桩基和承台水下施工方法分析

李世波

（朔黄铁路发展有限责任公司 河北肃宁 062350）

1 概述

黄大线黄河特大桥位于山东省东北部，黄河下游鲁北平原区，距离黄河入海口约100～120km，海拔高程9～26m（黄海高程，下同），地势向东北微倾斜，总体较平缓。线路在山东省东营市西北的利津县附近跨越黄河。该段黄河堤面高程19～22m，河滩洼地高程11～15m；河背槽状洼地，沿大堤走向分布，地势多呈带状洼地，海拔高程10m 左右。利津在大地构造单元上属华北台地内的辽冀向斜中的济阳坳陷 ，南以齐河～广饶大断裂为界，北有临邑～东营断裂、陵县～庆云～渤海农场等断裂，断裂主要构造先为北东至北北东，从滨州至黄河入海段，其次一级构造单元可分为：滨县凸起，东营凹陷，陈家庄凸起。

黄河特大桥主桥桥长1183.34m，包括跨河主桥一联（120+4×180+120）m 连续钢桁梁，以及跨越黄河大堤引桥两孔108m 钢桁梁。主桥中有4 个主墩在主河道内（116#、117#、118#、119#）。114#、115#、120#、121#墩分别位于黄河左岸和右岸的漫滩中。引桥108m 钢桁梁采用下承式明桥面简支钢桁梁。

根据桥梁选址与当地水文地质情况调查，该桥梁施工过程中水是一很大难题，大部分工程在水下施工。因此本文重点分析桩基和承台在水中施工的施工工艺，以及施工中的一些问题。

2 桥梁水中桩基和承台施工

2.1 桥址范围内工程地质和水力条件

1、工程地质情况

根据钻探测试及取样试验成果，桥址范围内地层岩性较为复杂，钻探深度内大致可以划分为几个工程地质层如下：

第一层：第四系全新统人工填筑层，以人工填筑粉质黏土为主，棕黄色～灰黄色，厚度约1～2m，为小沟渠堤坝、道路填料，土质以粉质黏土、粉土为主，土质较均一，可塑，II 级普通土，不宜作基础。

第二层：第四系全新统冲积层，以粉质黏土、粉土为主，该层底高程范围-2～+2m。

第三层，第四系全新统海陆交互沉积层：以粉质黏土（黏土）为主，其次为粉土，夹有粉砂，该层底高程范围-16～-23.0m。

第四层，第四系上更新统海陆交互沉积层：以粉土为主，其次为粉质黏土（黏土）、粉砂，该层底高程范围-99～101m。

第五层，第四系中更新统海陆交互沉积层：以粉质黏土（黏土）为主，其次为粉土、粉砂。

桥址范围内地形平缓开阔，根据钻探揭示地表以下80m 范围内，地层以粉质黏土、粉土为主，没有良好的天然基础持力层，基础类型采用钻孔灌注桩比较适宜，桩尖持力层宜在第四层上更新统海陆交互沉积（Q3mc）或第五层中更新统海陆交互沉积（Q2mc）的粉质粘土、粉土、粉细砂层中。

2、水力条件

桥址处的地表水发育，为黄河河水，地下水为第四系潜水，主要赋存于第四系冲积、海陆交互沉积的粉质粘土、粉土中，地下水位埋深1～3m，主要受大气降水补给，地下水水质较复杂，上部受黄河水影响为淡水，水质较好，对圬工无侵蚀性，约为10～15m 左右，下部以咸水为主，矿化度较高，深部取水样较为困难，根据水质分析报告，综合考虑地下水对圬工具有硫酸盐弱侵蚀性，等级为H1。黄河每年有四汛，黄河下游汛期主要是伏秋大汛和凌汛。黄河凌汛期为每年12 月～次年2 月份。伏秋大汛期为6～8 月份进入雨季，汇入黄河水量增加形成汛期。因此本桥梁施工过程中水是一很大难题，大部分工程在水下施工。本文重点分析桩基和承台在水中施工的施工工艺，以及施工中的一些问题。

2.2 转孔灌注桩水下施工

116#、117#、118#墩桩基为大直径、超长桩施工（直径1.8m），采用直径2.1m 钢护筒，壁厚14mm，护筒长度设计为20m，要求插入河床下黏土层不少于3m，保证定位、导向准确，同时钻进中保证不穿孔。钻机采用对土体扰动比较小的正循环钻机。成孔浇筑之前做好准备工作，要对导管进行水密、承压和接头抗拉试验；水下混凝土掺入高效缓凝减水剂，保证混凝土初凝时间大于6 小时，确保混凝土施工质量。

2.2.1、水中钻孔桩施工工艺如图1 所示

2.2.2、水中钻孔桩施工方法

水中钻孔平台搭设完成后，进行水中钻孔桩施工。

护筒埋设：钢护筒分节制作，现场接长，护筒焊接采用坡口双面焊，所有焊缝密实、连续，以保证不漏水。钢护筒顶面标高低于钻机平台1.0m，护筒顶面高程按照14.5m 进行控制，比最高施工水位高出1.0m 以上。钢护筒的搭设利用钻机平台先打设钢管桩架设导向架，导向架高度为4m，垂直度控制在0.5%范围以内。

