宜賓金沙江公鐵兩用橋主橋水中基礎施工技術

中鐵大橋局集團第五工程有限公司 江西九江 332000

摘要：宜賓金沙江公鐵兩用橋（以下簡稱金沙江大橋）于2014年1月1日開工，主橋3、4#水中墩采用鉆孔樁承臺基礎。3#墩為36根Φ3.4m大直徑鉆孔樁，樁長40m，承臺尺寸61.6×26.6×7m。4#墩因河床面發生巨大變化，經重新設計于2014年8月正式定稿成圖，將其基礎變更為27根Φ3.0m大直徑鉆孔樁，樁長40m，承臺尺寸46.8×23.4×6m。兩墩位處漂石及卵石遍布、局部分布有5～7m巨型砂巖“孤石”、水流湍急、無大型浮吊資源、承臺部分埋置在覆蓋層中的特點，基礎采用先棧橋、鉆孔平臺施工鉆孔樁后鋼套箱圍堰施工承臺的方案。兩個水中墩結構尺寸、開工條件、水文地形地質等均不同，因此施工布置及組織上統籌考慮，有針對性的分別安排適合的施工方案。3#墩鉆孔樁采用大扭矩旋轉鉆機清水鉆孔、護筒跟進及護筒底口堵漏相結合實現快速成孔，局部有大孤石處采用大小護筒和沖擊鉆、旋轉鉆相結合的方法完成鉆孔；承臺采用創新設計的雙壁鎖口鋼套箱圍堰，封底分兩個區分別澆筑，承臺大體積混凝土（11470m3）一次澆筑成型。4#墩鉆孔樁采用大扭矩旋轉鉆機泥漿鉆一次成孔；承臺采用18m超長鋼板樁套箱圍堰，封底不分區一次性成型，承臺大體積混凝土（6571m3）一次澆筑成型。實踐證明該橋水上基礎施工技術是可行的，充分利用有限的資源組織施工，按期完成，且樁基經第三方檢測均為Ⅰ類樁，圍堰安裝狀態良好，封底成功，承臺施工質量優良。

關鍵詞：水中基礎；大直徑鉆孔樁；巨型孤石；雙壁鎖口鋼套箱圍堰；超長鋼板樁套箱圍堰；承臺；大體積混凝土

1 工程概況

宜賓金沙江公鐵兩用橋是成貴鐵路跨越金沙江的重要通道，由公鐵合建、鐵路分建組成，橋梁全長1874.9m，其中公鐵合建段長1213.0m，鐵路分建長661.9m。主橋采用公鐵合建方案跨越金沙江，主橋跨度布置為：（116+120+336+120+116）=808m，其中336m的主拱采用雙層橋面鋼箱系桿拱橋，116m和120m的邊拱采用雙層橋面混凝土簡支系桿拱橋，3、4#墩為水中基礎施工[1]，主橋布置圖見圖1。

圖1 主橋橋式布置

3#墩位于貴陽側江心，采用鉆孔樁承臺基礎，36根φ3.4m大直徑鉆孔樁，樁長40m，承臺部分埋置在河床覆蓋層中尺寸為61.6×26.6×7.0m，頂、底標高分別為+256.3m、+249.3m；4#墩位于貴陽側鄰近岸邊的水中，采用鉆孔樁承臺基礎，施工進場后發現因地方采砂致使河床面發生巨大變化，經重新設計變更為27根Φ3.0m大直徑鉆孔樁，樁長40m，承臺部分埋置在河床覆蓋層中尺寸為46.8×23.4×6m，頂、底標高分別為+260.957m、+254.957m[2]。

2 水文地質

金沙江洪水是由融雪（冰）洪水和暴雨洪水形成，以暴雨洪水為主，橋位處洪水一般發生在6月下旬至10月中旬，時間跨度較長，汛期平均每月雨日可達20天左右，一次洪水持續時間最短的約10天左右，最長的達30天左右，枯水期平均水位260.00m，5年一遇洪水位277.94m。

