复杂环境条件下水中墩基础施工技术

李勤良

(中铁城市发展投资集团有限公司，成都 610015)

当今国内外桥梁水中基础施工技术已取得了很大的发展，并在跨大河、深水湖泊库区或海域的大型桥梁基础施工中均有了不同程度的应用，也积累了一些成功经验[1-2]。在覆盖层较厚的河床施工时，主要采用搭设钢管桩或筑岛形成钻机施工平台，这需要投入大型施工机械设备；在深水河床面裸岩施工时，主要采用水下爆破、浮式平台、人造基床等施工方案，这也需要投入大型施工机械设备，这对生态环境有严重破坏。目前针对处在库区大型起吊设备和驳船无法进入、水域网箱养殖生态要求高、深水、裸岩无覆盖层、岩面倾斜不规则复杂环境条件下的水中墩大直径群桩基础施工技术研究积累很少，特别是在浮式平台与大吨位起吊系统进行综合设计和大直径钢护筒在倾斜裸岩上的埋设技术研究方面还不系统和不完善[3]，未能给此类大桥水中基础施工提供有效的经验借鉴。古田溪特大桥7号水中墩集以上不利因素于一体，因此结合本工程项目结构特点和施工环境实际情况，对该墩关键施工技术进行研究，在实施中攻坚克难，取得了突破性技术成果。

1 工程概况

京福客专是第一条贯穿我国南北的高速铁路大通道，古田溪特大桥位于合福客专古田县，主要跨越闽江水口电站上游古田溪库区而设，全长588 m，桥跨布置为(5×32)m简支箱梁+(60+100+100+60)m连续梁+(2×32+24)m简支箱梁，桥型总体布置如图1所示。

其中连续梁7号主墩位于古田溪库区中央，承台设计为八边形结构，结构尺寸为20.7 m×32 m×6 m，承台底面位于最高施工水位以下6 m左右，承台下设18根Φ2.8 m钻孔桩。受下游水口电站泄洪及蓄水需要，库区水位变化频繁，经常急涨急落，最大水位落差达10.4 m。桥位处有网箱养鱼，桥址处为裸露岩层，地形起伏较大，施工水深约43 m。鉴于以上复杂条件，7号墩是该桥施工重难点。

单位：cm

2 施工方案

2.1 施工难点

分析7号墩施工有以下几个难点：1) 7号墩位于古田溪库区，受桥址下游水口电站影响，施工区域不通航，水库区域大型起吊设备和驳船无法进入，施工设备选择困难，深水套箱围堰下沉困难。2) 库区水域为网箱养殖，生态环保要求高，不能采取水下爆破，施工方法选择受限大。3) 水文地质条件复杂，库区最大水深43 m，水位落差最大10.4 m，水位变化频繁且无规律，水中墩施工难度大。4) 库区河床面为裸岩无覆盖层、岩面倾斜不规则，钢护筒、钢管桩插打困难，施工平台生根困难，桩基施工平台方案选择难度大。

2.2 基础施工平台方案比选

目前，国内水中墩基础施工平台方案主要有：1) 钢围堰平台方案，即采用钢围堰沉放到河床上并灌筑封底混凝土进行稳固，在围堰上搭设钢结构平台以构建基础施工平台[4-5]。2) 浮式平台方案，即通过军用浮箱等拼组浮体，抛锚定位后形成基础施工平台。3) 钢管桩支架平台方案，即通过施工钢管桩，在桩顶安装纵横向分配梁、钢平台面板，形成基础施工平台[6]。4) 固脚钢围堰+钢护筒支撑桩平台方案，即根据水下河床面地形，设置高低刃角钢围堰及钢护筒，利用起重提升设备，将围堰及护筒下放至设计位置后，进行水下封底混凝土灌注稳固护筒，利用护筒支撑钢结构平台，形成基础施工平台[7-8]。各方案比选见表1。

2.3 施工方案确定

基于7号墩位处特殊的地形、地质和水文条件，针对7号墩基础施工平台方案，对表1中的4个平台方案进行综合比选，决定采用“固脚钢围堰+钢护筒支撑桩”的基础施工平台方案。方案主要施工内容：1) 在桥墩位设置浮式平台和水上浮式龙门吊机作临时施工平台及起重设备。2) 固脚钢围堰在陆上分块加工、水上原位组拼、利用浮式龙门吊整体下放、封底混凝土分区灌注[9-10]。3) 钢护筒陆上分节加工、现场采用浮式龙门吊逐根下放，钢护筒兼作平台支撑桩，浮吊配合人工安装贝雷梁和型钢作平台上部结构,形成基础施工平台。

