裸岩河床深水基础先堰后桩法钻孔平台设计与施工技术

王永锋

（中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏 苏州 215151）

1 工程概况

南龙铁路闽江特大桥位于福建省南平市境内，桥梁跨越峰福铁路、闽江和市政道路，全桥长度L=1066.41m，主桥结构为孔跨（118+216+138+83）m 双线刚构连续梁，主跨216m 为目前铁路同类型刚构连续梁世界最大跨度。17#、18# 主墩为刚壁墩，墩高64.5m，基础采用24 根φ2.5m 钻孔灌注桩，承台尺寸为30.25m×19.75m×5m，混凝土体积2987.2m3。河床为裸岩河床，无覆盖层，桥位处平均水深18m，承台底位于裸岩河床面以下，采用双壁钢围堰施工。江面宽度420m，设计流速为3.92m/s，桥梁区域为Ⅳ级航道，施工水位为62.5m，水中墩基础双壁钢围堰嵌入河床地层范围为强风化～弱风化黄岗岩。

2 施工方案及关键技术

深水基础桩基钻孔平台结构设计及施工是重要环节，根据水文、地质、通航和深水基础承台尺寸综合确定钻孔平台方案。因承台嵌入岩石河床内，双壁钢围堰嵌入河床地层范围为强风化～弱风化黄岗岩，无法正常采用振动锤插打钢管桩，无法采用常规吸泥出水工艺下沉双壁钢围堰。经过综合方案比选，主墩深水基础采用“先堰后桩”法施工，即先采用浮动钻孔平台与和浮动清碴平台配长臂挖机进行水下基坑开挖，然后水中分节下沉双壁钢围堰，在钢围堰顶搭设简易平台安装钢护筒，灌注钢围堰水下封底混凝土，最后将简易平台与钢护连接加固形成水中钻孔平台，满足钻孔灌注桩和承台施工要求。

2.1 双壁钢围堰钻孔平台结构设计

总体结构：双壁钢围堰一是为深水承台施工的挡水结构，二是作为桩基钻孔平台的支撑结构，钻孔平台荷载由钢围堰双壁和桩基钢护筒组合共同支承。水中墩承台尺寸为30.25m×19.75m×5m，承台底标高位于河床面以下3m 左右，钢围堰设计考虑通航安全影响，同时最大限度减少基坑水下爆破方量，满足桩基钻孔平台搭设要求，采用矩形双壁钢围堰。钢围堰平面尺寸比承台每边大0.25m，内壁平面尺寸为30.75m×20.25m，外壁平面尺寸为33.75m×23.25m，壁厚1.5m，基坑底平面尺寸为35.75m×25.25m（比钢围堰外壁每边大1.0m），按照5∶1 进行放坡开挖，基坑爆破开挖厚度5.5m，封底混凝土厚度2.5m，利用钢围堰内壁为承台模板浇筑砼，在钢围堰顶安装双拼贝雷梁作为钻孔平台纵梁，贝雷梁共7 组，中间3 片/组，两侧2 片/组，采用90cm 型支架，每组长度24m。贝雷梁两端头支撑在钢围堰顶，然后在纵梁上铺设I22b 工字钢分配梁，在工字钢上铺设厚度δ=6mm 钢板形成钢护筒安装平台。钢护筒安装完成后，在钢护筒上部（贝雷梁下弦杆底部）位置采用I40b工字钢焊接连接成整体，贝雷梁中间支点支撑在I40b 工字钢上，然后进行混凝土封底，补铺空缺处平台钢板，最后形成双壁钢围堰、钢护筒、贝雷梁为组合体系结构的钻孔平台，平台四周采用钢管焊接扶手栏杆，做好临边防护。将钻孔平台宽24m，长33m，面积785m2，满足桩基钻孔要求。钻孔平台结构如图1 所示。