施工進場后發現因地方采砂致使河床面發生巨大變化，3#墩河床面被降低10m高程變為246.00m左右，覆蓋層厚8～13m，上部為厚6～8m全新統（Q4）稍密～中密狀砂類土，底部為2～5m厚較新統（Q3）密實狀卵石土，局部夾有5～7m大小的巨型崩坡積的砂巖“孤石”；4#墩河床面被降低8m高程變為254.00m左右，覆蓋層厚12～22m，上部為厚3～6m全新統（Q4）稍密～中密狀圓礫土，底部為9～16m厚全新統（Q4）稍密～中密狀砂類土。

3 施工難點

⑴總體安排及施工布置難度大，具體如下：①開工日期偏晚，根據水文資料可知橋位處枯水期為10月下旬至次年6月中旬，而本項目于2014年1月1日正式開工，此時枯水期已錯過2.5個月；②4#墩因設計變更致使開工時間延后8個月，其原因是地方采砂致使河床面發生巨大變化要對4#墩基礎進行設計變更，經重新勘察、設計、咨詢、評審直至2014年8月正式定稿成圖；③限制多、工期緊，根據金沙江水文情況和3、4#墩基礎結構標高可知，3#墩承臺必須在來年4月底之前完成，4#墩承臺必須在來年5月初之前完成，否則墩身不能順利出水、總工期無法實現；④場地布置難，3、4#墩施工場地單獨布置、且獨立、互不干擾，同時材料、設備在不影響大局的提前下盡量共享；⑤總體安排難，工程體量大、無法錯峰施工、大型機械設備資源有限、材料供應量大且集中、工期緊、成本壓力大；

⑵棧橋、平臺施工難度大，具體如下：①缺水上起重設備；受航道制約，大型水上起重設備無法到達現場；②地質情況復雜；受孤石、漂石、卵石影響；③渡洪風險高；④工程量大，時間緊；

⑶大直徑鉆孔樁施工難度大，具體如下：①鋼護筒插打、定位難；②地質情況復雜；③保不住內外水頭差，易塌孔；

⑷圍堰施工難度大，具體如下：①水深流急，圍堰受力情況復雜；，②施工水域航道等級低、限制多；③缺大型水上起重設備；④工程量大、工期緊；

⑸大體積混凝土施工溫度控制難度大，承臺大體積混凝土（11470m3）一次澆筑成型；

4 總體安排及場地布置

4.1總體安排

水上基礎施工的工期計劃受很多客觀因素制約，如洪水等，因此總體安排上應避開不利因素提前安排，把握關鍵節點并倒排工期，充分利用枯水期的低水位抓緊施工，趕在洪水期來臨之前將下部結構施工出水，最終確保滿足總體施工計劃要求。因此綜合實際開工日期、水文地質、材料機械設備供應、場地布置、施工組織、施工成本等因素，總體安排布置如下[3，4，5，6]：3#墩基礎是全橋控制性的重難點，為了盡早完成其基礎施工，樁基施工采用“鉆孔平臺+雙支棧橋”+龍門吊、履帶吊配合的方案，再通過主棧橋將平臺與陸地相連，變水上施工為陸上施工；3#墩鉆孔樁采用全護筒跟進及護筒底口堵漏相結合利用大扭矩旋轉鉆機清水鉆孔實現快速成樁，局部有大孤石處采用重型沖擊鉆開孔、大鋼護筒跟進穿過孤石然后在其中穿套小鋼護筒旋轉鉆機成孔相結合的方法；承臺采用創新設計的雙壁鎖口鋼套箱圍堰，封底分兩個區分別澆筑，承臺大體積混凝土（11470m3）一次澆筑成型。4#墩因設計變更致使開工時間延后8個月，從而也變成控制性工程，鉆孔樁采用大扭矩旋轉鉆機泥漿鉆孔一次成孔；承臺采用18m超長鋼板樁套箱圍堰，封底不分區一次性成型，承臺大體積混凝土（6571m3）一次澆筑成型。

4.2場地布置

根據實際開工日期和總體安排可知，3、4#墩基礎施工均為控制性工程，因此場地布置按兩工點互不倒用考慮，但又因施工期間水位情況、鉆孔需要、起重需要及圍堰施工需要等不同而區別布置，詳見圖2，具體如下：

