中铁大桥局集团第五工程有限公司 江西九江 332000
摘要：宜宾金沙江公铁两用桥（以下简称金沙江大桥）于2014年1月1日开工，主桥3、4#水中墩采用钻孔桩承台基础。3#墩为36根Φ3.4m大直径钻孔桩，桩长40m，承台尺寸61.6×26.6×7m。4#墩因河床面发生巨大变化，经重新设计于2014年8月正式定稿成图，将其基础变更为27根Φ3.0m大直径钻孔桩，桩长40m，承台尺寸46.8×23.4×6m。两墩位处漂石及卵石遍布、局部分布有5～7m巨型砂岩“孤石”、水流湍急、无大型浮吊资源、承台部分埋置在覆盖层中的特点，基础采用先栈桥、钻孔平台施工钻孔桩后钢套箱围堰施工承台的方案。两个水中墩结构尺寸、开工条件、水文地形地质等均不同，因此施工布置及组织上统筹考虑，有针对性的分别安排适合的施工方案。3#墩钻孔桩采用大扭矩旋转钻机清水钻孔、护筒跟进及护筒底口堵漏相结合实现快速成孔，局部有大孤石处采用大小护筒和冲击钻、旋转钻相结合的方法完成钻孔；承台采用创新设计的双壁锁口钢套箱围堰，封底分两个区分别浇筑，承台大体积混凝土（11470m3）一次浇筑成型。4#墩钻孔桩采用大扭矩旋转钻机泥浆钻一次成孔；承台采用18m超长钢板桩套箱围堰，封底不分区一次性成型，承台大体积混凝土（6571m3）一次浇筑成型。实践证明该桥水上基础施工技术是可行的，充分利用有限的资源组织施工，按期完成，且桩基经第三方检测均为Ⅰ类桩，围堰安装状态良好，封底成功，承台施工质量优良。
关键词：水中基础；大直径钻孔桩；巨型孤石；双壁锁口钢套箱围堰；超长钢板桩套箱围堰；承台；大体积混凝土
1 工程概况
宜宾金沙江公铁两用桥是成贵铁路跨越金沙江的重要通道，由公铁合建、铁路分建组成，桥梁全长1874.9m，其中公铁合建段长1213.0m，铁路分建长661.9m。主桥采用公铁合建方案跨越金沙江，主桥跨度布置为：（116+120+336+120+116）=808m，其中336m的主拱采用双层桥面钢箱系杆拱桥，116m和120m的边拱采用双层桥面混凝土简支系杆拱桥，3、4#墩为水中基础施工[1]，主桥布置图见图1。
图1 主桥桥式布置
3#墩位于贵阳侧江心，采用钻孔桩承台基础，36根φ3.4m大直径钻孔桩，桩长40m，承台部分埋置在河床覆盖层中尺寸为61.6×26.6×7.0m，顶、底标高分别为+256.3m、+249.3m；4#墩位于贵阳侧邻近岸边的水中，采用钻孔桩承台基础，施工进场后发现因地方采砂致使河床面发生巨大变化，经重新设计变更为27根Φ3.0m大直径钻孔桩，桩长40m，承台部分埋置在河床覆盖层中尺寸为46.8×23.4×6m，顶、底标高分别为+260.957m、+254.957m[2]。
2 水文地质
金沙江洪水是由融雪（冰）洪水和暴雨洪水形成，以暴雨洪水为主，桥位处洪水一般发生在6月下旬至10月中旬，时间跨度较长，汛期平均每月雨日可达20天左右，一次洪水持续时间最短的约10天左右，最长的达30天左右，枯水期平均水位260.00m，5年一遇洪水位277.94m。
