三汇镇渠江三线特大桥深水挖孔桩基础施工探讨
1 工程概括
三汇镇渠江三线特大桥为襄渝铁路二线重点工程,桥址位于四川省达州市渠县三汇镇车站出站1Km,紧靠达成线既有渠江铁路大桥下游,相距12-30m。桥跨布置为:2×24预应力砼简支梁+3×32m预应力砼简支梁+(40+4×64+40)m预应力砼连续梁+24m预应力砼简支梁,桥梁全长520.80m。主桥连续梁梁体采用单箱单室变高度箱形梁,Ⅱ、3线双线箱梁为襄渝线,Ⅰ线单线箱梁为达成线。三线墩身及基础均为合修。
2 气候、水文情况
本地区属亚热带温暖湿润气候区,雨量充沛,春早夏长,秋雨连绵,冬暖多雾。
桥址上下游河道顺直,水域开阔,枯水期河面宽330-350米,水深5-8米。桥位所在河段为Ⅳ级航道,过往船只较频繁。该桥段内地表水主要为渠江江水,常年有流水,流量随季节变化。枯水期基本保持在相对变化不大的水位,汛期水位变化较大,汛期和枯水期水位落差达20余米,多发生在每年的七-九月份。
3 工程地质
三汇镇三线特大桥桩及扩大基础持力层均在弱风化带泥岩加砂岩层。测段出露为第四系、侏罗系地层,各层岩性如下:
第四系全新统冲积层(Q4al)。
<5>细砂(Qal4):棕黄至褐灰色,松散-中密,饱和,砂粒成份为长石、石英及云母,其中夹有少量的圆砾、卵石,分布于渠江河床中,厚0-2米属于Ⅰ级松土。
<8>卵石土(Qal4):灰-灰黄色,松散,饱和。卵石占60%,石质成分砂岩、灰岩及石英岩,余为圆砾及中细砂充填。分布于渠江河床中,厚0-4米属于Ⅲ级硬土。
第四系全新统坡、残积层(Qal+el4)。
<37>粉质黏土(Qal+el4):以褐红色为主,硬塑至坚硬状,含少许砂岩、泥岩质碎石角砾、零星分布于测段斜坡地带,厚0-2m,属Ⅱ级普通土。
侏罗系中统上沙溪庙组J2s。
<40>泥岩夹砂岩(J2s):紫红色夹灰绿色条带,泥岩呈泥质结构,质软,局部夹薄至中层状砂岩,浅灰、灰绿色,为中细粒结构,泥钙、质胶结,局部为厚层状,岩体较完整。强风化带(W3)岩体较破碎,厚1-7m不等,呈碎块状、饼状,属Ⅲ级硬土:弱风化带(W2)岩体较完整、新鲜,属Ⅳ级软石。出露于重庆岸坡。
<41>砂岩(J2s):灰黄-灰绿色,钙铁质胶结,中细粒结构,局部含长石较多,表层强风化带(W3)厚0-3m不等,呈碎块状、砂状,属Ⅲ级硬土:为弱风化(W2)岩体较完整、新鲜,属Ⅴ级次坚石。出露于安康岸坡。
4 工程特点
(1)工期紧。全桥总工期仅18个月;水中墩要求在1个枯水期水中墩达到渡汛标高。
(2)技术含量高,施工组织难度大。水深在枯水期6-10米,水中墩共6座,桩基础共89根,桩长19-26米。水上设施多,江水流量随季节变化较大,并有通航要求。
(3)施工环境差。交通不便,材料、机械运输困难,施工阻力大。
5 桩基施工方案
为了尽可能的加快施工进度,确保枯水期水中墩墩身施工至安全渡汛标高,在保证安全和施工质量的前提下,根据气候、水文、地质及施工条件,经过反复研究,决定水中平台墩的8#、9#墩采用挖孔桩施工,各桩同步进行;7#墩采用钻孔桩施工。水中平台原为钻孔平台设计,保留原平台不便,必要时个别墩可采取钻孔施工。
5.1 技术保障
为了确保桩位处钢护筒在抽水后水压力作用下不变形,应进行计算并对钢护筒进行局部加强,确保挖孔人员安全。
钢护筒受力初步简算:根据环状结构受力分析,应满足:
Qcr=3EI/R3=3×2.06×14.4/0.93=122.1KN/m。
其中:E=2.06×108KN/m2;
钢护筒半径大于桩径30cm,故R=0.9m;
