围堰下穿既有高速公路的土石加载施工技术

余建平，肖 钰，吴留伟，吴 蕾

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

在河床式水电站施工中，导流围堰工程的成功建设是确保枢纽工程顺利进行的关键前置条件[1]。河床式水电站基本位于河谷宽阔地带，且布置有永久泄洪闸，一般采用分期导流方式，导流规划分二期（有时称三期）。

随着我国综合国力的提高，近年我国的高速公路网发展迅猛，因此水利工程中不同建筑物与高速公路交叉现象越来越普遍，人为因素造成既有高速桥梁桩基周边土体扰动时有发生，进而影响高速公路的正常运营，同时也造成自身枢纽工程施工难度加大、施工进度滞后、安全隐患也更为突出[2]。因此有必要对下穿既有高速公路土石围堰的加载施工方案进行研究总结，确保高速公路的运营安全及自身工程的顺利建设。

本文以浙江省青田水利枢纽工程二期上游横向围堰施工为背景，对下穿既有高速公路土石围堰加载施工技术进行总结，结合工程施工经验，提出分区域分层均衡填筑、分部基础处理、分级加载的施工技术方案，可为类似工程施工提供有益的参考。

2 工程概况

青田水利枢纽工程位于浙江省丽水市青田县境内，坝址位于瓯江干流与四都港汇合口下游约185.00 m处，距上游青田县城约10.0 km，距下游温州市约35.0 km。坝址以上集水面积13 810 km2，闸上正常蓄水位7.00 m，正常蓄水位以下河道容积3 396万m3，电站总装机容量42 MW。工程主要任务是改善瓯江青田城区段水环境，发电、航运及稳定江道等综合利用，主要建筑物由泄洪闸、船闸、河床式发电厂房、左岸混凝土重力坝以及右岸回填防渗建筑物等组成。

工程采用分期导流，一期围堰先围右岸发电厂房和右侧12孔泄洪闸，二期再围左侧13孔泄洪闸及船闸的导流方案。二期上游横向围堰穿高速公路交叉段采用土石结构，长约42.60 m，戗堤高程按非汛期（10月至次年4月）3 a一遇（P=33.3%）洪水位确定为5.50 m，戗堤顶宽45.00 m。戗堤以下为土石围堰，高架桥墩桩两侧平衡堆载，外侧顶宽不小于5.00 m。基础采用厚60 cm的C15混凝土防渗墙防渗。围堰迎水面边坡为1:1.75，背水面边坡为1:1.75，5.50 m高程顶面及背水面采用厚40 cm的C20混凝土护面防冲，并铺设一层φ12@250 mm×250 mm钢筋网。为减小上部荷载，5.50 m高程至9.60 m高程采用脚手架框架式袋装土围堰结构，顶宽6.00 m，堰高4.10 m，每0.50 m设1排φ48 mm脚手架支撑。9.60 m高程至10.60 m高程采用袋装土围堰，两侧边坡为1:1。5.50 m高程至10.60 m高程堰身采用土工膜进行防渗。二期上游横向围堰穿高速公路交叉段典型断面见图1。

图1 二期上游横向围堰穿高速公路交叉段典型断面图

根据工程地质勘察成果资料，上游二期横向围堰覆盖层分布有人工填土，以碎块石为主，粒径一般5 ～ 20 cm，少数30 cm以上，最大厚度约3.00 m，分布于左岸岸坡；表部分布有含泥中细砂，厚度约0.30 m；上部分布有第四系全新统冲洪积（al - plQ4）砂砾卵石层，卵砾石粒径一般为5 ～15 cm，少数25 cm以上，个别可达35 cm以上，最大厚度约31.50 m；下部分布有第四系上更新统冲洪积（al - plQ3）含泥砂砾卵石，卵石粒径一般为5 ～ 20 cm，少数达30 cm，个别可达50 cm以上，厚0.00 ～ 20.00 m；基岩为侏罗系上统诸暨组a段（J3za）含砾晶屑凝灰岩，强风化带厚度1.20 ～3.00 m，弱风化带厚度1.50 ～ 10.00 m。沿线未见断层通过。其中砂砾卵石层渗透系数K=1.03×10-2～ 1.17×10-1cm/s，属强透水性。下部含泥砂砾卵石层渗透系数K=5.06×10-3～8.14×10-3cm/s，属中等透水性。

3 二期上游横向围堰与既有高速公路（金丽温）的相对关系

在本工程区域内金丽温高速公路沿江高架桥梁分为左右双幅，桥面宽度为2×12.00 m，桥梁上部结构为35.00 m预应力箱梁，下部接盖梁、立柱和钻孔灌注桩，单幅桥每排架设立柱和桩基各2根，桩间设联系梁，立柱直径1.80 m，灌注桩直径2.00 m。二期上游横向围堰涉及的丽青段87#、88#、89#及90#桥墩桥台为单幅结构，桥台底高程分别为18.18，18.08，17.96，17.83 m，基础为钢筋混凝土灌注桩，灌注桩桩底高程分别为-39.00，-39.00，-38.0，-34.00 m，共设有4根，直径为2.00 m，成正方形布置。二期上游横向围堰与金丽温高速公路相对关系见图2，二期上游横向围堰平面布置见图3。

