石首长江公路大桥位于湖北省石首市, 为双塔单侧混合梁斜拉桥, 主桥桥跨布置为3×75m+820m+ (300+100) m。103号主墩采用58根直径2.5m钻孔灌注桩基础, 圆端矩形承台。承台分两级布置, 承台底、顶高程分别为23.025m和32.525m, 一级承台平面尺寸67.5m×35.75m, 厚度为7m, 二级承台厚2.5m, 底面平面尺寸为51m×23m, 顶面为46m×18m。

承台施工采用拉森Ⅳ型钢板桩围堰。围堰顶面标高为33.000m, 桩长21m, 入土深度18m, 围堰封底混凝土厚度为2.5m。围堰平面设计为八边形, 每侧距承台边缘1.75m。在31.000m和27.200m标高处设2层支撑, 横撑采用ф1 200×12钢管, 腰梁为双拼HN900×300型钢。围堰结构如图1所示。

103号主墩位于长江北岸岸坡边, 坡边地面较平坦, 地面标高为35.300m, 该位置上部7.5m左右地层为黏土、粉土, 其下以灰黄、青灰色粉细砂为主, 粉细砂中间夹有黏土层, 厚度均<4.0m。地层情况如图2所示。

当水力坡降达到一定界限后, 土中的渗透水流会把部分土体或颗粒带走, 导致土体发生位移, 位移达到一定程度, 土体将发生失稳破坏, 这种现象称为渗透变形, 渗透变形表现为2种形式, 即流土和管涌^[1]。

由于施工期间长江水位上涨迅速, 围堰内外存在9.7m的水头差, 存在发生管涌和流土的情况。流砂 (土) 一旦发生, 会很快波及地基内部, 发展过程快, 往往抢救不及。干封工艺中, 流土的危害性大, 造成后果严重, 因此, 采用混凝土水封工艺, 以增加施工的安全性和可操作性。

承台所处位置地质情况恶劣, 含超厚粉细砂层, 是具有液化性的土层。一般粉土、粉砂、细砂等具有液化性的土层处在饱和状态时, 在振动作用下有发生液化的可能。所谓液化, 就是地基土失去对建筑物的承载能力造成的地基不均匀下沉, 导致建筑物破坏^[2]。引申至本项目, 承台底所处粉细砂地层在水下混凝土浇筑的冲击振动作用下具有液化的可能, 导致地基不均匀下沉, 进而导致封底失败。

承台面积大, 达到2 600m²。采用水下封底技术, 普通混凝土在水洗作用下, 水泥浆被水流带走, 水泥浆散失, 密度大的颗粒沉积到拌合物的底部, 或者粗集料从拌合物中整体分离出来^[3]导致封底混凝土形成软弱松散层, 使混凝土强度大幅度下降, 严重影响混凝土结构承载力, 破坏结构的安全性能, 进而导致封底失败。

为防止在水下混凝土浇筑的冲击振动作用下, 基底粉细砂层发生液化, 基坑清理到位后, 组织潜水人员对基底进行整平, 高出底标高的基底挖除、低于底标高的基底回填平整。在每个导管底部挂设2m×2m方形薄钢板, 以保证混凝土与河床粉细砂层隔离, 并可增大混凝土流动半径, 以减少因混凝土冲击振动引起的粉细砂层液化。

为防止粉细砂层液化产生的不均匀沉降, 需要求封底混凝土具有整体性, 确保封底混凝土一次浇筑完成。承台面积大, 为保证封底混凝土质量, 在围堰内布置多个导管, 共设50个导管点, 保证各导管有效半径全部搭接, 并覆盖基坑底部。

为防止普通混凝土在大面积水下围堰封底施工过程中, 混凝土离析造成封底失败, 采用具有高强抗分散性和很好流动性的水下不分散混凝土进行封底施工。高强抗分散性和较好的流动性能实现水下混凝土的自流平、自密实, 抑制水下施工时水泥和骨料分散, 并且不污染施工水域。与普通混凝土相比, 水下不分散混凝土减少了导管的布置和移动, 加快了封底速度, 同时也减少了人工和机械使用, 更不需要潜水员水下辅助作业。另外, 采用水下不分散混凝土进行封底, 平整度、密实性等方面均能一次性达到设计要求, 不需要进行二次处理^[4]。