施工进场后发现因地方采砂致使河床面发生巨大变化，3#墩河床面被降低10m高程变为246.00m左右，覆盖层厚8～13m，上部为厚6～8m全新统（Q4）稍密～中密状砂类土，底部为2～5m厚较新统（Q3）密实状卵石土，局部夹有5～7m大小的巨型崩坡积的砂岩“孤石”；4#墩河床面被降低8m高程变为254.00m左右，覆盖层厚12～22m，上部为厚3～6m全新统（Q4）稍密～中密状圆砾土，底部为9～16m厚全新统（Q4）稍密～中密状砂类土。
3 施工难点
⑴总体安排及施工布置难度大，具体如下：①开工日期偏晚，根据水文资料可知桥位处枯水期为10月下旬至次年6月中旬，而本项目于2014年1月1日正式开工，此时枯水期已错过2.5个月；②4#墩因设计变更致使开工时间延后8个月，其原因是地方采砂致使河床面发生巨大变化要对4#墩基础进行设计变更，经重新勘察、设计、咨询、评审直至2014年8月正式定稿成图；③限制多、工期紧，根据金沙江水文情况和3、4#墩基础结构标高可知，3#墩承台必须在来年4月底之前完成，4#墩承台必须在来年5月初之前完成，否则墩身不能顺利出水、总工期无法实现；④场地布置难，3、4#墩施工场地单独布置、且独立、互不干扰，同时材料、设备在不影响大局的提前下尽量共享；⑤总体安排难，工程体量大、无法错峰施工、大型机械设备资源有限、材料供应量大且集中、工期紧、成本压力大；
⑵栈桥、平台施工难度大，具体如下：①缺水上起重设备；受航道制约，大型水上起重设备无法到达现场；②地质情况复杂；受孤石、漂石、卵石影响；③渡洪风险高；④工程量大，时间紧；
⑶大直径钻孔桩施工难度大，具体如下：①钢护筒插打、定位难；②地质情况复杂；③保不住内外水头差，易塌孔；
⑷围堰施工难度大，具体如下：①水深流急，围堰受力情况复杂；，②施工水域航道等级低、限制多；③缺大型水上起重设备；④工程量大、工期紧；
⑸大体积混凝土施工温度控制难度大，承台大体积混凝土（11470m3）一次浇筑成型；
4 总体安排及场地布置
4.1总体安排
水上基础施工的工期计划受很多客观因素制约，如洪水等，因此总体安排上应避开不利因素提前安排，把握关键节点并倒排工期，充分利用枯水期的低水位抓紧施工，赶在洪水期来临之前将下部结构施工出水，最终确保满足总体施工计划要求。因此综合实际开工日期、水文地质、材料机械设备供应、场地布置、施工组织、施工成本等因素，总体安排布置如下[3，4，5，6]：3#墩基础是全桥控制性的重难点，为了尽早完成其基础施工，桩基施工采用“钻孔平台+双支栈桥”+龙门吊、履带吊配合的方案，再通过主栈桥将平台与陆地相连，变水上施工为陆上施工；3#墩钻孔桩采用全护筒跟进及护筒底口堵漏相结合利用大扭矩旋转钻机清水钻孔实现快速成桩，局部有大孤石处采用重型冲击钻开孔、大钢护筒跟进穿过孤石然后在其中穿套小钢护筒旋转钻机成孔相结合的方法；承台采用创新设计的双壁锁口钢套箱围堰，封底分两个区分别浇筑，承台大体积混凝土（11470m3）一次浇筑成型。4#墩因设计变更致使开工时间延后8个月，从而也变成控制性工程，钻孔桩采用大扭矩旋转钻机泥浆钻孔一次成孔；承台采用18m超长钢板桩套箱围堰，封底不分区一次性成型，承台大体积混凝土（6571m3）一次浇筑成型。
4.2场地布置
根据实际开工日期和总体安排可知，3、4#墩基础施工均为控制性工程，因此场地布置按两工点互不倒用考虑，但又因施工期间水位情况、钻孔需要、起重需要及围堰施工需要等不同而区别布置，详见图2，具体如下：
