某跨海大桥锚碇地下连续墙施工方案探讨

谢江松，王政平，湛 杰

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

近年来，我国很多大跨度桥梁已在规划或正在开工建设，在大跨度悬索桥的施工过程中，锚碇基础工程的施工方案对施工安全和工程质量非常重要[1- 2]。锚碇基础工程常采用排水明挖法，该方法将地下连续墙作为开挖支护结构，对施工精度和质量要求十分严格，如垂直度控制和防渗控制[3- 4]，因此地下连续墙的施工技术和方法是锚碇工程的技术关键。

目前，锚碇基础的地下连续墙施工常采用筑岛回填、岛内开挖的方法，但该方法工程量大，工期长，投资大，一般适用于浅水域的平缓河床[5- 6]。因此，探索更加经济、科学、可靠的海域锚碇地下连续墙施工方案具有十分重要的意义。

某跨海大桥悬索锚碇地下连续墙平面布置呈“∞”型，竖向深度大，结构受力复杂[7]；工程地质为深厚软土；工程海域水深，且受台风影响，施工环境十分恶劣，施工难度大，是海上深水软基地下连续墙施工的典型代表。因此，以该工程为例，对地连墙施工方案进行深入研究，提出搭设辅助钢平台、利用钢导墙浇筑地连墙的施工方案，以求在保证施工安全和质量的前提下，尽量缩短工期、减少工程投资和降低工程风险，为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

某大跨度悬索桥锚碇采用重力式锚碇，锚碇基础平面形状为“∞”型，直径2×65m，地下连续墙厚1.5m，槽段共81个，地连墙嵌入中风化花岗岩5m，最大深度约52.5m，内衬厚度从上至下分别为1.5m、2.5m和3m，基础顶标高+3.0m，底标高-38.0m。

锚碇位置海床底标高-2.61～-3.20m，常水位高+0.52m，水深3.0～3.7m，最高潮水位3.01m，最低潮水位-1.06m，最高浪高1.93m。锚碇区域内上部淤泥层厚12～16m，中部粉质黏土层厚2～3m，下部砂层厚12～15m。

2 施工方案

2.1 方案设计

2.1.1 钢平台+钢导墙方案

采取搭设钢平台的方式，将水域施工环境转换为陆域施工。考虑到后续锚体施工及大桥上构施工放索场占用面积，锚碇钢平台设计为外侧12m宽绕锚平台，空缺处补设三角异型钢平台，内侧为隔墙平台区及泥浆平台区。

导墙作为地下连续墙施工的引导工程，直接影响地下连续墙的成型质量。因此，导墙形式的选择要依据地下连续墙结构、施工设备和施工环境等多方面考虑[8]。由于最高水位高于地连墙顶标高，且高于河底面5m，故采用钢导墙作为地连墙施工护壁，以保证施工位置准确和成槽质量，结构形式为地下连续墙整体内外侧分别布置一排锁口钢管桩，平面布置呈“∞”型。辅助钢平台及钢导墙平面布置如图1所示，钢导墙立面图如图2所示。

钢导墙施工前进行地基处理，采用DCM船施打深层DCM桩加固地连墙两侧淤泥覆盖层。

图1 辅助钢平台及钢导墙平面布置示意图

图2 辅助钢平台+钢导墙立面图

钢导墙拟采用锁口钢管桩型式。锁口钢管桩单个构件长1.9m，宽0.7m，由两个Φ800钢管桩通过钢板焊接而成。钢管厚度8mm，焊接钢板厚度6mm，钢管桩两端贴焊20号槽钢，相邻钢管桩咬合部位灌注砂浆，锁口钢管桩构件横断面图如图3所示。

图3 锁口钢管桩构件横剖图

2.1.2 围堰筑岛方案

围堰筑岛方案采用单排钢管(板)桩结合的型式，钢管直径2.5m，钢板桩宽度900mm，有效高度230mm，厚10.8mm，平均深度43.5m，筑岛外径150m，围堰顶面标高﹢6.0m，围堰外侧设置钢箱围箍，岛内回填中粗砂，回填至标高﹢3.0m。地下连续墙两侧各采用2排D85cm搭接长度25cm的三轴搅拌桩加固，岛内淤泥层采用D80cm间距2m的搅拌桩加固。围堰筑岛方案平面布置如图4所示，立面图如图5所示。

图4 围堰筑岛方案平面布置图

图5 围堰筑岛方案立面图

2.2 方案比选

根据本工程钢平台+钢导墙方案和围堰筑岛方案的布置和工艺，分别计算工程量；根据定额和当地材料价格信息分别进行单价分析和投资估算；根据施工工艺和施工组织设计采用网络节点法分别编排施工工期。单价分析和投资估算主要成果对比列表见表1，方案比选见表2。

