、围檩及内支撑受力和变形进行了计算，结果表明，钢板桩、围檩及内支撑强度与刚度均满足结构受力要求，说明本工程PLC工法桩设计合理。

4 施工重难点

围堰施工过程中涉及刻槽施工、PLC工法桩施打、吹砂封底等工序，施工难度大，不可控因素多，施工重难点如下。

1)主墩埋深大，基础位置处水头差大，对PLC工法桩强度与刚度要求高，止水要求高。

2)围堰刻槽施工难度大，钻机刻槽施工时需严格控制引孔垂直度，成孔质量要求高，以防因出现刻槽盲区影响PLC工法桩施打，从而避免影响PLC工法桩底部锁口咬合效果，保证整个围堰止水效果。

3)PLC工法桩锁口精细化加工质量要求高，且成桩线形控制要求高。

4)地质条件差，红砂岩风化程度高、遇水易崩解软化，槽内吹砂与封底施工难度大。

5 关键施工技术

主墩基础采用先桩基后围堰的方式施工，本文主要对PLC工法桩围堰施工技术进行研究。围堰施工工艺为：刻槽施工→PLC工法桩施打→气举反循环法吹砂施工→导管法浇筑封底混凝土→基坑开挖。

5.1 刻槽施工

考虑到PLC工法桩冲孔深度约为9.34m，入岩深度约为4.59m，且中风化泥质粉砂岩抗压强度较低，选用XR360型旋挖钻机高效完成刻槽施工。刻槽过程中采用钢护筒作为钻机导向，通过不同直径钻孔咬合的方式提高刻槽质量，减小刻槽盲区。

首先沿顺桥向短边槽自近陆端向远陆端进行刻槽，然后沿横桥向长边槽自下游向上游进行刻槽。钻孔时首先施工A孔(直径1.5m)，然后施工B孔(直径1.8m)，钻孔孔型如图6所示。刻槽过程中，为保证刻槽孔位正确，通过设置双层导向架对钢护筒进行限位，利用履带式起重机起吊钢护筒，然后下放导向架，并利用振动锤施打钢护筒。

图6 钻孔孔型示意(单位：m)

为提高施工效率、缩短工期，同一工作面准备4个小直径钢护筒和4个大直径钢护筒，首先安装4个小直径钢护筒，循环使用4个小直径钢护筒施工完成所有A孔，然后安装4个大直径钢护筒，直至完成B孔施工。

钻孔过程中，通过采用后成孔孔位中的钻渣与细砂向先成孔孔位中回灌的方式，防止已成孔塌陷。

5.2 PLC工法桩施打

为保证沉桩轴线正确和PLC工法桩竖直性，采用导向架辅助振动锤施打PLC工法桩，施打过程中以标高控制为主，以贯入度控制为辅。PLC工法桩锁口咬合较关键，若钢管桩遇刻槽盲区无法施打至设计标高，可采用旋挖钻机或冲击钻对盲区处进行重新引孔，然后进行钢管桩复振。在PLC工法桩锁口中填充锯末灰与黏土混合物，以增强锁口止水效果。

5.3 吹砂施工

封底前需将内侧槽内回填砂吹出，现场实践表明，普通吸泥无法将槽内清理干净，而气举反循环法可将回填砂清理彻底，对于较大块石处，需上下提动导管。

吹砂结束后采用测绳进行量测。因内侧槽壁易垮塌，不能将槽壁长时间浸泡在水中，因此实际施工过程中无法同时对多条槽进行吹砂，需清理完成每条槽后及时进行封底施工，同时在待封底的槽内两端插打钢板桩，隔绝待吹砂封底的沟槽，防止临边槽内的回填砂扩散至待封底槽内。

5.4 封底混凝土浇筑

主墩基础底部为中风化泥质粉砂岩，该地层渗透系数较小，对围堰产生的浮力较小，因此主墩基础底部无须采用满封底工艺，且为方便PLC工法桩拔除，仅需在引孔槽内侧浇筑封底混凝土。

封底混凝土采用导管法浇筑，每条槽均设置2个布料点同时浇筑，如图7所示。

图7 布料点设置示意

5.5 基坑开挖

基坑开挖前需安装内支撑与围檩，内支撑自上而下设置，边抽水边安装，每道内支撑与围檩安装前需将围堰内水位控制在内支撑标高以下1m。当围堰水位降至河床时，采用汽车式起重机将2台液压挖掘机吊运至基坑底部，同时在施工平台上配置1台长臂挖掘机，配合完成基坑开挖工作。施工完成的PLC工法桩如图8所示。

图8 施工完成的PLC工法桩

6 结语

1)采用锁口钢管桩+柔性较强的锁口钢板桩组合围堰(PLC工法桩)的方式，可在较大程度上避免单一使用钢管桩围堰时，因锁口与钢管桩刚度及变形不协调导致的钢管桩施打过程中遇坚硬岩层时出现的锁口撕裂问题，从而保证了整个围堰在深水浅覆盖地层条件下的止水效果。钢板桩与钢管桩组合的方式减少了围堰总体用钢量，进一步节约了施工成本。

2)有限元模拟分析结果表明，在最不利工况下，锁口钢管桩、拉森钢板桩、围檩及内支撑强度和刚度均满足结构受力要求，说明本工程PLC工法桩设计合理。

3)刻槽过程中采用钢护筒作为钻机导向，通过不同直径钻孔咬合的方式提高刻槽质量，减小刻槽盲区。

4)实际施工过程中无法同时对多条槽进行吹砂，需清理完成每条槽后及时进行封底施工，同时在待封底的槽内两端插打钢板桩，隔绝待吹砂封底的沟槽，防止临边槽内的回填砂扩散至待封底槽内。

5)考虑到主墩基础底部为中风化泥质粉砂岩，该地层渗透系数较小，对围堰产生的浮力较小，因此主墩基础底部无须采用满封底工艺，且为方便PLC工法桩拔除，仅需在引孔槽内侧浇筑封底混凝土，减少了封底混凝土用量。

6)主墩基础施工效果较好，表明PLC工法桩适用于深水浅覆盖地层，且PLC工法桩具有施工效率高、工艺简单、成本低等特点，具有一定推广应用价值。