近年来, 随着我国公路建设的迅速发展, 桥梁建设也取得了巨大成就。水中基础是大跨度桥梁施工的关键, 由于基础施工是在水下进行, 施工工艺复杂, 受水位影响较大, 且制约着墩 (塔) 等以上的施工, 因此选择合理的施工方案是水中深基础施工的关键。

如何在施工设计中使得支护体系既有足够的安全度、宽敞的施工空间, 又经济合理、节省施工临时设施的费用, 成为深基坑施工方案优化的重点。在沈阳浑河三好桥主墩基础施工过程中, 对围堰施工方案进行了优化和比选, 取得良好的经济效益、积累了丰富的经验。

三好桥位于沈阳市和平区正南侧浑河上。工程北起和平区三好街, 南接长白工业区长白东路, 是沈阳主城和平区与长白工业区的重要连接线。桥梁由主桥和引桥两部分组成。主桥全长900m, 南北引道长440m, 工程全长1 340m。主墩承台为23.2m (顺桥向) ×36.2m (横桥向) ×5m (高) 矩形承台。承台设计顶标高为34.454m, 目前回填筑岛标高大约为37.500m。考虑承台封底, 主墩承台基坑开挖平均深度为8.0m, 施工期间浑河常水位为35.200m, 基坑水下深度为6.2m, 开挖面积约为1 300m²。基坑开挖深度大, 河床下0~6m范围全为流动性砂层。施工过程中流砂层涌砂, 可能导致围堰整体失稳。因此, 如何保证支护整体稳定性是施工难点。

根据该项目的地质条件、平面几何尺寸和开挖深度, 本工程采用先支护后开挖的施工方案。经过多次论证, 最终形成了钢板桩围堰、混凝土沉井、钢管桩围堰3套比较成熟的围护方案。

钢板桩结构具有质量轻、强度高、锁口紧密、施工方便、施工速度快等优点, 此方案成熟, 封水效果较好。施工初期钢板桩在打入过程中阻力过大无法穿透河床中4~8m致密砂砾层, 振动锤严重超负荷, 钢板桩无法达到设计深度, 且无法保证钢板桩之间的锁口, 达不到阻水挡土的作用。

混凝土沉井为水中深基础支护常见的方法, 该方法具有风险小、封水效果好、受汛期影响小等优点。为满足基础的施工需要, 混凝土沉井设计尺寸为39.2m×26.2m×8m, 混凝土方量达到1 100m³, 钢筋约为80t。该方法施工成本高, 施工周期长, 直接制约着整个工程的工期。如此大型的沉井在国内都罕见, 沈阳地区河床以下地质情况较为复杂, 下沉过程中沉井是否倾斜、能否均匀下沉到位是该方法的最大隐患。

钢管桩结构具有施工速度快、支护能力强等优点。根据现场实际情况, 采用不带锁扣的钢管桩。不带锁扣钢管桩的围堰容易漏水和漏土, 但是由于是筑岛围堰, 筑岛后土层渗透路径比较长、渗水量比较小, 通过侧壁渗入围堰内的水可以经过排水沟汇入集水坑, 然后从集水坑抽出去;漏土的问题可以通过在围堰外侧设置彩条布解决, 具体办法见后叙说明。采用钢管桩围堰还有以下优点: (1) 河道中现浇箱梁施工需要使用大量的ф630钢管 (壁厚12mm) 作为临时钢管柱支撑, 钢管桩围堰所使用的材料完全可以二次利用, 从而节省大量成本。 (2) 施工现场配有ф600mm螺旋钻机, 可采用先钻眼后下管的方法解决钢管打入阻力大、无法达到设计深度、钢管间距无法保证的施工难点。