经比较，钢平台+钢导墙方案虽然受力复杂，施工技术要求高，难度较大，但不需要筑岛，避免了岛下地基处理和岛内土体的填筑、密实和拆除；工程量较小；可避免大土方开挖和搬运，对水土流失、环境影响较小，投资相对节省3009万元，工期节省了87d，因此选用钢平台+钢导墙方案。

表1 两方案工程量与投资对比表

表2 两方案比选

2.3 施工安全分析

为了评估钢平台+钢导墙施工方案的安全性和可行性，采用三维非线性有限元法模拟，并分析钢导墙施工、槽段铣槽和地连墙浇筑全过程的力学特性[9- 10]。计算模型如图6—7所示。

图6 钢导墙有限元模型

图7 地连墙浇筑时的导墙变位云图

通过数值分析计算，得到以下结论：

(1)钢导墙施工方案安全可靠，可行性较高。

(2)钢导墙变位最大值为15.8cm，位于墙顶，发生在钢导墙施工遭遇设计风浪情况；钢导墙应力最大值为149MPa，位于河床面以上1.2m附近，发生在地连墙浇筑情况。

(3)在砂浆浇灌前，钢导墙结构段为悬臂结构，独立承受风浪荷载；砂浆浇灌形成整体后，钢导墙产生拱效应，整体刚度大大增强，抗风浪能力也得到显著提升，变位和应力均有一定程度的减小。因此，相邻钢导墙的咬合处宜尽快进行砂浆灌注。

2.4 施工工艺

为保证地下连续墙施工期间槽壁的稳定，采用DCM船施打深层DCM桩加固地连墙两侧淤泥覆盖层[9]。再进行辅助钢平台的搭设，平台搭设后，插打锁口钢管桩，最后再施工地连墙，具体施工流程如图8所示。

图8 钢平台+钢导墙方案工艺流程图

2.4.1 DCM桩打设

地连墙两侧分别布置4排深层三轴水泥搅拌桩，直径85cm，搭接长度25cm。内侧两排穿过砂层，平均深度30m，外侧两排穿入砂层1～2m，平均深度16m。具体步骤如下：

(1)测量放样和场地清理

根据设计要求，首先进行放样，该项工作的测量放样包括两个内容：一是根据设计资料放出打设宽度；二是根据设计画出布桩平面图，标明排列编号，放出具体桩位，施工前必须经过监理复核。

(2)DCM船就位

由现场施工员、桩机班长统一DCM船就位，移动结束后检查定位情况，及时纠正，桩位偏差不大于50mm。桩机应平稳、平正，并用经纬仪或线锤进行观测，确保钻机的垂直度，搅拌桩垂直度精度不低于1/200。

(3)制备水泥浆液及浆液注入

开钻前对拌浆工作人员做好交底工作，在施工现场配备电脑计量的自动搅拌系统和散装水泥罐，以确保浆液质量的稳定。水泥浆配制好后，停滞时间不得超过2h，因故搁置超过2h以上的拌制浆液，应作废浆处理，严禁再用。

(4)钻进搅拌提升

水泥搅拌桩止水帷幕采用两喷两搅的施工工艺，水泥和原状土须均匀搅拌，下沉和提升过程中均为注浆搅拌，同时严格控制下沉和提升速度：下沉速度为0.5～1.0m/min，提升速度为1.0～1.5m/min，在桩底部分宜重复搅拌注浆。

(5)DCM船移位

施工完一组桩后DCM船移至下一根桩位，重复以上步骤进行下一根桩的施工。

2.4.2 钢平台

辅助钢平台施工采用打桩船打桩，起重船配合抄平、吊装2I45b垫梁、贝雷梁、分布梁及槽钢。形成工作面后，用两台100t履带吊同步推进。内侧平台与辅助钢平台同时施工，最后施工三角异型钢平台。

内外侧圆弧段锁口钢管桩打设完成后需搭设内外侧平台的连接通道，以满足机械设备进入内侧平台打设直线段锁口钢管桩，钢平台施工流程如图9所示。

图9 钢平台搭设流程图

三角异型钢平台及内侧平台承重梁采用双拼HM588型钢，12m宽辅助平台采用双拼I45b工字钢，采用对接接长的方式进行加工。为适应现场的灵活施工，双拼承重梁根据现场需用长度提起在岸上拼装好。

承重梁通过钢护筒开槽的方式焊接于槽口内，安装时承重梁应尽量摆在护筒中心，如护筒偏位较大，为了便于贝雷梁安装施工，承重梁可适当移位。现场承重梁采用浮吊进行安装，待后续形成工作面且履带吊进场后则采用履带吊安装。为加快施工进度，打桩完成后改装成浮吊，从另外一侧开始吊装承重梁。

I25a分配梁和[28a面板采用运输船运输至现场，然后用浮吊进行安装。I25a分配梁间隔75cm布设一条，每条分布梁通过两端卡板固定在贝雷上。[28a槽钢为卧放，腹板朝上，在平台上满铺。[28a行车道与I25a分布梁之间焊接固定。根据现场实际情况，分配梁、面板首先采用浮吊进行安装，待形成工作面且履带吊进场后，再采用履带吊进行安装。

