闽江特大桥主墩防冲刷处理方案

石井兵

摘 要：为减缓河床冲刷下切速度，提高桥梁结构的安全性角度而言，对闽江特大桥主墩基础进行冲刷防护工程设计。施工过程和主桥基础施工重叠，施工难度大的特点，冲刷防护工程宜采用施工临时结构预防护与桥梁永久防护互相结合的方案，既有安全防护作用，又降低桥基础施工难度。本文就施工的闽江特大桥主墩防冲刷处理方案进行论证。

关键词：桩基础冲刷；安全防护；结构安全；施工方案

中图分类号： U445 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-73-2

0 引言

福州绕城高速是福州市干线公路网重要路段。闽江特大桥跨越闽江航道，是福州绕城公路的重要枢纽工程，上部结构引桥采用4×35m+5×35m+4×35m PC连续T梁+3×40m+3×40m+3×40m+4×40m PC连续T梁，主桥采用（70m+4×110m+70m）变截面连续-刚构箱梁，下部结构主桥采用箱墩，钻孔灌注桩基础，主桥27#和31#墩处设GPZ盆式支座，28#～30#主墩与主梁固结刚构；引桥采用柱式墩，钻孔群桩或单排桩基础。

闽江特大桥主桥27#～30#号主墩处于闽江之中，距离上游水口水电站50km，水口水电站在汛期频繁泄洪和平时水流造成的主墩基础处河床局部冲刷十分严重，在2010年5月23日最大泄洪量达到17500m3/s时候，正在钻孔施工中的29#墩钻孔平台的钢管桩被冲走，严重影响钻孔平台的结构稳定性，为了摸清钻孔平台钢管桩基础处实际冲刷情况，项目部请福州陆海工程咨询有限公司（第三方）对河床标高进行专业测深。福州陆海工程咨询有限公司于2010年5月27日对桥位处河床进行声纳测深，此次测深结果对比该公司2009年8月25日的测深结果显示，9个月时间27#～30#主墩处河床冲刷下切严重，第三方两次河床标高测深结果对比与实际情况基本相符合，如果不及时采取冲刷防护措施，桥梁施工阶段和成桥后的运营阶段结构的安全性将大大降低。

为减缓河床冲刷下切速度，提高桥梁结构的安全性角度而言，对闽江特大桥主墩基础进行冲刷防护工程设计。施工过程和主桥基础施工重叠，施工难度大的特点，冲刷防护工程宜采用施工临时结构预防护与桥梁永久防护互相结合的方案，既有安全防护作用，又降低桥基础施工难度。

1 防冲刷设计可采用的类型

经查阅类似桥梁水中基础冲刷防护、加固工程的相关资料，以下几种防冲刷设计类型比较常见：

1.1 抛石进行防护

抛石防护是主要的一种桥墩桩基防护工程措施，一是抛石对床沙保护，增加床沙起动所需的流速；二是抛石增大桥墩位附近局部糙率，对减小桥墩附近流速起到积极作用。

1.2 扩大桥墩基础防护

扩大桥墩基础防护是在施工阶段将钢围堰埋入河床面以下一定位置，然后进行桩基施工，桩基施工完后在河床面以上预留一定距离封顶，然后在封顶上放桥墩的防护措施。该防护方法主要原理是用扩大桥墩基础顶面减弱桩基前的下降水流淘刷力。

1.3 混凝土块防护

混凝土块最早用于海岸的冲刷防护。1994年，专家对混凝土块进行局部冲刷防护的研究。发现桥墩本身的勾连性使与抛石石块尺寸和质量相当的混凝土块的稳定性更好，效果更佳。

1.4 河床注浆防护

注浆作为一种成熟的地基处理工艺在工程实践中得以广泛应用，其工作原理为通过在软土或松散碎石中注入高强度胶浆凝结，使局部地基土加固，形成复合地基。河床注浆是将陆上注浆工艺引入水下施工环境进行施工，通过固结桥墩桩基周围土壤，达到防止河床冲刷，保证桥梁稳固性的目的。

2 防冲刷设计方案比选

针对闽江特大桥主墩基础处河床冲刷特点，在选定主墩基础冲刷防护设计时应遵循下列原则：

①冲刷防护结构安全，简单耐用；

②冲刷防护结构考虑施工期预防护和永久防护；

③设计方案应满足工艺简单、施工难度低的要求；

④尽可能压缩冲刷防护工程的施工成本；

2.1 抛石防护

抛石防护优点原材料方便，施工容易，是使用较早、频率较高的防护措施。缺点是维护费用较高，周期较短。单纯的抛石防护效果不佳。

2.2 扩大桥墩基础防护

扩大桥墩基础防护方法是传统的桥墩局部冲刷防护方法，石泉汉江大桥墩基冲刷防护使用该法，取得很好的效果。但由于闽江特大桥桥下闽江航道等级为内河IV级，若采用扩大桥墩桩基基础方式进行冲刷防护，阻水面积扩大，航道净宽减小，会对航道运行产生影响；其次由于受采砂河床下切和汛期闽江上游水口电站泄洪时，该处水位落差较大的影响，非但不能有效的防止冲刷，反而可能加快冲刷速度。所以冲刷防护设计不宜采用此法。