3#墩施工平台、栈桥桥面标高定为+279.0m，钻孔平台平面尺寸为46.8×6m，在平台大小里程侧分别布置长96m的支栈桥A作为履带吊、运输车辆的平台通道和龙门吊基础，并在下游侧预留出围堰运输空间，在支栈桥A之间设置连接栈桥B，然后在主桥下游侧布置从3#墩通向岸上的主栈桥；配备36m跨100t、80t龙门吊各一台，100t履带吊一台。
4#墩施工平台、栈桥桥面标高定为+272.0m，钻孔平台平面尺寸为46.8×6m，在平台大小里程侧分别布置支栈桥B、支栈桥A作为履带吊、运输车辆的平台通道和龙门吊基础，然后在主桥上游侧布置从4#墩通向滩地的连接栈桥；配备36m跨80t龙门吊一台，50t履带吊一台。
图2 施工场地布置
4.3工期计划节点
严格完成各控制节点计划，确保3、4#墩顺利出水，每个墩子工期计划节点主要可分为3个阶段，具体如下：3#墩第1阶段计划是2014年5月中旬完成钻孔平台、6月上旬完成栈桥，并确保主体结构6月中旬成桩6根，同时将钻孔平台、栈桥与已成6根桩的钢护筒连接起来确保其安全渡洪；第2阶段计划是2014年12月上旬完成所有主体结构钻孔桩；第3阶段计划是2015年4月底完成3#墩承台。4#墩第1阶段计划是2014年10月上旬完成栈桥、钻孔平台，10月底完成所有钢护筒的插打；第2阶段计划是2015年2月上旬完成所有主体结构钻孔桩；第3阶段计划是2015年5月中旬完成4#墩承台。
5 栈桥、平台施工
平台、栈桥施工完毕与否直接控制主体结构钻孔桩开钻时间，根据总体安排，先施工3#墩平台、栈桥，再施工4#墩栈桥、平台。
3#墩栈桥、平台均采用钢管桩基础，桩间设置2层连接系将钢管桩基础连成整体，桩顶依次设置型钢分配梁、贝雷梁、型钢、钢板成平台面，工程量大、工期紧，开工前期征地刚启动，无进场便道可用，为了能尽早实施性开工，先在桥位成都岸上游500m处租用一块既有江边场地作为前期材料存放、半成品加工及临时码头。由于桥址位于金沙江（长江上游）处，受航道及附近设备资源限制，只在重庆调集到1台50t浮吊，由于正处枯水期航道水浅，浮吊经过3天才拖运至桥址，并于1月5日插打第1根钢管桩。水上起重设备资源紧张，50t浮吊是水上唯一的起重设备，而钢管桩倒运插打接长、桩间连接系安装、分配梁桥面安装等所有工作均离不开水上起重设备，通过合理组织调配缓解此矛盾，具体归纳为两项措施，①：先期安排施工大里程侧支栈桥A前3跨（从基础到桥面全部）形成一个大平台，将后期配合钻孔桩施工的100t履带吊提前进场在平台上拼装好，形成第2个作业点；②通过验算设计安装加固，将25t汽车吊固定在机驳上，制定专项使用规程限制吊重吊距，专门安装小构件用，形成第3个作业点；③待贵阳岸滩地征下来后，从主栈桥桥台往水中推进施工，形成第4个作业点。充分利用已有的4个起重作业点错开合理安排，紧凑而有序的推进施工，确保施工进度。严格控制施工精度，编制专项测量方案，优化测量观测点布置，精确控制浮吊、船舶等的水上定位。严格控制施工质量，确保结构安全，按照设计要求控制钢管桩基础的插打，当局部遇到孤石无法插入到位时，通过计算重新优化桩位布置来满足要求，制定专项制度对钢结构的焊缝质量进行全过程全覆盖的检查，直至施工完成并满足计划节点要求，最后请业主组织监理、施工三方进行联合验收方可使用。
