铁路桥梁深水基础施工对水环境的影响分析

周铁军，马龙

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

随着我国铁路事业的飞速发展，跨深水河流、湖泊、海峡的大型铁路桥梁日益增多。对于跨越江河的铁路桥梁来说，水下施工过程难免会对水体产生扰动，造成局部水体污染。因此，做好施工期的水环境保护，减轻桥梁水下基础施工对水体的污染是铁路跨水桥梁建设环境保护的重点工作。

铁路桥梁技术发展相对较早，桥梁深水基础技术从20世纪50年代开始发展至今，已进入国际先进水平。从己建成工程的基础形式看，可以粗略地将其划分为三个发展阶段［1，2］:一是管桩及混凝土桩基础，二是沉井和钻孔桩基础，三是复合基础。双壁钢围堰加钻孔灌注桩基便是复合基础形式之一，它在我国铁路桥梁深水基础中应用最为普遍。其优点是一方面钢围堰可以用于桩基施工的临时围护结构，便于基础的施工;另一方面，该结构在基础施工完后可以用做永久防碰撞设施，起到保护桥基础的作用。

1 施工工艺及水环境影响分析

1.1 栈桥架设

跨水桥梁基础施工前需做好人员通行、材料运输及作业机械运转通道的建设，通常采取水上运输船只或搭建临时栈桥的方式来实现。与船只运输相比，临时栈桥不受风浪、水位涨落的影响，因此应用较为广泛。同时，栈桥还可兼做水上施工平台，为以后的钢围堰及钻孔灌注桩施工奠定技术保证和安全保证。栈桥的上部结构形式，理论上可以采用任何结构形式，但出于施工快捷及拆除方便的需要，一般采用便于拼装的结构形式，如桁架梁、钢箱梁等;栈桥下部结构普遍采用施工与拆除较为方便的钢管桩基础形式。栈桥施工工序主要由基础钢管桩振打、贝雷主桁架设、桥面铺装三部分组成。栈桥基础施工采用履带吊配合打桩锤振打钢管桩;主桁采用在后方场地内拼装分组桁架，运至现场利用吊车组拼成整体;桥面施工采用在后方将桥面分块加工成标准化模块，由车辆运输到位后吊装架设。

栈桥设置对河流水环境的影响主要在钢管桩打入和拔出阶段，由于振动锤的振打，致使河床泥沙上浮，造成局部浑浊，其影响范围主要集中在打入点周边。栈桥钢管桩通常不会对水流形成阻水作用，但若所跨河流流速过快或钢管直径较大时，可能会因阻水而引起河床产生局部变形。当水流行近桩时，因桩的阻水作用，一部分绕桩而过，一部分因冲击桩前端，紧贴桩前缘的水流转向上和向下流动两部分。下部水流遇桩后均向下流动，直至河底，在河底形成一水平轴的与水流方向相反的指向河底的漩涡，由底部漩涡搅起的河底泥沙，被其上部水流夹带向下游输送，河底逐渐出现冲刷坑。当上游进入坑内的泥沙量等于漩涡所搅起来的沙量时，冲刷不再发展，达到最大冲刷深度［3］。另外，当散体材料或水泥拌和物等在栈桥运输过程中出现遗洒、倾覆等情况，也可使建筑材料或杂物落入水中，增大水中悬浮物含量。

1.2 钢围堰施工

所谓围堰，就是在修筑地下和水中构筑物时，所做的临时围护结构，把水隔开，防止水和土石进入构筑物的修建位置，以便在围堰内进行基坑开挖和基础施工［4］。围堰按材质进行分类，可分为木围堰、混凝土围堰和钢围堰等，其中钢围堰由于材料本身的强度高，能抵抗外侧的水土压力，所以更适合于深水基础施工，因而近年来广泛地运用于铁路跨水桥梁深水基础施工中。钢围堰不仅可作为钻孔桩基础的施工辅助手段，也可作为大面积承载的直接基础，能够起到围水和施工平台的作用，而且在桥梁运营阶段可参与部分结构受力，从而提高结构的整体性和防撞能力［5］。钢围堰由专业钢结构加工厂加工成型后，通过水上运输设备运至墩位处，下沉至设计标高，钢围堰构件的制作加工质量易保证，能在水流湍急的江河中使用。钢围堰安装下沉就位后，进行水下混凝土封底，待封底混凝土达到一定强度后抽干围堰内水，形成承台干施工的作业环境，变水上施工为陆上常规作业。