钻机就位：要求钻机顶部起吊滑轮轮缘、转盘中心和桩孔中心三者应在同一铅垂线上，其偏差不大于10mm，同时为确保钻机钻进的稳定，水上平台应牢固、平稳。

泥浆护壁：钻进过程中采用泥浆护壁，以保持孔壁不坍塌。泥浆采用膨润土造浆,钻孔过程中随时检测泥浆的指标，以确保孔壁的稳定。护筒内泥浆应始终高出孔外水位1～1.5m。

钻孔。开钻前对护筒中心位置及倾斜度进行复核，确保护筒位置偏差和倾斜度在验收标准和设计允许范围内（设计要求：中心偏差≤5cm，倾斜度≤1%）。钻机就位后，再复核钻杆中心位置和竖直度。所有检查都符合要求并经现场工程师和监理工程师同意后，方可开钻。

采用正循环钻机成孔，选取优质泥浆护壁。钻机就位后，对钻头位置进行复测，底座和顶端应平稳，在钻进施工中不应产生位移或沉陷。泥浆经过循环池及沉淀池后，流回孔中，注入孔口泥浆比重根据不同地质条件进行即时调整，确保孔壁稳定，随时注意记录地层变化情况。在钻进时，要适当降低成孔钻速，成孔过快易坍孔。钻孔过程中要做好钻孔记录，对各土层资料与设计资料进行对比，对不同地质类型的桩基应留置足够钻渣样放置于钻渣盒中,在钻渣盒中标记出钻进深度，并在钻孔记录中如实记录钻渣类型和钻进深度,若发现实际地质情况与设计情况不符时，应及时报告监理工程师,以供设计单位确认地质情况。

检孔及清孔。当钻到设计孔底标高后，即可开始清孔，沉渣厚度不大于设计要求，清孔后，对泥浆各项性能指标及孔内沉淀物进行检测，使用检孔器检查孔径、垂直度。清孔时，保持孔内泥浆面高度在地下水位或河流水位以上1.0～1.5m，防止坍孔。笼式检孔器应有足够的刚度，外径应与设计桩径相同，检孔器长度易为4-5 倍桩径，且不小于1.5m，笼式检孔器底部宜制作成锥形，锥形高度不小于检孔器半径。在钢筋笼、导管安放完毕后，用导管进行二次清孔。清孔时，保持孔内泥浆面高度在地下水位或河流水位以上1.0～1.5m，防止坍孔。

钢筋笼加工及水下砼灌注同陆上桩基施工，这里就不再赘述。

2.3 水中承台工施

主桥116#-119#主墩承台采用双壁钢围堰维护施工，双壁钢围堰通过内外双层型钢焊接成骨架,利用型钢骨架承受围堰水土压力,面层钢板封挡水土的一种围堰设计。双壁钢围堰具有施工操作空间大，圆形双壁钢围堰无需内支撑等先天性的优点，具有其他围堰形式不可比拟的优势。

图1 转孔灌注桩施工工艺流程图

2.3.1、双壁钢围堰设计

双壁钢围堰设计厚度为120cm，外径为37.2m，内径为34.8m，围堰内保证承台施工尺寸，117#承台平面尺寸为26.75m×17.25m，临时支墩承台平面尺寸为25m×18m，确保承台外围有1.5m 以上的施工空间。主墩围堰长度18m，各节组合情况由下到上分别为4m、4m、5m、5m，临时墩围堰长度15m，各节组合情况由下到上分别为4m、3m、3m、5m。

双壁钢围堰内外壁钢板均采用8mm 钢板，支撑采用∠100×80×8mm 不等边角钢，环向按照0.5m设置支撑一道，竖向按照约1.5m 一道支撑。双壁钢围堰采用在岸上加工，然后运至钻孔平台上,环向分成8 块，每块分别设置隔舱，节间采用螺栓连接，顶节以下8m 需要灌注C25 混凝土，以增加双壁钢围堰的刚度。

图2 双壁钢围堰

2.3.2、双壁钢围堰加工制作及运输

双壁钢围堰在岸上加工厂分块加工，加工完成并经试拼检验合格后，分块装车运至钻孔平台，然后利用吊车在钻孔平台上进行拼装。

利用钢围堰作为承台施工开挖的围水结构，根据水上50t 汽车吊的起重能力，将围堰高分成三节：底节高4m，第二节4m，第三节5m 及第四节5m，每节平面按隔舱划分成8 块，每块最大重量限制在20t 以内，块的大小是根据现场制造设备、运输和墩平台上组拼时的起吊能力确定。

在围堰钢块件加工场组装工作平台，杆件集中下料，在平台上放样后焊接块件骨架，安装隔舱板、焊接内外壁板检查节间、块间接缝及舱板是否渗水、漏水并及时处理渗水部位，确保钢围堰的严密性。

