支撑桩加高压旋喷桩止水幕墙在土围堰基坑开挖施工中的应用

【摘要】结合巴达铁路渡市州河特大桥的工程实践，介绍在河床地形复杂及水下爆破施工受限的情况下，支撑桩加高压旋喷桩止水幕墙在土围堰基坑开挖中的应用。

【关键词】水中基础；基坑开挖；支撑桩加高压旋喷桩止水幕墙 冠梁

1、工程概况

1.1 渡市州河特大桥位于四川省达县渡市镇境内，中心里程LSD3K14+040，主跨采用76.5+144+76.5m连续梁跨越州河航道，其他采用多孔32米混凝土简支梁的桥式方案，采用T台、圆端形墩、桩基础设计。通航等级为Ⅳ级，桥孔按单孔双向通航设计。

1.2 根据钻探揭示、桥址区以泥岩、泥质砂岩为主，泥岩易风化崩解，基础开挖后应即时下基，并清除底部开挖浸水软化层，以免带来工程隐患。

1.3 8#墩基础和下部结构施工应在枯水季施工，约为每年11月、12月、1月、2月、3月、4月渡市州河特大桥上游为金盘子水电站，受其发电放水影响，河水标高在250-251.5之间变化。本桥主桥位于直线上，为双线连续梁桥，8#墩为主墩。该墩承台大部分位于州河右侧靠近岸边的浅水河床上，采用柱桩、承台基础，承台底面标高244.15。经调查，承台范围内大部分区域标高位于248-249m之间，水深3-4m，河床为弱风化砂岩。承台小部分区域河床标高突然下降至244.5，已接近设计承台底标高，水深约达7m。按照设计要求，承台大部分区域的河床需要下挖4-5m。

2、方案比选

2.1 渡市州河特大桥8#墩主墩处水深4-7m左右，进行主墩基础施工，常规的施工方法是采用双壁钢围堰。若采用双壁钢围堰，首先须进行水下爆破施工，在8#墩位处的河床进行水下爆破施工，存在以下几点不足之处：

2.1.1 8#墩紧挨着渡市镇街道，红线范围内应拆迁的房屋还没有开始拆迁，尚有居民居住其中，进行水下爆破施工势必会对房屋产生影响，增加了不安全隐患；

2.1.2 8#墩墩位处河床地形复杂，河流较急，进行水下爆破施工很难控制爆破效果，为后续施工埋下隐患。根据工程桩加冠梁在陆上深基坑中的应用，在加上密集布置高压旋喷桩能起到止水的作用，对8#墩水中基础施工采用筑岛围堰平台，施工主桥钻孔桩。同时在承台周边河床水深大于5米的地方设置φ1.25m的钻孔支撑桩和高压旋喷桩止水幕墙，以此作为承台基坑开挖后的支撑和止水结构。能保证承台开挖和施工过程中基坑的稳定性，经济上比双壁钢围堰节约投资，施工进度上也能得到保证。

3、支撑桩加高压旋喷桩止水幕墙方案设计

3.1 支撑桩桩截面设计

按最不利原则设计：填土深度7.5m处为受力最不利位置。

3.1.1 配筋面积计算。力学参数见表3.1.1-1。

表3.1.1-1

水容重 10 kN/m3

松散土容重 17 kN/m3

松散土内摩擦角 20

静止土压力系数K 0.657979857

桩间距 1.6 m

桩顶水+土压力 33.90 KN

桩底水+土压力 254.23 KN

桩底弯矩 3018.96 hjnm

桩基底竖向力 260.10 KN

把数据输入结构计算软件STR，得出结果：

桩编号： Zx（圆形）， D=1250 mm

材料强度： fc= C30， fy = 310N/mm^2， fyv=210N/mm^2

弯矩Mx=3019.0kN.m， My=0.0 kN.m， 轴力N=260.1kN

剪力Vx=1080.5kN， Vy=0.0 kN

纵筋面积 As= 20898mm^2

抗剪箍筋Asv= 0mm^2@200mm

得出的结论是：采用桩基桩径φ1.25m，混凝土强度等级C30，混凝土保护层厚度5cm，HRB335主筋配筋面积为20898mm2。

3.1.2 桩锚固长度设计

根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB1002.5-2005），桩下端需要锚固深度公式为：