3#墩施工平臺、棧橋橋面標高定為+279.0m，鉆孔平臺平面尺寸為46.8×6m，在平臺大小里程側分別布置長96m的支棧橋A作為履帶吊、運輸車輛的平臺通道和龍門吊基礎，并在下游側預留出圍堰運輸空間，在支棧橋A之間設置連接棧橋B，然后在主橋下游側布置從3#墩通向岸上的主棧橋；配備36m跨100t、80t龍門吊各一臺，100t履帶吊一臺。

4#墩施工平臺、棧橋橋面標高定為+272.0m，鉆孔平臺平面尺寸為46.8×6m，在平臺大小里程側分別布置支棧橋B、支棧橋A作為履帶吊、運輸車輛的平臺通道和龍門吊基礎，然后在主橋上游側布置從4#墩通向灘地的連接棧橋；配備36m跨80t龍門吊一臺，50t履帶吊一臺。

圖2 施工場地布置

4.3工期計劃節點

嚴格完成各控制節點計劃，確保3、4#墩順利出水，每個墩子工期計劃節點主要可分為3個階段，具體如下：3#墩第1階段計劃是2014年5月中旬完成鉆孔平臺、6月上旬完成棧橋，并確保主體結構6月中旬成樁6根，同時將鉆孔平臺、棧橋與已成6根樁的鋼護筒連接起來確保其安全渡洪；第2階段計劃是2014年12月上旬完成所有主體結構鉆孔樁；第3階段計劃是2015年4月底完成3#墩承臺。4#墩第1階段計劃是2014年10月上旬完成棧橋、鉆孔平臺，10月底完成所有鋼護筒的插打；第2階段計劃是2015年2月上旬完成所有主體結構鉆孔樁；第3階段計劃是2015年5月中旬完成4#墩承臺。

5 棧橋、平臺施工

平臺、棧橋施工完畢與否直接控制主體結構鉆孔樁開鉆時間，根據總體安排，先施工3#墩平臺、棧橋，再施工4#墩棧橋、平臺。

3#墩棧橋、平臺均采用鋼管樁基礎，樁間設置2層連接系將鋼管樁基礎連成整體，樁頂依次設置型鋼分配梁、貝雷梁、型鋼、鋼板成平臺面，工程量大、工期緊，開工前期征地剛啟動，無進場便道可用，為了能盡早實施性開工，先在橋位成都岸上游500m處租用一塊既有江邊場地作為前期材料存放、半成品加工及臨時碼頭。由于橋址位于金沙江（長江上游）處，受航道及附近設備資源限制，只在重慶調集到1臺50t浮吊，由于正處枯水期航道水淺，浮吊經過3天才拖運至橋址，并于1月5日插打第1根鋼管樁。水上起重設備資源緊張，50t浮吊是水上唯一的起重設備，而鋼管樁倒運插打接長、樁間連接系安裝、分配梁橋面安裝等所有工作均離不開水上起重設備，通過合理組織調配緩解此矛盾，具體歸納為兩項措施，①：先期安排施工大里程側支棧橋A前3跨（從基礎到橋面全部）形成一個大平臺，將后期配合鉆孔樁施工的100t履帶吊提前進場在平臺上拼裝好，形成第2個作業點；②通過驗算設計安裝加固，將25t汽車吊固定在機駁上，制定專項使用規程限制吊重吊距，專門安裝小構件用，形成第3個作業點；③待貴陽岸灘地征下來后，從主棧橋橋臺往水中推進施工，形成第4個作業點。充分利用已有的4個起重作業點錯開合理安排，緊湊而有序的推進施工，確保施工進度。嚴格控制施工精度，編制專項測量方案，優化測量觀測點布置，精確控制浮吊、船舶等的水上定位。嚴格控制施工質量，確保結構安全，按照設計要求控制鋼管樁基礎的插打，當局部遇到孤石無法插入到位時，通過計算重新優化樁位布置來滿足要求，制定專項制度對鋼結構的焊縫質量進行全過程全覆蓋的檢查，直至施工完成并滿足計劃節點要求，最后請業主組織監理、施工三方進行聯合驗收方可使用。