4#墩栈桥、平台结构形式与3#墩类似，当3#墩平台、栈桥施工完后，利用50t浮吊施工已确定结构的水上钢管桩就安排退场，节约机械费用，然后优化缩小栈桥钢管桩跨距，从岸上利用50t履带吊向水中推进施工，直至4#墩基础主体结构变更设计确定后，设计钻孔平台并施工完成，并满足计划节点要求。
6 大直径钻孔桩
根据工期计划及现有资源统筹安排3、4#墩的钻孔桩施工，同时又考虑地质、施工水位、机械设备的不同，分别选择有针对性的成孔工艺及资源配置[7，8]。
6.1 3#墩钻孔桩施工
根据3#墩墩位处河床覆盖层较浅（钢护筒可完全穿越）及基岩为较稳定层等有利条件，而基岩上层为卵石土且漏浆的不利条件，钻孔桩采用无泥浆护壁的清水钻孔工艺、护筒跟进及护筒底口堵漏相结合实现快速成孔，钻孔设备为6台KTY4000型动力头钻机，采用气举反循环排渣。局部有大孤石处采用大小护筒和冲击钻、旋转钻相结合的方法完成钻孔。
钻孔施工分3步进行：先钻钢护筒内的覆盖层直至入岩约2.5m；然后钢护筒跟进直至插入岩层0.5m左右，并浇筑4m左右混凝土封堵孔底；待孔底封堵混凝土达到75%强度后，从混凝土顶开始钻进直至终孔。其钻孔施工要点如下：
⑴3#墩位于江中，水流急、水深大，其护筒直径大、阻水面大、长度大、重量大，护筒平面定位及垂直度控制难，根据水位情况分别采用简易定位圈和大型定位支架。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆枯水期就在钻孔平台顶和平台底距水面2m处各设置一道定位圈来实现精确控制；洪水期因水位高，两道定位圈距离减小难以满足控制精度，因此特别设计制造高12m的定型钢支架来实现水下定位；
⑵钢护筒及时跟进直至稳定地层（入岩0.5m），卵石土层为非稳定层，但钢护筒无法直接插打穿透，需要钻过护筒底口再插打跟进，当卵石土层厚度大于2m，为防止其塌孔，不能一次钻透，按钻出护筒2m控制，紧接着插打跟进，然后重复钻孔、跟进直至满足要求；
⑶创建稳定的地质环境，实现节能环保的清水钻孔工艺施工。首先将钢护筒插打跟进入岩层0.5m，使孔内和河床外覆盖层完全隔离、防止其涌入；其次根据护筒底口稳定情况，在护筒底口上、下各2m范围浇筑封堵混凝土形成防护圈，彻底防止内外连通；
⑷采用成本较高的球齿滚刀钻头，钻头配重至90t，反循环排渣保证钻进进度；采取减压算进措施保证钻孔垂直度；
⑸局部有大孤石处采用插打大钢护筒（直径增加20cm）、重型冲击钻开孔穿过孤石，然后按前述方法及要求插打正常尺寸钢护筒、利用旋转钻完成钻孔；
6.2 4#墩钻孔桩施工
根据4#墩墩位处河床覆盖层较浅（钢护筒可一次性完全穿越）及基岩上层为砂类土且不漏浆等有利条件，而基岩顶面倾斜致使钢护筒与基岩之间不能较好密贴的不利条件，钻孔桩采用大扭矩旋转钻机泥浆钻一次成孔，钻孔设备为3#墩使用的6台KTY4000型动力头钻机和新增1台KTY3000型动力头钻机[9]，采用气举反循环排渣。其钻孔施工要点如下：
⑴根据实际情况统筹优化安排施工资源，由于设计变更致使开工时间晚，且桩基直径由2.5m变为3.0m，冲击钻施工周期过长不能采用，因此确定采用大扭矩旋转钻机，而设备资源、运输、起重条件均有限，因此总体上安排尽量压缩3#墩钻孔桩施工时间，倒用既有的6台KTY4000型动力头钻机，再新增1台KTY3000型动力头钻机，提前备好直径3m的钻头，一共7台钻机4个循环完成27根桩；