图2 二期上游横向围堰与金丽温高速公路相对关系图（围堰建成后）

图3 二期上游横向围堰平面布置图

4 主要施工技术措施

4.1 既有高速公路桩基加固措施

二期上游横向围堰施工前，为了加强既有高速桥梁结构抵抗加载变形的能力，对其进行加固，主要包括以下方面。

（1）在二期上游横向围堰填筑加载前，为防止施工设备对高速公路桩基的撞击产生影响，同时考虑围堰填筑加载过程中对桩基产生的变位等因素，在高速公路桥梁桩基下部采用钢套箱和钢护筒进行防护。

钢套箱采用4.5 mm钢板压制而成，分3块箱式构件进行制作，宽度分别为110，615，110 cm，高度均为4.30 m，钢护筒分2块半圆弧进行制作，圆弧半径为130 cm，长度均为2.45 m，块与块之间使用M16的高强螺栓进行连接。要求桥墩周围填筑前先采用钢护筒、钢套箱对桥墩进行防护，钢套箱从-1.00 m高程开始埋设，顶部至3.30 m高程；钢护筒从3.30 m高程开始埋设，顶部至5.75 m高程。钢护筒、钢套箱与桥墩之间空隙使用泡沫板进行填充。

（2）二期上游横向围堰涉及的金丽温高速公路丽青段87#、88#、89#、90#桥墩均嵌入基岩，基础覆盖层较密实，主要是交叉段二期上游横向围堰填筑加载时上部围堰荷载易对高速公路桥梁桩基础产生水平推力、负摩阻力和水平变位等影响[3]。为提高基础承载力，控制高速桥梁结构的变形影响，施工时对部分基础进行水泥注浆处理。处理范围为88#、89#桥墩沿水流方向桥梁桩基两侧各5.00 m，围堰中心线两侧各6.00 m范围，注浆深度为整个砂卵层，深度约为30.00 m，水泥注浆孔间距为2.00 m。穿高速公路交叉段围堰基础水泥注浆孔布置见图4。

图4 穿高速公路交叉段围堰基础水泥注浆孔布置图

灌浆原则：先进行边排孔灌浆，后进行中间排孔灌浆，按先外后内的顺序施工。88#、89#高速公路桥墩桩基两侧各5.00 m范围同步进行注浆施工，同时要求按分序加密的原则进行，分两序孔施工，先进行一序孔施工，后进行二序孔施工。

围堰3.00 m高程作为灌浆平台，采用小口径钻孔、花管自下而上分段灌浆，选用纯压式分段灌浆，灌浆段长度控制在5.00 m，灌浆压力控制在0.2 ～ 0.4 MPa，灌浆压力以FEC - GJ3000灌浆自动记录仪数据采集与处理系统的压力、流量监控与记录的读数为准。

浆液水灰比采用2:1，1:1，0.6:1三个比级。开始灌浆时水灰比采用2:1，当灌浆压力保持不变，吸浆量均匀减少时，或当吸浆量不变，压力均匀升高而未超过规定压力时，灌注工作应持续，不应改变水灰比。当某级浆液吸浆量已达300 L以上时，或灌浆时间已达到30 min，而灌浆压力和吸浆量均无改变或改变不显著时，改浓一级水灰比。当吸浆量大于30 L/min时，根据具体情况越级变浓。

当每段灌浆压力不大于0.4 MPa，灌注水泥量达到120 kg/m时，继续灌注30 min，可结束本段灌浆。当每段灌浆压力达到最大设计压力0.4 MPa，吸浆量不大于1 L/min后，继续灌注30 min，可结束本段灌浆。全孔段灌浆结束后，采用浓浆进行全孔灌浆封孔。

4.2 二期上游横向围堰填筑加载控制措施

为减小围堰填筑对高速公路桩基的影响，避免因围堰填筑加载对桥墩产生推力而引发桥墩位置偏移的安全隐患，交叉段围堰采取分块填筑、分部基础处理、分级平衡加载施工。且施工中应严格按照以下步骤进行，禁止野蛮施工。