4#墩棧橋、平臺結構形式與3#墩類似，當3#墩平臺、棧橋施工完后，利用50t浮吊施工已確定結構的水上鋼管樁就安排退場，節約機械費用，然后優化縮小棧橋鋼管樁跨距，從岸上利用50t履帶吊向水中推進施工，直至4#墩基礎主體結構變更設計確定后，設計鉆孔平臺并施工完成，并滿足計劃節點要求。

6 大直徑鉆孔樁

根據工期計劃及現有資源統籌安排3、4#墩的鉆孔樁施工，同時又考慮地質、施工水位、機械設備的不同，分別選擇有針對性的成孔工藝及資源配置[7，8]。

6.1 3#墩鉆孔樁施工

根據3#墩墩位處河床覆蓋層較淺（鋼護筒可完全穿越）及基巖為較穩定層等有利條件，而基巖上層為卵石土且漏漿的不利條件，鉆孔樁采用無泥漿護壁的清水鉆孔工藝、護筒跟進及護筒底口堵漏相結合實現快速成孔，鉆孔設備為6臺KTY4000型動力頭鉆機，采用氣舉反循環排渣。局部有大孤石處采用大小護筒和沖擊鉆、旋轉鉆相結合的方法完成鉆孔。

鉆孔施工分3步進行：先鉆鋼護筒內的覆蓋層直至入巖約2.5m；然后鋼護筒跟進直至插入巖層0.5m左右，并澆筑4m左右混凝土封堵孔底；待孔底封堵混凝土達到75%強度后，從混凝土頂開始鉆進直至終孔。其鉆孔施工要點如下：

⑴3#墩位于江中，水流急、水深大，其護筒直徑大、阻水面大、長度大、重量大，護筒平面定位及垂直度控制難，根據水位情況分別采用簡易定位圈和大型定位支架?？菟诰驮阢@孔平臺頂和平臺底距水面2m處各設置一道定位圈來實現精確控制；洪水期因水位高，兩道定位圈距離減小難以滿足控制精度，因此特別設計制造高12m的定型鋼支架來實現水下定位；

⑵鋼護筒及時跟進直至穩定地層（入巖0.5m），卵石土層為非穩定層，但鋼護筒無法直接插打穿透，需要鉆過護筒底口再插打跟進，當卵石土層厚度大于2m，為防止其塌孔，不能一次鉆透，按鉆出護筒2m控制，緊接著插打跟進，然后重復鉆孔、跟進直至滿足要求；

⑶創建穩定的地質環境，實現節能環保的清水鉆孔工藝施工。首先將鋼護筒插打跟進入巖層0.5m，使孔內和河床外覆蓋層完全隔離、防止其涌入；其次根據護筒底口穩定情況，在護筒底口上、下各2m范圍澆筑封堵混凝土形成防護圈，徹底防止內外連通；

⑷采用成本較高的球齒滾刀鉆頭，鉆頭配重至90t，反循環排渣保證鉆進進度；采取減壓算進措施保證鉆孔垂直度；

⑸局部有大孤石處采用插打大鋼護筒（直徑增加20cm）、重型沖擊鉆開孔穿過孤石，然后按前述方法及要求插打正常尺寸鋼護筒、利用旋轉鉆完成鉆孔；

6.2 4#墩鉆孔樁施工

根據4#墩墩位處河床覆蓋層較淺（鋼護筒可一次性完全穿越）及基巖上層為砂類土且不漏漿等有利條件，而基巖頂面傾斜致使鋼護筒與基巖之間不能較好密貼的不利條件，鉆孔樁采用大扭矩旋轉鉆機泥漿鉆一次成孔，鉆孔設備為3#墩使用的6臺KTY4000型動力頭鉆機和新增1臺KTY3000型動力頭鉆機[9]，采用氣舉反循環排渣。其鉆孔施工要點如下：