组拼工序为：外壁板竖向加劲角钢、水平桁架弦板、水平撑、隔舱板、内壁加劲角钢、内壁板、脱胎模翻身、焊接成件。

拼装时要求：上下隔舱板对齐，各相邻水平桁架弦板对齐，上、下竖向加劲角钢允许不对准，但必须和水平桁架弦板焊牢。内外壁钢板拼缝不能对接焊时，允许采用搭接焊或贴板焊接，但必须满焊，并保证全焊水密结构的可靠性。

2.3.3、墩位平台上钢围堰的组拼及下放水

钢套箱在钻孔平台上组拼，在钻孔平台上画出钢套箱底层的安装位置，做好组拼前的准备工作。先要进行水中墩平台的部分拆除，底层围堰高4m，围堰刃角底标高采用水准仪抄平。所有连接均可正常进行，钢围堰节间连接采用螺栓栓接，接口位置垫设5mm 橡胶条。

2.3.4、底节围堰组拼完成后下放入水作业，做法如下：

（1）在双壁围堰侧壁上焊牢带有竖直孔眼的牛腿，牛腿与堰壁的连接抗剪能力达到30t。全围堰共有吊点16 处，内吊点8 处、外吊点8 处，以防止围堰偏载承力。底层围堰重134.5t，每个吊平均为8.4t，不均匀时最大吊点的受力不超过20t，采用φ32 直径的精轧螺纹粗钢筋作吊杆，吊杆上有三个特制螺帽及扁担梁。

（2）内侧在钢护筒上，外侧在钢管桩上或钢管桩组成横担梁上，安设带有悬出的扁担梁（由两根工36-a 工钢组成）

（3）每处用两台32t 机械螺旋千斤顶，共32 台，上述工具设备安装到位后，通过千斤顶与φ32直径的精轧螺纹粗钢筋上两个特制螺帽的相互交替作用把底节钢套箱下放入水。

2.3.5、钢围堰的接高

在首节钢围堰锁定后，向其隔仓内灌注混凝土和向夹壁内加抽水等措施以调平围堰，并予留一定的干舷高度，使其处于待拼次节围堰的状态。以后每一节段运到便桥，利用吊车吊至钢平台，由汽车吊起吊与首节或上一节进行栓接，每接高一节既均匀下沉，并予留相应的干舷高度，以便接高下一节时施焊作业。

2.3.6、钢围堰的下沉和着床稳定

双壁钢围堰在水中是以隔舱内灌水下沉，围堰隔舱灌水时需要注意间隔进行，控制水量，对称注水。

围堰下沉至河床不能依靠自重自然下沉时，需要采用水下吸泥设备进行水下吸泥，水下吸泥时需要注意对称、四周均衡进行，防止围堰倾斜。如遇到刃角下沉至河床面以下，不能顺利下沉时，开始在隔舱内灌注水下混凝土4m。

2.3.7、钢围堰的竖向定向：

在围堰的内壁面上对应承台的四只角钢护筒的位置，上下各安放用型钢制作钢套箱下沉时竖向定位系统。即横纵向的水平限位系统竖向起着导向作用。如果围堰偏时在用50t 油压千斤顶进行调控，同时在对应的位置进行抽水或注水，调节围堰重心，达到纠偏目的。

钢围堰着床是钢围堰施工中的一道重要关键工序，钢围堰着床后的位置和倾斜率对钢围堰以后的下沉，乃至钢围堰落到设计高程时的质量都有重要影响。不过本桥可选择在没有多大流速的条件下着床。通过在钢围堰的隔舱内灌水以调平围堰这样可以反复几次。

当围堰接高下沉至刃尖距河床0.5 米左右即停灌水下沉，通过反复纠偏以实现围堰的精确定位。然后均匀灌水，快速实现围堰刃脚的着床，继之以均匀吸泥下沉使围堰下沉到位。

若围堰着床后发现偏位较大，可排除隔仓内的水使围堰上浮再进行第二次准确着床，直到精度符合设计要求。

2.3.8、双壁钢围堰施工完毕之后，承台具体施工工艺同陆地施工，这里也不再赘述。

3 总结

桩基和承台水中工程主要存在的三个问题：一是黄河水流含泥量高，基础施工处于洪水汛期，深水基础及围堰施工风险极高；二是水中大直径超长钻孔桩施工，地层为粉砂、粉土，稳定性差且软硬不均，易出现串孔、塌孔、偏孔等问题，质量控制难度大；三是桥址处在黄河最下游，河床为新沉积粉细沙，汛期局部冲刷23 米左右,对钢便桥、施工平台等临建施工影响很大。因此施工时这三个方面是重点也是难点。根据上述分析，对于本工程而言，首先采用深水大直径钻孔灌注桩，严格控制泥浆质量和抗腐蚀性强的水下混凝土；其次整体式承台施工采用双壁钢围堰，有效解决了桩基和承台在水中施工所遇到的这些问题。