h1――自桩下端锚固点算起的锚固需要深度（m）；

M――桩下端锚固点处的弯矩（KN*m）；

K――根据岩层构造在水平方向的岩石容许压力换算系数，0.5 ～1.0；

d――钻孔直径（m）；

R――岩石单轴抗压强度（Kpa）

按填土最深处设计，M值为3018.96，R值为5000，d为1.25，K值取0.8，计算得出h1=3.0m。

即桩长L≥7.5+3.0=10.5m，取桩长11m。

3.2 支撑桩桩基钢筋设计

3.2.1 桩基桩径采用φ1.25m，混凝土强度等级C30，混凝土保护层厚度5cm，主筋配筋面积须大于20898mm2，采用31根HRB335φ25钢筋结合4根工12工字钢，工字钢每根长6m，桩长3.5m～9.5m范围内布置，工字钢与箍筋必须焊接牢固，使其与钢筋笼连成一个整体共同受力，配筋面积为22337mm2，满足结构受力要求。

3.2.2 箍筋采用HPB235φ10钢筋，桩底以上7m，箍筋间距10cm，以上部分箍筋间距20cm，每2m设置一道加强箍筋，采用HRB335φ25钢筋。

3.3 筑岛平台施工

3.3.1 考虑到基坑开挖时围堰需要一定的止水能力和便于旋喷桩施工，筑岛填料选用砂粘土。现场采用挖掘机开挖，自卸车运至现场，推土机由岸边向预定筑岛区域逐层填筑，并做适当压实。

3.3.2 考虑到流水冲刷作用，河床标高较低处须先抛填石笼。该桥附近路基、站场挖方由于征地原因暂不能施工，制作石笼所需片石从附近石场采购，运至现场，制成石笼（石笼尺寸3*1.5*1m）。片石最短边尺寸不得小于20cm，石笼钢筋选用HPB235φ10钢筋布置，间距20cm*20cm，待河床标高较高区域大部填筑完成，石笼加工完毕，使用一台50t吊车将石笼抛填至河床标高较低区域。抛填石笼时应注意不能使其落在承台基坑支撑及旋喷桩止水幕墙区域，否则将影响其施工。

3.4 主墩钻孔桩施工

主墩桩基采用群桩布置，共16根桩，分4排，每排4根，桩径φ2.5m，桩长21.5m，采用冲击钻成孔。围堰平台场地平整完毕后，进行主墩桩基施工，施工时采用跳桩法施工，从围堰平台顶开始钻孔。考虑到填土深度较深区域，易发生塌孔现象，在土层较深区域的桩基，护筒的埋置深度适当加长。

3.5 基坑止水旋喷桩幕墙与支撑桩施工

3.5.1 围堰平台场地平整完毕后，高压旋喷桩止水幕墙和支撑桩与主墩桩基可以同时施工。先进行高压旋喷桩止水幕墙施工，高压旋喷桩桩径φ0.6m，桩位布置详见支撑桩加高压旋喷桩止水幕墙施工平面布置图，桩位严格按照施工布置图（见图3.5.1-1）进行放样，桩顶标高为252.00m，与枯水期最高水位齐平，桩底须穿过河底砂卵石层直至河床基岩面。

3.5.2 高压旋喷桩止水幕墙施工完毕后进行支撑桩的施工，支撑桩采用冲击钻成孔，施工时采用跳桩法施工。桩位布置详见支撑桩和高压旋喷桩止水幕墙施工平面布置图，支撑桩桩径φ1.25m，桩长11.0m，间距1.6m，桩底入岩深度不小于3m。混凝土强度等级为C30，桩身钢筋配筋设计根据不同的填土层深度及受力情况有不同的钢筋布置。靠近填土那侧是主要的受拉区，主筋布置采用双排钢筋；背离填土那侧主筋设置采用单排钢筋。填土层深度为6.5m至7.5m的区域内的桩基，考虑满足配筋面积的要求，在桩顶以下4.5m至10.5m的范围内，靠近填土那侧设置4根工12字钢，与箍筋焊接牢固，同钢筋笼形成一个整体共同受力。开钻前，对桩位进行准确放样，护筒埋置深度不小于1.0m；在钻进过程中要经常性的检查碴样，确保桩底入岩深度满足要求；成孔后，要及时清孔、安装钢筋笼及浇筑水下混凝土。

3.6 基坑开挖

3.6.1 主墩桩基及支撑桩和高压旋喷桩止水幕墙施工完成后，承台开挖前，先进行桩顶冠梁施工。冠梁截面尺寸宽1.25m*高0.6m，混凝土强度等级采用C30，冠梁钢筋配筋详见（图3.6.1-1）。冠梁施工完成后，在冠梁处设置一道φ609mm钢管斜撑，以保证在承台基坑开挖及施工过程中基坑的稳定。