图1 双壁钢围堰钻孔平台结构示意图（单位：cm）

2.2 钻孔平台施工关键技术

（1）钢围堰下沉、安装。钢围堰分成5 节下沉，第1 节（含刃脚）～第4 节4m，第5 节2m，内支撑两道。每节平面分成20 块，8 个相同转角块及12 个相同直块，每块重量控制在10t 内，以便钢围堰起吊拼组安装。隔舱混凝土浇筑高度8m（隔仓混凝土顶高于承台顶面50cm），舱室内其余部分注水，注水高度为10m。钢围堰首节在岸边搭设拼装平台拼装，首节下水后浮运至墩位处，安装下沉导向架，导向架采用钢管和浮箱组合而成，采用八字锚固定导向架，注水分节拼装下沉钢围堰。第2 节～第5 钢围堰在墩位处分块拼装，分节下沉。钢围堰拼装时，严格控制拼装尺寸，先点焊，待全部节块拼装完成后方可全面焊接。焊接总体顺序：先焊水平弦板，后焊内壁板，再焊外壁板，总体保持对称施焊，焊接内外壁焊缝时，搭设吊笼扶梯及水平脚手板，方便焊接作业。依次分节拼装、注水下沉双壁钢围堰，钢围堰着床前，用GPS 定位系统进行精确测量定位，保持双壁钢围堰水平，当钢围堰底部距离基坑面20～30cm 时，采取隔仓均衡注水使钢围堰迅速下沉至着床就位，最后进行测量验收，确保钢围堰位置准确无误后继续注水加重，最后拆除导向架和纠偏锚绳。

钢围堰下沉纠偏措施：在双壁钢围堰底节刃脚设纠偏缆绳，与浮运船上卷扬机连接，将两侧纠偏缆同时收、放或一侧松、一侧紧等方法达到纠偏目的。双壁钢围堰下沉导向架结构如图2 所示。

图2 双壁钢围堰下沉导向架结构

（2）钻孔平台承重主梁安装。钢围堰下沉验收合格后，在钢围堰顶安装钻孔平台主梁，主梁贝雷梁纵桥向布置（短方向），共计7 组，中间3 片/组，两侧2 片/组，贝雷梁布置需预留钻孔桩钢护筒安装位置，贝雷梁在岸上进行预拼装，采用90cm 型支架，拼装成组后采用浮动平台运输到墩位，采用20T 级浮吊安装。贝雷梁安装位置需精确测量定位，确保位置准确。在贝雷梁上部安装I22b 工字钢，间距35cm，然后铺设木板形成简易平台，使其满足钢护筒安装和灌注封底混凝土导管下放空间要求。钻孔平台贝雷梁安装如图3 所示。

图3 钻孔平台贝雷梁安装施工

（3）钢护筒安装。钢护筒除满足钻孔桩定位、钻孔导向、隔离稳定孔壁、保持泥浆水位等作用外，在双壁钢围堰施工中还起钻孔平台承重作用，同时为防止大直径钢护筒吊装变形，经结构检算和施工经验，钢护筒内径为φ2800mm，壁厚16mm，比桩基直径大300mm，钢护筒总高度为18m，分2 节安装，每节高度为9m，单节重量为10t。钢护筒在钢围堰加工场自行卷制，采用CO2保护焊进行焊接，采用平板车运输至码头上船运输至墩位。简易平台安全完成后，在平台上部搭设钢护筒导向架，确保钢护筒的桩位精度和垂直度。钢护护筒首节采用一台20t 浮吊吊装，从导向架内缓缓下放，在距离平台面50～100cm 位置，采用预留焊接卡扣卡住悬吊在导向架上，然后吊装第2 节钢护筒，在浮吊和限位卡板的配合下精准对接，然后快速进行点焊固定钢护筒，最后采用CO2保护焊对称间隔跳焊至全部截面满焊完成，第2 节对焊后下放采用2 台20t 浮吊配合下放到基坑底。为防止封底过程中钢护筒移位，在护筒内部抛掷沙袋。

（4）钻孔平台钢护筒横向连接。24 个钢护筒全部安放完毕后，安装两层横向连接杆。上层横连在贝雷梁底部标高位置焊接I40b 的工字钢联结系，工字钢顶面与贝雷梁底部密贴，工字钢联结系兼做贝雷梁的承重梁；下层横连接采用φ200×8mm 钢管纵横向连接，设置在距离水面50cm 位置处。两层横向连接将24 个钢护筒和钢围堰围堰连接成一个整体，最终形成承重钻孔平台结构。