⑵4#墩钻机数量多、场地小、起重设备少、工期特别紧，因此在3#墩钻机未出来、4#墩开钻之前，集各方资源完成全部孔位钢护筒的插打，为后续钻孔按计划顺利完成打好坚实的准备；
⑶岩面倾斜，钢护筒振动下沉至岩面即停止，不得继续进行强制性振动下沉（防止钢护筒沿倾斜岩面偏移），同时为了缩短成桩周期，只能省去先钻孔入岩再使护筒跟进入岩的工序，采用膨润土配置的高性能泥浆进行泥浆护壁反循环排渣钻孔；
⑷由于护筒未入岩，护筒底口密封无法保证，极易发生塌孔，因此当钻孔至护筒底口附近时，即要采取低钻压、慢钻速，待钻头完全通过此段后再按正常参数控制，钻孔采用泥浆护壁后，如护筒底口任然有少许漏浆的情况，则采用在泥浆中添加“锯末灰+粉煤灰”搅拌入孔，以达到堵漏作用；
⑸灌注水下混凝土前，调控好泥浆各项指标，做好孔底沉渣的二清工作，确保桩基混凝土灌注质量。
7 围堰施工
根据总体安排，3、4#墩均采用先栈桥、钻孔平台施工钻孔桩后围堰施工承台的方案，因此其围堰施工均为控制主线，而又因拟定施工水位、承台标高、围堰吃水深度、水流速度、施工场地、施工设备等不同情况，两主墩采用不同的围堰形式[10]，3#墩采用可拆装式的双壁锁口钢套箱围堰，4#墩采用超长钢板桩套箱围堰。
7.1 3#墩围堰施工
⑴围堰成矩形布置见图3，长66.10m、宽29.84m、高23.2m，其由壁板、止水锁口桩和内支撑组成，壁板一共由22块厚0.75m的壁板单元通过止水锁口桩连接组成整体，围堰内沿高度方向共设置两道内支撑，内支撑由型钢圈梁和钢管支撑组成，围堰底部设有3.0m厚的封底混凝土；
⑵围堰自身特点：①围堰设计成可拆装式结构，水平方向共分成22块，其单块壁板高23.2m，在竖向为整体结构，块与块之间通过竖向的止水锁口桩进行连接；②围堰壁板为双壁结构，内外壁板通过水平环板、竖向肋板连接成整体，水平方向以角钢焊接加强，从而使得围堰壁板具有非常大的整体刚度；③止水锁口为竖向连续的“子母锁口”，其相互交叉垂直插入形成整体，然后通过在锁口内灌注水泥砂浆来阻断水流路径，达到较好的止水效果；④因封底混凝土方量一次数量太大，同时为了方便施工控制，因此采取平面分2个区分别浇筑；
图3 3#墩围堰结构布置图
⑶施工步骤：①在临时平台上拼装整个内支撑（两层），然后整体下方入水至设计位置并固定好；②以内支撑作为导向依次安装壁板单元和止水锁口桩直至合龙形成整体围堰壁板；③利用水泥砂浆封闭锁口达到止水效果；④通过履带式伸缩臂抓斗将围堰内外河床面清理到设计位置；⑤通过隔舱板将围堰底封底区平面分为2个区分别进行浇筑；⑥待封底混凝土达到要求强度后进行抽水，形成围堰内无水环境，即可进行下一道工序；
⑷本围堰在工程应用中的优点：①整体性较好，刚度大，可根据不同的结构尺寸进行围堰组合，适用范围广，特别适用于大型深水基础施工；②运输较为方便，避免了通常情况下大型双壁围堰在加工制作、下水、浮运及施工过程中对加工地点选址、河流通航条件及较大施工水域等方面较高的要求；③特点显著：拼装、拆除方便，定位控制准确，大型机械设备投入少，施工速度快，施工安全性高；④采用的新型锁口形式可以很好的解决高水头差情况下锁口的渗漏问题，大大提高了锁口围堰的的止水性能，确保了施工质量。