鉴于前面所述, 选择使用钢管桩作为主墩承台施工围堰。

围堰设计实际上是计算围堰内挖土和抽水时钢管桩支撑所受应力是否安全, 围堰在水流、主被动土压力作用下抗倾覆验算。

1) 设计资料收集 如水文、地质、运输、吊装、桩锤等有关数据。

2) 资料中的围堰设计参数计算 如水流、土压力等。

3) 确定施工顺序 如对围堰支撑的要求, 是水中去土还是干挖, 确定开挖顺序。

4) 绘出围堰总图 (见图1) 拟定钢管桩直径、支撑间距及平面布置。

5) 围堰侧压力计算 进一步求出每m围堰的弯矩和支撑反力, 验算围堰抗倾覆的稳定性。

1) 将ф630、长度为12m的钢管, 利用90k W电动振动锤全部打入土中, 根根相连而形成围堰, 钢管间距尽可能缩小, 平均净距为5cm。

2) 考虑基坑开挖后的施工作业面、施工过程中的1m排水沟设置以及一定的打桩倾斜度, 钢管内缘距承台边缘3m。

3) 在开挖前期为保证挖掘机能够在围堰内顺利开挖, 同时保证围堰稳定, 在围堰四角焊接4根I45形成三角支撑。围堰开挖后用I45距围堰上口1.5m处设置第1道, 6m处设置第2道, 上下2道腰梁将钢管桩连接, 使整个围堰形成整体。

4) 外拉体系在开挖过程中如果设置内支撑, 挖掘机械无法在围堰内作业。为保证围堰在开挖过程中整体处于稳定状态, 在围堰10m外每间隔7m打入1根钢管桩, 待第1道工字钢腰梁焊接好后用ф32钢丝绳与腰梁工字钢连接。

5) 内撑体系待开挖到位及时设置2道横桥向水平内支撑 (ф630钢管) 。

考虑最不利受力影响, 开挖完成后钢管入土深度为4m, 开挖深度为8m, 为保证钢管桩围堰在开挖时稳定, 在开挖第2层时同时开挖钢管桩外侧土卸载, 减少外侧土压力, 开挖深度1.5~2.0m。实际钢管桩受主动土压力为10.5m, 如图2所示。

河内为中细砂, 顶面土侧无压力 (地面无荷载) , 内摩擦角按φ=30°计算, 假设全部为地下水, 中细砂的饱和重度为γ=19.3k N/m³。土为非黏性土, 钢管桩与土间摩擦角为δ=0。经计算, 钢管桩抗弯强度满足要求, 钢丝绳满足抗拉强度要求。本验算只是验算单根钢管桩的受力, 实际施工中所有钢管桩通过上下2道工字钢腰梁全部连接在一起, 且在最上面腰梁焊接了水平内支撑, 实际钢管桩围堰要比计算稳定。

根据现场的实际施工情况, 为保证钢管桩能够打入设计深度, 钢管间距满足设计要求, 加快施工进度, 采用ф600mm螺旋钻机辅助施工。先利用螺旋钻机按设计位置逐一打眼透过板结层, 再利用50t履带式起重机配合90k W振动锤将钢管桩打入设计深度。采用此方法不但有效地解决了板结层阻力大的问题, 而且钢管入土深度及间距得到了保证, 为下一步开挖打下了良好基础。同时, 为保证90k W振动锤正常作业, 配置1台发电机, 保证电压稳定, 避免因电压不稳、电流过大而产生振动力不够的问题。平均0.5h就能完成1根钢管桩施工, 5d时间220根钢管桩按设计全部完成。

基坑开挖时根据地质分层、水位、挖掘机的工作深度采取分3层自下游向上游开挖、分块封底的施工方法。

1) 第1层开挖2.5~3m 本层开挖完成后整个围堰内处于无水状态, 人与机械在围堰内焊接第1道钢围堰方便、快捷, 不受地下水位的影响。焊接完钢围堰后即可进行钢管外拉支撑施工。

2) 第2层开挖2.5m 本层大约开挖至钻孔桩顶部, 挖掘机械在围堰内操作方便不受桩基影响, 随着第2层开挖即进行第2道钢腰梁焊接施工。为保证围堰钢管桩稳定, 在开挖第2层时同时开挖钢管桩外侧土卸载, 减少外侧土压力, 开挖深度1.5~2.0m。

3) 第3层开挖至设计底标高 封底混凝土施工采用了先水下开挖到封底设计底标高然后浇筑水下封底混凝土的方法, 封底混凝土达到强度后抽掉围堰内的水, 形成一个无水的施工环境。