（1）先在88#、89#桩周边分层均衡填筑至3.00 m高程、10.00 m宽的基础注浆施工平台，施工中应控制填土速度不能过快；

（2）3.00 m高程注浆平台形成后，对88#、89#桩周边10.00 m范围进行均衡注浆加固；

（3）88#、89#桩周围基础注浆完成后，将两桩之间围堰全面均衡填筑至3.00 m高程；

（4）利用填筑的3.00 m高程平台，对88#和89#桩之间的中间部位12.00 m范围（5.50 m高程以上小断面下部）进行基础注浆加固施工；

（5）中间部位基础注浆完成后，堰体均衡填筑至5.50 m高程，进行防渗墙施工；

（6）继续施工，均衡填筑至围堰设计顶高程。

4.3 既有高速桩基变形监测方案及控制措施

4.3.1 主要监测方案

传统的监测技术在高速公路高密度行车区间难以实施，也无法实现实时的数据采集和反馈[4]，因此选用以静力水准系统为主的高精度远程自动化实时监测系统对既有高速公路结构变形进行不间断的监测。考虑到二期围堰堆载施工引起的沉降，以及既有高速桩基结构、墩柱结构的特点，在既有桩基结构上布设沉降位移、墩柱水平位移监测、墩柱应力应变监测、墩柱倾斜监测等监测点。既有高速桩基、墩柱结构测点布置如下所述：

（1）桩基沉降位移监测。对高速公路87#、88#、89#、90#桩基进行沉降监测。在每根墩柱中上部位各布设1个沉降位移观测点，4排桩共布设16个沉降观测点，采用静力水准自动化观测。

（2）墩柱水平位移监测。对高速公路87#、88#、89#和90#墩柱进行水平位移监测。在每根墩柱中上部布设1个水平位移观测点，4排桩共布设16个水平位移观测点，采用拓普康生产的ES101型全站仪进行观测。

（3）应力应变监测。根据现场所涉及的高速公路桩基情况，分别在87#、88#、89#、90#桩的每根墩上下游侧各布置1个测点，共布置36套应变计，采用表面应变计对桩基进行应力应变自动化监测。

（4）墩柱倾斜监测。根据现场所涉及的高速公路桩基情况，分别在87#、88#、89#、90#桩的每根墩柱上布设1个测点，共布置16套倾斜仪监测装置，对墩柱进行倾斜自动化监测。

4.3.2 实测分析及控制措施

通过实时监测发现，桩基沉降位移、应力应变、墩柱倾斜等监测点数据变化不大，均在控制标准以内。高速公路桥梁墩柱水平位移相对较大，水平观测位移主要发生在围堰施工期间，因此，水平位移是施工控制的重点部位。

（1）墩柱水平位移监测分析及控制措施（X向为上下游方向、Y方向为垂直水流方向）。88#、89#墩柱位移监测过程线见图5 ～ 8。

图5 88#-01墩柱位移监测过程线图

图6 88#-04墩柱位移监测过程线图

图7 89#-03墩柱位移监测过程线图

图8 89#-04墩柱位移监测过程线图

根据施工过程中水平位移观测数据，第88#Y方向累计位移量最大值为6.5 mm，出现在88#-1墩柱；第88#X方向累计位移量最大值为-6.5 mm，出现在88#-4墩柱。第89#Y方向累计位移量最大值为-6.5 mm，出现在89#-3墩柱；第89#X方向累计位移量最大值为6.5 mm，出现在89#-4墩柱。

围堰填筑施工期间，根据实时监测结果采取措施为当桩基础的水平位移超过5.0 mm时立即采取反向填筑措施。

（2）墩柱倾斜监测分析及控制措施（X向为上下游方向、Y方向为垂直水流方向）。88#、89#墩柱倾斜监测过程线见图9 ～ 10。

图9 88#-（01 ～ 04）墩柱倾斜监测过程线图

图10 89#-（01 ～ 04）墩柱倾斜监测过程线图

根据监测数据，各墩柱的倾斜变形总体上变化较小，测值累计变幅不超过0.09°，且测值变化存在一定规律性，自观测以来，其中88#-04墩柱和89#-03墩柱的Y方向累计倾斜变化量在增大，自围堰回填完成后变化趋势基本趋于平稳。

二期工程施工期间，考虑到围堰内外水头差较大，需密切关注88#、89#和90#墩倾斜数值的变化，重点关注其上下游方向变化情况。

（3）墩柱应变监测分析及控制措施。根据施工期监测数据各墩柱的应变变化量微小，应变数值变化较小，均在控制指标以内。

（4）墩柱沉降监测分析及控制措施。88#、89#墩柱沉降监测过程线见图11 ～ 12。

图11 88#（01 ～ 04）墩柱沉降监测过程线图

图12 89#（01 ～ 04）墩柱沉降监测过程线图

根据施工期监测数据各墩柱沉降变化微小，最大变幅基本不超过1.8 mm，整体沉降数据微小，均在控制指标以内。

5 结 语

通过对高速公路桥梁桩基采用钢套箱和钢护筒防护，对土石围堰填筑采用分块填筑、分部基础处理（水泥注浆）、分级平衡加载的施工方法成功下穿既有高速公路。水平位移通过监测数据显示最大值控制在6.5 mm，小于理论目标值10.0 mm，实现对既有高速桥梁结构变形的控制，可为类似工程提供经验参考。