2.3 混凝土块防护

用混凝土块防护代替抛石防护还有难度，因为混凝土块的造价要高得多；另一方面，混凝土块要准确布置在桥墩周围，施工的难度大。所以冲刷防护设计不宜采用此法。

2.4 注浆防护防护

注浆防护加固法，加固基础质量可靠，加固效果明显，且施工简单，目前逐渐成为常用的对桥梁墩台基础加固处理方法。宜采用此法进行冲刷防护设计。

3 防冲刷方案设计

根据目前桥位处闽江的水文资料、施工现场钻孔平台实际冲刷受损情况和上述几种防冲刷方案的可行性分析。闽江特大桥主桥基础防冲刷设计采用抛石结合注浆防护做永久防护方案，同时考虑主桥基础防护工程施工和主桥基础施工同时进行。为了防止块石抛填过程对现有主桥桩基钢护筒和栈桥、平台等临时结构造成危害，在主桥基础钻孔平台周围的冲刷防护核心区投放袋装砂对进行施工期间的局部冲刷预防护，待主桥基础施工完，钻孔平台拆除后再进行级配碎石和块石抛填，同外围区永久防护形成永久冲刷防护体系。

3.1 防护的设计条件

防护结构层表层材料（块石）的稳定重量按永久防护标准确定，特征水动力条件采用100期，同时采用2.2m/s的水动力条件对块石的稳定校核。下层材料的稳定重量按施工期防护标准确定，特征水动力条件采用15年一遇。

3.2 防护的平面设计

根据防护工程的功能要求，在平面上将整个防护区分为核心区和外围防护区，见图1。

核心区按照桩基础钻孔平台施工期间预防护的需要，取主墩桩基础施工平台外8m，范围为24.2m×46.3m。外围防护区为核心区外围适应河床冲刷变形的平面尺度，取核心区外8m宽的范围，保护核心区防护区外围床面，进而确保核心防护区的稳定。

3.3 防护的立面设计

防护立面采用反滤层和护面层结合型式。反滤层是由袋装砂和级配碎石构成，护面层采用块石，详见图2。

砂袋袋体采用针刺复合编织布，尺寸1.6×1.6×0.6m。采用桥位附近的江砂，用船运到指定位置，用高压水枪和泥浆泵，冲砂成水砂浆状灌到袋内。充灌时边拉伸袋子，边挤压排水，扎紧袖口，砂袋充灌完成。袋体不能充填太满，要留变形余地，利于袋体间的咬合。根据苏通大桥主墩基础冲刷工程施工总结，推荐按80%±4%控制充填。

级配石料粒径4～24cm，其中粒径4～12cm和粒径12～24cm各占50%左右。核心区的护面块石单块重量150～280kg，外围区护面块石单块重240～440kg。

3.4 防护工程施工

首先进行试验性施工，初步掌握了抛投成型的规律，然后开展大面积施工。

整个冲刷防护体系分两次施工完成：第一次是核心区的袋装砂、外围区的袋装砂，级配碎石、护面块石抛填和外围区护面块石注浆施工，此次施工时间同主桥基础施工同步进行。第二次是核心区的级配碎石、护面块石抛填和核心区护念块石注浆施工，此次施工时间为主桥基础施工完毕，钻孔平台拆除后。经过两次施工后形成整个永久冲刷防护体系。

3.5 注浆防护工程施工

水下不离析砂浆配合比设计：为保证浆液能注入并填充在抛石间的质量，必须具备足够的流动性、黏稠性，所以水下砂浆配比时主要考虑砂浆强度、流动性和黏稠度要求。根据厦门港海沧港区7#码头水下抛石压力注浆基床加固工程施工总结数据，推荐按C30水下不发生离析砂浆配比：1：2.02：1.97：0.08，每立方米砂浆含水、P.O 42.5R水泥、细砂、絮凝剂（UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土絮凝剂）的重量分别为400kg、844kg、760kg、29kg进行试配调整。在施工中，要严格遵守此规定，以保证施工质量。

陆上模拟注浆试验：为检验初步施工方案的可实施性和注浆效果，确定注浆比率、注浆数量和注浆的压力等参数，保证水下注浆顺利，在施工前进行陆上注浆试验。注浆试验在陆上开挖的基坑中进行，基坑长6米、宽3.5米、深2.5米，用单个重量在150～450kg的块石填满后注水，为真实模拟水下抛石基床环境，抛填石料时混合一定量的泥砂。然后在预埋孔里进行注浆，确定施工工艺参数。