3.6.2 支撑桩和高压旋喷桩止水幕墙区域，承台开挖沿承台边线竖直向下开挖；止水幕墙以外区域，填土层采用放坡开挖，坡率为1：1，坡脚与岩层开挖线留有1m宽平台，岩层开挖采用沿承台边线竖直开挖。考虑到对支撑桩和高压旋喷桩止水幕墙及承台周边居民住房的影响，岩层开挖使用机械破碎锤开挖，在开挖过程中，严禁施工机械对支撑桩和止水幕墙扰动或碰撞，严格控制超欠挖。

3.6.3 承台基坑开挖及施工过程中，测量人员每天须对基坑的位移变化进行测量，根据位移变化情况，分析基坑的稳定情况，发现隐患，及时处理，并对测量记录归档保存。位移观测点布置详见位移观测点布置图。

3.6.4 承台基坑开挖及施工过程中，测量人员每天须对基坑的位移变化进行测量，根据位移变化情况，分析基坑的稳定情况，发现隐患，及时处理，并对测量记录归档保存。位移观测点布置详见图3.6.4-1。

3.6.5 承台基坑开挖施工过程中，若出现渗水的现象，采用水平注浆的方法进行止水，注浆液选用水泥浆，水灰比为1：1，注浆孔布置、注浆顺序及注浆参数视现场渗水情况经试验确定。

3.7 承台施工

主墩承台尺寸横桥向21.1m*顺桥向19.9m，承台高5.0m，混凝土强度等级采用C35，一次浇筑成型。该墩承台属于大体积混凝土，为降低水化热，防止混凝土表面出现裂纹，承台内须埋设循环冷却水管，降低混凝土内部温度。考虑到承台尺寸较大在承台混凝土浇筑过程中不易均匀布料，采用混凝土泵车浇筑承台混凝土。由于拌合站原材料存储有限，原材料需在承台浇筑过程中不间断供应，物资部门要做好原材料供应计划，保障原材料的供应，试验室要对进场的材料进行抽检和检验，从源头保证混凝土质量。

4、安全保证措施

4.1 围堰筑岛施工时邀请相关管理机构工作人员到现场检查指导工作，保证施工期间航道安全。

4.2 围堰筑岛施工期间派专职安全工程师1名，负责日常安全管理工作。

4.3 围堰筑岛涉及其他安全要求的，到相关部门办理相关手续，并遵照执行。

4.4 机械设备的操作人员经过安全技术操作规程培训，考试合格后持有效证件上岗。定期检查机械设备的安全保护装置和安全指示装置，以确保以上两种装置的齐全、灵敏、可靠。机械操作人员必须听从施工人员的正确指挥，精心操作。加强工程机械和车辆的检查维修，对驾驶人员进行安全教育，严谨违章开车，杜绝交通事故的发生。

4.5 围堰平台设置支撑桩加高压旋喷桩止水幕墙那两侧在承台开挖及施工的过程中禁止行走车辆及堆放材料及工器具，避免因荷载的增加，造成基坑的不稳定。

5、施工环保、水土保持措施

5.1 建立与质量、安全保证体系并行的环保、水土保持体系，成立环境保护领导小组，与当地环保和有关部门协作，无条件接受环境保护部门的指导和监督，执行国家和地方政府的环保政策、法规，加强施工全过程的控制与管理，制定详细的环境保护措施，避免人为破坏和污染环境事件发生。

5.2 筑岛周围用双层彩条布包裹，均匀分布并压牢，防止填料污染水体。

5.3 围堰筑岛施工期间严禁向航道内抛弃淤泥和其它杂物，大桥施工完成后按要求及时清除施工时遗漏在河道中的一切障碍物。

6、结束语

6.1 渡市州河特大桥8#墩水中基础施工自然环境复杂，受制约因素多，施工风险性极高。通过现场认真研究，在施工方法及工艺上有了新的突破；

6.1.1 针对水中基础施工，河床地形复杂，采用筑岛围堰平台施工，支撑桩加高压旋喷桩止水幕墙作为支撑土体和止水结构，保证基坑在承台开挖及施工过程中的稳定。这一新施工工法的应用，为水中基础施工方法提供了新的选择；

6.1.2 这一技术的运用，可以避免采用水下爆破这一费用高，技术难度大的施工方法，对周围环境产生的影响也小；

6.1.3 在经济方面，这一技术相比采用双壁钢围堰投入较少，经济效益相当可观。