7.2 4#墩围堰施工
⑴围堰成矩形布置见图4，长50m、宽26.5m、高18m，其由钢板桩和内支撑组成，钢板桩采用长18m的拉森Ⅳw型，围堰内沿高度方向只设置一道内支撑，内支撑由型钢圈梁和钢管支撑组成，围堰底部设有2.0m厚的封底混凝土；
图4 4#墩围堰结构布置图
⑵围堰自身特点：①拉森Ⅳw型钢板桩宽0.6m、厚0.21m，互相咬合插打形成单壁封闭式围堰，结构简单、施工方便；②只在承台顶上2m处的位置设置一道内支撑，从而方便承台一次施工成形，加快施工进度；③桩间拼缝外侧用专用内包吸铁石橡胶条堵水，施工方便且效果好；④封底混凝土不分区一次浇筑成形，加快施工进度；
⑶施工步骤：①在临时平台上拼装整个内支撑（两层），然后整体下方入水至设计位置并固定好；②以内支撑作为导向依次安装壁板单元和止水锁口桩直至合龙形成整体围堰壁板；③利用水泥砂浆封闭锁口达到止水效果；④通过履带式伸缩臂抓斗将围堰内外河床面清理到设计位置；⑤通过隔舱板将围堰底封底区平面分为2个区分别进行浇筑；⑥待封底混凝土达到要求强度后进行抽水，形成围堰内无水环境，即可进行下一道工序；
⑷本围堰在工程应用中的优点：①施工进度快，施工费用较其它钢围堰低；②钢板桩为可拼拆式的，可重复使用，绿色环保；③可以根据需要组成各种外形的围堰，适应范围广；④钢板桩的社会资源丰富，租赁市场成熟，施工组织便捷。
8 大体积混凝土施工
由于工期紧，承台均按一次施工成型，3#承台大体积混凝土11470m3，土施工温度控制难度大，分三个阶段全过程控制[11]。阶段1：混凝土生产环节，尽量降低原材料温度，从而控制混凝土入模温度；阶段2：浇筑环节，按斜向水平分层方法进行，每层厚0.3～0.5m，上层混凝土在下层混凝土初凝前覆盖，以便水化热充分散发；阶段3：承台内系统的布置冷却管和测温元件，且每根循环回路均设置水量控制阀，每层冷却管所在位置的混凝土初凝后即开始通冷却循环水，同时根据流出水温控制水量大小，混凝土浇筑完后对表面进行保温，全程控制“内、外温差”和“外、空温差”不超过20℃，温度开始下降时严控温降速度（≤2℃/d），循环水管停用后，利用高压风将水管积水吹出，然后压注同等强度水泥浆进行封堵。
9 结 语
根据水文、地质、资源等实际情况统筹安排两水中墩基础施工，结合4#墩开工日期推迟等实际情况详细制定各工序关门控制工期，然后按此工期节点精细组织施工，并在各项方案、资源选择上做到各有取舍，使得两墩水中基础施工方案及布置上有相同、又有所不同，最终确保工期、质量（桩基经第三方检测均为Ⅰ类桩，围堰安装状态良好，封底成功，承台施工质量优良），同时也节约施工成本，可为今后同类桥梁水中基础施工提供借鉴。
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作者简介：
张露 ZHANG Lu，1982-，男，工程师，2005年毕业于湖北工业大学土木工程专业，工学学士。研究方向：桥梁施工技术。
论文作者:张露
论文发表刊物:《基层建设》2015年36期
论文发表时间:2016/9/6
标签：围堰论文; 钻孔论文; 栈桥论文; 混凝土论文; 钻机论文; 基础论文; 金沙江论文; 《基层建设》2015年36期论文;