基坑开挖2.5~3m后, 开始进行围堰上口往下1.5m处腰梁与钢管外拉支撑施工, 在第3层开挖时及时进行第2道腰梁和第1层内支撑的加设。

考虑到承台基础河床以下几乎都是流砂层, 而钢管桩无法达到锁口的要求, 漏砂的现象是肯定存在的;且承台三面环水, 位于水流最大的浑河中心, 渗水量大, 漏砂后的渗水容易出现基坑与河道连通的安全隐患。为了避免基坑开挖时出现漏砂现象, 事先在围堰外侧挖深槽竖直满铺彩条布。利用基坑下部漏砂上层土下沉的情况, 带动彩条布紧随开挖深度下沉, 紧密塞住管间缝隙, 从而形成隔水帷幕。围堰钢管间的间隙要严格控制, 不能过大, 过大彩条布容易撕裂, 围堰钢管的正常间距控制在5cm左右, 最大不能超过10cm。

基坑围堰结构一般由围护体系、支撑体系和锚固体系3部分组成。封闭支撑体系与挡土结构共同组成一空间结构体系, 二者共同承受土体的约束及荷载的作用。

支撑体系的水平位移包括2部分: (1) 荷载作用下支撑体系的变形; (2) 刚体位移 (包括刚体平移及转动) , 该部分是由基坑开挖过程中基坑各侧壁上的荷载不同而发生的 (坑壁上的荷载包括土压力、水压力和地面附加荷载3部分) , 该刚体位移的发生使基坑各侧壁上的荷载重新调整, 直至平衡。因此, 当基坑各侧壁上的荷载相差不大时, 调整量很小, 即刚体位移非常小, 此时的平衡是介于主动极限平衡和被动极限平衡之间的一种平衡形式。

以开挖前基坑上口的7个原始坐标为观测依据, 来计取围堰的水平位移值。如图3所示为1个多月从开挖到浇筑完的观测记录, 它反映了几个值得注意的问题。

1) 基坑分层开挖承台下游往上游方向6m处第1次封底 (6月16日—6月20日) 的过程中, 围护体系由于有一段土体被取出, 在北侧土压力和西侧土压力大, 南侧围堰所受的水压力较小, 整个体系发生向西南方向的扭曲。在这种情况下, 及时对北侧的腰梁加强了几道钢丝绳的锚固处理, 并对北、西两侧的土体进行了2m的卸载, 尽量使得围护体系四周的压力减小并平衡。从以后的观测数据来看, 围护体系的变形逐渐走向稳定。

2) 钢管桩围堰的受力可以看作悬臂体系的挡土, 因此其开挖完成后钢管桩的锚固深度是钢管桩围堰的关键。由于钢管自身的抗弯性能达到145MPa, 如锚固深度满足要求, 可不设内支撑, 这样可以大大地增加基坑的作业空间, 节约基坑开挖时间。在以后的设计中应充分利用现有的原始资料, 在满足施工机械施工的前提下, 尽量降低原地表标高, 增加其钢管锚固深度。

3) 无锁口钢管桩围堰必须解决管间渗水、漏砂问题。水会不断地从钢管间的缝隙间涌出, 如水中带有泥砂, 将使整个围护体系外侧土体下陷, 造成安全隐患。如一处缝隙没有解决好堵水问题, 长期带砂, 将有可能使基坑与河道联通, 整个水中基坑施工受到限制。采取在围堰外侧用彩条布预先挂埋的方法, 利用土体下沉带动彩条布随基坑开挖下沉将钢管柱包住, 围堰内侧用编织带配合木楔子堵塞管间空隙。

1) 钢管桩虽一次性投入大, 但是属于设备式投入, 可以重复使用, 经济性更好。

2) 适用于各种复杂地层, 如水下地层有障碍物、密集孤石、片石堆积等。

3) 施工速度快, 制作、加工、运输、吊插等方便灵活, 工艺简单, 所需设备少。

4) 截面刚度大, 使围堰内支撑减少, 可适应大体积承台的施工。其缺点是在施工过程中不能完全保证钢管间隙, 个别钢管桩间隙过大, 漏砂现象严重, 上部土体随漏砂下沉, 产生动土压力使钢管桩受力过大。

现在市场钢材充足, 为钢管桩围堰的应用提供了广阔的前景。钢管桩围堰可以应用到深水基础围堰、水利工程、海港的岸墙、护坡、防波堤、码头等工程。

深开挖对基坑围堰变形影响很大, 必须采取有效措施, 才能保证施工安全。合理的施工方案可以给施工带来极大的方便。熟悉掌握各种机械的性能并灵活运用, 根据实际情况制定优化方案可以节约时间、节省成本。以准确的支撑刚度设计来控制围护结构变形, 可以实现安全、经济的设计目标。