I=bh3/12=14.4×10-8m4。
考虑到钢护筒原材料、加工等因素,取安全系数n=2;
钢护筒容许抽水高度h=Qcr/n/r=122.1/2/9.81=62m。
其中:r=ρg=9.81t/m。
制定钢护筒补强措施:钢护筒上的补强槽钢位置在水位以下6m处开始加焊一圈[10,往下每间隔2m加焊一圈
[10,加焊在钢护筒内侧,保证最下一圈加劲环[10与底口距离不大于2m。
采用有限元电验算:其中护筒采用板单元模拟,加强箍采用梁单元模拟。建模如图1所示:
可得结果:
σ=10MPa<140MPa;
f=0.1mm<6000/300=20mm。
经验算结构满足受力要求。
5.2 安全保障
针对水中挖孔施工制定专项安全措施,加大安全设施投入,每个作业平台由专人24小时负责,对所有挖孔作业人员进行详细的安全技术交底,并每周进行安全教育。
5.3 组织保障
项目部合理组织挖孔人员与机械,确保施工面全面开展。加设航标,避免过往船只撞击挖孔中的钢护筒。
6 桩基施工
6.1 挖孔桩施工关键
(1)确保钢护筒补强后结构受力可靠。
(2)钢护筒入岩一定深度,刃脚处理到位。
(3)确保挖孔作业人员的安全。
6.2 钢护筒补强措施
钢护筒上的补强槽钢位置在水位以下6m处开始加焊一圈[10,往下每间隔2m加焊一圈[10,加焊在钢护筒内侧,保证最下一圈加劲环[10与底口距离不大于2m。
6.3 钢护筒插打要求
采用中-160震动打桩机,尽量将钢护筒打入岩层一定深度,确保嵌岩。
6.4 挖孔防渗处理
6.4.1 钢护筒刃脚处理
钢护筒嵌入岩层后,刃脚底部为主要透水部位。首先进行抽水,由于采用震动打桩机插打钢护筒,在插打的过程中将2-4m的覆盖层挤密,抽水后进行人工开挖或采用砂石泵配合高压射水用换浆法清除孔内覆盖层。清除覆盖层到岩面后根据透水情况继续开挖或灌注高度为1.5m的 C30水下混凝土进行刃脚处理。
6.4.2 岩层渗水的防治
待封堵混凝土强度达到80%及以上时,进入下一步施工,采用水钻挖直径为1.5m的孔,在挖透封堵混凝土后,进入强风化泥岩夹砂岩,由于岩体较破碎,透水较大及岩层易剥落,在此施工时严格控制施工进度,每施工1m左右及进行混凝土护壁施工直至通过强风化泥岩夹砂岩或外套外径为1.5m的小钢护筒直至通过破碎带。
对于岩层裂隙较大处,可采用人工打入木楔、止水条、海带等遇水膨胀材料进行先期封堵,然后再采用混凝土护壁,确保护壁质量。
在施工过程中采用彩条布包裹孔壁,将四周渗水引至孔底集中抽排,视渗水情况放置1-2台潜水泵抽水,确保施工正常进行。
进入弱风化岩层后岩层密实,孔壁渗水较少,可直接开挖。
6.5 挖孔桩施工
根据不同的地质情况采用不同的机械工具,对于强风化泥岩夹砂岩,采用风枪掘进;对于弱风化泥岩夹砂岩采用水钻施工,施工方法同常规挖孔施工。
6.6 下钢筋笼
对于采用挖孔施工,孔底沉淀较少,清孔采用砂石泵配合高压射水清孔。钢筋笼采用浮吊或墩旁吊机分节焊接吊放。
6.7 水封混凝土
过程同常规水封方法。
7 结论
本工程深水挖孔桩基础施工的难点及关键是钢护筒的加固和挖孔中的防渗,桩基施工过程中,没有发现钢护筒变形问题,并在挖孔的过程中很好的控制了渗水量,满足了正常施工的要求。挖孔桩很好的解决了孔底沉淀问题,在经过项目部对整个过程的严格控制后,经西南交大试验检测中心检测,全桥桩基均为Ⅰ类桩。实践证明,其施工方案与施工工艺是可行的。
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