山岭重丘区大落差深水裸岩库区桥梁桩基础施工关键技术

韦才超 师为明 陶 凯

（1.广西北投公路建设投资集团有限公司，广西 南宁 530029；2.中交二航局第四工程有限公司，安徽 芜湖 241060）

0 引言

我国西部、西南部地区是水力发电的重点区域，水利资源丰富，水电开发程度较高。但日益增多的水电库区也为公路、铁路桥梁的建设带来了诸多挑战与困难，深水库区桥梁日益增多，施工难度不断加大。

建国以来，我国在桥梁深水桩基础施工实践上积累了大量的经验，尤其面对深水、裸岩、无大型水上施工设备的库区等条件，如宁波大榭岛跨海大桥[1]，此桥为主跨170m的连续刚构梁桥，桩位处水深约40m且为坚硬的裸露岩面；还有诸如兰渝铁路渠江特大桥[2]、上江埠大桥[3]、福建省南平樟湖库区大桥[4]等，其中位于淳安县千岛湖库区的上江埠大桥首次在设计阶段就考虑了采用浮式平台进行库区深水大直径桩基施工的可行性。

但国道G357田林经八桂至定安公路八渡三桥2#主墩项目具有上述施工案例所没有的特殊条件，如水深达46m、大落差、山岭重丘区独特的地形地貌地质条件等，现有研究成果无法妥善解决该工程项目涉及到的特殊问题，有必要进行进一步地深入研究。

1 工程概况

该项目位于广西壮族自治区百色市田林县八渡瑶族乡，地处山岭重丘区，交通运输条件极差。该桥梁设计横跨驮娘江瓦村水电站库区，距离下游瓦村水电站约20km，上部结构设计采用（93+168+93）m预应力混凝土变载面连续箱梁刚构体系，下构桥墩为空心薄壁墩，主墩承台设计为高桩承台，尺寸为13.2m×13.2m×4m（长×宽×高），由9根Φ2.2m的嵌岩桩基础组成，最大桩长56.5m。其中，2#主墩位于深水区域，最大水深可达46m，最大年水落差达16m，最大日落差可达2.6m以上，水位变化大。桥型布置图如图1所示。

图1 桥型布置图

2 先浮后钢的施工方案及工艺流程

由于2#墩最大水深可达46m且为裸岩地质，无法采用传统的钢平台搭设方法进行施工，因此采用“先浮后钢”的施工方法，消除大落差带来的水位不确定性影响。

先利用浮式平台作为临时施工平台进行角点钢护筒的定位、沉放，然后在先行施工的钢护筒上加焊牛腿，搭设钻孔平台。由于钢护筒最重可达50t，需要使用大型水上起重设备进行分节下放、接高，但该项目又地处山岭重丘区，交通不便且施工水域不通航，大型水上起重设备无法直接进入，只能采取先将80t浮吊异地分解成便于运输的小块，再分别运至现场组装的方式。

由于2#墩桩位处无覆盖层，需进行钢护筒的栽设。先利用冲击钻预先在桩位处冲孔（直径3m、重14.5t的重锤），冲击出5m左右的深坑，清孔后钢护筒分节下放至坑底，最后浇筑孔底锚固混凝土，待混凝土强度形成后再进行下一步施工。

钢平台搭设完成后采用JK-15大直径冲击钻机进行冲击成孔，浮吊安装钢筋笼，导管法浇筑水下混凝土，混凝土采用岸上搅拌站搅拌，罐车通过便道运至现场，再通过拖泵泵送至施工部位。钢护筒及平台施工流程如图2所示。

图2 钢护筒及平台施工流程图

3 关键施工技术

3.1 浮式平台稳定性计算

浮式平台使用的浮箱属于六七式舟桥器材的非机动舟部分，由12个标准舟节（浮箱）拼组而成，每个标准舟节长9m，宽2.7m，甲板至舟底高1.5m，全高1.65m，重4.65t。纵向通过底部丙丁接头和上部舷缘角钢上拉紧螺栓连接，横向通过底部螺柱钩连接。结构设计如图3所示，各部分计算高度及重量如表1所示。

图3 浮式平台平面布置图

表1 各部分计算高度及重量

该库区桥梁水流速度V≤0.1m∕s，水面开阔，在上部结构自重、钻机作业、钢护筒下放等工况下，根据倾角Φ计算公式：

及稳心高度计算公式：

公式（1）、（2）中：

M——相应工况下的弯矩；

r——竖向荷载；

ρ——浮心高度；

α——重心高度。

将表1中各部位的数据代入公式（2）中，得到平台稳心高度H值为63.09m＞＞0，故安全性满足要求。

再经公式（1）计算，得到钻孔作业工况下本平台最大倾角Φ为1.8°，钢护筒下放工况下最大倾角Φ为3.6°，最大倾角均满足“在钻孔作业、钢护筒下放时要求平台不能有过大晃动，钻孔倾角限制不能超过3°，钢护筒下放倾角限制不超过5°的要求。

此外，在水位涨落、正常作业平台晃动超过2cm时，为及时调整锚绳以保证平面位置，减小晃动，平台的锚碇采用重量为5t的混凝土锚；横桥向为主风方向，采用横桥向设8个八字形锚碇，牵引调节采用ϕ20钢丝绳。

3.2 长大钢护筒施工关键技术

由于是长大护筒，钢护筒内径按大于设计桩径R为30cm考虑，内径r为2.5m，壁厚d为16mm，钢护筒顶底口0.5m范围均设置10mm厚加强箍，材质均为Q235B。钢护筒在总部加工场分节段加工，经验收，满足质量标准要求后，由驳船运至现场分节下放和接长。