钢围堰施工过程中，围堰清基、围堰下沉及混凝土封底等工序，可能对水环境造成影响。钢围堰下沉前，首先要清除钢围堰范围内的泥土及砂石，使围堰落床范围内的河床面基本在一个平面内，确保围堰刃脚能同时着床;钢围堰着床后，对称往隔仓内注水可能引起围堰不均匀下沉，需采用清除围堰内外侧河底淤泥及砂石，使之均匀平稳下沉，直至钢围堰下沉到位，清淤泥及砂石采用砂石泵、自制吸泥机、污水泵等设备配合作业。围堰吸泥清基和围堰下沉穿过河床表层时，会引起泥沙上浮，造成局部水体扰动;混凝土封底灌注过程中如果钢围堰的密闭性不好，则可能造成灌注混凝土直接进入水体，对水体造成污染。

1.3 钻孔灌注桩基础施工

1.3.1 水上工作平台

水上施工平台是为钢护筒竖立埋设、钻机钻孔、灌注水下混凝土等施工需要而搭设的，分为固定工作平台和浮动工作平台两种。浮动工作平台即利用浮体(船舶、浮箱)组成工作船，在其上搭设平台，再于平台上安装沉桩设备，水中桩基施工的全部作业均在此平台上完成。浮船式平台自重轻，易拆装，水陆运输均很方便，缺点是它在沉桩全部作业过程中均受水位升降、水流速度的影响而浮动，作业时需严格控制其倾斜度才能保证沉桩的质量，所以，它的使用有较大的局限性;固定工作平台以钢管桩受力为主，钢护筒受力为辅，并依靠钢管桩间多道纵横向联结来保证其整体稳定，平台平面尺寸根据主墩承台的大小及施工作业需要而定，为钻孔桩本身施工和承台套箱围堰拼装、下沉提供宽阔的作业面［6～8］。水上钻孔平台通常采用与栈桥相同的结构，可与栈桥同步搭设。

1.3.2 钢护筒埋设

施工工序为先在工作平台安装钢护筒导向架，接着用振动锤振沉护筒，当护筒底部落床精确定位后，在水面用角钢和围堰壁焊接临时固定。护筒全部安放就位后，护筒之间再次用型钢加固，使全部护筒连成整体。

水上工作平台架设和钢护筒埋设对水环境的影响与栈桥钢管桩的影响相似，都是水下基础打入及拔出引起周边河床泥沙上浮，造成局部水体浑浊。

1.3.3 钻孔

进行钻孔作业前，需先进行泥浆的制备，然后根据不同情况选择正循环钻进或反循环钻进成孔，整个钻孔过程包括冲击钻进，冲抓钻进，回转转进等步骤，均在钢护筒内进行。泥浆是钻孔灌注桩施工中的重要施工材料之一，起着平衡井壁压力、冷却钻头、悬浮钻渣以及保护孔壁等作用。

在钻孔钻进过程中，钻渣与泥浆混合物从孔内被砂石泵吸出，经过过滤砂滤去颗粒较大的钻渣或中、细砂颗粒后流入排浆槽内，从排浆槽流入沉淀池中，通过沉淀池对泥浆进行自然沉淀后，经沉淀池与储浆池的连接口中流入储浆池，再从储浆池利用泥浆泵送入泥浆旋流器中，滤掉特细的粉细砂颗粒，然后返回孔内。整个钻进过程都在护筒内进行，不与围堰外的水体发生交换，护壁泥浆经净化系统处理后循环利用，对水环境影响较小;最终产生的钻渣含有大量固体悬浮物，若处置不当，直接进入水体则会造成水体污染。

1.3.4 清孔及吊放钢筋骨架

钻孔钻至设计标高后便开始清孔，此时将钻头提离孔底30 cm左右空转，然后根据泥浆比重情况，泵入相对密度和含砂率较小的泥浆或清水，直到孔内的泥浆比重达到1.05～1.2，含砂率小于4%。然后将符合工程质量要求的整体制作或分节制作的钢筋骨架，用机械设备吊放进已经清孔的钻孔内。钢筋笼骨架上端应设置四根吊环上穿钢管，定位于钻机平台上，以保证有足够长度的钢筋嵌入系梁中。