3 施工工艺

根据选定施工方案，确定7号墩基础施工流程，如图2所示。

表1 7号墩施工平台方案比选

图2 7号墩基础施工工艺流程

3.1 水下地形测量

1) 将测量区域按照50 cm×50 cm间距划分成虚拟平面网格，采用水中组拼军用浮箱形成浮式平台。2) 全站仪精确放样，通过调整浮式平台四角设置的锚机上锚绳的松紧，将浮式平台精确、牢固锚定在测量区域作为测量操作平台。3) 浮吊吊钢管测钎入水测定位网格上各点处水深，并随时观测、记录水位标高，并用水位标高(测时)减去水面位置刻度值即得到河床面各点地形标高。网格钎探装置如图3(a)所示，实测河床地形示意如图3(b)所示。

3.2 水上简易浮式龙门吊拼组

根据固脚围堰的大小和钢护筒的重量，设计拼组水上简易浮式龙门吊，其结构如图4所示，它既可用于围堰的拼组、下沉，又可用于钢护筒的接高、下沉和定位。

(a) 平面

(b) 立面

简易浮式龙门吊主体结构由下部浮体和拼装龙门2部分组成。其中下部浮体由军用浮箱拼组而成，浮体前、后两端均布置连接梁，并采用抢修高墩杆件将2组浮箱连接成一个整体，保证浮体的稳定性。连接梁使用贝雷梁，与浮箱通过精轧螺栓和压板连接。在连接梁与浮箱之间，通过工字钢形成“八字撑”，使浮体的平面结构达到稳定状态。拼装龙门结构由钢支墩、纵梁、横梁及顶面天车等设备组成，钢支墩由抢修器材高墩 D 系列杆件器材拼组而成，纵梁、横梁由贝雷梁拼组而成。水上简易浮式龙门吊拼组工艺流程如图5所示。

3.3 固脚钢围堰安装

固脚钢围堰采用单壁钢围堰，由壁板、隔舱板、横桥向主桁架、纵桥向次桁架、钢护筒定位架和沉放系统组成；平面尺寸为21 m×32.3 m，与钢护筒净距大于0.5 m。固脚钢围堰安装要点如下：1) 通过掌握浮式龙门吊和固脚钢围堰之间的相互关系，有效控制钢围堰下放过程中的平面位置。2) 通过在钢围堰顶部布置的多个测绳点，实时监控钢围堰下放过程中的平面高差及顶面高程。3) 精确的水下地形测量数据，钢围堰底部高低刃脚的合理设计，为固脚钢围堰准确着床提供了有利保障。固脚围堰拼装就位及下放如图6所示。

图5 水上简易浮式龙门吊拼组工艺流程

3.4 固脚围堰封底

根据河床地形情况，将钢围堰划分成3 个混凝土灌筑舱区，如图7所示。Ⅰ区围堰顶设计标高+25 m，Ⅱ区、Ⅲ区围堰顶设计标高+29.50 m；3个舱区之间用钢桁架和钢板构成的隔舱板隔断，既减少围堰内封底混凝土数量，又保证每根钢护筒埋入封底混凝土长度。钢围堰和钢护筒下端都切割成与河床地形基本吻合的高低刃脚[11-12]。

单位：cm

固脚围堰封底混凝土灌注施工步骤如下：1) 潜水员下水对固脚钢围堰投影范围内河床面清淤，确保封底混凝土与河床面之间的粘结力。2) 用袋装速凝混凝土封堵围堰与河床之间空隙，以免封底混凝土流失。3) 根据河床地形及现场混凝土泵送能力，分区灌注封底混凝土[13-14]。

3.5 桩基施工平台顶部结构施工

固脚围堰封底混凝土灌注完成后，钢护筒的稳定性得到可靠保障，随后拆除浮式龙门吊，并利用浮吊依次安装桩基施工平台牛腿、贝雷梁、工字钢、钢板等结构，完成桩基施工平台顶部结构安装。

4 结束语

通过综合对比选择 “固脚钢围堰+钢护筒支撑桩”基础施工方案，解决了古田溪特大桥复杂环境条件下水中墩基础施工的技术难题，主要认识如下：

1) 采用拼组式简易浮式龙门吊，避免了传统施工方案中大型设备投入，降低了工程施工成本。

2) 通过精确测量水下地形，设置高低刃脚钢围堰以固定主墩桩基钢护筒，避免了水下爆破，最大限度减少了对生态的破坏，保护了库区网箱养殖生态环境。

3) 采用主墩桩基钢护筒支撑基础作为施工平台，大大降低了基础平台施工成本。

4) 施工过程中采用环保的施工理念和方案，取得了良好的经济效益与社会效益，供类似工程参考。