2.4.3 导墙施工

钢导墙对保障地下连续墙施工质量十分关键，因而必须认真设计和施工[9]。钢导墙采用整体内外侧锁口钢管桩作为地连墙施工护壁，其中内侧共216组标准锁口钢管桩，外侧共174组。

钢导墙施工前进行地基处理，采用DCM船施打深层DCM桩加固地连墙两侧淤泥覆盖层及砂层。考虑砂层较厚，如果DCM桩处理不理想，可在钢导墙安装后采用高压旋喷桩处理。钢导墙施工流程如图10所示。

图10 钢导墙施工流程图

根据现场实际情况，钢管桩采用100t履带吊+振动锤进行吊打施工，为了精确把握首根钢管桩的平面位置和垂直度，首根钢管桩采用导向架进行定位。

钢导墙施工重点、难点在于定位插打。单个钢导墙构件由两根钢管桩用两块6mm厚钢板并焊而成，利用锁口对接逐个插打施工，通过测量控制锁口转角来控制钢导墙弧度，最后根据实际情况合拢钢导墙，打设过程实时观测钢管桩锁口方向及插口平面扭角位置，确保打设过程中钢管桩的平面位置、垂直度及转角方向准确，降低施工难度，提高打设精度。

2.4.4 槽段铣槽

铣槽前，在锁口钢管桩顶面加焊4～5根槽钢支撑，并在外侧锁口钢管桩与平台钢管桩间设置横向支撑，保证钢导墙的稳定性。

地连墙槽段分Ⅰ期40个槽段、Ⅱ期41个槽段，共81个槽段，Ⅱ期与Ⅰ期槽段在地连墙轴线处搭接长度为0.271m。Ⅰ期槽段采用间隔法施工，至少间隔一个单元槽段，Ⅰ期槽段强度达到80%后施工中间Ⅱ期槽段。成槽采用复合成槽法，“先抓后铣”，先采用液压抓斗将槽段处覆盖层(包含淤泥、沙砾、部分全风化岩层)抓离槽段成槽，待抓斗无法继续进尺后采用双轮铣槽机对岩层进行铣槽施工，直至达到设计槽底标高。钢筋先预制成型再整体吊装，然后浇筑水下混凝土。铣槽时需时刻注意，保证槽内泥浆不低于钢导墙外侧水位，成槽施工工艺流程如图11所示。

图11 地连墙成槽施工工艺[13]

地连墙钢筋笼超长超重，需在胎架上分两节整体预制，每节长23～27m，Ⅰ期槽重约32～38t，Ⅱ期槽重约15～18t，用浮吊转移和下放，下放过程中对接，下放完成立即分节安装导管及灌筑斗。

2.4.5 地连墙浇筑

地连墙水下砼采用高台储料灌注，I期槽采用三套导管同时浇筑，II期槽用一套导管浇筑。

为了防止泥浆外漏，在I期槽两端设置泥浆挡板，在挡板外侧填砂，同时，为了保证II期槽开孔位置准确，导向稳定，在泥浆挡板内侧设置接头板，即在I期槽浇筑砼前，在孔口接头位置下设长10m的接头板，砼初凝后再将泥浆挡板和接头板拔出，预留出II期槽孔的准确位置，起到良好的导向作用。

3 工程监测

3.1 DCM桩

(1)认真填写每班组水泥记录及相应报表。

(2)施工过程中随时检查施工记录，并参照规定的施工工艺对每组桩和检验批进行质量评定，检查重点是：水泥用量、桩长、制桩过程中有否断桩现象、搅拌提升时间。

(3)水泥搅拌桩三根试桩成桩后按相关质量标准要求应进行钻芯取样检测，检测28d无侧限抗压强度及渗透系数。

(4)搅拌桩施工应有自动记录桩身长度、单位桩长水泥用量并能监测水泥是否到达喷浆孔底的自动记量装置。试桩过程中应对该自动装置进行校核，正式施工过程中应不定期检查。

3.2 钢导墙

(1)钢导墙的定位由测量人员在岸上设置GPS定位系统完成，标高由全站仪控制。

(2)钢导墙须定位及调整好垂直度后才可开始打入下沉。

(3)贯入过程中，通过不同地质层时要对桩的垂直度进行复测，避免出现斜桩。

(4)打桩过程中应根据不同地质层的贯入度控制锤的力度，防止将钢管顶部打卷。

(5)钢管打至接近设计标高时要注意控制锤的力度防止超打，当钢导墙顶面高出设计标高5cm内时可视为标高达到要求，可停锤。

4 结语

以某跨海大桥锚碇基础工程为背景，基于施工方案布置、安全分析、施工工艺和工程监测，提出了辅助钢平台+钢导墙新型施工方案。经分析，该方案与常规的筑岛回填、岛内开挖的方法相比，可缩短工期、降低工程投资，可为类似工程的施工设计提供参考。