主墩承台围堰平面尺寸71m×40m, 封底混凝土厚2.5m, 封底设计底标高20.500m, 顶标高23.000m, 理论方量6 500m³, 采用水下封底工艺, 计划26~28h浇筑完成。

围堰内30.000~27.000m标高取土利用挖掘机配合自卸汽车, 共分为4个区域, 每个区域布置3台挖掘机取土, 每次分层取土高度为1m。

围堰中间位置27.000~25.000m标高采用普通挖掘机配合长臂挖掘机进行开挖, 取土由挖掘机开挖, 2台塔式起重机可利用空闲时间提升8m³大料斗配合运土, 靠近钢板桩内侧土体采用长臂挖掘机挖除干净。

钢板桩围堰内25.000m标高以下采用不排水吸泥法开挖至封底底标高, 采用2台履带式起重机和2台塔式起重机提升移动4套200ZSQ300-20-37型抽砂泵施工, 抽砂水经沉淀池沉淀后排放。

在封底混凝土覆盖范围内钢护筒外壁因为锈蚀及泥浆黏附, 潜水员用钢丝刷进行清除, 以保证封底混凝土与钢护筒的黏结力、增加抗浮稳定性^[5], 为避免基底土体上翻影响封底混凝土的质量, 在每个导管底部挂设2m×2m的2mm厚钢板。

以钢护筒为基础搭建封底临时施工平台, 将2根I40在场地焊接成整体后利用塔式起重机吊至护筒顶面, 工字钢接长利用钢护筒顶搭设临时平台焊接, 焊接并加固完毕后将I20分配梁按照间距50cm横桥向均匀安装, 最后在分配梁顶面铺设1cm厚钢板, 形成封底混凝土施工平台, 如图4所示。

通过对封底混凝土的配合比分析, 实验室对混凝土的性能试验, 综合各种因素, 考虑其流动半径按4m设计, 布设导管50处, 布置如图5所示。

为了吸附水泥颗粒和保护水泥, 在普通混凝土中掺入以纤维素系列或丙烯系列水溶性高分子物质为主要成分的抗分散剂, 形成水下不分散混凝土^[6]。

采用华新水泥厂生产的P·O42.5水泥, 细集料采用洞庭湖产天然砂Ⅱ区中砂, 粗集料采用宜昌鸿涛采石场的4.75~19.0mm碎石 (4.75~9.5mm, 9.5~19.0mm) , 外加剂采用聚福德高性能减水剂 (缓凝型) , 采用UWB-Ⅱ型絮凝剂, 拌合用水为长江江水。

UWB-Ⅱ絮凝剂能使普通混凝土有较高的抗分散性, 早期强度高, 并有适宜的流动性, 使混凝土有自流平和自密实性能, 满足施工要求^[7]。

水下不分散混凝土配合比如表1所示。

流动度保持在2h内, 初凝时间24~26h, 混凝土扩散半径为4~5m。

103号承台封底混凝土导管点共设置50处, 计划从左、右两侧对称向中间位置浇筑, 为保证封底混凝土的施工质量, 混凝土采用一次浇筑完成, 沿导管周边及钢板桩与钢护筒位置设置观测点, 观测点覆盖整个平面位置, 通过观测点的测量数据计算封底混凝土灌注过程中标高的变化。

首盘封底混凝土方量要确保初始混凝土导管埋深0.5m以上以保证混凝土封底灌注的质量。导管外混凝土为圆锥形, 高度为1.0m, 根据相关资料, 水下混凝土扩散角度在15°~30°, 扩散半径取4m。首盘混凝土方量计算如下:

