深水桥梁大型基础施工方案比选研究

王军舰，刘均儒

（1.武汉建工集团股份有限公司，湖北 武汉 430056；2.华设设计集团股份有限公司，北京市 101312）

0 引言

随着我国城市基础设施发展需求的不断提升，跨江河湖海桥梁不断涌现。受泄洪和河床冲刷的制约，此类桥梁基础更多设计于河床之下。当桥梁基础处于深水条件下时，巨大的水流压力将给深水围堰施工带来挑战。为确保工程的顺利实施，同时考虑工期、成本、质量、安全等因素，需对深水基础施工方案展开深入研究并进行充分比选，以确定最优方案。

近年来，关于深水双壁钢围堰的研究越来越多。黄修平等[1]对常用深水基础施工围堰形式进行分析,比较了双壁钢围堰、锁口钢管桩围堰、钢板桩围堰方案的优缺点及其适用特点；曾尼娜等[2]结合有限元软件对双壁钢围堰技术进行了研究分析；尹禄修[3]对复杂地质条件下大型双壁钢围堰施工关键技术进行了研究；于艺林等[4]根据承台设计标高、施工水位、荷载等条件进行了双壁钢围堰的设计与验算；周燕飞[5]对可拆装式双壁锁口钢围堰施工技术进行了研究。然而，尚缺乏从工期、成本、安全风险、技术风险等方面对深水基础方案进行综合比选的研究。本文在前人研究的基础上，以某桥梁深水基础为例，对该深水基础施工方案进行了比选分析。

1 工程概况

某水上桥梁工程采用3 跨1 联（98 m+160 m+98 m）连续梁桥结构，全长356 m。其中3#墩、6#墩为边墩，4#墩、5#墩为主墩，3#墩～6#墩均位于水中。4#墩、5#墩承台尺寸为40 m×30 m×4.5 m，每个承台有48 根直径2.0 m 的桩基，覆盖层（承台顶至河床面）厚度约6 m，水深8 m。

1.1 地质概况

河床部分有厚2～3 m 淤泥层，围堰范围主要为黏土，局部存在硬塑性黏土；承台以下6 m 开始出现粉砂层，且该层具有承压水。

1.2 气候概况

降水量主要集中在6～9月，占全年降水量的79.9%，最大年降水量为834.5 mm，最小年降水量为245.9 mm；多年平均风速为4.0 m/s，最大风速为29.0 m/s。

1.3 水文概况

该工程位于河道内，水位随季节变化，枯水期平均水位+0.71 m，洪水期平均水位+3.14 m，年平均水位约2.0 m，100 a 一遇洪水位为+4.5 m。洪水期水流速度较快，考虑围堰施工期阻水作用，桥位处水流变快，桥位处最大流速为3.2 m/s，局部冲刷最大冲刷深度为4.2 m。

2 深水基础方案比选研究

2.1 方案一：双壁钢围堰

2.1.1 双壁钢围堰布置型式

主墩承台采用圆形双壁钢围堰，内径为52.0 m，外径为55.0 m，壁厚1.5 m。围堰周长约173 m，平面分为24 块，每个块段长度7.2 m，如图1 所示。

图1 围堰平面布置图（单位：mm）

双壁钢围堰顶标高为+5.5 m，底标高为-22.0 m，高度27.5 m，设计洪水位为+4.5 m。竖向分为3 节进行拼装，第1 节高度为10.905 m，第2 节高度为6.010 m，第3 节高度为10.585 m，如图2 所示。

图2 围堰竖向布置图（单位：mm）

单个双壁钢围堰质量约1 200 t，共72 个块段，块段最大质量约20 t，块段平均质量约16.7 t。

封底厚度为5 m，单个围堰封底工程量10 600 m3，采用底隔舱分4 块封底。在承台外侧设置20 根辅助桩，用于抵抗浮力。

2.1.2 定位导向布置

洪水期水流速度较快，考虑围堰施工期阻水作用，桥位处水流变快，桥位处最大流速为3.2 m/s，局部冲刷最大冲刷深度为4.2 m，围堰承受水平水流力达400 t。

导向装置采用围堰壁体上的限位装置作用在护筒群上进行导向定位；上游采用6 根钢护筒组成整体，其他方向采用4 根钢护筒组成整体，下放护筒入土15 m，其他护筒入土深度10 m，用以平衡围堰渡洪时的水平水流力，如图3 所示。

图3 导向定位护筒布置

2.1.3 双壁钢围堰施工工艺

双壁钢围堰施工工艺为：搭设清基范围内钢栈桥→龙门吊安装→打设钢护筒→拼装并下放首节双壁钢围堰→接高并下放第2、第3 节双壁钢围堰→桩基施工→封底施工→抽水施工→转入承台施工。基础施工工期为299 d。