根据目前施工水位，钢护筒在下放过程中最大悬臂高度可达40m。在水流力作用下，护筒底口相对于顶部其平面位置和垂直度将发生一定偏差，考虑流速V=0.1m∕s，经有限元计算，固定端最大应力σ=0.392×107Pa，悬臂端最大位移f=4.353mm。由此可知，钢护筒、浮式平台受水平应力影响较小，护筒垂直度受水流作用的影响可以忽略。悬臂端位移及固定端Von Mises 应力云图如图4所示。

图4 悬臂端位移及固定端Von Mises应力云图

3.2.1 导向装置

为解决水深较大、水上高度占比较小、钢护筒垂直度难以保证的难题，主墩钢护筒导向装置采用型钢焊接组成的超高双层“井”字形框架结构，上下层导向框间距为4.1m，总高度5.28m，比常规导向架高度大2～3m。钢护筒导向分节下放如图5所示。

图5 钢护筒导向分节下放

3.2.2 钢护筒锚固

由于桩位处无覆盖层且水深较大，如果采用人造覆盖层的方法，一方面存在实施难度大，回填精度难以控制；另一方面经济性较差，回填周期长，同时也不利于环境保护。经过对比分析，最终选择预冲孔植桩锚固的施工方法，流程如下：

（1）浮式平台完成后，准确测量放样出两角点桩位，2台JK-15型冲击钻机对称摆放，以确保平台受力均衡。正式开钻前，再次复核桩基平面位置，钻机配备直径3m的钻头，钻孔开始时采用小冲程进行冲击，待钻进一定深度后再加大冲程，钻进过程中及时采用掏渣桶进行清渣。

（2）重复钻孔、清渣，直至钻孔深度达到5m（锚固深度不小于2D，D为钢护筒直径）。

（3）按照上述方案下放钢护筒至孔底，下放前在钢护筒底部开4个V型槽口，目的是便于混凝土溢流到钢护筒外侧并包裹钢护筒。

（4）采用导管法灌注锚固混凝土，浇筑时注意均衡对称浇筑，待混凝土浇筑高度齐平护筒外侧岩面，护筒内混凝土面不再升高时停止灌注。

3.2.3 水下混凝土浇筑锚固

采用直径3m 的钻头，由于是在浮式平台上进行冲孔，在钻机作业时浮式平台会发生一定晃动，即提钻时在重力作用下发生前倾，落钻时在浮力作用下又发生后仰，这就导致锤头发生摆动。随着深度的增加，锤头摆动幅度受到孔壁的影响，因此最终形成图6的孔形。由于空间足够大，可直接采用直径30cm的导管在护筒四周对称浇筑水下混凝土锚固，无需如图7所示在护筒内浇筑，一方面锚固混凝土体积更大，护筒更加稳固；另一方面可以减少不必要的重复钻孔作业，提高效率，节约混凝土。

图6 实际钢护筒锚固效果

图7 原设想钢护筒锚固效果

3.3 可升降主墩钢平台

为解决大落差带来的水位不确定影响，除采用浮式平台进行钢护筒下放、定位施工，以适应水位变化外，2#主墩钢平台在进行临时结构设计、验算时，考虑采用一种标高可调装置，在平台提升工况下，能确保结构安全、稳定，具体做法如下：

首先在前期先行施工完成的四根角点钢护筒上设置牛腿，每根钢护筒采用2HM588×300型钢，按照十字型布置设置4个牛腿。在岸上加工厂采用HM588×300型钢主梁焊接整体式主梁框架结构，上铺横向分配梁工25a及纵向分配梁工14，分配梁上铺8mm花纹钢板。考虑工效以及起重要求，首先在陆上加工平台骨架（主梁），骨架结构焊接完成后采用浮吊整体吊装，安置在护筒牛腿上，通过加劲板与牛腿固定连接，最后铺设纵横向分配梁和花纹钢板。钻孔平台主梁自重约52t，平台吊装工况下80t浮吊最大负荷64t＞52t。低水位时平台的标高为+295.00m，当水位发生变化或触及预警线时，需立即接高钢护筒并提升施工作业平台，平台提升系统采用4个75t千斤顶、直径32mm的精轧螺纹钢组成，如图8所示。

图8 平台提升系统示意图

3.4 钻孔桩施工

钻孔桩施工采用冲击钻机，为保证钻孔桩施工过程中的安全和成桩质量，钻孔施工采取隔孔钻进的原则进行，相邻两根桩不得同时成孔或浇筑混凝土，以免扰动孔壁，发生串孔、断桩事故。

由于该桩基全长均位于强-中风化砂岩地层，需要回填黏土辅助孔底造浆，泥浆循环采用气举反循环，泥浆主要起到悬浮、携带钻渣的作用。钻进过程中采用常规的钻进工艺即可，但要实时观察钻机的晃动情况及水位变化情况，及时调整锚绳。

4 结束语

通过对该桥梁深水桩基施工技术研究，提出在水深46m、大落差、无大型水上施工设备、复杂地质（裸岩）等条件下桩基施工的关键技术，得到结论如下：

（1）通过对浮式平台的结构设计及稳定性分析，丰富了深水桩基浮式平台的理论基础；

（2）通过预冲孔植桩锚固施工技术，解决了46m水深时无覆盖层、裸岩条件下钢护筒的定位问题；

（3）采用先浮后钢的施工工艺及研发可升降钻孔平台，解决了应对大落差时施工平台的选择及标高控制问题。

通过实施以上系列技术，为建设国道G357田林经八桂至定安公路2#标段八渡三桥施工提供有力支持，同时为我国库区深水桥梁的设计、施工提供有益参考，为同类型项目积累宝贵经验，推动了该领域施工技术的进步。