⑴根據實際情況統籌優化安排施工資源，由于設計變更致使開工時間晚，且樁基直徑由2.5m變為3.0m，沖擊鉆施工周期過長不能采用，因此確定采用大扭矩旋轉鉆機，而設備資源、運輸、起重條件均有限，因此總體上安排盡量壓縮3#墩鉆孔樁施工時間，倒用既有的6臺KTY4000型動力頭鉆機，再新增1臺KTY3000型動力頭鉆機，提前備好直徑3m的鉆頭，一共7臺鉆機4個循環完成27根樁；

⑵4#墩鉆機數量多、場地小、起重設備少、工期特別緊，因此在3#墩鉆機未出來、4#墩開鉆之前，集各方資源完成全部孔位鋼護筒的插打，為后續鉆孔按計劃順利完成打好堅實的準備；

⑶巖面傾斜，鋼護筒振動下沉至巖面即停止，不得繼續進行強制性振動下沉（防止鋼護筒沿傾斜巖面偏移），同時為了縮短成樁周期，只能省去先鉆孔入巖再使護筒跟進入巖的工序，采用膨潤土配置的高性能泥漿進行泥漿護壁反循環排渣鉆孔；

⑷由于護筒未入巖，護筒底口密封無法保證，極易發生塌孔，因此當鉆孔至護筒底口附近時，即要采取低鉆壓、慢鉆速，待鉆頭完全通過此段后再按正常參數控制，鉆孔采用泥漿護壁后，如護筒底口任然有少許漏漿的情況，則采用在泥漿中添加“鋸末灰+粉煤灰”攪拌入孔，以達到堵漏作用；

⑸灌注水下混凝土前，調控好泥漿各項指標，做好孔底沉渣的二清工作，確保樁基混凝土灌注質量。

7 圍堰施工

根據總體安排，3、4#墩均采用先棧橋、鉆孔平臺施工鉆孔樁后圍堰施工承臺的方案，因此其圍堰施工均為控制主線，而又因擬定施工水位、承臺標高、圍堰吃水深度、水流速度、施工場地、施工設備等不同情況，兩主墩采用不同的圍堰形式[10]，3#墩采用可拆裝式的雙壁鎖口鋼套箱圍堰，4#墩采用超長鋼板樁套箱圍堰。

7.1 3#墩圍堰施工

⑴圍堰成矩形布置見圖3，長66.10m、寬29.84m、高23.2m，其由壁板、止水鎖口樁和內支撐組成，壁板一共由22塊厚0.75m的壁板單元通過止水鎖口樁連接組成整體，圍堰內沿高度方向共設置兩道內支撐，內支撐由型鋼圈梁和鋼管支撐組成，圍堰底部設有3.0m厚的封底混凝土；

⑵圍堰自身特點：①圍堰設計成可拆裝式結構，水平方向共分成22塊，其單塊壁板高23.2m，在豎向為整體結構，塊與塊之間通過豎向的止水鎖口樁進行連接；②圍堰壁板為雙壁結構，內外壁板通過水平環板、豎向肋板連接成整體，水平方向以角鋼焊接加強，從而使得圍堰壁板具有非常大的整體剛度；③止水鎖口為豎向連續的“子母鎖口”，其相互交叉垂直插入形成整體，然后通過在鎖口內灌注水泥砂漿來阻斷水流路徑，達到較好的止水效果；④因封底混凝土方量一次數量太大，同時為了方便施工控制，因此采取平面分2個區分別澆筑；

圖3 3#墩圍堰結構布置圖

⑶施工步驟：①在臨時平臺上拼裝整個內支撐（兩層），然后整體下方入水至設計位置并固定好；②以內支撐作為導向依次安裝壁板單元和止水鎖口樁直至合龍形成整體圍堰壁板；③利用水泥砂漿封閉鎖口達到止水效果；④通過履帶式伸縮臂抓斗將圍堰內外河床面清理到設計位置；⑤通過隔艙板將圍堰底封底區平面分為2個區分別進行澆筑；⑥待封底混凝土達到要求強度后進行抽水，形成圍堰內無水環境，即可進行下一道工序；