为保证导管埋深, 确保拔球一次成功, 首批混凝土采用18m³大料斗, 封底成功后换成3m³小料斗继续浇筑混凝土。

封底混凝土共采用4个18m³大料斗及4个3m³小料斗, 料斗利用塔式起重机移位, 封底混凝土采用50套导管按顺序由上下游向中间进行对称浇筑, 导管的最大间距≤8m, 导管通过导管翻板固定在平台上, 导管底口距基底的距离控制在30cm, 封底混凝土浇筑详细步骤如下: (1) 第1步1, 2号下料点拔球, 1, 2号下料点浇筑混凝土至1.3m; (2) 第2步3, 4号下料点拔球, 浇筑混凝土至1.3m; (3) 第3步5, 6号下料点拔球, 浇筑混凝土至1.3m, 3号下料点浇筑混凝土至设计标高; (4) 第4步7, 8号下料点拔球, 4, 5号下料点浇筑至设计位置; (5) 第5步9, 10号下料点拔球, 浇筑混凝土1.3m, 1, 2号混凝土浇筑至设计位置; (6) 第6步11, 12号下料点拔球, 浇筑混凝土至1.3m; (7) 第7步13, 14号下料点拔球, 浇筑混凝土至1.3m, 9, 10号混凝土浇筑至设计位置; (8) 第8步15, 16号下料点拔球, 浇筑混凝土至1.3m, 6~8号混凝土浇筑至设计位置。依此类推, 完成全部封底混凝土浇筑。

为确定封底混凝土的浇筑效果, 在混凝土顶标高量测点安排专人进行量测, 混凝土顶面标高采用测绳悬挂平底测砣量测, 测点侧重导管周边、钢板桩倒角、钢护筒与钢板桩空隙等部位, 测量数据要准确无误, 根据观测的数据计算导管的埋深情况, 适当调整导管的高度位置、确定单个导管的混凝土灌注量及导管移至下一位置的时间, 根据灌注点附近混凝土顶面标高量测及计算数据来分析混凝土流动规律, 及时调整封底混凝土灌注顺序。

1) 施工前检查导管气密性和水密性, 确保导管不漏水、漏气。

2) 混凝土灌注前合理布置导管, 混凝土开盘前严格检查各环节是否按拟订方案落实。

3) 封底混凝土灌注过程中导管埋深控制在0.5~1.0m, 并保证混凝土连续浇筑。

4) 混凝土灌注应在各点之间经常交替进行, 任一点混凝土灌注间隔时间≤30min, 且某一导管周围混凝土面与其他点高差控制在10cm以内。

5) 施工中勤测标高, 保证测量精度。

6) 保证测点密度, 避免造成局部漏封现象。

现场制作20组抗压试件, 根据试验数据确定封底混凝土养护和抽水时间, 抽出围堰内水后加设I25格构柱, 因底层横撑距离封底混凝土顶面距离3.7m, 格构柱在钢护筒间梅花形布置, 为保证支撑系统的稳定性, I25格构柱焊接成“H”形, 工字钢底部焊接20cm×30cm钢板增大工字钢与混凝土的接触面积, 顶部与横撑钢管焊接牢固, 现场检查焊接位置及支撑点是否牢固, 检查合格后方可割除钢护筒 (见图6) 。

石首长江公路大桥103号主墩钢板桩围堰在封底混凝土养护龄期后, 经抽水检验无渗漏现象, 保证了承台的正常施工。

实践证明:在超厚粉细砂地层大面积围堰水下封底施工过程中, 在基底铺设薄钢板可保证混凝土与河床粉细砂层隔离, 并可增大混凝土流动半径, 有效解决因混凝土冲击振动引起的粉细砂层液化问题, 保证了围堰封底质量;水下不分散混凝土不会增加生产成本, 同常规水下混凝土相比, 在大面积围堰水下封底施工过程中, 大大简化了施工工艺, 很大程度上降低了施工风险, 其应用不受水深、施工面大小、混凝土量、生产运输条件等限制, 在大面积围堰封底施工中值得推广运用。