2.2 方案二：放坡开挖双壁钢围堰

2.2.1 放坡开挖双壁钢围堰布置型式

考虑双壁钢围堰下沉困难，本方案仅将双壁钢围堰下沉至黏土层顶部，在围堰外侧打设高压旋喷桩加固止水，在围堰内侧放坡开挖至基底。

主墩承台采用圆形双壁钢围堰，内径为52.0 m，外径为55.0 m，壁厚1.5 m，平面分为12 块，如图4所示。

图4 围堰平面布置图（单位：mm）

双壁钢围堰顶标高为+5.5 m，底标高为-12.0 m，高度17.5 m，竖向分成2 节进行拼装，第1 节高度为7.0 m，第2 节高度为10.5 m，如图5 所示。

图5 放坡开挖围堰竖向布置图（单位：mm）

单个双壁钢围堰质量约800 t，共48 个块段，块段最大质量约18 t，块段平均质量约16.7 t。

与原围堰相比，方案二少了底节围堰、底隔舱、5 m 封底混凝土（现为30 cm 垫层）、压舱混凝土（现仅吸泥、注水下沉，后期可拆除回收）等。

2.2.2 定位导向布置

洪水期水流速度较快，考虑围堰施工期阻水作用，桥位处水流变快，桥位处最大流速为3.2 m/s，局部冲刷最大冲刷深度为4.2 m，围堰承受水平水流力达400 t。

导向装置采用围堰壁体上的限位装置作用在护筒群上进行导向定位；由于围堰四周已施工4 排高压旋喷桩，可起到一定的定位作用，故定位导向装置的安全系统可考虑适当优化。上游采用2 组4 根钢护筒群，入土10 m；下游采用2 组单根钢护筒，入土15 m，用以平衡围堰渡洪时的水平水流力，如图6 所示。

图6 导向定位护筒布置

2.2.3 放坡开挖双壁钢围堰施工工艺

先下放双壁钢围堰，围堰下放至黏土层-12.0 m标高，施工围堰外侧高压旋喷桩止水，放坡开挖至垫层底、垫层、承台。

放坡开挖双壁钢围堰施工工艺为：钢栈桥施工→桩基施工→搭设拼装高压旋喷桩平台→打设下放钢护筒→拼装首节围堰→注水下沉、接高围堰→继续注水、吸泥下沉到位→围堰外施工高压旋喷桩→围堰内抽水、清基至-11.0 m →继续放坡开挖至承台垫层底→浇筑垫层→破除桩头→承台施工。基础施工工期为321 d。

2.3 方案三：锁扣钢管桩围堰

2.3.1 锁扣钢管桩围堰布置型式

主墩承台采用圆形锁扣钢管桩围堰，半径为28.5 m。钢管桩采用φ820 mm×16 mm（外径×壁厚），C 口采用φ152 mm ×8 mm，O 口采用φ133 mm ×4.5 mm，桩长46 m。由于锁扣钢管桩入土深度大，直接打设到位施工困难，故采取引孔措施。拟采用带引孔功能的静压植桩机进行钢管桩打设，如图7、图8所示。

图7 锁扣钢管桩围堰平面布置（单位：mm）

图8 圆形锁扣钢管锁扣详图

第1 道围檩采用2H M 588，标高为+2.5 m；第2道腰梁采用2 000 mm×1 500 mm 的C 30 钢筋混凝土，标高为-5.5 m；第3 道腰梁采用1 000 mm ×1 000 mm 的C 30 钢筋混凝土，标高为-11.5 m，如图9 所示。

图9 锁扣钢管桩围堰布置剖面图（单位：mm）

锁扣钢管桩围堰依靠入土部分、自身强度、围檩内撑即可满足抗洪要求，无需设置定位装置。

2.3.2 锁扣钢管桩围堰施工工艺

锁扣钢管桩施工工艺为：钢栈桥搭设→桩基施工→锁扣钢管桩围堰施工→抽水、开挖至基底→护筒打设→垫层施工→转入承台施工。基础施工工期为264 d。

锁扣钢管桩拟采用静压植桩机施工，先采用履带吊和振动锤打设始发段钢管桩，再以始发段钢管桩作为静压植桩机基础，要求静压植桩机自带引孔装置。

2.4 方案优缺点分析

3 种方案优缺点分析见表1。

表1 方案优缺点分析

2.5 方案综合对比

3 种方案综合对比见表2。

由表2 可知，从经济和可行性考虑，放坡开挖双壁钢围堰较为可行。

表2 方案综合对比

3 结语

（1）放坡开挖双壁钢围堰方案耗时最长，双壁钢围堰次之，锁扣钢管桩围堰耗时最短。

（2）放坡开挖双壁钢围堰方案成本最低，双壁钢围堰最高，锁扣钢管桩围堰成本居中。

（3）放坡开挖双壁钢围堰方案水下止水帷幕不确定因素多，止水效果难以保证；双壁钢围堰存在围堰下沉困难、易受地下障碍物影响、难以下沉到位，渡洪措施工程量大等风险；锁扣钢管桩围堰入土深度大，施工精度难以保证，存在整体稳定性差，设备要求高的缺点。

（4）综合考量，推荐采用放坡开挖双壁钢围堰方案。