整个清孔过程均在钢护筒内进行，与外部水体是相分隔的，因此不会对周围水体造成影响;吊放钢筋骨架也是限制在钻孔内进行，而钻孔又限制在护筒及围堰内，因此，也不会对水体产生扰动。

1.3.5 灌注水下混凝土

所谓混凝土灌注即将符合设计配比要求的混凝土拌和物，通过刚性导管进行灌注。灌注过程中，应注意观察管内混凝土下降和孔口返水情况，及时测量孔内混凝土面高度，正确指挥导管的提升和拆除，保持导管的合理埋深。

在水下混凝土灌注过程中，应将孔内溢出的泥浆引流至适当地点处理，防止污染水体。水下混凝土拌制和灌注，当泵送设备能力达到时，混凝土拌和物可以在岸边施工场地内进行拌和;当不具备泵送条件时，可采用混凝土拌和船，在平台附近拌制混凝土后进行灌注。

另外，施工过程中机械设备、船只发生漏油事件也会造成水体污染。

综上所述，钻孔灌注桩基础施工对水环境的影响主要表现在钢护桶、围堰下沉穿过河床表层引起泥沙上浮，围堰到位后吸泥清基封底、钻孔出渣排水以及机械设备漏油等。其中，钢护桶定位、下沉、钻孔、下置钢筋笼、浇筑混凝土等环节均在钢围堰内进行，不与外界水体发生交换，因此对水环境的影响较小;而钻孔、清孔、灌注混凝土过程中排出的泥浆、钻渣，由于量大浊度高，若不及时妥善处置，会严重污染水环境、破坏生态或淤塞河道。

2 水环境污染防治对策

2.1 栈桥施工

为减轻栈桥钢管桩对河底泥沙的扰动，打入钢管桩时可先依靠桩的自重下沉，待稳定后再开动振动锤使桩继续下沉至设计位置，拔出钢管桩时需采用起吊设备缓慢拔出;采取封闭栈桥桥面系、及时清扫等措施防止施工杂物落入水中，采取栈桥边缘设置防护栏杆的方式防止施工车辆、机械坠落。

2.2 钢围堰施工

围堰焊接完毕后要对焊缝认真检查，对壁板和隔舱板焊缝进行渗透检查，确保围堰密闭，入水前还要对围堰表面进行清洗，防止油污进入水体;对围堰吸泥、清基产生的泥渣利用专用船舶承接，进行沉淀、过滤处理后，运至岸边指定地点妥善处置。

2.3 钻孔灌注桩基础施工

针对钻孔、清孔、灌注混凝土过程中排出的泥浆，一般采用自然沉淀法和机械分离法去除泥浆中的钻渣［9］。自然沉淀法是在现场设置沉淀池，利用泥浆和钻渣的密度差自然沉淀钻渣，沉淀后的泥浆循环使用，钻渣堆积晾晒后由专用泥浆罐车转运至当地环保部门指定的地点妥善处置;机械分离法是利用机械设备如振动筛将大颗粒钻渣去除，去除钻渣后的泥浆循环使用，钻渣由于含水率较低可直接清运。

钻渣转运过程中，要加大对运输车辆的监理力度，严防中途偷排或遗漏。

同时，要加强对施工机械的日常养护，加强水上作业的监管力度，杜绝燃油、机油的跑、冒、滴、漏，严禁向水体倾倒残余燃油、机油、建材废料和建筑垃圾。

［1］ 黄宏伟，张冬梅，徐凌，等.国内外桥梁深基础形式的现状［J］.公路交通科技，2002(4):60－64.

［2］ 刘自明.桥梁深水基础［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］ 李学民.杭州湾大桥南岸超长栈桥设计参数选取与结构方案研究［D］.成都:西南交通大学，2005.

［4］ 陈伟，李明.桥涵施工临时结构设计［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［5］ 王贵春，王勋文.桥梁深水基础双璧钢围堰的设计方法［J］.科学技术与工程，2007，7(1):79－84.

［6］ 欧阳效勇，任回兴，徐伟.桥梁深水桩基础施工关键技术［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［7］ 连泽平.芜湖长江大桥深水施工平台设计施工［J］.桥梁建设，2000(2):47－50.

［8］ 程怀庆.桥梁基础水中活动施工平台［J］.铁道建筑技术，1994(6):4－7.

［9］ 洪蔚，栗健，侯世全.铁路桥梁灌注桩施工泥浆对环境的影响及防治对策［J］.铁道标准设计，2009(11):88－90.