（5）灌注水下封底混凝土及隔舱混凝土。钢护筒横向连接施工完成后，灌注钢围堰封底混凝土和隔舱混凝土。灌注封底混凝土前，仔细测量堰内基坑底高程，特别是在护筒周围进行加密量测，确保封底混凝土厚度及钢护筒底部基底的平整度满足要求，必要时进行局部爆破处理，一般宜按低于设计高程10cm 控制测量标高。砼浇注顺序：从上游角点开始，顺序往下游方向进行；封底混凝土灌注过程中，需进行围堰内抽水，控制围堰内水位高于围堰外水位约1m。待封底混凝土龄期3d 后灌注隔舱混凝土，采用桩基混凝土灌注工艺施工，灌注时分舱对称灌注，保证钢围堰竖向受力平衡。

（6）铺设平台钢板。钢围堰封底完成后，将简易平台完善形成钻孔平台，再次检查贝雷梁与上道横向连接工字钢的接触情况，若有间歇采用钢板支垫密实，并设置限位钢板，防止贝雷梁在钻孔振动荷载作用下横向移动，确保支撑点牢固密贴。然后在I22b 工字钢分配梁上铺设厚度为δ=6mm 钢板形成钻孔平台，平台四周采用钢管焊接扶手栏杆，做好临边防护。双壁钢围堰钻孔平台安装效果如图4 所示。

3 施工技术控制关键点

（1）钻孔平台钢围堰、钢护筒、贝雷梁、支撑横梁等结构荷载检算除了考虑钻孔机械设备、贝雷梁及平台自重荷载受力外，还应考虑钻孔振动荷载、风荷载、水流冲击荷载因素和重型锤头集中荷载受力对平台的影响。

图4 双壁钢围堰钻孔平台结构效果图

（2）严格控制水下钻孔爆破开挖质量，避免超欠挖，确保基底平整。基坑验收采用硬式定深扫海或多波速扫海检测验收，保证钢围堰及钢护筒与基坑接触面平整，确保封底混凝土质量和钻孔平台的基础稳定可靠。

（3）围堰接高下沉时，保持浮力与钢围堰自重力匹配，采用舱内灌水对称加载，严防不均衡加载导致钢围堰倾斜。

（4）钻孔平台贝雷梁安装后，严格检查贝雷梁与钢围堰及中间支撑横梁的接触情况，保证接触密贴；钢护筒之间的支撑横梁应对称设置，防止钢护筒偏心受压；横梁与钢护筒之间焊接连接，应在两侧设置加劲板加强焊接。

（5）为防止和减小大直径钢护筒在吊装、对口焊接过程中变形，应考虑在钢护筒内腔设置角钢“十字撑”，待钢护筒下放到位后切除。

（6）钢围堰水下混凝土封底时，混凝土导管底部宜高出基底面20～30cm，导管封底布置间距为5m（导管封底作用半径为2.5m），灌注厚度测量点位宜控制在导管附近3m 范围内，特别注意混凝土搭接点位处的厚度，避免封底混凝土厚度超高或欠封。

4 结束语

（1）深水基础钻孔平台施工设计是大体积深水基础施工技术控制的关键环节，钻孔平台的设计方案要结合承台结构尺寸、水文、地质及施工条件，同时考虑气象、通航安全等影响因素，既要确保施工安全、操作方便，又要考虑施工成本及工期要求。

（2）矩形承台采用矩形双壁钢围堰施工，钢围堰内壁尺寸比承台尺寸每边大25cm，围堰内壁作为承台模板，减少钢围堰重量，节约基坑开挖量及承台模板，加快施工进度，节约了施工成本，安全质量可靠，取得了良好经济效益。

（3）利用双壁钢围堰与钢护筒组合作为桩基钻孔平台承重结构，避免了在坚硬岩石河床中插打钢管桩的施工难题，施工方便、安全可靠，技术经济合理。