⑷本圍堰在工程應用中的優點：①整體性較好，剛度大，可根據不同的結構尺寸進行圍堰組合，適用范圍廣，特別適用于大型深水基礎施工；②運輸較為方便，避免了通常情況下大型雙壁圍堰在加工制作、下水、浮運及施工過程中對加工地點選址、河流通航條件及較大施工水域等方面較高的要求；③特點顯著：拼裝、拆除方便，定位控制準確，大型機械設備投入少，施工速度快，施工安全性高；④采用的新型鎖口形式可以很好的解決高水頭差情況下鎖口的滲漏問題，大大提高了鎖口圍堰的的止水性能，確保了施工質量。

7.2 4#墩圍堰施工

⑴圍堰成矩形布置見圖4，長50m、寬26.5m、高18m，其由鋼板樁和內支撐組成，鋼板樁采用長18m的拉森Ⅳw型，圍堰內沿高度方向只設置一道內支撐，內支撐由型鋼圈梁和鋼管支撐組成，圍堰底部設有2.0m厚的封底混凝土；

圖4 4#墩圍堰結構布置圖

⑵圍堰自身特點：①拉森Ⅳw型鋼板樁寬0.6m、厚0.21m，互相咬合插打形成單壁封閉式圍堰，結構簡單、施工方便；②只在承臺頂上2m處的位置設置一道內支撐，從而方便承臺一次施工成形，加快施工進度；③樁間拼縫外側用專用內包吸鐵石橡膠條堵水，施工方便且效果好；④封底混凝土不分區一次澆筑成形，加快施工進度；

⑶施工步驟：①在臨時平臺上拼裝整個內支撐（兩層），然后整體下方入水至設計位置并固定好；②以內支撐作為導向依次安裝壁板單元和止水鎖口樁直至合龍形成整體圍堰壁板；③利用水泥砂漿封閉鎖口達到止水效果；④通過履帶式伸縮臂抓斗將圍堰內外河床面清理到設計位置；⑤通過隔艙板將圍堰底封底區平面分為2個區分別進行澆筑；⑥待封底混凝土達到要求強度后進行抽水，形成圍堰內無水環境，即可進行下一道工序；

⑷本圍堰在工程應用中的優點：①施工進度快，施工費用較其它鋼圍堰低；②鋼板樁為可拼拆式的，可重復使用，綠色環保；③可以根據需要組成各種外形的圍堰，適應范圍廣；④鋼板樁的社會資源豐富，租賃市場成熟，施工組織便捷。

8 大體積混凝土施工

由于工期緊，承臺均按一次施工成型，3#承臺大體積混凝土11470m3，土施工溫度控制難度大，分三個階段全過程控制[11]。階段1：混凝土生產環節，盡量降低原材料溫度，從而控制混凝土入模溫度；階段2：澆筑環節，按斜向水平分層方法進行，每層厚0.3～0.5m，上層混凝土在下層混凝土初凝前覆蓋，以便水化熱充分散發；階段3：承臺內系統的布置冷卻管和測溫元件，且每根循環回路均設置水量控制閥，每層冷卻管所在位置的混凝土初凝后即開始通冷卻循環水，同時根據流出水溫控制水量大小，混凝土澆筑完后對表面進行保溫，全程控制“內、外溫差”和“外、空溫差”不超過20℃，溫度開始下降時嚴控溫降速度（≤2℃/d），循環水管停用后，利用高壓風將水管積水吹出，然后壓注同等強度水泥漿進行封堵。

9 結 語

根據水文、地質、資源等實際情況統籌安排兩水中墩基礎施工，結合4#墩開工日期推遲等實際情況詳細制定各工序關門控制工期，然后按此工期節點精細組織施工，并在各項方案、資源選擇上做到各有取舍，使得兩墩水中基礎施工方案及布置上有相同、又有所不同，最終確保工期、質量（樁基經第三方檢測均為Ⅰ類樁，圍堰安裝狀態良好，封底成功，承臺施工質量優良），同時也節約施工成本，可為今后同類橋梁水中基礎施工提供借鑒。

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作者簡介：

張露 ZHANG Lu，1982-，男，工程師，2005年畢業于湖北工業大學土木工程專業，工學學士。研究方向：橋梁施工技術。